High order boundary element methods

The thesis is a major contribution to the state of research in the field of boundary element methods in general and to the electromagnetic engineering sciences in particular. The first contribution is the development and implementation of high order boundary element methods. It is explained how to set up a high order boundary element implementation which provides solvers for elliptic, Maxwell and mixed problems. The second contribution is a complete mathematical theory for a stabilized boundary variational formulation describing scattering problems. The stabilized formulation presented in the thesis is equivalent to the classical formulations, however, it does not suffer from the low-frequency break-down. The high order methods have been applied to the classical and stabilized formulations describing electromagnetic scattering and the theoretical results on asymptotic convergence and stability have been verified by the numerical computations.Die Dissertation befaßt sich mit der Entwicklung von Randelementmethoden höherer Ordnung. Die Implementierung, die im Zuge der Arbeit entstand, unterscheidet sich von herkömmlicher Software dadurch, dass sie zur numerischen Lösung von elliptischen Problemen, von Maxwell Problemen und insbesondere zur numerischen Lösung von gemischten Formulierungen benutzt werden kann. In der Arbeit werden die theoretisch bewiesenen Konvergenzraten für all diese Problemklassen verifiziert. Um die Leistungsfähigkeit der Software zu demonstrieren, wird insbesondere eine gemischte Formulierung zur Lösung eines elektromagnetischen Streuproblems entwickelt. Diese sogenannte stabilisierte Formulierung ist gleichsam das zweite Forschungsergebnis dieser Arbeit. Im Unterschied zu der klassischen Formulierung gewährleistet die stabilierte Formulierung numerische Stabilität im Grenzfall quasi-elektrostatischer Prozesse. Die theoretischen und numerischen Resultate, die diese Aussage rechtfertigen, werden in der Arbeit geliefert

Correlation induced electrostatic effects in biomolecular systems

An understanding of electrostatic interactions in biomolecular systems is crucial for many applications in molecular biology. This thesis focuses on the theoretical modeling of two effects: first, the change in the dielectric properties of water due to hydrogen bond formation and second, the reentrant condensation of proteins induced by protein-metal ion complexation. A nonlocal response theory is necessary to describe the dielectric effects of hydrogen bond formation. Correctly formulating this theory for a solvated biomolecule is challenging, because the biomolecule\u27s cavity poses an obstacle for the water network. We develop a theory explicitly incorporating boundary conditions to describe the water network on the molecular surface. We implement an accurate and efficient finite difference solver, which offers the possibility to easily investigate different physically motivated boundary effects. A detailed analysis of different nonlocal models reveals that, for the macroscopic behavior, the boundary conditions are of minor importance, while for a detailed understanding of the electrostatics near the molecular surface the correct modeling of the hydrogen bond formation is crucial. Recent experimental findings describe a reentrant condensation of proteins in solutions of varying metal ion concentration. We present a heuristic model to account for the metal ion binding on the molecular surface which qualitatively and quantitatively explains the phase diagram of this condensation effect.In der vorliegenden Arbeit konzentrieren wir uns auf die Beschreibung elektrostatischer Phänomene in biomolekularen Systemen. Zuerst untersuchen wir den Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen auf die dielektrischen Eigenschaften von Wasser. Dafür ist die Einführung eines nichtlokalen dielektrischen Operators notwendig. Die nichtlokale Reaktion des Wassers wird durch das gelöste Protein und der damit entstandenen Kavität maßgeblich beeinflusst.Wir entwickeln ein Differentialgleichungssystem, welches Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften an der Moleküloberfläche explizit berücksichtigt. Um diese Randeffekte genauer zu analysieren und um unsere Modellgleichungen auf ionische Lösungen zu erweitern, implementieren wir ein modifiziertes Finite-Differenzen-Verfahren, welches sich, neben Effizienz, durch hohe Genauigkeit auszeichnet. Mit diesem Lösungsverfahren untersuchen wir erstmals verschiedene Wassermodelle. Die Analyse zeigt, dass die Veränderungen der Randbedingung an der Moleküloberfläche auf makroskopische Größen von untergeordneter Bedeutung sind, jedoch einen signifikanten Einfluss auf das elektrostatische Potential in der Nähe des Moleküls hat. Des Weiteren betrachten wir einen kürzlich entdeckten Effekt in Proteinlösungen: die Bindungsaffinität von gelösten Metallionen induziert die Bildung von Protein-Metallionen-Komplexen. Diese können in Abhängigkeit der gelösten Ionenkonzentration kondensieren und wieder in Lösung gehen. In Analogie zu Protonierungsmodellen entwickeln wir eine Theorie zur Beschreibung der Komplexbildung. Erste Vergleiche mit Experimenten zeigen, dass das vorgeschlagene Modell den Kondensationseffekt qualitativ und quantitativ erklären kann

