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In der Biologie stellt das Zeichnen eine zentrale Arbeitstechnik dar. Viele Studien konnten auf einen positiven Effekt des Zeichnens für bestimmte Situationen hinweisen. Schülerinnen und Schüler müssen diese Technik jedoch zunächst erlernen. Hierbei können zahlreiche Schwierigkeiten auftreten, die die inhaltliche Auseinandersetzung gefährden. Jedoch wurden sowohl Schwierigkeiten im Umgang mit unterschiedlichen Repräsentationsformen als auch der Zeichenprozess bislang nur lückenhaft untersucht. Die Studie dieser Arbeit hat daher zum Ziel, (I) den Zeichenprozess auf der Ebene der Sichtstruktur zu beschreiben, (II) die manifesten Schwierigkeiten von Lernenden zu erfassen, auf die sie während der Konstruktion biologisch bedeutsamer Repräsentationsformen (Ablaufdiagramme, mikroskopische Zeichnungen) treffen, (III) und auf Grundlage der empirischen Befunde Schülertypen abzuleiten. Vor diesem Hintergrund waren 21 Schülerinnen und Schüler angehalten, jeweils ein Ablaufdiagramm auf Grundlage eines Texts und eine mikroskopische Zeichnung auf Grundlage eines Präparats zu konstruieren und dabei laut zu denken. Fragen zur Vorerfahrung sowie retrospektiv gestellte Fragen zum Vorgehen der Teilnehmenden umrahmten den videografisch dokumentierten Prozess. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zeichenprozess mehr als zehn unterschiedliche Tätigkeiten umfassen kann, wobei die Kerntätigkeit des Zeichnens durchschnittlich nur rund ein Drittel des Prozesses ausmacht. Die Prozessstruktur zwischen Fällen variiert erheblich. Weiterhin konnten etwa 30 Schwierigkeiten bzw. Fehler identifiziert werden, die während der Konstruktion beider Repräsentationsformen auftreten. Diese können dabei sowohl einzelne als auch mehrere Tätigkeiten betreffen und zu Tätigkeitsabbrüchen führen. Schwierigkeiten stehen häufig in Verbindung mit Tätigkeiten, die außerhalb der Kerntätigkeit des Zeichnens liegen (z. B. Abgleich mit der Textgrundlage). Bezogen auf Ablaufdiagramme stellt das Verhältnis depiktional bzw. deskriptional dargestellter Textinformationen den Ausgangspunkt der Typisierung dar: Typ I: realistisch abbildend, II: alternierend abbildend und III: schriftorientiert abbildend. Für mikroskopische Zeichnungen war die Häufigkeit des Abgleichs mit dem Objekt grundlegend für die Typisierung: Typ I: oberflächlich abbildend, II: objektorientiert abbildend und III: undifferenziert detailliert abbildend. Die Studie liefert erstmals Kategoriensysteme, die es erlauben, die Prozessstruktur des Zeichnens sichtbar und zwischen Fällen vergleichbar zu machen sowie schwierigkeitsbezogenes Grundlagenwissen zur Konstruktion von Zeichnungen, basierend auf Texten und Beobachtungen. Die Übertragbarkeit der Befunde auf andere Repräsentationsformen ist an vielen Stellen denkbar. Die theoretisch fundierte Systematisierung von Schwierigkeiten kann von weiterführenden Untersuchungsansätze aufgegriffen werden und erlaubt die Verortung situationsangemessener Unterstützungsmaßnahmen.
This thesis was motivated by the need to advance the knowledge on the variability and dynamics of energy fluxes in lakes and reservoirs, as well as about the physical processes that regulate the fluxes at both the air and water side of the air-water interface.
