http://hdl.handle.net/10900/42133 2026-08-22T00:59:08Z http://hdl.handle.net/10900/182332 Spatial Network Design of the eLTER Research Infrastructure Ohnemus, Thomas Research Infrastructures (RIs) are key to face the grand environmental challenges humanity encounters by providing standardized, accessible, large-scale data. Yet, observation locations in RIs tend to be biased. These biases cannot simply be judged by spatial distance. Rather, meaningful RI-specific indicators describing a status quo and future conditions should be the basis to uncover biases and inform an RI’s spatial network design. This thesis studies the spatial network design of the Integrated European Long-Term Ecosystem, critical zone and socio-ecological Research Infrastructure (eLTER RI). Therefore, eLTER RI’s target region was defined and a survey was conducted to describe eLTER RI’s network of in-situ facilities. As relevant indicators, six indicators collectively describing current ecosystem functioning were chosen and four indicators describing Global Change Pressure on ecosystems were developed. Based on these indicators, using a representativity analysis sampling bias was identified. Lastly, it was investigated whether in-situ facilities of other RIs can resolve sampling bias within eLTER RI. eLTER RI currently consists of 204 in-situ facilities, which underrepresent agricultural lands, dry bioclimates, areas with low economic density, areas projected to experience a strong increase and a strong decrease in precipitation, little change in biotemperature, both strong and hardly any land use change, and areas where water availability during a year becomes more uniform. Spatially, these conditions and therefore underrepresented regions cluster in the Iberian Peninsula, Fennoscandia and Eastern Europe. Facilities of other RIs can convincingly counteract bias in Eastern Europe, but not in the other regions. As long as biases within an RI persist, they must be addressed in data analyses, e.g. by removing data or explicitly mention biases uncovered. Only an unbiased in-situ facility network would allow confident upscaling of all data. The procedure to design the spatial network of an RI outlined in this thesis can function as a blueprint for continental or global scale RI development towards minimizing sampling bias. 2026-08-14T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182177 Catcher in the Sky: Galactic X-ray Binaries in the Era of eROSITA and Beyond Avakyan, Artur Röntgendoppelsterne (Engl. Äquivalent: X-Ray Binaries, XRBs) sind die Endpunkte der stellaren Entwicklung massereicher Sterne, und stellen einzigartige Weltraumlabore für die Hochenergieastrophysik dar. Forschungsarbeiten zu XRBs können sowohl umfan- greiche Studien der XRB-Population, als auch Analysen einzelner Doppelsternsysteme umfassen. Populationsstudien von XRBs sind der Schlüssel zum Verständnis der En- twicklung massereicher Sterne und der Eigenschaften der Host-Galaxie. Zudem können sie auch Licht auf die physikalischen Prozesse werfen, welche in engen Doppelsternsyste- men ablaufen. Beobachtungsanalysen und theoretische Modellierungen wiederum bieten die Möglichkeit, das Verhalten spezifischer Systeme zu verfolgen, spezifische Mechanis- men zu erforschen und grundlegende Fragen der modernen Hochenergieastrophysik zu beantworten. In Bevölkerungsstudien besteht eine der Hauptaufgaben darin, eine repräsentative Stichprobe zu bilden, d.h. in unserem Fall, einen wesentlichen Teil aller XRBs zu beobachten und zu identifizieren. Im Rahmen dieser Studie umfasst dies zwei Aufgaben: 1) sorgfältige Sammlung der Informationen über alle entdeckten XRBs in unserer Galaxie; 2) Suche nach neuen (bisher unbekannten) galaktischen XRBs. Diese beiden Aufgaben stellen eine Reihe von Herausforderungen dar. Erstens waren zu Beginn dieser Arbeit die letzten Kataloge der galaktischen Rönt- gendoppelsternen mit geringen Massen (Engl. Äquivalent: Low-Mass X-Ray Binaries, LMXBs) und hohen Massen (Engl. Äquivalent: High-Mass X-Ray Binaries, HMXBs) stark veraltet (Liu et al., 2006, 2007, Ritter and Kolb, 2003). Seitdem wurden viele neue transiente und persistente Objekte entdeckt. In diesem Zusammenhang haben wir zwei neue Kataloge der galaktischen LMXBs und HMXBs zusammengestellt, die in den Pa- pieren I und II vorgestellt werden. Sie bieten eine aktuelle