In a modified inflation scenario we replace the “big bang” by a condensation event in an eternal all-compassing big ocean of free qubits in our modified cosmology. Interactions of qubits in the qubit ocean are rare. If they happen, they provide a nucleus for a new universe as the qubits become decoherent and freeze-out into defined bit ensembles. Second, we replace inflation by a crystallization event triggered by the nucleus of interacting qubits to which rapidly more and more qubits attach (like in everyday crystal growth) – the crystal unit cell guarantees same symmetries everywhere. Hence, the textbook inflation scenario to explain the same laws of nature in our domain is replaced by the crystal unit cell of the crystal formed. We give here only the perspective or outline of this modified inflation theory, as the detailed mathematical physics behind this has still to be formulated and described. Interacting qubits solidify, quantum entropy decreases (but increases in the ocean around). The interacting qubits form a rapidly growing domain where the n**m states become separated ensemble states, rising long-range forces stop ultimately further growth. After that very early events, standard cosmology with the hot fireball model takes over. Our theory agrees well with lack of inflation traces in cosmic background measurements, but more importantly can explain well by such a type of cosmological crystallization instead of inflation the early creation of large-scale structure of voids and filaments, supercluster formation, galaxy formation, and the dominance of matter: no annihilation of antimatter necessary, rather the unit cell of our crystal universe has a matter handedness avoiding anti-matter. We prove a triggering of qubit interactions can only be 1,2,4 or 8-dimensional (agrees with E8 symmetry of our universe). Repulsive forces at ultrashort distances result from quantization, long-range forces limit crystal growth. Crystals come and go in the qubit ocean. This selects for the ability to lay seeds for new crystals, for self-organization and life-friendliness. The phase space of the crystal agrees with the standard model of the basic four forces for n quanta. It includes all possible ensemble combinations of their quantum states m, a total of n**m states. Neighbor states reach according to transition possibilities (S-matrix) with emergent time from entropic ensemble gradients. However, this means that in our four dimensions there is only one bit overlap to neighbor states left (almost solid, only below h dash liquidity left). However, the E8 symmetry of heterotic string theory has six rolled-up, small dimensions which help to keep the qubit crystal together and will never expand. Finally, we give first energy estimates for free qubits vs bound qubits, misplacements in the qubit crystal and entropy increase during qubit decoherence / crystal formation. Scalar fields for color interaction and gravity derive from the permeating qubit-interaction field in the crystal. Hence, vacuum energy gets low inside the qubit crystal. Condensed mathematics may advantageously help to model free (many states denote the same qubit) and bound qubits in phase space.