In the first part, I re-examine how mechanical energy, resulting from its major source – the vertical wind energy flux - distributes into the various types of water motions, including turbulent flows and surface and internal waves. Although only a small fraction of the wind energy flux from the atmosphere is transferred to the water, it is crucial for physical, biogeochemical and ecological processes in lentic ecosystems. Based on extensive air- and water-side measurements collected at two small water bodies (< 10 km2), we estimated the energy fluxes and energy content in surface and in internal waves. Overall, the estimated energy fluxes and energy content agree well with results reported for larger water bodies, suggesting that the energetics driving the water motions in enclosed basins is similar, independently of the basin size. Our findings highlight the importance of the surface waves that receive the largest fraction of the wind energy flux, which strongly nonlinearly increases for wind speeds exceeding 3 m s-1. We found that the existing parameterization of the wave height as a function of wind speed and fetch length did not reproduce the measured wave amplitude in lakes. On average, the highest energy content was observed in basin-scale internal waves, together with high-frequency internal waves exhibiting seasonal variability and varies among the aquatic systems. During our analysis, we discovered the diurnal variability of the energy dissipation rates in the studied lake, suggesting biogenic turbulence generation, which appears to be a widespread phenomenon in lakes and reservoirs.
In the second part of the thesis, I addressed current knowledge gaps related to the bulk transfer coefficients (also known as the drag coefficient, the Stanton number and the Dalton number), which are of a particular importance for the bulk estimation of the surface turbulent fluxes of momentum, sensible and latent heat in the atmospheric boundary layer. Their inaccurate representation may lead to significant errors in flux estimates, affecting, for example, the weather and climate predictions or estimations of the near-surface current velocities in lake hydrodynamic models. Although the bulk transfer coefficients have been extensively studied over the past several decades (mainly in marine and large-lake environments), there has been no systematic analysis of measurements obtained at lakes of different size. A significant increase of the transfer coefficients at low wind speeds (< 3 m s-1) has been observed in several studies, but, to date, it has remained unexplained. We evaluated
the bulk transfer coefficients using flux measurements from 31 lakes and reservoirs. The estimates were generally within the range reported in previous studies for large lakes and oceans. All transfer coefficients increased substantially at low wind speeds, which was found to be associated with the presence of gusts and capillary waves (except the Dalton number). We found that the Stanton number is systematically higher than the Dalton number. This challenges the assumption made in the Bowen-ratio method, which is widely used for estimating evaporation rates from micrometeorological measurements. We found that the variability of the transfer coefficients among the lakes could be associated with lake surface area. In flux parameterizations at lake surfaces, it is recommended to consider variations in the drag coefficient and the Stanton number due to wind gustiness and capillary wave roughness while the Dalton number could be considered as constant at all wind speeds.
In the third part of the thesis, I address the key drivers of the near-surface turbulence that control the gas exchange in a large regulated river. As all inland waters, rivers are an important natural source of greenhouse gases. The effects of the widespread alteration and regulation of river flow for human demands on gas exchange is largely unknown. In particular, the near-surface turbulence in regulated rivers has been rarely measured and its drivers have not been identified. While in lakes and reservoirs, near-surface turbulence is mainly related to atmospheric forcing, in shallow rivers and streams it is generated by bottom friction of the gravity-forced flow. The studied large regulated river represents a transition between these two cases. Atmospheric forcing and gravity were the dominant drivers of the near-surface turbulence for a similar fraction of the measurement period. Based on validated scalings, we derived a simple model for estimating the relative contributions of wind and bottom friction to near-surface turbulence in lotic ecosystems with different flow depths. Large diel variability in the near-surface energy dissipation rates due to flow regulation leads to the same variability in gas exchange. This suggests that estimates of gas fluxes from rivers are biased by measurements performed predominantly during daytime.
In addition, the novelty in all the analyses described above is the use of the turbulent surface fluxes measured directly by the eddy-covariance technique – at the moment of writing, the most advanced method. Overall, this thesis is of a potential interest for a broad range of scientific disciplines, including limnology, micrometeorology and open channel hydraulics.
Binnengewässer spielen eine aktive Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie nehmen Kohlenstoff von stromaufwärts gelegenen Landmassen auf und transportieren ihn stromabwärts, bis er schließlich den Ozean erreicht. Auf diesem Weg sind vielfältige Prozesse zu beobachten, die zu einer (dauerhaften) Rückhaltung des Kohlenstoffs durch Einlagerung in Sedimenten sowie zu direkter Emission in die Atmosphäre führen. Es ist dringend notwendig diese Kohlenstoffflüsse und ihre anthropogene Veränderung zu quantifizieren. In diesem Zusammenhang muss die Aufmerksamkeit auf ein weit verbreitetes Merkmal von Gewässern gerichtet werden: ihre teilweise Austrocknung. Dies führt dazu, dass ehemals überschwemmte Sedimente in direkten Kontakt mit der Atmosphäre gelangen, genannt „dry inland waters“. Ein Merkmal der „dry inland waters“ sind überproportional hohe Kohlendioxid (CO2)-Emissionen. Diese Erkenntnis beruhte jedoch bisher auf lokalen Fallstudien, und es fehlt an Wissen über die globale Verbreitung und die grundlegenden Mechanismen dieser Emissionen. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, das Ausmaß und die Mechanismen der Kohlenstoffemissionen der „dry inland waters“ auf globaler und lokaler Ebene besser zu verstehen und die Auswirkungen von „dry inland waters“ auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu bewerten. Die spezifischen Forschungsfragen dieser Arbeit lauteten: (1) Wie fügen sich gasförmige Kohlenstoffemissionen von „dry inland waters“ in den globalen Kohlenstoffkreislauf und in die globalen Treibhausgasbudgets ein? (2) Welche Auswirkungen haben saisonale und langfristige Austrocknung auf den Kohlenstoffkreislauf von Gewässern? Diese Arbeit hat gezeigt, dass „dry inland waters“im globalen Maßstab unverhältnismäßig große Mengen an CO2 emittieren und dass diese Emissionen in allen Ökosystemen vergleichbaren Mechanismen folgen. Die Quantifizierung der globalen Wasserstandsschwankungen in Stauseen und die globale Berechnung der Kohlenstoffflüsse legen nahe, dass Stauseen mehr Kohlenstoff freisetzen als sie in den Sedimenten einlagern, was das derzeitige Verständnis von Stauseen als Nettokohlenstoffsenken in Frage stellt. Auf lokaler Ebene hat diese Arbeit gezeigt, dass sowohl die heterogenen Emissionsmuster verschiedener typischer Uferbereiche als auch die saisonalen Schwankungen der Kohlenstoffemissionen aus der „drawdown area“ berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus hat diese Arbeit gezeigt, dass die Remobilisierung von Kohlenstoff aus den Sedimenten bei dauerhafter Austrocknung von Gewässern die beobachteten Emissionsraten erklären kann, was die Hypothese einer positiven Rückkopplung zwischen Klimawandel und der Austrocknung von Gewässern unterstützt. Insgesamt unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung der Emissionen aus trockenen Gewässerbereichen für den globalen Kohlenstoffkreislauf von Gewässern.
This study was conducted in Nyungwe National Park (NNP); a biodiversity hotspot Mountain rainforest of high conservation importance in Central Africa, but with little knowledge of its insect communities including butterflies, good indicators of climate change, and forest ecosystem health. The study aimed at availing baseline data on butterfly species diversity and distribution in NNP, for future use in monitoring climate change-driven shifts and the effects of forest fragmentation on the biodiversity of Nyungwe. Butterflies were collected seasonally using fruit-baited traps and hand nets along elevational transects spanning from 1700 m up to 2950 m of altitude. Two hundred forty-two species including 28 endemics to the Albertine Rift and 18 potential local climate change indicators were documented. Species richness and abundance declined with increasing elevation and higher seasonal occurrence was observed during the dry season. This was the first study on the spatial and temporal distribution of butterflies in NNP and further studies could be conducted to add more species and allow a depth understanding of the ecology of Nyungwe butterflies.