Dead wood volume to dead wood carbon: the issue of conversion factors

Requirements for emission reporting under the Kyoto protocol demand an estimate of the dead wood carbon pool in forests. The volume of dead wood consists of coarse woody debris, smaller woody debris and dead roots. The measurement of dead wood volume was included in the most recent National Forest Inventory in Switzerland. To convert dead wood volume into carbon two conversion factors are required: (a) carbon (C) concentration and (b) wood density. So far internationally accepted default values for C concentration (50%) and for wood density (density of alive trees) were used as default values to estimate dead wood carbon, since local measurements were lacking. However, in a field study at 34 sites in Switzerland, the C concentration and density of CWD from Picea abies and Fagus sylvatica of four decay classes were measured recently. The results showed that C concentration in CWD differed significantly between species but did not change due to decay class. The density of CWD decreased significantly with an increase in decay class and it also differed between species. The decrease in CWD density was more pronounced for F. sylvatica than for P. abies. We assessed correlations between climate attributes and CWD density using regression analysis. The modeled densities and measured C concentrations were then expanded with the help of CWD volume data from the NFI3. Spruce CWD and thus spruce CWD carbon is much more abundant in Swiss forests than beech CWD carbon. The majority of spruce CWD is located in the Alps and Pre-Alps. The CWD volume from P. abies was 10 times higher than that from F. sylvatica. Thus, changes in conversion factors for P. abies CWD affected the overall estimate of dead wood carbon in Swiss forests much more than changes in conversion factors for F. sylvatica CWD. Current improvements in CWD conversion factors decreased the estimated amount of spruce CWD carbon by 23.1% and that of beech by 47.6%. The estimated amount of CWD carbon in Swiss forests is decreased by 31%. Since improved estimation methods are currently not applied to smaller woody debris and dead root material, the estimated amount of dead wood carbon is only reduced by 15%. Improving conversion factors for all dead wood fractions would presumably decrease the amount of dead wood carbon by additional 16

Einfluss von organischer N-Düngung auf die Entwicklung von Leguminosen-Nachsaaten

Im Dauergrünland werden sowohl organische (z.B. Gülle) als auch mineralische N-Dünger eingesetzt, wobei deren Wirkung auf Leguminosen oder Leguminosen-Mischbestände teilweise unterschiedlich bewertet wird. Für den Ökolandbau hat die organische N-Düngung eine besondere Relevanz, denn eine mineralische N-Düngung ist nicht zulässig. Bislang ungeklärt war, ob und in welchem Maße eine organische N-Düngung (Gülle) eine Nachsaat von Leguminosen negativ beeinflusst. Ein mehrfaktorieller Versuch mit drei Leguminosen Nachsaat-Varianten im Dauergrünland, zwei N-Düngearten und zwei N-Düngeniveaus wurde über den Zeitraum von 3 Jahren beobachtet. Zur Vergleichbarkeit mit anderen Studien wurden mineralische N-Düngervarianten in die Studie mit einbezogen. Der Leguminosen-Anteil von Rotklee und Weißklee wurde durch erhöhte organische N-Düngerraten reduziert. Eine Reduktion war schon bei einer N-Gabe von 85 kg ha-1 messbar. Durch eine erhöhte N-Gabe erhöhte sich der Trockenmasse-Ertrag in der Kontrolle (keine Nachsaat), aber nicht in den Klee-nachgesäten Varianten. Klee-nach- gesäte Varianten hatten auch ohne N-Düngung gleiche oder erhöhte Trockenmasse-Erträge im Vergleich zur N-gedüngten Kontrolle

»Krise des Sozialstaats« - Krise für wen?