Das Ziel dieser Arbeit war neue Eingangsdaten für die Landoberflächenbeschreibung des regionalen Klimamodells REMO zu finden und ins Modell zu integrieren, um die Vorhersagequalität des Modells zu verbessern. Die neuen Daten wurden so in das Modell eingebaut, dass die bisherigen Daten weiterhin als Option verfügbar sind. Dadurch kann überprüft werden, ob und in welchem Umfang sich die von jedem Klimamodell benötigten Rahmendaten auf Modellergebnisse auswirken. Im Zuge der Arbeit wurden viele unterschiedliche Daten und Methoden zur Generierung neuer Parameter miteinander verglichen, denn neben dem Ersetzen der konstanten Eingangswerte für verschiedene Oberflächenparameter und den damit verbundenen Änderungen wurden als zusätzliche Verbesserung auch Veränderungen an der Parametrisierung des Bodens speziell in Hinblick auf die Bodentemperaturen in REMO vorgenommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die durch die verschiedenen Änderungen ausgelösten Auswirkungen für das CORDEX-Gebiet EUR-44 mit einer Auflösung von ca. 50km und für das in dem darin eingebetteten neu definierten Deutschlandgebiet GER-11 mit einer Auflösung von ca. 12km getestet sowie alle Änderungen anhand von verschiedenen Beobachtungsdatensätzen validiert. Die vorgenommenen Arbeiten gliederten sich in drei Hauptteile. Der erste Teil bestand in dem vom eigentlichen Klimamodell unabhängigen Vergleich der verschiedenen Eingangsdaten auf unterschiedlichen Auflösungen und deren Performanz in allen Teilen der Erde, wobei ein besonderer Fokus auf der Qualität in den späteren Modellgebieten lag. Unter Berücksichtigung der Faktoren, wie einer globalen Verfügbarkeit der Daten, einer verbesserten räumlichen Auflösung und einer kostenlosen Nutzung der Daten sowie verschiedener Validationsergebnissen von anderen Studien, wurden in dieser Arbeit vier neue Topographiedatensätze (SRTM, ALOS, TANDEM und ASTER) und drei neue Bodendatensätze (FAOn, Soilgrid und HWSD) für die Verwendung im Präprozess von REMO aufbereitet und miteinander sowie mit den bisher in REMO verwendeten Daten verglichen. Auf Grundlage dieser Vergleichsstudien schieden bei den Topographiedaten die verwendeten Datensatz-Versionen von SRTM, ALOS und TANDEM für die in dieser Arbeit durchgeführten REMO-Läufe aus. Bei den neuen Bodendatensätzen wurde ausgenutzt, dass diese verschiedenen Bodeneigenschaften für unterschiedliche Tiefen als Karten zur Verfügung stellen. In REMO wurden bisher alle benötigten Bodenparameter abhängig von fünf verschiedenen Bodentexturklassen und einer zusätzlichen Torfklasse ausgewiesen und als konstant über die gesamte Modellbodensäule (bis ca. 10m) angenommen. Im zweiten Teil wurden auf Basis der im ersten Teil ausgewählten neuen Datensätze und den neu verfügbaren Bodenvariablen verschiedene Sensitivitätsstudien über das Beispieljahr 2000 durchgeführt. Dabei wurden verschiedene neue Parametrisierungen für die bisher aus der Textur abgeleiteten Bodenvariablen und die Parametrisierung von weiteren hydrologischen und thermalen Bodeneigenschaften verglichen. Ferner wurde aufgrund der neuen nicht über die Tiefe konstanten Bodeneigenschaften eine neue numerische Methode zur Berechnung der Bodentemperaturen der fünf Schichten in REMO getestet, welche wiederum andere Anpassungen erforderte. Der Test und die Auswahl der verschiedenen Datensatz- und Parametrisierungsversionen auf die Modellperformanz wurde in drei Experimentpläne unterteilt. Im ersten Plan wurden die Auswirkungen der ausgewählten Topographie- und Bodendatensätze überprüft. Der zweite Plan behandelte die Unterschiede der verschiedenen Parametrisierungsarten der Bodenvariablen hinsichtlich der verwendeten Variablen zur Berechnung der Bodeneigenschaften, der über die Tiefe variablen oder konstanten Eigenschaften und der verwendeten Berechnungsmethode der Bodentemperaturänderungen. Durch die Erkenntnisse aus diesen beiden Experimentplänen, die für beide Untersuchungsgebiete durchgeführt wurden, ergaben sich im dritten Plan weitere Parametrisierungsänderungen. Alle Änderungen dieses dritten Experimentplans wurden sukzessiv getestet, sodass der paarweise Vergleich von zwei aufeinanderfolgenden Modellläufen die Auswirkungen der Neuerung im jeweils zweiten Lauf widerspiegelt. Der letzte Teil der Arbeit bestand aus der Analyse von fünf längeren Modellläufen (2000-2018), die zur Überprüfung der Ergebnisse aus den Sensitivitätsstudien sowie zur Einschätzung der Performanz in weiteren teilweise extremen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wurden. Hierfür wurden die bisherige Modellversion von REMO (id01) für die beiden Untersuchungsgebiete EUR-44 und GER-11 als Referenzläufe, zwei aufgrund der Vergleichsergebnisse von Experimentplan 3 selektierte Modellversionen (id06 und id15a für GER-11) sowie die finale Version (id18a für GER-11), die alle vorgenommenen Änderungen dieser Arbeit enthält, ausgewählt. Es stellte sich heraus, dass sowohl die neuen Topographiedaten als auch die neuen Bodendaten große Differenzen zu den bisherigen Daten in REMO haben. Zudem änderten sich die von diesen konstanten Eingangsdaten abgeleiteten Hilfsvariablen je nach verwendeter Parametrisierung sehr deutlich. Dies war besonders gut anhand der Bodenparameter zu erkennen. Sowohl die räumliche Verteilung als auch der Wertebereich der verschiedenen Modellversionen unterschieden sich stark. Eine Einschätzung der Qualität der resultierenden Parameter wurde jedoch dadurch erschwert, dass auch die verschiedenen zur Validierung herangezogenen Bodendatensätze für diese Parameter deutlich voneinander abweichen. Die finale Modellversion id18a ähnelte trotz der umfassenden Änderungen in den meisten Variablen den Ergebnissen der bisherigen REMO-Version. Je nach zeitlicher und räumlicher Aggregation sowie unterschiedlichen Regionen und Jahreszeiten wurden leichte Verbesserungen, aber auch leichte Verschlechterungen im Vergleich zu den klimatologischen Validationsdaten festgestellt. Größere Veränderungen im Vergleich zur bisherigen Modellversion konnten in den tieferen Bodenschichten aufgezeigt werden, welche allerdings aufgrund von fehlenden Validationsdaten nicht beurteilt werden konnten. Für alle 2m-Temperaturen konnte eine tendenzielle leichte Erwärmung im Vergleich zum bisherigen Modelllauf beobachtet werden, was sich einerseits negativ auf die ohnehin durchschnittlich zu hohe Minimumtemperatur, aber andererseits positiv auf die bisher zu niedrige Maximumtemperatur des Modells in den betrachteten Gebieten auswirkte. Im Niederschlagssignal und in den 10m-Windvariablen konnten keine signifikanten Änderungen nachgewiesen werden, obwohl die neue Topographie an manchen Stellen im Modellgebiet deutlich von der bisherigen abweicht. Des Weiteren variierte das Ranking der verschiedenen Modellversionen jeweils nach dem angewendeten Qualitätsindex. Um diese Ergebnisse besser einordnen zu können, muss berücksichtigt werden, dass die neuen Daten für Modellgebiete mit 50 bzw. 12km räumlicher Auflösung und der damit verbundenen hydrostatischen Modellversion getestet wurden. Zudem sind vor allem in Fall der Topographie die bisher enthaltenen GTOPO-Daten (1km Auflösung) für die Aggregation auf diese gröbere Modellauflösung geeignet. Die bisherigen Bodendaten stoßen jedoch mit 50km Auflösung bereits an ihre Grenzen. Zusätzlich ist zu beachten, dass nicht nur die Mittelwerte dieser Daten, sondern auch deren Subgrid-Variabilität als Variablen im Modell für verschiedene Parametrisierungen verwendet werden. Daher ist es essentiell, dass die Eingangsdaten eine deutlich höhere Auflösung bereitstellen als die zur Modellierung definierte Auflösung. Für lokale Klimasimulationen mit Auflösungen im niedrigen Kilometerbereich spielen auch die Vertikalbewegungen (nicht-hydrostatische Modellversion) eine wichtige Rolle, die stark von der Topographie sowie deren horizontaler und vertikaler Änderungsrate beeinflusst werden, was die in dieser Arbeit eingebauten wesentlich höher aufgelösten Daten für die zukünftige Weiterentwicklung von REMO wertvoll machen kann.

Active galactic nuclei (AGNs) are among the brightest sources in our universe. These galaxies are considered active because their central region is brighter than the luminosities of all stars in a galxies can provide. In their center is a supermassive black hole (SMBH) surrounded by an accretion disk and further out a dusty torus. AGN can be found with emission over the whole electromagnetic spectrum, starting at radio frequencies over optical and X-ray emission up to the $\gamma$-rays. Not all of these sources are detected in each frequency regime. In this work mainly blazars are examined at low radio frequencies. Blazars are a subclass of radio-loud AGN. These radio-loud sources usually exhibit highly collimated jets perpendicular to the accretion disk. For blazars these jets are pointed in the direction of the observer and their emission is highly variable. \\ AGN are classified in different subclasses based on their morphology. These different subclasses are combined in the AGN unification model, which explains the different morphologies by having sources only varying in their luminosities and their angle to the line of sight to the observer. Blazars are these targets, where the jet is pointing towards the observer, while the AGN observed edge on are called radio galaxies. This means that blazars should be the counterparts to radio galaxies seen from a different angle. Testing this is one of the goals in this work. \\ After the discovery of AGN in the 1940s these objects have been studied at all wavelengths. With the development of interferometry with radio telescopes the angular resolution for radio observations could be improved. In the last 20 years many AGN are regularly monitored. One of these monitoring programs is the MOJAVE program, monitoring 274 AGNs with using the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) technique. The monitoring provides information on the evolution and structure of AGN and their jets. However, the mechanisms of the jet formation and their collimation are not fully understood. Due to relativistic effects it is difficult to obtain intrinsic instead of apparent parameters of these jets. One approach to get closer to the intrinsic jet power is by observing the regions, in which the jets end and interact with the intergalactic medium. Observations at lower radio frequencies are more sensitive for extended diffuse emission. \\ Since December 2012 a new radio telescope for low frequencies is observing. It is a telescope with stations consisting of dipole antennas. The major part of the array located in the Netherlands (38 stations) with 12 additional international stations in Germany, France, Sweden, Poland and the United Kingdom. This instrument is called the Low Frequency Array (LOFAR). LOFAR offers the possibility to observe at frequencies between 30--250 MHz in combination with angular resolution (below 1 arcsec for the full array), which was not available with previous telescopes. \\ In this work results of blazar studies with LOFAR observations are presented. To take advantage of a large database with multi-wavelength observations and kinematic studies the MOJAVE 1.5 Jy flux limited sample was chosen. Based on the preliminary results of the LOFAR Multifrequency Snapshot Sky Survey (MSSS) the flux densities and spectral indices of blazars of the MOJAVE sample are examined. 125 counterparts of MOJAVE blazars were found in the MSSS catalog. Since the MSSS observations only contain the stations in the Netherlands and observes in snapshots, the angular resolution and the sensitivity is limited. The first MSSS catalog was produced with an angular resolution of $\sim$120 arcsec and a sensitivity of $\sim$50--100 mJy. Another advantage of the MOJAVE sample is the monitoring of these sources with the Owens Valley Radio Observatory (OVRO) at 15 GHz to produce radio lightcurves. With these observations it is possible to get quasi-simultaneous flux densities at 15 GHz for the corresponding MSSS observations. By having quasi-simultaneous observations the variability of the blazars affects the flux densities less than with the use of archival data. The spectral indices obtained by the combination of MSSS and OVRO flux densities can be used to estimate the contribution of the diffuse extended emission for these AGNs. \\ Comparing the MSSS catalog with the OVRO data points, the flux densities have a tendency to be higher at low frequencies. This is expected due to the higher contribution of extended emission. The broadband spectral index distribution shows a peak at $\sim-0.2$. While some sources seem to have steeper spectral indices meaning that extended emission contributes a large fraction of the total flux density, more than the half of the sample shows flat spectral indices. The flat spectral indices show that the total flux densities of these sources are dominated by their relativistic beamed emission regions, which is the same for the observations at GHz frequencies. \\ To obtain more detailed images of these sources the MSSS measurement sets including sources of the sample were reprocessed to improve the angular resolution to $\sim$30 arcsec. The higher angular resolution reveals extended diffuse emission of several blazars. Since the reimaging results were not fully calibrated only the morphology at this resolution could be examined. However, with the short snapshot observations the images obtained with this strategy are affected from artifacts. The reimaging could be successfully performed for 93 sources in one frequency band. For 45 of these sources all availabe frequency bands could be reprocessed and used to created averaged images. These images are presented in this work. As a results of the reimaging process a pilot sample was defined to observe targets with diffuse extended emission using the whole LOFAR array including the international stations. \\ The second part of this work presents the results of a pilot sample consisting of four blazars observed with the LOFAR international array. Since the calibration of this kind of LOFAR observation is still in development, the main focus was the description of the used calibration strategy. The calibration strategies still has some limitation but resulted in images with angular resolutions of less than 1 arcsec. The morphology of all four blazars show features confirming the expectations of their counterpart radio galaxies. With the flux densities of the extended emission found in these brightness distributions the extended radio luminosities are calculated. Comparing these to the radio galaxy classifications also confirm the expectations from the unification model. \\ By extending the sample of observed blazars with LOFAR international in future the calibration strategy can be used to create similar high resolution images. A larger sample can be used to test the unification model with statistical significant results. \\

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Prozessen, die in einer Unterklasse der Aktiven Galaxienkerne, den Blazaren, das Emissionsspektrum dieser Objekte erzeugen. Dies beinhaltet insbesondere den Beschleunigungsprozess, der eine nichtthermische Teilchenverteilung erzeugt, sowie diverse Strahlungsprozesse. Das Spektrum dieser Quellen reicht dabei vom Radiobereich bis zu Energien im TeV-Bereich. Die Form des zeitlich gemittelten Spektrums kann durch Modelle bereits sehr gut beschrieben werden. Insbesondere die erste der beiden dominierenden Komponenten des Spektrums kann mit hoher Sicherheit mit Synchrotronemission einer Elektronenenergieverteilung in Form eines Potenzgesetzes identifiziert werden. Für den Ursprung der zweiten Komponente existieren jedoch verschiedene Erklärungsversuche. Dies sind im wesentlichen die inverse Compton-Streuung der internen oder externer Strahlung (leptonische Modelle) sowie die Emission und photohadronische Wechselwirkung einer hochenergetischen Verteilung von Protonen in der Quelle. Eine räumliche Auflösung des Ursprungs der detektierten Strahlung ist mit den zur Verfügung stehenden Teleskopen nicht möglich. Einschränkungen für die Ausdehnung dieser Emissionszone ergeben sich lediglich aus der Variation des Emissionsspektrums. Eine Bestimmung der Morphologie ist jedoch im selbstabsorbierten Radiobereich des Spektrums durch die Ausnutzung von interferometrischen Beobachtungen möglich. Die resultierenden Längen, auf denen die im inneren der Quelle selbstabsorbierte Strahlung die Quelle schließlich verlässt, sind jedoch etwa zwei Größenordnungen oberhalb der aus den Variabilitätszeitskalen gefolgerten Limits. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell soll dabei helfen, verschiedene Beobachtungen mit Hilfe eines quantitativen Modells zu beschreiben. Hier steht insbesondere die Korrelation zwischen den Verläufen der Hochenergie- und Radioemission im Vordergrund. Eine Aussage über die Existenz einer solchen Verbindung konnte aus den bisherigen Beobachtungen nicht getroffen werden. Eine quantitative Modellierung könnte bei der Interpretation der bisher uneindeutigen Datenlage helfen. Eine weitere, durch Modelle bisher nicht beschreibbare, Beobachtungsevidenz sind extrem kurzzeitige Variationen des Flusszustands. Die Lichtlaufzeit durch das für die Modellierung benötigte Raumgebiet ist zumeist größer als die beobachtete Zeitskala. Zudem deuten die Beobachtungen darauf hin, dass manche dieser Flussausbrüche nicht zwischen den verschiedenen Bändern korreliert sind, wie es zumindest die leptonischen Modelle erwarten lassen würden. Das hier beschriebene Modell verbindet eine räumliche Auflösung des Emissionsgebiets mit dem dominanten Beschleunigungsmechanismus. Hierdurch konnte zunächst gezeigt werden, dass die Beschreibung von Variabilität auch auf Skalen unterhalb der Lichtlaufzeit durch das modellierte Raumgebiet möglich ist. Zudem wurde ein Szenario quantifiziert, dass im leptonischen Fall unkorrelierte Ausbrüche vorhersagt. \thispagestyle{empty} Durch eine Erweiterung des Emissionsgebiets gegenüber anderen Blazar-Modellen um zwei Größenordnung konnte zudem eine Verknüpfung zwischen dem Hochenergie- und dem Radiobereich erfolgen. Die gefundene Morphologie des Einschlussgebiets der nichtthermischen Teilchenpopulation beinhaltet eine physikalisch sinnvolle Randbedingung für das Emissionsgebiet der Hochenergiestrahlung, die zudem den für die betrachtete Quelle korrekten Spektralindex im Radiobereich erzeugt. Darüber hinaus wurden in das Modell sowohl leptonische als auch hadronische Prozesse integriert, die eine flexible und unvoreingenommene Modellierung potentieller Hybridquellen erlauben. Mit dem entwickelten Modell ist es möglich, aus detailliert vermessenen Lichtkurven im Hochenergiebereich die zu erwartende Radioemission vorherzusagen. Die in diese Vorhersage eingehenden Parameter lassen sich aus der Modellierung des Gleichgewichtsspektrums bestimmen.

The discontinuous mountain permafrost zone is characterized by its heterogeneous distribution of frozen ground and a small-scale variability of the ground thermal regime. Large parts of these areas are covered by glacial till and sediments that were exposed after the recession of the glaciers since the 19th century. As response to changed climatic conditions permafrost-affected areas will lose their ability as sediment storage and on the contrary, they will act as source areas for unconsolidated debris. Along with modified precipitation patterns the degradation of the discontinuous mountain permafrost zone will (temporarily) increase its predisposition for mass movement processes and thus has to be monitored in a differentiated way. Therefore, the spatio-temporal dynamics of frozen ground are assessed in this study based on results obtained in three glacier forefields in the Engadin (Swiss Alps) and at the Zugspitze (German Alps). Sophisticated techniques are required to uncover structural differences in the subsurface. Thus, the applicability of advanced geophysical methods is tested for alpine environments and proved by the good 3D-delineation of a permafrost body and by the detection of detailed processes in the active layer during snow melt. Electrical resistivity tomography (ERT) approaches (quasi-3D, daily monitoring) reveal their capabilities to detect subsurface resistivity changes both, in space and time. Processes and changes in regard to liquid water content and ice content are observed to exist at short distances even though the active layer is not subject to a considerable thickening over the past 7 years. The stability of the active layer is verified by borehole temperature data. No synchronous trend is recognized in permafrost temperatures and together with multi-annual electrical resistivity data they indicate degradation and aggradation processes to occur at the same time. Different heat transfer mechanisms, especially during winter, are recognized by means of temperature sensors above, at, and beneath the surface. Based on surface and borehole temperature data the snow cover is assessed as the major controlling factor for the thermal regime on a local scale. Beyond that, the debris size of the substrate, which modifies the snow cover and regulates air exchange processes above the ground, plays a crucial role as an additional buffer layer. A fundamental control over the stability of local permafrost patches is attributed to the ice-rich transient layer at the base of the active layer. The refreezing of melt water in spring is illustrated with diurnal ERT monitoring data from glacier forefield Murtèl. Based on these ERT and borehole temperature data a conceptual model of active layer processes between autumn and spring is developed. The latent heat that is inherent in the transient layer protects the permafrost beneath from additional energy input from the surface as long as the refreezing of melt water in spring prevails and sufficient ice is build up each spring. Permafrost sites without a transient layer show considerably higher temperatures at their table and are more prone to degradation in the years and decades ahead. As main investigation area a glacier forefield beneath the summits of Piz Murtèl and Piz Corvatsch in the Swiss Engadin was chosen. It is located west of the well-known rock glacier Murtèl. Here, a permafrost body inside and adjacent to the lateral moraine was investigated and could be delineated very well. In the surrounding glacier forefield no further indications of permafrost occurrence could be made. Geophysical data and temperature values from the surface and from a permafrost borehole were compared with long-term data from proximate glacier forefield Muragl (Engadin). Results from both sites show a considerable stability of the active layer depth in summer while at the same time geophysical data demonstrate annual changes in the amount of liquid water content and ice content in the course of years. A third investigation area is located in the German Alps. The Zugspitzplatt is a high mountain valley with considerably more precipitation and thicker snow cover compared to both Swiss sites. In close proximity to the present glacier and at a large talus slope beneath the summit crest ground ice could be observed. The high subsurface resistivity values and comparable data from existing studies at the Zugspitze may indicate the presence of sedimentary ice in the subsurface of the karstified Zugspitzplatt. Based on these complementary data from geophysical and temperature measurements as well as geomorphological field mapping the development of permafrost in glacier forefields under climate change conditions is analyzed with cooperation partners from the SPCC project. Ground temperature simulations forced with long-term climatological data are modeled to assess future permafrost development in glacier forefield Murtèl. Results suggest that permafrost is stable as long as the ice-rich layer between the active layer and the permafrost table exists. After a tipping point is reached, the disintegration of frozen ground starts to proceed rapidly from the top.