Gentechnisch veränderte Pflanzen werden seit etwa 25 Jahren kommerziell angebaut. Besonders häufig werden Bt-Pflanzen verwendet, die Gene des Bakteriums Bacillus thuringiensis (Bt) enthalten und Cry-Proteine produzieren. Die Risikobewertung konzentrierte sich lange auf die terrestrische Umwelt. Erst mit der Veröffentlichung von Rosi-Marshall et al. im Jahr 2007 rückten mögliche Auswirkungen auf die aquatische Umwelt in den Fokus. In dem ersten Teil dieser Dissertation wurde die vorhandene Literatur zu lower-tier Effektstudien und Studien über den Verbleib ausgewertet, die die Auswirkungen von GV-Pflanzen auf die aquatische Umwelt untersuchen. Es zeigen sich potentielle Effekte auf aquatische Organismen. Einige Studien wiesen außerdem den Eintrag von GV-Pflanzenmaterial in die aquatische Umwelt sowie das Herauswaschen der Toxine in das Wasser nach.
Im zweiten Teil der Dissertation wird die Wirkung des Cry1Ab-Toxins auf zwei Arten an Köcherfliegenlarven (Chaetopterryx spec., Sericostoma spec.) untersucht. Trichopteren sind phylogenetisch nah verwandt mit Lepidopteren, die häufig die Zielorganismen von Cry-Toxinen sind. Um mehrere Konzentrationen verabreichen zu können wurde eine neue Spiking-Methode eingesetzt, bei der gelöstes Cry1Ab-Toxin auf Blätter der Schwarzerle (Alnus glutinosa) aufgetragen wird. Effekte zeigten sich ins Besondere bei sublethalen Endpunkten. Der Lipidgehalt der Chaetopteryx spec. Larven war nach zwölf Wochen geringer mit zunehmender Cry1Ab Konzentration. Die Verringerung des Lipidgehalts könnte auf eine Erhöhung des Energiebedarfs für Reparaturmechanismen hindeuten. Bei Sericostoma spec. zeigte sich nach sechs Wochen eine Verlangsamung der Larvalentwicklung in der höchsten Cry1Ab Konzentration, was zu einer späteren Emergenz und damit zu Auswirkungen auf die Nahrungskette führen könnte.
Im dritten Teil der Dissertation wurde die Bewertung von Auswirkungen von GV-Pflanzen auf die aquatische Umwelt anhand von higher-tier Studien untersucht. Da higher-tier Studien bei Pestiziden bereits häufig vorkommen, wurden diese mit den bereits durchgeführten higher-tier Studien mit GV-Pflanzen verglichen. Es zeigt sich, dass es keine Standardisierung von higher-tier Studien mit GV-Pflanzen gibt, was für die Qualitätssicherung und die Vergleichbarkeit von Studien notwendig ist. Außerdem bestehen große Schwierigkeiten damit verschiedene Versuchskonzentrationen herzustellen, was für die Untersuchung einer Dosis-Wirkungsbeziehung notwendig ist.
Insgesamt zeigt sich, dass es noch erheblichen Forschungsbedarf gibt, was die Auswirkungen von GV-Pflanzen auf die aquatische Umwelt angeht. Weitere Studien sind für eine umfangreiche und aussagestarke Risikobewertung unumgänglich.
Manmade dams have been constructed from centuries for multiple purposes, and in the past decades they have been constructed in a fast pace, with the hotspot in tropical and subtropical regions. However, studies that explore hydrodynamics in these areas are scarce and biased to the rich literature available for temperate regions. Lakes and reservoirs have the same controlling mechanisms for physical processes and primary production, hence, analyses that were initially conceptualized for lakes are frequently applied for reservoirs. Nevertheless, longitudinal gradients in reservoirs challenges the application of these approaches.
Degradation of water quality in reservoirs is a major concern, and it is expected to be aggravated with climate change. Therefore, studies that explore mechanisms controlling water quality are essential for the maintenance of these systems, especially in tropical and subtropical regions. The aim of this thesis is to comprehend the role of hydrodynamic processes in the fate of nutrients in reservoirs and its implications on water quality, in a subtropical region. With focus on the relevance of different density current patterns. For that, analyses combining field measurements and numerical simulations were performed in a medium to small size subtropical drinking water reservoir for a complete seasonal cycle. Measurements were conducted combining several approaches: traditional sampling, sensors in high temporal and spatial resolution, and remote sensing. Besides, hydrodynamic models were set up and calibrated to reproduce observations, and to simulate scenarios that assisted on the analysis.
Results showed that different flow paths of density currents did not influence on phytoplankton dynamics. At the regions where the main nutrient supply was the river inflow (upstream), the density currents did not vary, the euphotic zone usually covered the entire depth, and vertical mixing was observed on a daily basis, turning the flow path of the density currents irrelevant. At downstream regions, the remobilization of nutrients in the sediment was the main source for primary production. Even though density currents had a seasonal pattern in the downstream region, thermal stratification conditions were the driver for variations in chlorophyll-a concentrations, with peaks after vertical mixing. This mechanism had in its favor the frequent anoxic conditions in the hypolimnion that enhanced the dissolution of reactive phosphorus from the sediment. Anoxic conditions were easily reached because the sediment in the downstream area was rich in organic matter. Phytoplankton produced in the upstream area was transported by the density currents, and for this reason, large concentrations of chl-a was observed below the euphotic zone. Further, the extensive measurements of temperature, and flow velocities, together with the hydrodynamic models, provided insights about the hydrodynamics of reservoirs. For instance, that the relevant processes occurred along the longitudinal, and mixing conditions varied along it. The relevance of inflow conditions regarding the presence of structures such as forebays and pre-dams, and the degree of stream shading in the catchment was assessed. And turbulence and internal waves had different features than the documented for high latitudes. Those findings can assist on the management of reservoirs, based on the comprehension of the physical processes.
Der Arbeitsmarkt in Deutschland erlebt einen technologisch bedingten Strukturwandel. Durch Digitalisierung werden Tätigkeiten substituierbar, Berufsbilder und dafür benötigte Qualifikationsprofile wandeln sich. Für die Arbeitskräfte resultiert daraus ein Anpassungsdruck, sich zum Erhalt ihres Humankapitals bzw. ihrer Beschäftigungsfähigkeit weiterzubilden. Fraglich ist, inwieweit die Individuen diesen Druck wahrnehmen und mit entsprechenden Weiterbildungen reagieren. Um einen Erklärungsbeitrag zum Weiterbildungsverhalten der Arbeitskräfte in Bezug auf den technologischen Wandel zu leisten, widmet sich das Promotionsvorhaben der Forschungsfrage: „Inwieweit reagieren Arbeitskräfte bezüglich ihres Weiterbildungsverhaltens auf einen sich digitalisierungsbedingt wandelnden Arbeitsmarkt?“
This dissertation is dedicated to a new concept for capturing renunciation-oriented attitudes and beliefs — sufficiency orientation. Sufficiency originates in the interdisciplinary sustain-ability debate. In contrast to efficiency and consistency, sufficiency considers human behaviour as the cause of socio-ecological crises and strives for a reduction in consumption respecting the planetary boundaries. The present work places sufficiency in a psychological research context and explores it qualitatively and quantitatively. On the basis of five manuscripts, the overarching question pursued is to what extent sufficiency orientation contributes to socio-ecological transformation. Based on one qualitative study and five further quantitative studies, sufficiency orientation is investigated in different behavioural contexts that are of particular importance with regard to CO2 emissions. In addition, sufficiency orientation is linked to a wider range of psychologically relevant theories that help gain an overview of correlates and possible causes for the development of a sufficiency orientation.
