Stochastische Modellierung der durch Taxien beeinflussten Zellmigration und Simulation der extrazellulären Matrix

Gegenstand dieser Arbeit ist die mathematische Modellierung der Faktoren und Wirkmechanismen, welche das Zellverhalten und somit deren Migration steuern. Es werden zwei mögliche Zugänge vorgestellt, die unterschiedliche räumliche Skalen abbilden. Beide Ansätze sind stochastischer Natur, da eine deterministische Herangehensweise die Beobachtungen nicht adäquat widerspiegelt. Des Weiteren werden in beiden Fällen Zellen als diskrete Einheiten verifiziert. Der erste Teil dieser Arbeit stellt die Verbindung zwischen zellulärer Ebene und Gewebe her, wobei eine spezielle Tumorreaktion, die desmoplastische Stromareaktion, näher betrachtet wird. Dabei modifizieren die wandernden Fibroblasten das umgebende Medium, die sogenannte extrazelluläre Matrix (EZM). Die Zellen erfahren sowohl durch die EZM als auch durch einen chemischen Gradienten Taxis-Impulse. Ihre Geschwindigkeit wird durch eine verallgemeinerte Langevin-gleichung modelliert. Die Beschreibung der EZM erfolgt als Vektorfeld. Das Verfahren ist so formuliert, dass es auf den zwei- und dreidimensionalen Fall anwendbar ist. Der Einfluss molekularer Prozesse in und an der Zellmembran wird im zweiten Teil näher untersucht. Basierend auf dem physikalischen Modell der Starrkörperbewegung werden gewöhnliche Differentialgleichungen für die rotatorische und translatorische Geschwindigkeit hergeleitet. Die Änderungsraten dieser Größen werden ausschließlich durch Rezeptorenverteilungen in einzelnen Membransegmenten gesteuert. Diese Verteilungen sind einerseits durch Rezeptor-Liganden-Bindung und lateraler Diffusion freier Rezeptoren bedingt, andererseits unterliegen sie zufälligen Fluktuationen, die durch ein System stochastischer Differentialgleichungen beschrieben werden.The objective of this work is the mathematical modelling of the factors and mechanisms which determine cell behavior and thus manage cell migration. There are two possible approaches, which represent different magnitude-scales. Both approaches are stochastic in nature, because in a deterministic approach the observations would not be adequately assessed. In both concepts cells are considered to be discrete objects. The first part of this work focuses on the desmoplastic stroma reaction which is a response to tumor invasion. Migratory fibroblasts have modified the surrounding medium, i.e. the extracellular matrix (ECM). The cell will obtain taxis impulses both, chemical gradient and ECM. The fibroblast velocity is determined by a generalized Langevin equation model and the ECM is described as a vector field. The procedure is formulated in such a way that it results in either a two- or threedimensional simulation. The second part of the work puts emphasis on molecular processes on the cell membrane. Based on the physical model of rigid body motion, ordinary differential equations are derived for translational and rotational speed. The change rates of these values are modified exclusively by changes of the receptor distribution in individual membrane segments. These distributions are determined by receptor-ligand bonds and lateral diffusion of free receptors. They are also subject to random fluctuations that can be described by a system of stochastic differential equations

Zur Bestimmung eisinduzierter Massensignale aus der Kombination geodätischer Daten

