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This thesis addresses the automated identification and localization of a time-varying number of objects in a stream of sensor data. The problem is challenging due to its combinatorial nature: If the number of objects is unknown, the number of possible object trajectories grows exponentially with the number of observations. Random finite sets are a relatively new theory that has been developed to derive at principled and efficient approximations. It is based around set-valued random variables that contain an unknown number of elements which appear in arbitrary order and are themselves random. While extensively studied in theory, random finite sets have not yet become a leading paradigm in practical computer vision and robotics applications. This thesis explores random finite sets in visual tracking applications. The first method developed in this thesis combines set-valued recursive filtering with global optimization. The problem is approached in a min-cost flow network formulation, which has become a standard inference framework for multiple object tracking due to its efficiency and optimality. A main limitation of this formulation is a restriction to unary and pairwise cost terms. This circumstance makes integration of higher-order motion models challenging. The method developed in this thesis approaches this limitation by application of a Probability Hypothesis Density filter. The Probability Hypothesis Density filter was the first practically implemented state estimator based on random finite sets. It circumvents the combinatorial nature of data association itself by propagation of an object density measure that can be computed efficiently, without maintaining explicit trajectory hypotheses. In this work, the filter recursion is used to augment measurements with an additional hidden kinematic state to be used for construction of more informed flow network cost terms, e.g., based on linear motion models. The method is evaluated on public benchmarks where a considerate improvement is achieved compared to network flow formulations that are based on static features alone, such as distance between detections and appearance similarity. A second part of this thesis focuses on the related task of detecting and tracking a single robot operator in crowded environments. Different from the conventional multiple object tracking scenario, the tracked individual can leave the scene and later reappear after a longer period of absence. Therefore, a re-identification component is required that picks up the track on reentrance. Based on random finite sets, the Bernoulli filter is an optimal Bayes filter that provides a natural representation for this type of problem. In this work, it is shown how the Bernoulli filter can be combined with a Probability Hypothesis Density filter to track operator and non-operators simultaneously. The method is evaluated on a publicly available multiple object tracking dataset as well as on custom sequences that are specific to the targeted application. Experiments show reliable tracking in crowded scenes and robust re-identification after long term occlusion. Finally, a third part of this thesis focuses on appearance modeling as an essential aspect of any method that is applied to visual object tracking scenarios. Therefore, a feature representation that is robust to pose variations and changing lighting conditions is learned offline, before the actual tracking application. This thesis proposes a joint classification and metric learning objective where a deep convolutional neural network is trained to identify the individuals in the training set. At test time, the final classification layer can be stripped from the network and appearance similarity can be queried using cosine distance in representation space. This framework represents an alternative to direct metric learning objectives that have required sophisticated pair or triplet sampling strategies in the past. The method is evaluated on two large scale person re-identification datasets where competitive results are achieved overall. In particular, the proposed method better generalizes to the test set compared to a network trained with the well-established triplet loss.
Fresh water resources like rivers and reservoirs are exposed to a drastically changing world. In order to safeguard these lentic ecosystems, they need stronger protection in times of global change and population growth. In the last years, the exploitation pressure on drinking water reservoirs has increased steadily worldwide. Besides securing the demands of safe drinking water supply, international laws especially in Europe (EU Water Framework Directive) stipulate to minimize the impact of dams on downstream rivers. In this study we investigate the potential of a smart withdrawal strategy at Grosse Dhuenn Reservoir to improve the temperature and discharge regime downstream without jeopardizing drinking water production. Our aim is to improve the existing withdrawal strategy for operating the reservoir in a sustainable way in terms of water quality and quantity. First, we set-up and calibrated a 1D numerical model for Grosse Dhuenn Reservoir with the open-source community model “General Lake Model” (GLM) together with its water quality module “Aquatic Ecodynamics” library (AED2). The reservoir model reproduced water temperatures and hypolimnetic dissolved oxygen concentrations accurately over a 5 year period. Second, we extended the model source code with a selective withdrawal functionality (adaptive offtake) and added operational rules for a realistic reservoir management. Now the model is able to autonomously determine the best withdrawal height according to the temperature and flow requirements of the downstream river and the raw water quality objectives. Criteria for the determination of the withdrawal regime are selective withdrawal, development of stratification and oxygen content in the deep hypolimnion. This functionality is not available in current reservoir models, where withdrawal heights are generally provided a priori to the model and kept fixed during the simulation. Third, we ran scenario simulations identifying an improved reservoir withdrawal strategy to balance the demands for downstream river and raw water supply. Therefore we aimed at finding an optimal parallel withdrawal ratio between cold hypolimnetic water and warm epilimnetic or metalimnetic water in order to provide a pre-defined temperature in the downstream river. The reservoir model and the proposed withdrawal strategy provide a simple and efficient tool to optimize reservoir management in a multi-objective view for mastering future reservoir management challenges.