Als der bekannte Futurologe XY anhub, die letzte Frage zu beantworten, war Woytila wohl längst eingedöst. Reifere Menschen konzentrieren sich eben auf Probleme, nicht auf Lösungen. Das braucht uns jetzt nicht zu interessieren. Zu denken gibt jedoch, daß der Krisenbegriff schon in Castelgandolfo Einlaß gefunden hat. Dort kommt schließlich nicht jeder hinein. Wackelt etwa der Heilige Stuhl? Oder interessiert sich die älteste aller bekannten Großorganisationen für die Möglichkeiten, die in einer Absegnung des »verbreiteten Krisenbewußtseins« stecken? Wird Woytila demnächst alttestamentarische Plagen für die Jahrtausendwende ankündigen? Nach dem Vorgang der »Überbietungstheorien« hätte er damit nur statusangemessen übertrumpft, was die Theoretiker der »Langen Wellen« anzubieten haben: Langfristprognosen mit dem Akzent auf der Gegenwart als »Wendezeit«. Dieser Dramatisierungseffekt des Krisenbegriffs scheint ihn inzwischen allseits beliebt zumachen. Normalität wird in Frage gestellt. Entscheidungen werden abverlangt. Je schärfer die Krise, desto bedeutender die Akteure, desto wichtiger deren der Situation angemessenes Bewußtsein, desto aufgewerteter die Theorie, mit der die Krise antizipiert oder diagnostiziert wird

Calibration of pneumatic multi-hole probes for transonic turbomachinery flows

The calibration data of a five-hole probe and a six-hole probe designed for measurements in transonic turbomachinery flows are presented. The probes feature a special base pressure hole on the back side to avoid the Mach number insensitivity of pressure probes near Mach number unity. There is only little literature available on the performance of such probes, especially in flows with large radial flow angles. To close this gap, the probes are calibrated for radial flow angles up to 32 degrees. A significant influence of this flow angle on the coefficients used for Mach number determination is shown. At large positive flow angles, the relationship between the pressure coefficient using the base pressure and the Mach number is not biunique for the six-hole probe. Therefore, an experimental study of Mach number measurement deviations is performed at the calibration wind tunnel. Different evaluation methods are examined. The sample standard deviation over 210 randomly distributed points is reduced by 66% compared to the same probe design without the base pressure hole. This is achieved using two calibration coefficients for the Mach number simultaneously in a multidimensional interpolation

Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles

Detecting and controlling nuclear spin nano-ensembles is crucial for the further development of nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and for the emerging solid state quantum technology. Here we present the fabrication of a $\approx$ 1 nanometre thick diamond layer consisting of $^{13}$C nuclear spins doped with Nitrogen-Vacancy centres (NV) embedded in a spin-free $^{12}$C crystal matrix. A single NV in the vicinity of the layer is used for polarization of the $^{13}$C spins and the readout of their magnetization. We demonstrate a method for coherent control of few tens of nuclear spins by using radio frequency pulses and show the basic coherent control experiments - Rabi oscillations, Ramsey spectroscopy and Hahn echo, though any NMR pulse sequence can be implemented. The results shown present a first steps towards the realization of a nuclear spin based quantum simulator

Leaf-applied sodium chloride promotes cadmium accumulation in durum wheat grain

Cadmium (Cd) accumulation in durum wheat grain is a growing concern. Among the factors affecting Cd accumulation in plants, soil chloride (Cl) concentration plays a critical role. The effect of leaf NaCl application on grain Cd was studied in greenhouse-grown durum wheat (Triticum turgidum L. durum, cv. Balcali-2000) by immersing (10 s) intact flag leaves into Cd and/or NaCl-containing solutions for 14 times during heading and dough stages. Immersing flag leaves in solutions containing increasing amount of Cd resulted in substantial increases in grain Cd concentration. Adding NaCl alone or in combination with the Cd-containing immersion solution promoted accumulation of Cd in the grains, by up to 41%. In contrast, Zn concentrations of grains were not affected or even decreased by the NaCl treatments. This is likely due to the effect of Cl complexing Cd and reducing positive charge on the metal ion, an effect that is much smaller for Zn. Charge reduction or removal (CdCl2 0 species) would increase the diffusivity/lipophilicity of Cd and enhance its capability to penetrate the leaf epidermis and across membranes. Of even more significance to human health was the ability of Cl alone to penetrate leaf tissue and mobilize and enhance shoot Cd transfer to grains, yet reducing or not affecting Zn transfer