Die Kryosphäre interagiert mit verschiedenen anderen Subsystemen der Erde. Variationen der klimatischen Bedingungen führen zu kryosphärischen Massenänderungen und somit zu Änderungen des globalen Meeresspiegels. Gleichzeitig induzieren Massenvariationen des Eises und des Ozeans Deformationen der festen Erde, welche sich aus einer instantanen elastischen und einer möglichen verzögerten viskosen Reaktion (glazial-isostatischer Ausgleich – GIA) zusammensetzen. Der räumlich variable Effekt der Meeresspiegeländerung relativ zur sich deformierenden Erdkruste wird gravitativ konsistent durch die Meeresspiegelgleichung beschrieben. Er ist die entscheidende Größe zur Abschätzung des Einflusses der Meeresspiegeländerungen auf die Küsten. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Bestimmung rezenter Massenänderungen der Eisschilde Antarktikas (AIS) und Grönlands (GIS) mittels geodätischer Daten. Zur Ableitung der Massenbilanzen beider Eisschilde wurde auf Daten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) zurückgegriffen. Für den Zeitraum 2003/10–2009/10 konnten die Beiträge von AIS und GIS zur globalen Meeresspiegeländerung zu 0,26 ± 0,08 bzw. 0,59 ± 0,06mm/a bestimmt werden. Auf Basis wiederholter Höhenmessungen durch das Satellitenaltimeter ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) stand eine zweite unabhängige Schätzung der Massenbilanzen zur Verfügung. Während für den GIS beide Massenbilanzen im Rahmen der zugehörigen Fehlermaße übereinstimmen, treten für den AIS regional größere Differenzen auf. Diese konnten auf mögliche Restfehler in einer instrumentellen Korrektion der ICESat-Mission, Limitierungen der angewendeten Volumen-Massen-Umrechnung sowie auf Fehler in den genutzten GIA-Modellen zurückgeführt werden. Für die Ableitung von Eismassenänderungen aus GRACE-Daten stellen GIA-Prädiktionen eine wichtige Reduktionsgröße dar. In Antarktika weisen verfügbare Modelle noch große Unsicherheiten auf. Für den Bereich des Amundsen-See-Sektors (Westantarktika), welcher den größten Teil zur negativen Massenbilanz des AIS beiträgt, konnte eine empirische GIA-Schätzung aus der Kombination von Massenänderungen aus GRACE und Volumenänderungen aus ICESat abgeleitet werden. Diese empirische Schätzung unterscheidet sich signifikant von den Prädiktionen verfügbarer GIA-Modelle. Eine Validierung der Ergebnisse mittels aus GPS-Beobachtungen abgeleiteten vertikalen Deformationen der Erdkruste bestätigte die empirische Schätzung. Die GPS-beobachteten Deformationen enthalten sowohl rezente eisinduzierte als auch GIA-bedingte Signalanteile. Zu deren Trennung wurden gravitativ konsistent modellierte elastische Krustendeformationen verwendet, welche auf hoch aufgelösten ICESat-Daten basieren. Insbesondere bei der Analyse von GRACE-Daten hat eine Änderung der GIA-Reduktion einen signifikanten Einfluss auf die bestimmte Massenbilanz. Im Vergleich zur Verwendung einer modellierten GIA-Reduktion ergab sich durch die Anwendung der empirischen Reduktion ein um ~40% größerer Eismassenverlust im Untersuchungsgebiet. Sowohl in den Zeitreihen der Massenänderungen als auch in den Variationen der Eisoberflächenhöhen konnten nichtlineare Signale detektiert werden. Die Analyse von GRACE-Monatslösungen im Zeitraum 2003–2012 belegt einen erhöhten Meeresspiegelbeitrag des AIS und des GIS in den letzten Jahren. Signale dieses erhöhten Massenverlusts sind auch durch andere Sensoren detektierbar. Am Beispiel des Jakobshavn Isbræ (GIS) wurde ein beschleunigtes Fließverhalten mittels optischer Satellitendaten (Landsat) nachgewiesen und mit der beschleunigten Krustenhebung an einer benachbarten GPS-Station korreliert. Darüber hinaus wurden beobachtete Krustendeformationen auch zur Validierung der aus ICESat-Daten modellierten elastischen Deformationen genutzt. Für den Thwaites-Gletscher (AIS) konnte der Nachweis über eine Zunahme der Fließgeschwindigkeit und eine verstärkte Eishöhenabnahme durch die Hinzunahme radarbasierter Satellitendaten (TerraSAR-X, TanDEM-X) erbracht werden. Auf diese Weise war es möglich, die durch Landsat und ICESat bereitgestellten Zeitreihen zu verlängern

Observed crustal uplift near the Southern Patagonian Icefield constrains improved viscoelastic Earth model