The physical-biological interactions that affect the temporal variability of benthic oxygen fluxes were investigated to gain improved understanding of the factors that control these processes. This study, for the first time is able to resolve benthic diffusive boundary layer (DBL) dynamics using the newly developed lifetime-based laser induced fluorescence (τLIF) oxygen imaging system, which enables study of the role of small-scale fluid mechanics generated by benthic organism activity, and hence a more detailed analysis of oxygen transport mechanisms across the sediment-water interface (SWI).
The net benthic oxygen flux across the sediment-water interface is controlled by sediment oxygen uptake and oxygen transport. While the oxygen transport is largely influenced by turbulence driven by large-scale flows, sediment oxygen uptake is mainly affected by oxygen production and biological- and chemical-oxygen degradation of organic matter. Both processes can be enhanced by the presence of fauna and are intimately coupled. The benthic oxygen flux can be influenced by fauna in two ways, i.e. by modulating the availability of oxygen, which enhances the sediment oxygen uptake, and by enhancing the transport of oxygen.
In-situ and a series of laboratory measurements were conducted to estimate the short- and seasonal variability of benthic fluxes including the effects of burrow ventilation activity by tube-dwelling animals using eddy correlation (EC) and τLIF oxygen imaging techniques, respectively.
The in-situ benthic oxygen fluxes showed high variability at hourly and seasonal timescales, where statistical analysis indicated that current velocity and water depth were the most significant predictors of benthic oxygen flux at the waterside, which co-varied with the discharge, temperature, and oxygen concentration. The range of variability of seasonal fluxes corresponded to the friction velocities which were driven by large-scale flows. Application of a simplified analytical model that couples the effect of hydrodynamic forcing of the diffusive boundary layer with a temperature-dependent oxygen consumption rate within the sediment showed that friction velocity and temperature cause similar variability of the steady-state benthic oxygen flux.
The application of τLIF oxygen imaging system in bioturbation experiments enabled the investigation and discovery of insights into oxygen transport mechanisms across the sediment-water interface. Distinct oxygen structures above burrow openings were revealed, these were associated with burrow ventilation. The DBL was degraded in the presence of burrow ventilation. Advective transport generated by the energetic plumes released at burrow outlets was the dominant transport driving mechanism. The contribution of diffusive flux to the total estimated decreased with increasing larval density. For a range of larvae densities, commonly observed in ponds and lakes, sediment oxygen uptake rates increased up to 2.5-fold in the presence of tube-dwelling animals, and the oxygen transport rate exceeded chironomid respiration by up to a factor of 4.
The coupled physical-biological factors affecting net benthic oxygen flux can be represented by temperature, which is a prominent factor that accounts for both oxygen transport and sediment oxygen uptake. Low oxygen transport by flow coincided with high summer temperatures, amplified by a reduction of benthic population density and pupation. It can also, however, be offset by increased ventilation activity. In contrast, low temperature coincided with high oxygen concentrations, an abundance of larvae, and higher flow is offset by less burrow ventilation activity. Investigation of the effect of hydrodynamics on oxygen transport alone suggested that the expected increase of benthic oxygen flux under global warming can be offset by a reduction in flow velocity, which could ultimately lead to increasing carbon burial rates, and in a growing importance of anaerobic mineralization pathways with increasing emission rates of methane.
This study suggests a significant contribution of biological induced benthic oxygen flux to physical transport driven by large-scale flow-fields contributing to bottom-boundary layer turbulence.