Bestandsaufnahme der bekan- nten XRBs in unserer Galaxie mit einer Vielzahl von Multi-WellenLängen (MWL) Infor- mationen (beste verfügbare Astromentrie, Zeitmessung, Photometrie und andere Daten), die aus aktuellen Röntgen-, optischen und IR-Durchmusterungen stammen. Unsere Kat- aloge enthalten zusammen mehr als 500 XRBs und haben damit ein um mehr als 70% größeres Volumen als die umfangreichsten Kataloge der Vergangenheit. Zweitens, wird die Suche nach neuen XRBs durch die Tatsache erschwert, dass die meisten von ihnen eine relativ geringe Röntgenleuchtkraft L x ≲ 10 34−35 erg/s (Doroshenko et al., 2014a, Grimm et al., 2002, Lutovinov et al., 2013, Mineo et al., 2011, Revnivt- sev et al., 2008, Voss and Ajello, 2010). Daher entgingen sie wahrscheinlich der Ent- deckung in aktuellen großräumigen Röntgendurchmusterungen mit mäßiger Empfind- lichkeit und/oder starker Absorption in der galaktischen Ebene (wo sich die meisten XRBs befinden). Die Situation begann sich jedoch dank der himmelsweiten Durch- musterung durch das Extended ROentgen Survey Imaging Telescope Array (eROSITA, Merloni et al., 2012, Predehl et al., 2021) zu ändern, dessen erste Datenveröffentlichung (eRASS DR1) Anfang 2024 erfolgte. Im Paper III haben wir eine Suche nach neuen galaktischen XRBs unter den eRASS DR1-Quellen durchgeführt und zwei Kataloge von galaktischen XRB-Kandidaten vorgestellt. Die Katalogtabellen enthalten Röntgeneigen- schaften von eRASS DR1 und Merkmale der identifizierten optischen/IR-Gegenstücke für insgesamt 192 XRB-Kandidaten. Die Auswahl der Gegenstücke und die endgültige MWL- Klassifizierung wurden beide mit überwachten Methoden des maschinellen Lernens als Teil eines einzigen Verfahrens durchgeführt, das speziell auf die Suche nach XRBs abgestimmt ist. Darauf aufbauend berichten wir in Paper IV über die Nachbeobachtungen von zwei XRB-Kandidaten (1eRASS J061330.8+160440 und 1eRASS J161201.9-464622) Die mit der X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton, Jansen et al., 2001). XRB-Kandidaten wurden auf der Grundlage der vorläufigen Analyse der ersten eROSITA-Röntgendurchmusterung (eRASS1) als solche ausgewählt. Mit XMM-Newton- Beobachtungen wurden die Röntgenpositionen verfeinert und entsprechende optische/IR- Gegenstücke identifiziert. Basierend auf der detaillierten Spektral-, Zeit- und MWL- Analyse, die in dieser Arbeit durchgeführt wurde, kommen wir zu dem Schluss, dass beide unserer Kandidaten wahrscheinlich keine XRBs sind. 1eRASS J061330.8+160440 wurde als chromosphärisch aktiver Unterriese vom M-Typ mit ausgeprägter H alpha -Emission und einer optischen Periodizität von 7,189 Tagen identifiziert, die wahrscheinlich auf Stern- flecken zurückzuführen ist. Andererseits wurde 1eRASS J161201.9-464622 als das zweite von eROSITA entdeckte nichtmagnetische novaartige kataklysmische Veränderliche mit einer vorläufigen Umlaufperiode von 4,832 Stunden bestimmt. Wir betonen, dass die Auswahl dieser Kandidaten hauptsächlich auf den relativ hohen Röntgenfluss in eRASS1 zurückzuführen ist (der auf der Grundlage der damals verfügbaren vorläufigen eROSITA- Verarbeitungspipeline (c946) überschätzt wurde). Mit anderen Worten: Obwohl wir bere- its gezeigt haben, dass eROSITA in der Lage ist, neue XRBs zu identifizieren, gibt es noch Raum für eine Verbesserung der Genauigkeit. Was die Analyse einzelner Quellen betrifft, so untersuchen wir in Paper V die viskose Entwicklung einer Akkretionsscheibe in Gegenwart des thermischen Windes, der von ihrer Oberfläche ausgeht. Aus diesen Gründen wurde eine numerische Methode entwickelt und als Teil des von uns geschriebenen öffentlichen Codes freddi (Avakyan et al., 2019, 2021, Lipunova and Malanchev, 2017, Lipunova et al., 2022) implementiert, die die 1-D Evo- lutionsgleichung der Shakura-Sunyaev (Shakura and Sunyaev, 1973) Akkretionsscheibe löst. Unter Verwendung des implementierten thermischen Windmodells von Woods et al. (1996) haben wir die Entwicklung des LMXB 4U 1543−47-Ausbruchs von 2002 simuliert und angepasst. Die Anpassung erfolgte auf der Grundlage der archivierten Beobachtun- gen des Rossi X-ray Timing Explorer Observatoriums (RXTE, Jahoda et al., 1996). Es wurde festgestellt, dass der Beobachtungswert des turbulenten Viskositätsparameters α für den betreffenden Ausbruch um etwa den Faktor 1,6 überschätzt wird, wenn der ther- mische