Thirty‒one GPS geodetic measurements of crustal uplift in southernmost South America determined extraordinarily high trend rates (> 35 mm/yr) in the north‒central part of the Southern Patagonian Icefield. These trends have a coherent pattern, motivating a refined viscoelastic glacial isostatic adjustment model to explain the observations. Two end‒member models provide good fits: both require a lithospheric thickness of 36.5 ± 5.3 km. However, one end‒member has a mantle viscosity near η =1.6 ×1018 Pa s and an ice collapse rate from the Little Ice Age (LIA) maximum comparable to a lowest recent estimate of 1995–2012 ice loss at about −11 Gt/yr. In contrast, the other end‒member has much larger viscosity: η = 8.0 ×1018 Pa s, half the post–LIA collapse rate, and a steadily rising loss rate in the twentieth century after AD 1943, reaching −25.9 Gt/yr during 1995–2012.Fil: Lange, H.. Technische Universitaet Dresden; AlemaniaFil: Casassa, G.. Centro de Estudios Cientificos; Chile. Universidad de Magallanes; ChileFil: Ivins, E. R.. Institute of Technology. Jet propulsion Laboratory; Estados UnidosFil: Schroeder, L.. Technische Universitaet Dresden; AlemaniaFil: Fritsche, M.. Technische Universitaet Dresden; AlemaniaFil: Richter, Andreas Jorg. Technische Universitaet Dresden; Alemania. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Astrometría; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Groh, A.. Technische Universitaet Dresden; AlemaniaFil: Dietrich, R.. Technische Universitaet Dresden; Alemani

Accounting for GIA signal in GRACE products

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) observes gravitational potential anomalies that include the effects of present-day surface mass change (PDSMC)- and glacial isostatic adjustment (GIA)-driven solid Earth mass redistribution. Therefore, GIA estimates from a forward model are commonly removed from GRACE to estimate PDSMC. There are several GIA models and to facilitate users in using a GIA model of their choice, both GRACE and GIA products are made available in terms of global gridded fields representing mass anomaly. GRACE-observed gravitational potential anomalies are represented in terms of equivalent water height (EWH) with a relation that accounts for an elastic solid Earth deformation due to PDSMC. However, for obtaining GIA EWH fields from GIA gravitational potential fields, two relations are being used: one that is similar to that being used for GRACE EWH and the other that does not include an elastic deformation effect. This leaves users with the possibility of obtaining different values for PDSMC with a given GRACE and GIA field. In this paper, we discuss the impact of this problem on regional mass change estimates and highlight the need for consistent treatment of GIA signals in GRACE observations

The hydrostatic control of load-induced height changes above subglacial Lake Vostok

Lake Vostok, East Antarctica, represents an extensive water surface at the base of the ice sheet. Snow, ice and atmospheric pressure loads applied anywhere within the lake area produce a hydrostatic response, involving deformations of the ice surface, ice-water interface and particle horizons. A modelling scheme is developed to derive height changes of these surfaces for a given load pattern. It is applied to a series of load scenarios, and predictions based on load fields derived from a regional climate model are compared to observational datasets. Our results show that surface height changes due to snow-buildup anomalies are damped over the lake area, reducing the spatial standard deviation by one-third. The response to air pressure variations, in turn, adds surface height variability. Atmospheric pressure loads may produce height changes of up to ±4 cm at daily resolution, but decay rapidly with integration time. The hydrostatic load response has no significant impact neither on ICESat laser campaign biases determined over the lake area nor on vertical particle movements derived from GNSS observations.Fil: Richter, Andreas Jorg. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Cs.astronomicas y Geofisicas. Laboratorio Maggia.; ArgentinaFil: Schröder, Ludwig. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Scheinert, Mirko. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Popov, Sergey V.. Polar Marine Geosurvey Expedition; Rusia. Saint Petersburg State University; RusiaFil: Groh, Andreas. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Willen, Matthias. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Horwath, Martin. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Dietrich, Reinhard. Technische Universität Dresden; Alemani