Manuscript 1 uses expert interviews (N = 21) to develop a heuristic framework on a transformation towards societal sufficiency orientation including barriers and enablers, as well as ambiguities on such a change. The derived elements are interpreted in the light of the leverage points approach. This framework can serve as a heuristic for future research and to develop measures concerning sufficiency orientation.
As part of an online study (N = 648), Manuscript 2 examines the extent to which sufficiency orientation can be embedded in classic models for explaining pro-environmental intentions and behaviour (Theory of Planned Behaviour, Norm Activation Model), and showed a significant contribution to the explanation of intentions and behaviour in the field of plastic consumption.
Manuscript 3 reports two framing experiments (Study 1, N = 123, Study 2, N = 330) to investigate how pro-social justice sensitivity contributes to making sufficiency orientation more salient and promoting it. While sufficiency orientation and pro-social facets of justice sensitivity were positively related to each other, there was no effect of the framing intervention in the hypothesised direction. The results indicate that justice-related information at least in the presented manner is more likely to generate reactance.
Manuscript 4 presents an online study (N = 317) and targets the importance of sufficiency orientation for predicting actual greenhouse gas emissions in relation to flight behav-iour and policy support for the decarbonisation of mobility. In addition, the connection between sufficiency orientation and global identity is examined. It turns out that sufficiency orientation is superior to global identity in predicting actual emissions and decarbonisation policies. Contrary to expectations, sufficiency orientation and the form of global identity operationalised in the presented study shows a positive correlation and are compatible.
Manuscript 5 reports a reflective diary intervention (N = 252) that should lead to a short- and long-term increase in sufficiency orientation by satisfying basic psychological needs through induced self-reflection. For both groups with or without the intervention, sufficiency orientation increased slightly but significantly. Although no specific effect of the manipulation was found, basic psychological need satisfaction turns out to be the largest predictor for sufficiency orientation. Subjective well-being is positively associated with sufficiency orientation, while time affluence shows no clear associations in the study.
Overall, the results highlight the relevance of sufficiency orientation in relation to socio-ecological transformation and actual behavioural change. Sufficiency orientation is related to low-emission behaviour and support for political measures to decarbonize infrastructures. These results contribute to the discussion on the intention-behaviour gap in regard to impact-relevant behaviour, i.e. behaviour producing high emissions. The present findings suggest, that sufficiency orientation could be related to a strong intention-behavioural consistency. However, further research is needed to validate these results and improve the measurement of sufficiency orientation. Furthermore, the studies provided insights on correlates of sufficiency orientation: justice sensitivity, global identity, subjective well-being and left-wing liberal political ideologies are all found to be positively related to sufficiency orien-tation. Moreover, basic psychological need satisfaction was identified as a potential mechanism that can support the emergence of sufficiency orientation, however, causality remains unclear. From these findings, the work derives practical implications how to possibly strengthen sufficiency orientation on the micro, meso and macro levels of society.
Taken together, the dissertation provides important insights into a new and still developing concept, and shows its connectivity to psychological theories. However, future research is required in order to grasp more precisely the complexity of sufficiency orientation and to understand origins and predictors of sufficiency orientation. This work contributes to the interdisciplinary debate on socio-ecological transformation and points out that sufficiency orientation can serve to a future worth living as being related to reduced consumption.
Naturwissenschaftliches Experimentieren im Förderschwerpunkt geistige Entwicklung: An Schulen mit dem Förderschwerpunkt geistige Entwicklung führen Schülerinnen und Schüler nur selten naturwissenschaftliche Experimente durch. Doch auch diese Schülerschaft kann mit adressatengerechten Lernmaterialien Experimente durchführen, deren Gestaltungskriterien in dieser Studie ermittelt werden. Zudem wird in der Studie erfasst, wie sich die Schülerinnen und Schüler über ein Schuljahr in ihrer experimentellen Kompetenz weiterentwickeln.