Wind ignoriert wird. Es wurde auch festgestellt, dass der V -Band-Fluss zwar mit unserem Modell erklärt werden konnte, es jedoch nicht vollständig mit dem J-Band- Fluss übereinstimmt. Dies könnte ein Zeichen für das Vorhandensein einer von uns nicht berücksichtigten Quelle zusätzlicher optischer/IR-Strahlung sein, möglicherweise ein Jet. Abschließend kommen wir zu dem Schluss, dass die Modellierungen und Beobachtungen für das Vorhandensein des Akkretions-Scheibenausflusses sprechen, der thermische Wind jedoch die Entwicklung der Ausbrüche nicht vollständig erklären kann. Letztendlich bietet diese Dissertation eine breit angelegte Studie in den Bereichen Population, Beobachtung, Theorie, Simulation und Archivanalyse von XRBs in unserer Galaxie, die eine breite Grundlage für zukünftige Arbeiten in verschiedenen Bereichen der Hochenergie-Astrophysik bietet.; X-ray binaries (XRBs), being the endpoints of the stellar evolution of massive stars, represent unique space laboratories for high-energy astrophysics. XRB research can in- clude both extensive studies of their population as a whole, and in-depth analysis of individual binary systems. Population studies of XRBs play key role in understanding both the evolution of massive stars and the properties of the host galaxy, showing how high-energy physical processes appear on a large scale. Observational analysis and theo- retical modellings of individual systems, in turn, while tracking the behaviour of specific XRBs, provide an opportunity to dig deep into specific mechanisms, and answer funda- mental questions of modern astrophysics. One of the main goals of population studies is to form a representative sample, i.e. to detect and identify a substantial fraction of existing sources, XRBs in our case. This includes two tasks: 1) careful collection of the information regarding all discovered XRBs in our Galaxy; 2) search for new (previously unknown) Galactic XRBs. Both of these tasks present a number of challenges. First of all, existing archives of known XRBs might be incomplete. At the time this work has started, the latest catalogues of Galactic low-mass (LMXBs) and high-mass (HMXBs) X-ray binaries, were vastly outdated (Liu et al., 2006, 2007, Ritter and Kolb, 2003). Since their latest updates, many new transient and persistent objects have been discovered. In this context, we have compiled two new catalogues of the Galactic LMXBs and HMXBs, as presented in the Papers I and II, respectively. They provide an up-to- date census of known XRBs in our Galaxy along with various multiwavelength (MWL) information (best astromentry available, timing, photometry and other data) extracted from current X-ray/optical and infrared (IR) surveys. Our catalogues together contain more than 500 XRBs, which represents ≈ 70% increase in volume with respect to the most extensive catalogues of the past. Secondly, the search for new XRBs is complicated by the fact that the majority of them are expected to have relatively low X-ray luminosities L x ≲ 10 34−35 erg/s (Doroshenko et al., 2014a, Grimm et al., 2002, Lutovinov et al., 2013, Mineo et al., 2011, Revnivtsev et al., 2008, Voss and Ajello, 2010). Thus, they likely escaped detection in current wide- area X-ray surveys with moderate sensitivity and/or strong absorption in the Galactic plane (where most XRBs are located). The situation, however, began to change thanks to the all-sky survey performed by the extended ROentgen Survey Imaging Telescope Array (eROSITA, Merloni et al., 2012, Predehl et al., 2021), which had it’s first data release (eRASS DR1) in the beginning of 2024. In the Paper III we conducted a search for new Galactic XRBs among eRASS DR1 sources and presented two catalogues of Galactic XRB candidates. Catalogue tables include X-ray properties from eRASS DR1 and char- acteristics of the identified optical/IR counterparts for 192 XRB candidates in total. The selection of the counterparts and final MWL classification were both accomplished using supervised machine-learning methods as part of a single procedure tuned specifically to XRBs search. Building upon that work, in the Paper IV we report on the follow-up observations of two XRB candidates (1eRASS J061330.8+160440 and 1eRASS J161201.9-464622) with X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton, Jansen et al., 2001). The