Social Business Documents: An Investigation of their Nature, Structure and Long-term Management
(2018)
Geschäftsdokumente beinhalten wertvolle Informationen. Sie müssen verwaltet werden, um gesetzlichen Anforderungen zu entsprechen, als organisatorisches Wissen zu dienen und Risiken zu vermeiden. Veränderungen der Technologien haben jedoch zu neuen Dokumententypen und neuen Interaktionsmöglichkeiten mit Dokumenten geführt. So hat das Web 2.0 zur Entwicklung von Enterprise Collaboration Systems (ECS) geführt, die Mitarbeitern die Nutzung von Wiki-, Blog- oder Forum-Anwendungen für ihre Geschäftstätigkeiten ermöglichen. Ein Teil der in ECS erstellten Inhalte können dabei als Social Business Documents (SBD) bezeichnet werden. Im Vergleich zu traditionellen digitalen Dokumenten haben SBD eine andere Beschaffenheit und Struktur. SBD sind beispielsweise unstrukturierter und folgen keinem strikten Lebenszyklus. Diese Charakteristika bringen neue Herausforderungen beim Verwalten von SBD mit sich. Jedoch fehlen in der wissenschaftlichen Literatur derzeit Untersuchungen zu den Charakteristika von SBD, ihren Besonderheiten und ihrem Management.
Als theoretische Linse nutzt diese Arbeit Dokumenten-Theorien und dokumentarische Praktiken mit dem Ziel, die neuen Herausforderungen des Langzeitmanagement von SBD in ECS zu untersuchen. Durch einen interpretativen, explorativen Mixed-Method-Ansatz vereint diese Arbeit zwei Forschungsteile. Erstens werden die Beschaffenheit und Struktur von SBD durch die Analyse von vier Systemen untersucht und SBD-Informationsmodelle entwickelt. Diese zeigen die zugrundeliegenden Komponenten von SBD, die Struktur, die Funktionen, die enthaltenen Metadaten, sowie die große Bandbreite von SBD-Charakteristika auf. Der zweite Teil wurde mit Unternehmensvertretern durchgeführt und besteht aus einer Fokusgruppe, einer Fallstudie mit Tiefeninterviews und einem Fragebogen. Die Fokusgruppe zeigt, dass die genutzte Art von SBD bezogen auf ihren Inhalt und Speicherort unternehmensabhängig ist und es derzeit fast keine SBD-Management-Praktiken gibt. Die Fallstudie ermöglichte tiefe Einblicke in allgemeine Dokumentenmanagement-Aktivitäten und untersuchte die Anforderungen, Herausforderungen und Prozesse des SBD-Managements. Der Fragebogen konsolidierte und vertiefte die vorherigen Erkenntnisse und gibt Einblicke in den Wert von SBD, aktuelle Management-Praktiken sowie Herausforderungen und Bedürfnisse bei deren Management. Auch zeigt er auf, dass zwar alle Unternehmen Informationen im ECS speichern, die verwaltet werden sollten, jedoch kaum SBD-Management-Aktivitäten durchführt werden und so noch viele Herausforderungen bestehen.
Zusammenfassend erlauben die Ergebnisse einen Beitrag zu Praxis und Theorie. Die Praxis ist mittels eines Frameworks adressiert, welches die Anforderungen, Herausforderungen und Aktivitäten des SBD-Managements, die Unternehmen beim Langzeitmanagement beachten müssen, aufzeigt. Des Weiteren erlauben die Erkenntnisse den theoretischen Fortschritt der dokumentenbezogenen Praktiken durch die Erweiterung der Dokumententypen um SBD. Auch werden die bestehenden Probleme der Definition von Records in Bezug auf SBD erläutert sowie die Charakteristika von Dokumenten um jene von Social Business Documents erweitert.
Social Entrepreneurship ist eine Form des Unternehmertums, die einen sozialen Auftrag mit einem wettbewerbsfähigen Leistungsversprechen verbindet. Insbesondere fördert Social Entrepreneurship eine gerechtere Gesellschaft, indem es soziale Fragen anspricht und versucht, eine nachhaltige Wirkung durch eine soziale Mission und nicht durch reine Gewinnmaximierung zu erzielen. Das Thema Social Entrepreneurship hat sich auf viele verschiedene Forschungsrichtungen ausgeweitet. Der Fokus darauf, zu verstehen, wie und warum Unternehmer denken und handeln, bleibt eine wichtige Rechtfertigung für die zukünftige Forschung. Dennoch steckt die theoretische Auseinandersetzung mit diesem Phänomen noch in den Kinderschuhen. Sociale Entrepreneurship-Forschung ist nach wie vor weitgehend Phänomen getrieben. Insbesondere die Forschung zur sozialunternehmerischen Absicht befindet sich in einem frühen Stadium und es fehlt an quantitativer Forschung. Daher wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, diese Notwendigkeit zu adressieren. Damit verfolgt die Dissertation zwei Ziele: (1) ein Modell für soziale unternehmerische Intentionen im Allgemeinen zu entwickeln und (2) das Modell durch eine empirische Studie zu testen. Auf der Grundlage dieser Ziele, sind die beiden leitenden Forschungsfragen: (1) Welche Faktoren beeinflussen die Absicht einer Person ein Social Entrepreneur zu werden? (2) Welche Beziehungen bestehen zwischen diesen Faktoren?
Um diese beiden Forschungsfragen zu beantworten, erscheint ein Forschungsdesign zielführend, das eine Kombination aus Literaturrecherche und empirischer Studie darstellt. Die Literaturrecherche basiert auf einem umfassenden Angebot an Büchern, Artikeln und Forschungsarbeiten, die in führenden akademischen Zeitschriften und Konferenzberichten in verschiedenen Disziplinen wie Entrepreneurship, Social Entrepreneurship Education, Management, Sozialpsychologie und Sozialökonomie veröffentlicht wurden. Die empirische Studie umfasst eine Befragung von 600 Studierenden im letzten Studienjahr an vier Universitäten in drei Regionen Vietnams: Hanoi, Da Nang und Ho Chi Minh. Die Daten werden mit SPSS-AMOS Version 24 unter Verwendung von Screening-Daten, Maßstabsentwicklung, explorativer und konfirmativer Faktorenanalyse analysiert. Die Dissertation findet heraus, dass Entrepreneurship Experience/Extra-curricular Activity, Role Model, Social Entrepreneurial Self-Efficacy und Social Entrepreneurial Outcome Expectation sich direkt und positiv auf die Absicht der vietnamesischen Studierenden auswirken, Social Entrepreneurs zu sein. Entrepreneurship Education beeinflusst auch die Social Entrepreneurial Intention, aber nicht direkt, sondern indirekt über Social Entrepreneurial Self-Efficacy und Social Entrepreneurial Outcome Expectation. Ebenso hat Perceived Support keinen direkten Bezug zu Social Entrepreneurial Intention, zeigt aber eine indirekte Verbindung über den Mediator Social Entrepreneurial Outcome Expectation. Darüber hinaus bringt die Dissertation neue Einblicke in die Social Entrepreneurship-Literatur und liefert wichtige Implikationen für die Praxis. Einschränkungen und zukünftige Richtungen sind auch in der Dissertation enthalten.
Homonegative Diskriminierung, wie die Aberkennung von Führungsqualitäten oder die Verweigerung einer besseren Bezahlung, betrifft nicht nur Lesben und Schwule, sondern Menschen, die als lesbisch oder schwul wahrgenommen werden (Fasoli et al., 2017). Folglich wird angenommen, dass insbesondere heterosexuelle Personen Opfer homonegativer Diskriminierung werden (Plöderl, 2014). Zwar ist die Wahrnehmung der sexuellen Orientierung stereotypengetrieben (z.B. Cox et al., 2015), jedoch fehlt es bislang an Wissen darüber, wie korrekt diese Stereotype, insbesondere bezogen auf die Sprechweise, sind. Trotz diverser soziophonetischer und sozialpsychologischer Forschung im Zusammenhang mit sexueller Orientierung und Geschlecht, mangelt es bislang an einem umfassenden Verständnis, wie die sexuelle Orientierung ausgedrückt und wahrgenommen wird.
Diese Lücken möchte die vorliegende Arbeit schließen. Hauptziele der vorliegenden Arbeit sind a) die Überprüfung der Korrektheit von Sprechstereotypen im Kontext der sexuellen Orientierung und b) die Entwicklung eines Modells, wie die sexuelle Orientierung interpersonell konstruiert wird. Die vorliegende Arbeit besteht aus insgesamt fünf Manuskripten. Diesen ist gemein, dass sie sozialpsychologische und soziophonetische Perspektiven integrativ behandeln, die soziale Identität in den Blick nehmen und primär die Sprechweise anstelle der fazialen Erscheinung in den Mittelpunkt stellen. Zudem wurden vornehmlich deutsche respektive deutschsprachige Versuchspersonen untersucht.
In Manuskript 1 wird die Traditional Masculinity/Femininity-Scale als reliables und valides Instrument zur Erfassung des Geschlechtsrollen-Selbstkonzeptes etabliert. Diese Neuentwicklung ist notwendig, da bislang existierende Skalen die selbstzugeschriebene Maskulinität/Femininität nur noch unzureichend abbilden (z.B. Abele, 2003; Evers & Sieverding, 2014). In den Manuskripten 2, 3 und 4 wird die Korrektheit von Sprechstereotypen bezüglich ihres stereotypen Inhalts und der unterstellten Homogenität von Mitgliedern der gleichen Gruppe adressiert. Dies erfolgt durch den Einsatz unterschiedlicher methodischer Zugänge. Zum einen werden relevante akustische Parameter von lesbischen/schwulen und heterosexuellen Frauen und Männern gemittelt, zum anderen wird Voice-Morphing-Verfahren angewendet, um prototypische, natürlich klingende Durchschnittsstimmen herzustellen (Kawahara et al., 2008). Lesben und heterosexuelle Frauen unterscheiden sich in keinem, schwule und heterosexuelle Männer nur in einem der analysierten akustischen Parameter. Demgegenüber erbrachte eine nuancierte psychologische Analyse verschiedentlich Evidenz für eine akustische Heterogenität innerhalb der Gruppen. Insbesondere die Exklusivität der sexuellen Orientierung wie auch das Geschlechtsrollen-Selbstkonzept wurden akustisch indexikalisiert. Dies legt nahe, dass Sprechstereotype inkorrekt sind. Jedoch wurde gezeigt, dass in den Durchschnittsstimmen die Informationen über die sexuelle Orientierung für Rezipient*innen wahrnehmbar enthalten sind. Dadurch lassen sich Sprechstereotype als Übertreibungen kleiner Körnchen von Wahrheit begreifen. In Manuskript 5 wird die bisherige Literatur zur interpersonellen Konstruktion der sexuellen Orientierung zu einem Modell verdichtet: Dem Expression and Perception of Sexual Orientation Model. Dieses Modell beschreibt mit einer indirekten Route, wie die Information der sexuellen Orientierung von der Kommunikator*in hin zur Rezipient*in durch drei mediierende Komponenten übertragen wird. Dadurch ist das Modell in der Lage, eine Erklärung dafür anzubieten, warum die sexuelle Orientierung zwar überzufällig gut aber nicht perfekt erkannt werden kann.
Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit bedeutsame Impulse zur Weiterentwicklung der Erforschung von sozialen Markern der sexuellen Orientierung und des Geschlechts bereit. Sie schlägt ein (Denk)Modell vor, wie sexuelle Orientierung ausgedrückt und wahrgenommen wird, sie zeigt die Fruchtbarkeit der Verquickung sozialpsychologischer und soziophonetischer Forschungsansätze auf und verdeutlicht den Wert der Anwendung neuer Methoden und Technologien. Darüber hinaus weist die vorliegende Arbeit auch praktische Implikationen auf. Sprechstereotype im Kontext der sexuellen Orientierung können als inkorrekt zurückgewiesen werden – so sprechen deutschsprachige heterosexuelle Männer nicht mehr oder weniger nasal als schwule Männer. Damit trägt die vorliegende Arbeit potentiell zum Abbau von Stereotypen und zur Reduktion von Diskriminierung bei.
The term “Software Chrestomaty” is defined as a collection of software systems meant to be useful in learning about or gaining insight into software languages, software technologies, software concepts, programming, and software engineering. 101companies software chrestomathy is a community project with the attributes of a Research 2.0 infrastructure for various stakeholders in software languages and technology communities. The core of 101companies combines a semantic wiki and confederated open source repositories. We designed and developed an integrated ontology-based knowledge base about software languages and technologies. The knowledge is created by the community of contributors and supported with a running example and structured documentation. The complete ecosystem is exposed by using Linked Data principles and equipped with the additional metadata about individual artifacts. Within the context of software chrestomathy we explored a new type of software architecture – linguistic architecture that is targeted on the language and technology relationships within a software product and based on the megamodels. Our approach to documentation of the software systems is highly structured and makes use of the concepts of the newly developed megamodeling language MegaL. We “connect” an emerging ontology with the megamodeling artifacts to raise the cognitive value of the linguistic architecture.
Die Organische Bodensubstanz (OBS) nimmt eine Schlüsselrolle in der Sequestrierung organischer Moleküle und damit in der Regulierung ihrer Mobilität in Böden ein. Sie besteht aus Molekülen, die durch supramolekulare Wechselwirkungen strukturiert sind und dynamisch auf Umweltfaktoren und andere Moleküle reagieren können. Der Einfluss von Sorbateigenschaften und supramolekularer Struktur der OBS und deren Dynamik auf Sorptionsprozesse an der OBS ist bisher nur begrenzt verstanden. Ein Beispiel für das dynamische Verhalten der OBS ist deren physikochemische Alterung, die zu Umstrukturierungen in der OBS-Matrix führt. Dieser liegt die Bildung von Wassermolekülbrücken (WaMB) zwischen funktionellen Gruppen einzelner Molekülsegmente zugrunde. Da die WaMB die Struktur der OBS und ihre Stabilität wesentlich beeinflussen, wird davon ausgegangen, dass diese zur Sequestrierung von organischen Molekülen in der OBS beitragen. Diese Hypothese wurde jedoch noch nicht experimentell überprüft. Bisheriges Wissen darüber, wie organische Moleküle die Eigenschaften von WaMB beeinflussen, basiert weitestgehend auf Computermodellierungen. Da unbekannt ist, wie Moleküle, die in die OBS eindringen, deren physikalische Phasen beeinflussen, bedürfen insbesondere die vermuteten Wechselwirkungen zwischen organischen Molekülen und aliphatischen kristallinen Phasen unbedingt einer experimentellen Überprüfung.
Dazu wurden in dieser Arbeit die folgenden Hypothesen experimentell getestet. 1) Analog zu kristallinen Phasen in synthetischen Polymeren können aliphatische Kristallite in der OBS nicht von organischen Molekülen durchdrungen werden. 2) Die Stabilität von WaMB wird durch die Fähigkeit, der sie umgebenden Moleküle mit Wassermolekülen zu interagieren, bestimmt. 3) WaMB können verhindern, dass organische Moleküle die OBS-Matrix verlassen und tragen dadurch zu ihrer physikalischen Immobilisierung bei. Um die Hypothesen 1 und 2 zu überprüfen, wurden Böden mit ausgewählten Chemikalien behandelt, deren Wechselwirkungspotenzial mit Parametern der Theorie der Linearen Solvatationsenergiebeziehung charakterisiert wurde. Die Eigenschaften der WaMB, wie thermische Stabilität und Mobilität der verknüpften OBS-Molekülsegmente, wurden mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) charakterisiert. Struktur und thermische Eigenschaften von aliphatischen Kristalliten wurden mithilfe von 13C-NMR-Spektroskopie und DDK untersucht. Die Dotierung von Bodenproben mit dem Modellschadstoff Phenol und Messungen zur Phenoldesorption ermöglichten es, die Parameter der Desorptionskinetik mit WaMB-Eigenschaften zu verknüpfen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die WaMB-Stabilität wesentlich durch Moleküle mit H-Donor- und Akzeptoreigenschaften gesenkt wird. Die mit den WaMB einhergehende Starrheit der OBS-Matrix wurde hauptsächlich durch das McGowan-Volumen der interagierenden Moleküle beeinflusst, was auf einen großen Einfluss der Dispersionskräfte hindeutet. Die Desorption von Phenol folgte einer Kinetik erster Ordnung mit zwei Zeitkonstanten, die beide mit der WaMB-Stabilität korrelierten, was die Hypothese stützt, dass WaMB zur physikalischen Immobilisierung von Phenol beiträgt. Die aliphatischen Kristalliten unterlagen nach Kontakt mit ausgewählten Chemikalien strukturellen Änderungen, die zu einem amorpheren Zustand und zu einer Senkung des Schmelzpunkts und einer signifikanten Abnahme der Kristallinität in der OBS führten. Diese strukturellen Änderungen konnten sowohl von Molekülen mit spezifischen, als auch von solchen mit unspezifischen Wechselwirkungen verursacht werden. Dies zeigt, dass Moleküle mit einem breiten Spektrum an Wechselwirkungspotenzialen in aliphatische Kristallite eindringen und deren Struktur verändern können.
Am Beispiel von WaMB und aliphatischen Kristalliten wurde aus dieser Arbeit ersichtlich, dass organische Moleküle mit Bestandteilen der OBS interagieren und messbare Änderungen in deren Struktur und Eigenschaften verursachen können. Neben der Relevanz von aliphatischen Kristalliten für Sorptionsprozesse im Boden wurde gezeigt, dass die physikochemische Matrixalterung signifikant zur Immobilisierung von Schadstoffen in der OBS beiträgt.
Verschiedene Methoden (Gewichtsverlust, elektrochemische und Sprühkorrosionsmessungen) wurden eingesetzt, um die Korrosionsinhibierung von vier Sarkosinderivaten und einer kommerziellen Verbindung als Synergist zu bewerten. Das Basismetall war kohlenstoffarmer Stahl CR4, der unter verschiedenen Bedingungen getestet wurde. Als Arbeitsmedien wurden hauptsächlich neutrales Wasser und 0.1 M NaCl eingesetzt. Der Schutzfilm wurde auf der Stahloberfläche durch direkte Apsorption der Prüfsubstanzen während des Eintauchprozesses gebildet. Ein stark verbesserter Korrosionsschutz mit direkter Korrelation zwischen Molekulargewicht und Kohlenstoffkettenlänge der Prüfsubstanzen konnte nachgewiesen werden. Die Schutzwirkung der ausgewählten Sarkosinverbindungen auf Stahl CR4 erhöht sich in 0.1 M NaCl mit zunehmender Konzentration. In allen getesteten Methoden und Konzentrationen erwies sich Oleoylsarcosin (O) als bester Inhibitor. Es wurden Wirksamkeiten bis zu 97 % in der potentiodynamischen Polarisation (PP), 83 % bei der elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und 85 % in der Gewichtsabnahme (WL) bei 100 mmol/L als höchster hier getesteten Konzentration erzielt. Der zweitbeste Inhibitor ist Myristoylsarcosin (M) mit Effektivitäten bis zu 82 % in PP, 69 % in EIS und 75 % in WL ebenfalls bei der höchsten Konzentration. Der Inhibitor mit der kürzesten Kette in dieser Testreihe ist Lauroylsarcosin (L). L ergab Schutzwirkungen von etwas über 50 % bei 75 und 100 mmol/L und unter 50 % bei 25 und 50 mmol/L in allen angewandten Methoden. Zudem werden die Gesamteffizienzen aller verwendeten Prüfsubstanzen durch längere Einwirkzeiten beim Eintauchen der CR4 Stahlproben erhöht, wie für 50 mmol/L gezeigt werden konnte. Die Untersuchung ergab 10 Minuten als beste Zeit bezüglich Kosten- und Schutzeffizienz. Der kommerzielle Inhibitor Oley-Imidazol (OI) verbesserte die Wirksamkeit von Cocoylsarcosin (C), der natürlichen Mischung aus Kokosnussöl mit Kohlenstoffkettenlängen von C8 - C18, und verbesserte den Schutz in einer 1:1 (mol) Kombination (C+OI). Hierbei stieg der Wirkungsgrad von 47 % auf 91 % in PP, von 40 % auf 84 % in EIS und von 45 % auf 82 % in WL bei der höchsten Konzentration. Mit Hilfe von Sprühkorrosionstests wurden alle vorliegenden Sarkosinsubstanzen auf Stahl CR4 in einem realistischeren System untersucht. Der beste Inhibitor nach einem 24 Stunden-Test war O, gefolgt von der Kombination C+OI und M mit entsprechenden Wirkungsgraden von bis zu 99 % (O), 80 % (C+OI) bzw. 79 % (M). Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eine gute Stabilität der Prüfsubstanzen bezüglich des gebildeten Schutzfilms auch nach 24 h. Alle verwendeten Methoden ergaben in der aktuellen Untersuchung übereinstimmende Ergebnisse und die gleiche Reihenfolg der Inhibitoren. Darüber hinaus wird angenommen, dass der Adsorptionsprozess der Prüfsubstanzen der Langmuir-Isotherme folgt. Die Response Surface Methodik (RSM) ist eine vom Box-Behnken Design (BBD) abhängige Optimierungsmethode. Diese wurde im aktuellen System angewandt, um die optimale Effektivität für Inhibitor O beim Korrosionsschutz von Stahl CR4 in Salzwasser zu ermitteln. Hierfür wurden vier unabhängige Variablen benutzt: Inhibitorkonzentration (A), Tauchbeschichtungszeit (B), Temperatur (C) und NaCl-Konzentration (D); jeweils in drei Stufen: untere (-1), mittlere (0) und obere (+1). Nach dem vorliegenden Ergebnis hat die Temperatur als Einzelparameter den größten Einfluss auf den Schutzprozess, gefolgt von der Inhibitorkonzentration. Anhand der Berechnung ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad von 99 % durch folgende Parameter- und Pegelkombination: oberer Wert (+1) jeweils für Inhibitorkonzentration, Tauchbeschichtungszeit und NaCl-Konzentration sowie ein unterer Wert (-1) für die Temperatur.
Organische Substanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von stabilen Bodenstrukturen. Dabei sind maßgeblich deren physikochemischen Eigenschaften, Wechselwirkungen mit der mineralischen Bodenphase und die daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen von Bedeutung. Dennoch weiß man nur wenig über zugrunde liegenden Mechanismen der Partikelverkittung durch organische Substanzen und inwieweit deren Quellung unter Bildung von interpartikulären Hydrogelen die bodenstrukturelle Stabilität beeinflusst. Bis heute existiert kein mechanistisches Model, dass deren Quellung im Boden beschreibt und daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen in Zusammenhang mit bodenstruktureller Stabilität bringt. Dies ist maßgeblich auf das Fehlen bzw. eine unzureichende Adaptierung geeigneter Testmethoden zur Erfassung von Quellungsprozessen interpartikulärer Hydrogele in Böden zurückzuführen.
In der vorliegenden Dissertation wurde die 1H NMR Relaxometrie mit mikro- und makrostrukturellen Bodenstabilitätstests kombiniert um Boden-Wasser Interaktionen mit der strukturellen Stabilität wassergesättigter und ungesättigter, feuchter Böden zu verknüpfen. Der Erste Teil der Arbeit erfasste Potential und Grenzen der 1H-NMR Relaxometry zur Erfassung unterschiedlicher Wasserpopulationen und struktureller Stabilisierungsmechanismen Boden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die 1H-NMR Relaxometrie zur Untersuchung von Quellungsprozessen einer hydrogel-bildenden organischen Modelsubstanz in Modelböden unterschiedlicher Komplexität eingesetzt. Mittels der Kombination mit Bodenrheologie sollten die zugrundeliegenden Mechanismen identifiziert werden, die im Zusammenhang mit der strukturellen Bodenstabilität stehen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die zuvor gesammelten Erkenntnisse auf einen humosen, landwirtschaftlichen Boden übertragen und die Effekte einzelner organischer und mineralischer Bo-denbestandteile auf Boden-Wasser-Interaktionen und bodenstrukturelle Stabilität mittels Dichtefraktionierung noch detaillierter erfasst.
Die zunehmende Komplexität der Experimente ermöglichten eine Brücke zwischen den physikochemischen Eigenschaften interpartikulären Hydrogels und bodenstruktureller Stabilität zu schlagen und ein Modell für die zugrunde liegenden Prozesse für wassergesättigte und ungesättigte, feuchte Böden abzuleiten: Während gequollene Tonpartikel die Reibung zwischen Bodenpartikeln erniedrigen und somit die bodenstrukturelle Stabilität herabsetzen, zeigen gequollen Hydrogelstrukturen den gegenteiligen Effekt und erhöhen die bodenstrukturelle Stabilität. Dies ist zurückzuführen auf die Bildung eines flexiblen und viskosen Polymernetzwerkes, welches mineralische Bodenpartikel über weite Bereiche verbindet und eine deutlich höhere Stabilität als Poren- oder Kapillarwasser aufweist. Es zeigte sich zudem, dass die bodenstrukturelle Stabilität mit steigender Viskosität des interpartikulären Hydrogels zunimmt und dabei von der Inkubationszeit, Bodentextur, Zusammensetzung der Bodenlösung und externen Faktoren wie Bodenfeuchtedynamik und landwirtschaftliche Bewirtschaftungsweisen abhängt. Die stabilisierende Wirkung von interpartikulärem Hydrogel wird zusätzlich durch Tonpartikeln verstärkt, was maßgeblich aus Polymer-Ton-Interaktionen und der Aufnahme von Tonpartikeln in das Hydrogelnetzwerk resultiert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Quellung von Hydrogelstrukturen und Tonpartikeln und der dabei vorhandenen Konkurrenz um verfügbares Wasser und freien Raum zu einer gegenseitigen Quellungshemmung führen. Somit erhöhen Polymer-Ton-Interaktionen nicht nur die Viskosität des interpartikulären Hydrogels und damit dessen Stabilisierungspotential, sondern erniedrigen zudem die Quellung von Tonpartikeln und damit deren negativen Effekte auf die bodenstrukturelle Stabilität. Das Wissen um diese zugrunde liegenden Prozesse erweitert das Verständnis zur Bildung stabiler Bodenstrukturen und ermöglicht das Ergreifen geeigneter, nachhaltiger Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen. Die zudem aufgezeigten Limitierungen des mechanistischen Modells sollen Ansatzpunkte für weitere Forschungs- und Optimierungspotentiale aufzeigen.