Beitrag der polaren Eismassen zum globalen Meeresspiegelanstieg aus Daten der Satelliten-Schwerefeldmission GRACE: Beitrag der polaren Eismassen zum globalen Meeresspiegelanstieg aus Daten der Satelliten-Schwerefeldmission GRACE

Die mit dem globalen Klimawandel einhergehende Zunahme der mittleren Jahrestemperatur führt zu einem Anstieg des mittleren Meeresspiegels. Hierzu trägt auch das Schmelzwasser der kontinentalen Eismassen bei. Über die Bestimmung der kontinentalen Eismassenänderungen kann somit auf deren Beitrag zum globalen Meeresspiegelanstieg geschlossen werden. Eismassenänderungen spiegeln sich in Variationen des Gravitationsfeldes der Erde wieder. Diese Variationen werden durch die Satelliten- Schwerefeldmission GRACE monatlich bestimmt. Am Institut für Planetare Geodäsie wurden die Eismassenänderungen des Antarktischen und Grönländischen Eisschildes aus 61 GRACEMonatslösungen für den Zeitraum August 2002 bis Januar 2008 abgeleitet. Sie belaufen sich auf -109 ± 48 bzw. -193 ± 22 Gt/a, was einem äquivalenten Meeresspiegelanstieg von 0.31 bzw. 0.55 mm/a entspricht.The mean annual temperature rise which goes hand in hand with global warming results in a mean sea level rise. Meltwater influx from continental ice masses is one component of this phenomenon. Hence, the determination of continental ice mass changes makes it possible to infer their contribution to the global mean sea level rise. Such mass variations induce changes in the Earth's gravity field, as observed on a monthly basis by the gravity field satellite mission GRACE. At the Institut für Planetare Geodäsie, mass changes across the ice sheets of Greenland and Antarctica have been derived from 61 GRACE monthly solutions for the period 08/2002 – 01/2008. These ice mass changes add up to -109 ± 48 and -193 ± 22 Gt/a, respectively. This equates to a sea level rise of 0.31 or 0.55 mm/a

The rapid and steady mass loss of the patagonian icefields throughout the GRACE Era: 2002-2017

We use the complete gravity recovery and climate experiment (GRACE) Level-2 monthly time series to derive the ice mass changes of the Patagonian Icefields (Southern Andes). The glacial isostatic adjustment is accounted for by a regional model that is constrained by global navigation satellite systems (GNSS) uplift observations. Further corrections are applied concerning the effect of mass variations in the ocean, in the continental water storage, and of the Antarctic ice sheet. The 161 monthly GRACE gravity field solutions are inverted in the spatial domain through the adjustment of scaling factors applied to a-priori ice mass change patterns based on published remote sensing results for the Southern and Northern Patagonian Icefields, respectively. We infer an ice mass change rate of -24.4 ± 4.7 Gt/a for the Patagonian Icefields between April 2002 and June 2017, which corresponds to a contribution to the eustatic sea level rise of 0.067 ± 0.013 mm/a. Our time series of monthly ice mass changes reveals no indication for an acceleration in ice mass loss. We find indications that the Northern Patagonian Icefield contributes more to the integral ice loss than previously assumed.Fil: Richter, Andreas Jorg. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Cs.astronomicas y Geofisicas. Laboratorio Maggia.; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Groh, Andreas. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Horwath, Martin. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Ivins, Erik. California Institute of Technology; Estados UnidosFil: Marderwald, Eric Rodolfo. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Cs.astronomicas y Geofisicas. Laboratorio Maggia.; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Hormaechea, José Luis. Estacion Astronomica Rio Grande; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Austral de Investigaciones Científicas; ArgentinaFil: Perdomo, Raúl. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Cs.astronomicas y Geofisicas. Laboratorio Maggia.; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Dietrich, Reinhard. Technische Universität Dresden; Alemani

Wasser und Eis - Satellitendaten zur Bilanzierung von Massentransporten

Beitrag zu Wasser und Eissatellitendaten zur Bilanzierung von Massentransporten anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich