@phdthesis{Rettig2016,
  author    = {Rettig, Robert},
  title     = {{\"U}ber die Anisotropie der Kosmischen Strahlung},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {90, XV},
  year      = {2016},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Liepertz2017,
  author    = {Liepertz, Sven Christian},
  title     = {Zusammenhang zwischen dem Professionswissen von Physiklehrkr{\"a}ften, dem sachstrukturellen Angebot des Unterrichts und der Sch{\"u}lerleistung},
  series = {Studien zum Physik- und Chemielernen ; 224},
  journal   = {Studien zum Physik- und Chemielernen ; 224},
  publisher = {Logos},
  address   = {Berlin},
  isbn      = {978-3-8325-4480-5},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {133},
  year      = {2017},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Krey2011,
  author    = {Krey, Olaf},
  title     = {Zur Rolle der Mathematik in der Physik : Wissenschaftstheoretische Aspekte und Vorstellungen Physiklernender},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-59412},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2011},
  abstract  = {Mathematik spielt im Physikunterricht eine nicht unerhebliche Rolle - wenn auch eine zwiesp{\"a}ltige. Oft wird sie sogar zum Hindernis beim Lernen von Physik und kann ihr emanzipatorisches Potenzial nicht entfalten. Die vorliegende Arbeit stellt zwei Bausteine f{\"u}r eine begr{\"u}ndete Konzeption zum Umgang mit Mathematik beim Lernen von Physik zur Verf{\"u}gung. Im Theorieteil der Arbeit werden zum Einen wissenschaftstheoretische Aspekte der Rolle der Mathematik in der Physik aufgearbeitet und der physikdidaktischen Forschungsgemeinschaft im Zusammenhang zug{\"a}nglich gemacht. Zum anderen werden Forschungsergebnisse zu Vorstellungen Lernender {\"u}ber Physik und Mathematik sowie im Bereich der Epistemologie zusammengestellt. Im empirischen Teil der Arbeit werden Vorstellungen zur Rolle der Mathematik in der Physik von Sch{\"u}lerinnen und Sch{\"u}lern der Klassenstufen 10 und 12 sowie Physik-Lehramtstudierenden im Grundstudium mit Hilfe eines Fragebogens erhoben und unter Verwendung inhaltsanalytischer bzw. statistischer Methoden ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen unter Anderem, dass Mathematik im Physikunterricht entgegen g{\"a}ngiger Meinungen bei den Lernenden nicht negativ, aber zumindest bei j{\"u}ngeren Lernenden formal und algorithmisch konnotiert ist.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gellert2004,
  author    = {Gellert, Marcus},
  title     = {Zum Dynamoeffekt in extern getriebenen Str{\"o}mungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001705},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die Frage nach der Herkunft und der dynamischen Entwicklung langlebiger kosmischer Magnetfelder ist in vielen Details noch unbeantwortet. Es besteht zwar kein Zweifel daran, dass das Magnetfeld der Erde und anderer kosmischer Objekte durch den sogenannten Dynamoeffekt verursacht werden, der genaue Mechanismus als auch die notwendigen Voraussetzungen und Randbedingungen der zugrundeliegenden Str{\"o}mungen sind aber weitgehend unbekannt. Die f{\"u}r einen Dynamo interessanten Str{\"o}mungsmuster, die im Inneren von Himmelsk{\"o}rpern durch Konvektion und differentielle Rotation entstehen, sind Konvektionsrollen parallel zur Rotationsachse. Auf einer Str{\"o}mung mit eben solcher Geometrie, der sogenannten Roberts-Str{\"o}mung, basieren die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Dynamomodelle. Mit Methoden der nichtlinearen Dynamik wird versucht, das Systemverhalten bei {\"A}nderung der Systemparamter genauer zu charakterisieren. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit einer Analyse der Dynamoaktivit{\"a}t der Roberts-Str{\"o}mung in Abh{\"a}ngigkeit von den zwei freien Parametern in den Modellgleichungen, der magnetischen Prandtl-Zahl und der St{\"a}rke des Energieinputs. Gefunden werden verschiedene L{\"o}sungstypen die von einem station{\"a}ren Magnetfeld {\"u}ber periodische bis zu chaotischen Zust{\"a}nden reichen. Die yugrundeliegenden Symmetrien werden beschrieben und die Bifurkationen, die zum Wechsel der L{\"o}sungstypen f{\"u}hren, charakterisiert. Zus{\"a}tzlich gibt es Bereiche bei sehr kleinen Prandtl-Zahlen, in denen {\"u}berhaupt kein Dynamo existiert. Dieses Verhalten wird in der Literatur auch f{\"u}r viele andere numerisch ausgewertete Modelle beschrieben. Im {\"U}bergangsbereich zwischen dynamoaktivem und dynamoinaktivem Bereich wird das Auftreten einer sogenannten Blowout-Bifurkation gefunden. Desweiteren besch{\"a}ftigt sich die Arbeit mit der Frage, inwiefern Helizit{\"a}t, also eine schraubenf{\"o}rmige Bewegung, der Str{\"o}mung den Dynamoeffekt beeinflusst. Dazu werden {\"a}hnliche Str{\"o}mungstypen verglichen, die sich haupts{\"a}chlich in ihrem Helizit{\"a}tswert unterscheiden. Es wird gefunden, dass ein bestimmter Wert der Helizit{\"a}t nicht unterschritten werden darf, um einen stabilen Roberts-Dynamo zu erhalten.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Maraun2006,
  author    = {Maraun, Douglas},
  title     = {What can we learn from climate data? : Methods for fluctuation, time/scale and phase analysis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-9047},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2006},
  abstract  = {Since Galileo Galilei invented the first thermometer, researchers have tried to understand the complex dynamics of ocean and atmosphere by means of scientific methods. They observe nature and formulate theories about the climate system. Since some decades powerful computers are capable to simulate the past and future evolution of climate. Time series analysis tries to link the observed data to the computer models: Using statistical methods, one estimates characteristic properties of the underlying climatological processes that in turn can enter the models. The quality of an estimation is evaluated by means of error bars and significance testing. On the one hand, such a test should be capable to detect interesting features, i.e. be sensitive. On the other hand, it should be robust and sort out false positive results, i.e. be specific. This thesis mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis with a focus on sensitivity and specificity and to apply the investigated methods to recent climatological problems. First, the inference of long-range correlations by means of Detrended Fluctuation Analysis (DFA) is studied. It is argued that power-law scaling of the fluctuation function and thus long-memory may not be assumed a priori but have to be established. This requires to investigate the local slopes of the fluctuation function. The variability characteristic for stochastic processes is accounted for by calculating empirical confidence regions. The comparison of a long-memory with a short-memory model shows that the inference of long-range correlations from a finite amount of data by means of DFA is not specific. When aiming to infer short memory by means of DFA, a local slope larger than \$\alpha=0.5\$ for large scales does not necessarily imply long-memory. Also, a finite scaling of the autocorrelation function is shifted to larger scales in the fluctuation function. It turns out that long-range correlations cannot be concluded unambiguously from the DFA results for the Prague temperature data set. In the second part of the thesis, an equivalence class of nonstationary Gaussian stochastic processes is defined in the wavelet domain. These processes are characterized by means of wavelet multipliers and exhibit well defined time dependent spectral properties; they allow one to generate realizations of any nonstationary Gaussian process. The dependency of the realizations on the wavelets used for the generation is studied, bias and variance of the wavelet sample spectrum are calculated. To overcome the difficulties of multiple testing, an areawise significance test is developed and compared to the conventional pointwise test in terms of sensitivity and specificity. Applications to Climatological and Hydrological questions are presented. The thesis at hand mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis and to apply the investigated methods to recent climatological problems. In the last part, the coupling between El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Monsoon on inter-annual time scales is studied by means of Hilbert transformation and a curvature defined phase. This method allows one to investigate the relation of two oscillating systems with respect to their phases, independently of their amplitudes. The performance of the technique is evaluated using a toy model. From the data, distinct epochs are identified, especially two intervals of phase coherence, 1886-1908 and 1964-1980, confirming earlier findings from a new point of view. A significance test of high specificity corroborates these results. Also so far unknown periods of coupling invisible to linear methods are detected. These findings suggest that the decreasing correlation during the last decades might be partly inherent to the ENSO/Monsoon system. Finally, a possible interpretation of how volcanic radiative forcing could cause the coupling is outlined.},
  subject      = {Spektralanalyse <Stochastik>},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kayser2017,
  author    = {Kayser, Markus},
  title     = {Wechselwirkung der atmosph{\"a}rischen Grenzschicht mit synoptisch-skaligen Prozessen w{\"a}hrend der N-ICE2015 Kampagne},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411124},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {147},
  year      = {2017},
  abstract  = {Die Arktis erw{\"a}rmt sich schneller als der Rest der Erde. Die Auswirkungen manifestieren sich unter Anderem in einer verst{\"a}rkten Erw{\"a}rmung der arktischen Grenzschicht. Diese Arbeit befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen synoptischen Zyklonen und der arktischen Atmosph{\"a}re auf lokalen bis {\"u}berregionalen Skalen. Ausgangspunkt daf{\"u}r sind Messdaten und Modellsimulationen f{\"u}r den Zeitraum der N-ICE2015 Expedition, die von Anfang Januar bis Ende Juni 2015 im arktischen Nordatlantiksektor stattgefunden hat. Anhand von Radiosondenmessungen lassen sich Auswirkungen von synoptischen Zyklonen am deutlichsten im Winter erkennen, da sie durch die Advektion warmer und feuchter Luftmassen in die Arktis den Zustand der Atmosph{\"a}re von einem strahlungs-klaren in einen strahlungs-opaken {\"a}ndern. Obwohl dieser scharfe Kontrast nur im Winter existiert, zeigt die Analyse, dass der integrierte Wasserdampf als Indikator f{\"u}r die Advektion von Luftmassen aus niedrigen Breiten in die Arktis auch im Fr{\"u}hjahr geeignet ist. Neben der Advektion von Luftmassen wird der Einfluss der Zyklonen auf die statische Stabilit{\"a}t charakterisiert. Beim Vergleich der N-ICE2015 Beobachtungen mit der SHEBA Kampagne (1997/1998), die {\"u}ber dickerem Eis stattfand, finden sich trotz der unterschiedlichen Meereisregime {\"A}hnlichkeiten in der statischen Stabilit{\"a}t der Atmosph{\"a}re. Die beobachteten Differenzen in der Stabilit{\"a}t lassen sich auf Unterschiede in der synoptischen Aktivit{\"a}t zur{\"u}ckf{\"u}hren. Dies l{\"a}sst vermuten, dass die d{\"u}nnere Eisdecke auf saisonalen Zeitskalen nur einen geringen Einfluss auf die thermodynamische Struktur der arktischen Troposph{\"a}re besitzt, solange eine dicke Schneeschicht sie bedeckt. Ein weiterer Vergleich mit den parallel zur N-ICE2015 Kampagne gestarteten Radiosonden der AWIPEV Station in Ny-{\AA}esund, Spitzbergen, macht deutlich, dass die synoptischen Zyklonen oberhalb der Orographie auf saisonalen Zeitskalen das Wettergeschehen bestimmen. Des Weiteren werden f{\"u}r Februar 2015 die Auswirkungen von in der Vertikalen variiertem Nudging auf die Entwicklung der Zyklonen am Beispiel des hydrostatischen regionalen Klimamodells HIRHAM5 untersucht. Es zeigt sich, dass die Unterschiede zwischen den acht Modellsimulationen mit abnehmender Anzahl der genudgten Level zunehmen. Die gr{\"o}ßten Differenzen resultieren vornehmlich aus dem zeitlichen Versatz der Entwicklung synoptischer Zyklonen. Zur Korrektur des Zeitversatzes der Zykloneninitiierung gen{\"u}gt es bereits, Nudging in den unterstem 250 m der Troposph{\"a}re anzuwenden. Daneben findet sich zwischen den genudgten HIRHAM5-Simulation und den in situ Messungen der gleiche positive Temperaturbias, den auch ERA-Interim besitzt. Das freie HIRHAM hingegen reproduziert das positive Ende der N-ICE2015 Temperaturverteilung gut, besitzt aber einen starken negativen Bias, der sehr wahrscheinlich aus einer Untersch{\"a}tzung des Feuchtegehalts resultiert. An Beispiel einer Zyklone wird gezeigt, dass Nudging Einfluss auf die Lage der H{\"o}hentiefs besitzt, die ihrerseits die Zyklonenentwicklung am Boden beeinflussen. Im Weiteren wird mittels eines f{\"u}r kleine Ensemblegr{\"o}ßen geeigneten Varianzmaßes eine statistische Einsch{\"a}tzung der Wirkung des Nudgings auf die Vertikale getroffen. Es wird festgestellt, dass die {\"A}hnlichkeit der Modellsimulationen in der unteren Troposph{\"a}re generell h{\"o}her ist als dar{\"u}ber und in 500 hPa ein lokales Minimum besitzt. Im letzten Teil der Analyse wird die Wechselwirkung der oberen und unteren Stratosph{\"a}re anhand zuvor betrachteter Zyklonen mit Daten der ERA-Interim Reanalyse untersucht. Lage und Ausrichtung des Polarwirbels erzeugten ab Anfang Februar 2015 eine ungew{\"o}hnlich große Meridionalkomponente des Tropopausenjets, die Zugbahnen in die zentrale Arktis beg{\"u}nstigte. Am Beispiel einer Zyklone wird die {\"U}bereinstimmung der synoptischen Entwicklung mit den theoretischen Annahmen {\"u}ber den abw{\"a}rts gerichteten Einfluss der Stratosph{\"a}re auf die Troposph{\"a}re hervorgehoben. Dabei spielt die nicht-lineare Wechselwirkung zwischen der Orographie Gr{\"o}nlands, einer Intrusion stratosph{\"a}rischer Luft in die Troposph{\"a}re sowie einer in Richtung Arktis propagierender Rossby-Welle eine tragende Rolle. Als Indikator dieser Wechselwirkung werden horizontale Signaturen aus abwechselnd aufsteigender und absinkender Luft innerhalb der Troposph{\"a}re identifiziert.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Solopow2019,
  author    = {Solopow, Sergej},
  title     = {Wavelength dependent demagnetization dynamics in Co2MnGa Heusler-alloy},
  doi       = {10.25932/publishup-42786},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427860},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {91},
  year      = {2019},
  abstract  = {In dieser Arbeit haben wir ultraschnelle Entmagnetisierung an einer Heusler-Legierung untersucht. Es handelt sich um ein Halbmetall, das sich in einer ferromagnetischen Phase befindet. Die Besonderheit dieses Materials besteht im Aufbau einer Bandstruktur. Diese bildet Zustandsdichten, in der die Majorit{\"a}tselektronen eine metallische B{\"a}nderbildung aufweisen und die Minorit{\"a}tselektronen eine Bandl{\"u}cke in der N{\"a}he des Fermi-Niveaus aufweisen, das dem Aufbau eines Halbleiters entspricht. Mit Hilfe der Pump-Probe-Experimente haben wir zeitaufgel{\"o}ste Messungen durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r das Pumpen wurden ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100 fs benutzt. Wir haben dabei zwei verschiedene Wellenl{\"a}ngen mit 400 nm und 1240 nm benutzt, um den Effekt der Prim{\"a}ranregung und der Bandl{\"u}cke in den Minorit{\"a}tszust{\"a}nden zu untersuchen. Dabei wurde zum ersten Mal OPA (Optical Parametrical Amplifier) f{\"u}r die Erzeugung der langwelligen Pulse an der FEMTOSPEX-Beamline getestet und erfolgreich bei den Experimenten verwendet. Wir haben Wellenl{\"a}ngen bedingte Unterschiede in der Entmagnetisierungszeit gemessen. Mit der Erh{\"o}hung der Photonenenergie ist der Prozess der Entmagnetisierung deutlich schneller als bei einer niedrigeren Photonenenergie. Wir verkn{\"u}pften diese Ergebnisse mit der Existenz der Energiel{\"u}cke f{\"u}r Minorit{\"a}tselektronen. Mit Hilfe lokaler Elliot-Yafet-Streuprozesse k{\"o}nnen die beobachteten Zeiten gut erkl{\"a}rt werden. Wir haben in dieser Arbeit auch eine neue Probe-Methode f{\"u}r die Magnetisierung angewandt und somit experimentell deren Effektivit{\"a}t, n{\"a}mlich XMCD in Refletiongeometry, best{\"a}tigen k{\"o}nnen. Statische Experimente liefern somit deutliche Indizien daf{\"u}r, dass eine magnetische von einer rein elektronischen Antwort des Systems getrennt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass die Photonenenergie der R{\"o}ntgenstrahlung auf die L3 Kante des entsprechenden Elements eingestellt, ein geeigneter Einfallswinkel gew{\"a}hlt und die zirkulare Polarisation fixiert wird, ist es m{\"o}glich, diese Methode zur Analyse magnetischer und elektronischer Respons anzuwenden.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Tegtmeier2006,
  author    = {Tegtmeier, Susann},
  title     = {Variationen der stratosph{\"a}rischen Residualzirkulation und ihr Einfluss auf die Ozonverteilung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-12118},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die j{\"a}hrlichen Schwankungen der Ozongesamts{\"a}ule im arktischen Fr{\"u}hling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosph{\"a}rischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete k{\"o}nnen mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann f{\"u}r die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualit{\"a}t und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch Sensitivit{\"a}tsstudien und Vergleiche mit anderen Modellen untermauert. Anschließend werden umfangreiche Trajektorienensemble statistisch ausgewertet, um ein detailliertes, zeit- und h{\"o}henaufgel{\"o}stes Bild des diabatischen Absinkens zu ermitteln. In diesem Zusammenhang werden zwei Methoden entwickelt, um das Absinken gemittelt im Polarwirbel oder als Funktion der {\"a}quivalenten Breite zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass es notwendig ist den Lagrangeschen auf Trajektorienrechnungen basierenden Ansatz zu verfolgen, da die einfachen Eulerschen Mittel Abweichungen zu den Lagrangeschen Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen. Das wirbelgemittelte Absinken wird f{\"u}r einzelne Winter mit dem beobachteten Absinken langlebiger Spurengase und anderen Modellstudien verglichen. Der Vergleich zeigt, dass das Absinken basierend auf den vertikalen Windfeldern der ECMWF-Datens{\"a}tze den Nettoluftmassentransport durch die Residualzirkulation sehr stark {\"u}bersch{\"a}tzt. Der neue Ansatz basierend auf den Heizraten ergibt hingegen realistische Ergebnisse und wird aus diesem Grund f{\"u}r alle Rechnungen verwendet. Es wird erstmalig eine Klimatologie des diabatischen Absinkens {\"u}ber einen fast f{\"u}nf Jahrzehnte umfassenden Zeitraum erstellt. Die Klimatologie beinhaltet das vertikal und zeitlich aufgel{\"o}ste diabatische Absinken gemittelt {\"u}ber den gesamten Polarwirbel und Informationen {\"u}ber die r{\"a}umliche Struktur des vertikalen Absinkens. Die nat{\"u}rliche Jahr-zu-Jahr Variabilit{\"a}t des diabatischen Absinkens ist sehr stark ausgepr{\"a}gt. Es wird gezeigt, dass zwischen der ECMWF-Zeitreihe des diabatischen Absinkens und der Zeitreihe aus einem unabh{\"a}ngig analysierten Temperaturdatensatz hohe Korrelationen bestehen. Erstmals wird der Einfluss von Transportprozessen auf die Ozongesamts{\"a}ule im arktischen Fr{\"u}hling direkt quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Jahr-zu-Jahr Variabilit{\"a}t der Ozongesamts{\"a}ule im arktischen Fr{\"u}hling zu gleichen Anteilen durch die Variabilit{\"a}t der dynamischen Komponente und durch die Variabilit{\"a}t der chemischen Komponente beeinflusst wird. Die gefundenen Variabilit{\"a}ten von diabatischem Absinken und Ozoneintrag in hohen Breiten werden mit der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen aus der Troposph{\"a}re in die Stratosph{\"a}re in Beziehung gesetzt.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{SvirejevaHopkins2004,
  author    = {Svirejeva-Hopkins, Anastasia},
  title     = {Urbanised territories as a specific component of the global carbon cycle},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001512},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Wir betrachten folgende Teile: die zus{\"a}tzlichen Kohlenstoff(C)-emissionen, welche aus der Umwandlung von nat{\"u}rlichem Umland durch Stadtwachstum resultieren, und die {\"A}nderung des C-Flusses durch 'urbanisierte' {\"O}kosysteme, soweit atmosph{\"a}risches C durch diese in umliegende nat{\"u}rliche {\"O}kosysteme entlang der Kette \&ldquo;Atmosph{\"a}re -> Vegetation -> abgestorbene organische Substanzen\&rdquo; gepumpt wird: d.h. C-Export; f{\"u}r den Zeitraum von 1980 bis 2050. Als Szenario nutzen wir Prognosen der regionalen Stadtbev{\"o}lkerung, welche durch ein 'Hybridmodell' generiert werden f{\"u}r acht Regionen. Alle Sch{\"a}tzungen der C-Fl{\"u}sse basieren auf zwei Modellen: das Regression Modell und das sogenannte G-Modell. Die Siedlungsfl{\"a}che, welche mit dem Wachstum der Stadtbev{\"o}lkerung zunimmt, wird in 'Gr{\"u}nfl{\"a}chen' (Parks, usw.), Geb{\"a}udefl{\"a}chen und informell st{\"a}dtisch genutzte Fl{\"a}chen (Slums, illegale Lagerpl{\"a}tze, usw.) unterteilt. Es werden j{\"a}hrlich die regionale und globale Dynamik der C-Emissionen und des C-Exports sowie die C-Gesamtbilanz berechnet. Dabei liefern beide Modelle qualitativ {\"a}hnliche Ergebnisse, jedoch gibt es einige quantitative Unterschiede. Im ersten Modell erreicht die globale Jahresemission f{\"u}r die Dekade 2020-2030 resultierend aus der Landnutzungs{\"a}nderung ein Maximum von 205 Mt/a. Die maximalen Beitr{\"a}ge zur globalen Emission werden durch China, die asiatische und die pazifische Region erbracht. Im zweiten Modell erh{\"o}ht sich die j{\"a}hrliche globale Emission von 1.12 GtC/a f{\"u}r 1980 auf 1.25 GtC/a f{\"u}r 2005 (1Gt = 109 t). Danach beginnt eine Reduzierung. Vergleichen wir das Emissionmaximum mit der Emission durch Abholzung im Jahre 1980 (1.36 GtC/a), k{\"o}nnen wir konstatieren, daß die Urbanisierung damit in vergleichbarer Gr{\"o}sse zur Emission beitr{\"a}gt. Bezogen auf die globale Dynamik des j{\"a}hrlichen C-Exports durch Urbanisierung beobachten wir ein monotones Wachstum bis zum nahezu dreifachen Wert von 24 MtC/a f{\"u}r 1980 auf 66 MtC/a f{\"u}r 2050 im ersten Modell, bzw. im zweiten Modell von 249 MtC/a f{\"u}r 1980 auf 505 MtC/a f{\"u}r 2050. Damit ist im zweiten Fall die Transportleistung der Siedlungsgebiete mit dem C-Transport durch Fl{\"u}sse in die Ozeane (196 .. 537 MtC/a) vergleichbar. Bei der Absch{\"a}tzung der Gesamtbilanz finden wir, daß die Urbanisierung die Bilanz in Richtung zu einer 'Senke' verschiebt. Entsprechend dem zweiten Modell beginnt sich die C-Gesamtbilanz (nach ann{\"a}hernder Konstanz) ab dem Jahre 2000 mit einer fast konstanten Rate zu verringern. Wenn das Maximum im Jahre 2000 bei 905MtC/a liegt, f{\"a}llt dieser Wert anschliessend bis zum Jahre 2050 auf 118 MtC/a. Bei Extrapolation dieser Dynamik in die Zukunft k{\"o}nnen wir annehmen, daß am Ende des 21. Jahrhunderts die \&ldquo;urbane\&rdquo; C-Gesamtbilanz Null bzw. negative Werte erreicht.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kleppek2005,
  author    = {Kleppek, Sabine},
  title     = {Untersuchungen zur dynamischen Kopplung der Troposph{\"a}re und der Stratosph{\"a}re},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-6421},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein besseres Verst{\"a}ndnis der Kopplung der Troposph{\"a}re und der Stratosph{\"a}re in den mittleren und polaren Breiten der Nordhemisph{\"a}re (NH) auf Monatszeitskalen erzielt, die auf die Ausbreitung von quasi-station{\"a}ren Wellen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Der Schwerpunkt lag dabei auf den dynamisch aktiven Wintermonaten, welche die gr{\"o}sste Variabilit{\"a}t aufweisen. Die troposph{\"a}rische Variabilit{\"a}t wird zum Grossteil durch bevorzugte Zirkulationsstrukturen, den Telekonnexionsmustern, bestimmt. Mittels einer rotierten EOF-Analyse der geopotenziellen H{\"o}he in 500 hPa wurden die wichtigsten regionalen troposph{\"a}rischen Telekonnexionsmuster der Nordhemisph{\"a}re berechnet. Diese lassen sich drei grossen geografischen Regionen zuordnen; dem nordatlantisch-europ{\"a}ischen Raum, Eurasien und dem pazifisch-nordamerikanischen Raum. Da es sich um die st{\"a}rksten troposph{\"a}rischen Variabilit{\"a}tsmuster handelt, wurden sie als grundlegende troposph{\"a}rische Gr{\"o}ssen herangezogen, um dynamische Zusammenh{\"a}nge zwischen der troposph{\"a}rischen und der stratosph{\"a}rischen Zirkulation zu untersuchen. Dabei wurde anhand von instantanen und zeitverz{\"o}gerten Korrelationsanalysen der troposph{\"a}rischen Muster mit stratosph{\"a}rischen Variablen erstmalig gezeigt, dass unterschiedliche regionale troposph{\"a}rische Telekonnexionsmuster unterschiedliche Auswirkungen auf die stratosph{\"a}rische Zirkulation haben. Es ergaben sich f{\"u}r die pazifisch-nordamerikanischen Muster signifikante instantane Korrelationen mit quasi-barotropen Musterstrukturen und f{\"u}r die nordatlantisch-europ{\"a}ischen Muster zonalsymmetrische Ringstrukturen ab 1978 mit signifikanten Korrelationswerten {\"u}ber tropischen und subtropischen Breiten und inversen Korrelationswerten {\"u}ber polaren Gebieten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der stratosph{\"a}rischen Variabilit{\"a}t wurde gezeigt, dass sich die st{\"a}rkste Kopplung von nordatlantisch-europ{\"a}ischen Telekonnexionsmustern mit der stratosph{\"a}rischen Zirkulation bei einem in Richtung Europa verschobenen Polarwirbel ergibt, wodurch die signifikanten Korrelationen ab 1978 erkl{\"a}rt werden k{\"o}nnen. Eine zonal gemittelte und vor allem lokale Untersuchung der Wellenausbreitungsbedingungen w{\"a}hrend dieser stratosph{\"a}rischen Situation zeigt, dass es zu schw{\"a}cheren Windgeschwindigkeiten in der Stratosph{\"a}re im Bereich von Nordamerika und des westlichen Nordatlantiks kommt und sich dadurch die Wellenausbreitungsbedingungen in diesem geografischen Bereich f{\"u}r planetare Wellen verbessern. Durch die st{\"a}rkere Wellenausbreitung kommt es zu einer st{\"a}rkeren Wechselwirkung mit dem Polarjet, wobei dieser abgebremst wird. Diese Abbremsung f{\"u}hrt zu einer Verst{\"a}rkung der meridionalen Residualzirkulation. D. h., wenn es zu einer verst{\"a}rkten Wellenanregung im Nordatlantik und {\"u}ber Europa kommt, ist die Reaktion der Residualzirkulation bei einem nach Europa verschobenem Polarwirbel besonders stark. Die quasi-barotropen Korrelationsstrukturen, die sich bei den pazifisch-nordamerikanischen Mustern zeigen, weisen aufgrund von abnehmenden St{\"o}rungsamplituden mit zunehmender H{\"o}he, keiner Westw{\"a}rtsneigung und einem negativen Brechungsindex im Pazifik auf verschwindende Wellen hin, die als L{\"o}sung der Wellengleichung bei negativem Brechungsindex auftreten. Dies wird durch den Polarjet, der im Bereich des Pazifiks stets sehr weit in Richtung Norden verlagert ist, verursacht. Abschliessend wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die gefundenen Zusammenh{\"a}nge von nordatlantisch-europ{\"a}ischen Telekonnexionsmustern mit der stratosph{\"a}rischen Zirkulation auch von einem Atmosph{\"a}renmodell wiedergegeben werden k{\"o}nnen. Dazu wurde ein transienter 40-Jahre-Klimalauf des ECHAM4.L39(DLR)/CHEM Modells mit m{\"o}glichst realistischen Antrieben erstmalig auf die Kopplung der Troposph{\"a}re und der Stratosph{\"a}re analysiert. Dabei konnten sowohl die troposph{\"a}rischen, als auch die stratosph{\"a}rischen Variabilit{\"a}tsmuster vom Modell simuliert werden. Allerdings zeigen sich in den stratosph{\"a}rischen Mustern Phasenverschiebungen in den Wellenzahl-1-Strukturen und ihre Zeitreihen weisen keinen signifikanten Trend ab 1978 auf. Die Kopplung der nordatlantisch-europ{\"a}ischen Telekonnexionsmuster mit der stratosph{\"a}rischen Zirkulation zeigt eine wesentlich schw{\"a}chere Reaktion der meridionalen Residualzirkulation. Somit stellte sich heraus, dass insbesondere die stratosph{\"a}rische Zirkulation im Modell starke Diskrepanzen zu den Beobachtungen zeigt, die wiederum Einfluss auf die Wellenausbreitungsbedingungen haben. Es wird damit deutlich, dass f{\"u}r eine richtige Wiedergabe der Wellenausbreitung und somit der Kopplung der Troposph{\"a}re und Stratosph{\"a}re die stratosph{\"a}rische Zirkulation eine wichtige Rolle spielt.},
  subject      = {Wellenausbreitung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mueller2020,
  author    = {M{\"u}ller, Jirka},
  title     = {Untersuchungen zum flow-Erleben bei Experimenten als physikalische Lerngelegenheit},
  doi       = {10.25932/publishup-48287},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482879},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {150},
  year      = {2020},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in wie weit physikalische Experimente ein flow-Erleben bei Lernenden hervorrufen. Flow-Erleben wird als Motivationsursache gesehen und soll den Weg zu Freude und Gl{\"u}ck darstellen. Insbesondere wegen dem oft zitierten Fachkr{\"a}ftemangel in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen ist eine Motivationssteigerung in naturwissenschaftlichen Unterrichtsf{\"a}chern wichtig. Denn trotz Leistungssteigerungen in internationalen Vergleichstests m{\"o}chten in Deutschland deutlich weniger Sch{\"u}ler*innen einen solchen Beruf ergreifen als in anderen Industriestaaten. Daher gilt es, m{\"o}glichst fr{\"u}h Sch{\"u}ler*innen f{\"u}r naturwissenschaftlich-technische F{\"a}cher zu begeistern und insbesondere im regelrecht verhassten Physikunterricht flow-Erleben zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das flow-Erleben von Studierenden in klassischen Laborexperimenten und FELS (Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone) als Lernumgebung untersucht. FELS ist eine an die Lebenswelt der Sch{\"u}ler*innen angepasste Lernumgebung, in der sie mit Smartphones ihre eigene Lebenswelt experimentell untersuchen. Es zeigt sich, dass sowohl klassische Laborexperimente als auch in der Lebenswelt durchgef{\"u}hrte, smartphonebasierte Experimente flow-Erleben erzeugen. Allerdings verursachen die smartphonebasierten Experimente kaum Stressgef{\"u}hle. Die in dieser Arbeit herausgefundenen Ergebnisse liefern einen ersten Ansatz, der durch Folgestudien erweitert werden sollte.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schulz2016,
  author    = {Schulz, Alexander},
  title     = {Untersuchung der Wechselwirkung synoptisch-skaliger mit orographisch bedingten Prozessen in der arktischen Grenzschicht {\"u}ber Spitzbergen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400058},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {vi, 194},
  year      = {2016},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wird die planetare Grenzschicht in Ny-{\AA}lesund, Spitzbergen, sowohl bez{\"u}glich kleinskaliger („mikrometeorologischer") Effekte als auch in ihrer Kopplung mit der Synoptik untersucht. Dazu werden verschiedene Beobachtungsdaten aus der S{\"a}ule und in Bodenn{\"a}he zusammengezogen und bewertet. Die so gewonnenen Datens{\"a}tze werden dann zur Validierung eines nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodells genutzt. Weiterhin werden orographisch bedingte Einfl{\"u}sse, die Untergrundbeschaffenheit und die lokale Heterogenit{\"a}t der Unterlage untersucht. Hierzu werden meteorologische Gr{\"o}ßen, wie die Variabilit{\"a}t der Temperatur und insbesondere die j{\"a}hrliche Windverteilung in Bodenn{\"a}he untersucht und es erfolgt ein Vergleich von in-situ gemessenen turbulenten Fl{\"u}ssen von den Eddy-Kovarianz-Messkomplexen bei Ny-{\AA}lesund und im Bayelva-Tal unter demselben Aspekt. Es zeigt sich, dass der Eddy-Kovarianz-Messkomplex im Bayelva-Tal sehr stark durch eine orographisch bedingte Kanalisierung der Str{\"o}mung beeinflusst ist und sich nicht f{\"u}r Vergleiche mit regionalen Klimamodellen mit horizontalen Aufl{\"o}sungen von <1km eignet. Die hohe Bodenfeuchte im Bayelva-Tal f{\"u}hrt zudem zu einem deutlich kleineren Bowen-Verh{\"a}ltnis, als es f{\"u}r diese Region zu erwarten ist. Der Eddy-Kovarianz-Messkomplex bei Ny-{\AA}lesund erweist sich hingegen als geeigneter f{\"u}r solche Modellvergleiche, aufgrund der typischen, k{\"u}stennahen Windverteilung und des repr{\"a}sentativen Footprints. Letzteres wird durch die Bestimmung der Footprint-Klimatologie des Jahres 2013 mit einem aktuellen Footprint-Modell erarbeitet. Weiterhin wird die Auswirkung von (Anti-) Zyklonen {\"u}ber den Archipel auf die zeitliche Variabilit{\"a}t der lokalen Grenzschichteigenschaften untersucht und bewertet. Dazu wird ein Zyklonen-Detektions-Algorithmus auf ERA-Interim-Reanalysedatens{\"a}tze angewendet, wodurch die H{\"a}ufigkeit von nahezu ideal konzentrischen Hoch- und die Tiefdruckgebieten f{\"u}r drei Jahre bestimmt wird. Aus dieser Verteilung werden insgesamt drei interessante Zeitr{\"a}ume zu verschiedenen Jahreszeiten ausgew{\"a}hlt und im Rahmen von Prozessstudien die lokalen bodennahen meteorologischen Messungen, der turbulente Austausch an der Oberfl{\"a}che und die Grenzschichtdynamik in der S{\"a}ule untersucht. Die zeitliche Variabilit{\"a}t der dynamischen Grenzschichtstabilit{\"a}t in der S{\"a}ule wird anhand von zeitlich hoch aufgel{\"o}sten vertikalen Profilen der Bulk-Richardson-Zahl aus Kompositprofilen aus Fernerkundungsinstrumenten (Radiometer, Wind-LIDAR) sowie Mastdaten (BSRN-Mast) untersucht und die Grenzschichth{\"o}he ermittelt. Aus diesen Analysen ergibt sich eine deutliche Abh{\"a}ngigkeit der thermischen Stabilit{\"a}t beim Durchzug von Fronten, eine damit einhergehende erhebliche Abh{\"a}ngigkeit der Grenzschichtdynamik und der Grenzschichth{\"o}he sowie des turbulenten Austauschs von der zeitlichen Variabilit{\"a}t der Windgeschwindigkeit in der S{\"a}ule. Auf Grundlage der Standortanalysen und Prozessstudien erfolgt ein Vergleich der bodennahen Messungen und den Beobachtungen aus der S{\"a}ule, sowohl von den genannten Fernerkundungsinstrumenten als auch von In-situ-Messungen (Radiosonden) f{\"u}r den Zeitraum einer Radiosondierungskampagne mit dem nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodel WRF (ARW). Auf Grundlage der