XRB candidates were selected for follow-up based on the preliminary analysis of the first eROSITA X-ray survey (eRASS1). With XMM-Newton observations the X-ray positions were refined, cor- responding optical/IR counterparts were identified. Based on the detailed spectral, timing and MWL analysis conducted in the work, we concluded that both of our candidates are unlikely to be XRBs. 1eRASS J061330.8+160440 is found to be an M-type chromospher- ically active subgiant with rich H alpha emission and optical periodicity of 7.189 days likely attributed to starspot(s). On the other hand, 1eRASS J161201.9-464622 is defined as a second eROSITA-discovered nonmagnetic novalike cataclysmic variable with a tentative orbital period of 4.832 h. We emphasise, that now clarified to be erroneous selection of these candidates was mainly due to the relatively high X-ray flux in eRASS1 (derived based on preliminary eROSITA processing pipeline (c946) available at the time, not a part of the public release). In other words, while we have already demonstrated the ability of eROSITA to identify new XRBs, there is room for improving the accuracy. Regarding the observational and theoretical analysis of individual sources, in the Paper V we study the viscous evolution of an accretion disc in the presence of the thermal wind occurring from its surface. A numerical method was developed and implemented as a part of the open code freddi written by us (Avakyan et al., 2019, 2021, Lipunova and Malanchev, 2017, Lipunova et al., 2022), which solves 1-D evolution equation of Shakura- Sunyaev (Shakura and Sunyaev, 1973) accretion disc. Using the implemented thermal wind model from Woods et al. (1996), we have simulated and fitted the evolution of the LMXB 4U 1543−47 outburst of 2002. Model was applied to the analysis of the archival observations made by Rossi X-ray Timing Explorer observatory (RXTE, Jahoda et al., 1996). It was found, that if the thermal wind is ignored, the observational value of the turbulent viscosity parameter α for the particular outburst is overestimated by about a factor of 1.6. In was also found that while V band flux could be explained within our model, it still cannot fully match for J band flux. This may be a sign of the presence of some, yet unaccounted, source of additional optical/IR radiation, possibly a jet. Finally, we conclude that the modellings and observations are in favour of the disc outflow’s presence, however thermal wind cannot fully explain the evolution of the outbursts. Ultimately, this dissertation provides a wide study in areas of population, observa- tional, theoretical, simulation and archival analysis of XRBs in our Galaxy, giving a large basis for future works in different parts of high-energy astrophysics science. 2026-08-12T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182051 Biological Soil Crusts and Climate Effects on Soil Stabilization, Erosion, and Nutrient Dynamics across the Chilean Coastal Range Riveras Muñoz, Nicolás Biologische Bodenkrusten (Biocrusts) und Klimaeffekte prägen maßgeblich die Bodenstabilisierung, Erosion und Nährstoffdynamik, insbesondere entlang vielfältiger Umweltgradienten wie der chilenischen Küstenkordillere (von arid bis humid). Diese Forschung untersuchte diese komplexen Wechselwirkungen mittels eines mehrstufigen Ansatzes, der Feldbeobachtungen, Regenszenariosimulationen, Labor-Wettrocknungszyklen, Wurzelmikrokosmen und fortschrittliche Analysetechniken kombinierte. Der Schwerpunkt lag auf dem Zusammenspiel von Biocrusts, mikrobiellen Gemeinschaften, Pflanzenwurzeln und grundlegenden Bodeneigenschaften. Wesentliche Ergebnisse zeigen, dass Biocrusts die Stabilität von Bodenaggregaten signifikant verbessern und die Infiltration entlang des Gradienten nahezu verdoppeln, wodurch Oberflächenabfluss und Erosion verringert werden. Bemerkenswert ist, dass ihr stabilisierender Einfluss auf große Aggregate zwar bei dichter Vegetationsdecke nachlässt, ihre grundlegende Bedeutung aber auch in feuchten Klimaten erhalten bleibt und somit frühere Annahmen revidiert. Biocrusts veränderten zudem die hydrologischen Pfade grundlegend, indem sie den Transport von der Oberflächenerosion zur unterirdischen Versickerung verlagerten und die Kohlenstoff-(C)- und Stickstoff-(N)-Flüsse regulierten: Sedimentgebundene Verluste wurden verringert, während die Auswaschung gelöster Nährstoffe klimabhängig zunahm. Sterilisationsversuche bestätigten die zentrale Rolle mikrobieller Gemeinschaften bei der Aggregatbildung und deckten unerwartete Resilienz sowie starke Klimalegat-Effekte auf. Dabei verschoben sich die mikrobiellen Reaktionen auf Wettrocknungszyklen: In ariden Böden trieben sie den Umsatz organischer Substanz an, während sie in semiariden und mediterranen Böden die Reorganisation von Aggregaten bewirkten. Wurzelmikrokosmen zeigten, dass lebende Wurzeln die Makroaggregation antreiben, während absterbende Wurzeln eine mikrobielle Sukzession von einer pilzlichen zu einer grampositiven bakteriellen Dominanz auslösen und die Bildung von geschützter, okkludierter partikulärer organischer Substanz fördern. Zusammengenommen stützen diese Ergebnisse einen neuen konzeptionellen Rahmen, in dem Biocrusts, Mikroben und Wurzeln als synergistisches, klimabhängiges Ensemble von Bodeningenieuren wirken. Insgesamt erweitert diese Arbeit das Verständnis von Bodenstruktur und -funktion über kontrastierende Klimazonen hinweg und betont die Originalität der Integration biologischer und hydrologischer Perspektiven.; Las costras biológicas del suelo (biocostras) y los efectos climáticos influyen de manera decisiva en la estabilización del suelo, la erosión y la dinámica de nutrientes, especialmente a lo largo de diversos gradientes ambientales como la Cordillera de la Costa chilena (de árido a húmedo). Esta investigación estudió estas complejas interacciones mediante un enfoque de múltiples etapas que combinó observaciones de campo, simulaciones de escenarios de lluvia, ciclos de humectación y secado en laboratorio, microcosmos de raíces y técnicas analíticas avanzadas. El enfoque principal se centró en la interacción de las biocostras, las comunidades microbianas, las raíces de las plantas y las propiedades fundamentales del suelo. Los resultados principales muestran que las biocostras mejoran significativamente la estabilidad de los agregados del suelo y casi duplican la infiltración a lo largo del gradiente, reduciendo así la escorrentía superficial y la erosión. Cabe destacar que, aunque su influencia estabilizadora en los macroagregados disminuye bajo una cubierta vegetal densa, su importancia fundamental se mantiene incluso en climas húmedos, revisando así supuestos anteriores. Además, las biocostras alteraron drásticamente las vías hidrológicas al desplazar el transporte desde la erosión superficial hacia la infiltración subterránea, y regularon los flujos de carbono (C) y nitrógeno (N): las pérdidas unidas a los sedimentos disminuyeron, mientras que la lixiviación de nutrientes disueltos aumentó dependiendo del clima. Los experimentos de esterilización confirmaron el papel central de las comunidades microbianas en la formación de agregados y revelaron una resiliencia inesperada, así como fuertes efectos de legado climático. En este contexto, las respuestas microbianas a los ciclos de humectación y secado cambiaron: en los suelos áridos impulsaron el recambio de materia orgánica, mientras que en los suelos semiáridos y mediterráneos provocaron la reorganización de los agregados. Los microcosmos de raíces mostraron que las raíces vivas impulsan la macroagregación, mientras que las raíces muertas desencadenan una sucesión microbiana de una dominancia fúngica a una bacteriana grampositiva, y promueven la formación de materia orgánica particulada ocluida y protegida. En conjunto, estos resultados respaldan un nuevo marco conceptual en el que las biocostras, los microbios y las raíces actúan como un conjunto sinérgico de ingenieros del suelo dependiente del clima. En general, este trabajo amplía la comprensión de la estructura y función del suelo a través de zonas climáticas contrastantes y destaca la originalidad de la integración de perspectivas biológicas e hidrológicas.; Biological soil crusts (biocrusts) and climate effects profoundly shape soil stabilization, erosion, and nutrient dynamics, especially across diverse environmental gradients like the Chilean Coastal Range (arid to humid). This research explored these intricate interactions through a multi-scale approach that combined field observations, rainfall simulations, laboratory wetting-drying cycles, root microcosms, and advanced analytical techniques. The focus was on the interplay between biocrusts, microbial communities, plant roots, and fundamental soil properties. Key findings reveal that biocrusts significantly enhance soil aggregate stability and nearly double infiltration across the gradient, thereby reducing surface runoff and erosion. Notably, while their stabilizing influence on large aggregates diminishes where dense vegetation cover is present, their overall importance persists even in humid climates, refining previous assumptions. Biocrusts also fundamentally altered hydrological pathways, shifting transport from surface erosion to subsurface percolation and modulating carbon (C) and nitrogen (N) fluxes by decreasing sediment-bound losses while increasing dissolved nutrient leaching in a climate-dependent manner. Sterilization assays confirmed the critical role of microbial communities in aggregate formation, uncovering unexpected resilience and strong climate-legacy effects where microbial responses to wetting-drying cycles shifted from driving organic matter turnover in arid soils to reorganizing aggregates in semi-arid and mediterranean soils. Root-lifespan microcosms showed that living roots drive macroaggregation, while decaying roots trigger a microbial succession from fungal to Gram-positive bacterial dominance and enhance the formation of protected, occluded particulate organic matter. Together, these results support a new conceptual framework in which biocrusts, microbes, and roots act as a synergistic, climate-dependent ensemble of soil engineers. Overall, this work advances understanding of soil structure and function across contrasting climates and highlights the originality of integrating biological and hydrological perspectives. 2026-08-03T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10900/182018 Privacy by Design: From Distributed Learning to Post-Deployment Risks Swaminathan, Arjhun Modern data processing activities increasingly rely on sensitive data, from medical images and genomic data to electronic health records, to enable research, discovery, diagnosis, and decision-making. Yet the very capabilities that make these systems powerful also create privacy risks: data must often be shared across institutions for generalization and accuracy, and once models and datasets are released for downstream use, they become long-lived artifacts that others can query, link, or exploit. Privacy by design, the principle that privacy should be a foundational property of any data processing activity rather than a post-incident patch, offers a response to these risks. However, translating this into concrete technical practice remains a challenge, because the right answer depends on where in the processing lifecycle one stands, what is being protected, and what assumptions about adversaries are relevant. This thesis approaches privacy by design as a technical agenda organized around two regimes: pre-deployment and post-deployment. On the pre-deployment side, we develop privacy-preserving methods for computation on distributed data under semi-honest threat models. We introduce randomized-encoding based approaches for scalable kernel learning on medical images and for multi-site genome-wide association studies on quantitative phenotypes. We further show that widely used classical kernels can be realized through quantum feature maps, and introduce a distributed secure quantum architecture for kernel computation, validated on simulated quantum hardware. On the post-deployment side, we study what deployed artifacts reveal and how that exposure can be exploited or mitigated. We introduce a targeted adversarial attack for hard-label black-box image classifiers that leverages edge information from images to accelerate attack progress under strict query budgets, consistently outperforming existing methods in the low-query regime across diverse architectures. We also develop a topological framework for adaptive k-anonymisation for dynamic datasets, enabling incremental updates to anonymised data releases without full recomputation when the underlying data changes. Taken together, the results presented in this thesis demonstrate that privacy by design for data processing activities is not a single technique but a discipline whose realization spans a composition of architectures, threat models, and lifecycle stages. 2026-07-31T00:00:00Z