Fragestellung, inwieweit aktuelle Schemata die Grenzschichtcharakteristika in orographisch stark gegliedertem Gel{\"a}nde in der Arktis reproduzieren k{\"o}nnen, werden zwei Grenzschichtparametrisierungsschemata mit verschiedenen Ordnungen der Schließung validiert. Hierzu wird die zeitliche Variabilit{\"a}t der Temperatur, der Feuchte und des Windfeldes in der S{\"a}ule bis 2000m in den Simulationen mit den Beobachtungsdaten vergleichen. Es wird gezeigt, dass durch Modifikation der Initialwertfelder eine sehr gute {\"U}bereinstimmung zwischen den Simulationen und den Beobachtungen bereits bei einer horizontalen Aufl{\"o}sung von 1km erreicht werden kann und die Wahl des Grenzschichtschemas nur untergeordneten Einfluss hat. Hieraus werden Ans{\"a}tze der Weiterentwicklung der Parametrisierungen, aber auch Empfehlungen bez{\"u}glich der Initialwertfelder, wie der Landmaske und der Orographie, vorgeschlagen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Orgis2014,
  author    = {Orgis, Thomas},
  title     = {Unstetige Galerkin-Diskretisierung niedriger Ordnung in einem atmosph{\"a}rischen Multiskalenmodell},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-70687},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die Dynamik der Atmosph{\"a}re der Erde umfasst einen Bereich von mikrophysikalischer Turbulenz {\"u}ber konvektive Prozesse und Wolkenbildung bis zu planetaren Wellenmustern. F{\"u}r Wettervorhersage und zur Betrachtung des Klimas {\"u}ber Jahrzehnte und Jahrhunderte ist diese Gegenstand der Modellierung mit numerischen Verfahren. Mit voranschreitender Entwicklung der Rechentechnik sind Neuentwicklungen der dynamischen Kerne von Klimamodellen, die mit der feiner werdenden Aufl{\"o}sung auch entsprechende Prozesse aufl{\"o}sen k{\"o}nnen, notwendig. Der dynamische Kern eines Modells besteht in der Umsetzung (Diskretisierung) der grundlegenden dynamischen Gleichungen f{\"u}r die Entwicklung von Masse, Energie und Impuls, so dass sie mit Computern numerisch gel{\"o}st werden k{\"o}nnen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung eines unstetigen Galerkin-Verfahrens niedriger Ordnung f{\"u}r atmosph{\"a}rische Anwendungen. Diese Eignung f{\"u}r Gleichungen mit Wirkungen von externen Kr{\"a}ften wie Erdanziehungskraft und Corioliskraft ist aus der Theorie nicht selbstverst{\"a}ndlich. Es werden n{\"o}tige Anpassungen beschrieben, die das Verfahren stabilisieren, ohne sogenannte „slope limiter" einzusetzen. F{\"u}r das unmodifizierte Verfahren wird belegt, dass es nicht geeignet ist, atmosph{\"a}rische Gleichgewichte stabil darzustellen. Das entwickelte stabilisierte Modell reproduziert eine Reihe von Standard-Testf{\"a}llen der atmosph{\"a}rischen Dynamik mit Euler- und Flachwassergleichungen in einem weiten Bereich von r{\"a}umlichen und zeitlichen Skalen. Die L{\"o}sung der thermischen Windgleichung entlang der mit den Isobaren identischen charakteristischen Kurven liefert atmosph{\"a}rische Gleichgewichtszust{\"a}nde mit durch vorgegebenem Grundstrom einstellbarer Neigung zu(barotropen und baroklinen)Instabilit{\"a}ten, die f{\"u}r die Entwicklung von Zyklonen wesentlich sind. Im Gegensatz zu fr{\"u}heren Arbeiten sind diese Zust{\"a}nde direkt im z-System(H{\"o}he in Metern)definiert und m{\"u}ssen nicht aus Druckkoordinaten {\"u}bertragen werden.Mit diesen Zust{\"a}nden, sowohl als Referenzzustand, von dem lediglich die Abweichungen numerisch betrachtet werden, und insbesondere auch als Startzustand, der einer kleinen St{\"o}rung unterliegt, werden verschiedene Studien der Simulation von barotroper und barokliner Instabilit{\"a}t durchgef{\"u}hrt. Hervorzuheben ist dabei die durch die Formulierung von Grundstr{\"o}men mit einstellbarer Baroklinit{\"a}t erm{\"o}glichte simulationsgest{\"u}tzte Studie des Grades der baroklinen Instabilit{\"a}t verschiedener Wellenl{\"a}ngen in Abh{\"a}ngigkeit von statischer Stabilit{\"a}t und vertikalem Windgradient als Entsprechung zu Stabilit{\"a}tskarten aus theoretischen Betrachtungen in der Literatur.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Smirnov2023,
  author    = {Smirnov, Artem},
  title     = {Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations},
  doi       = {10.25932/publishup-61371},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xxxvi, 286},
  year      = {2023},
  abstract  = {The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50\%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Buechner2022,
  author    = {B{\"u}chner, Robby},
  title     = {Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules},
  doi       = {10.25932/publishup-55319},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {viii, 111},
  year      = {2022},
  abstract  = {In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump - NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Goswami2014,
  author    = {Goswami, Bedartha},
  title     = {Uncertainties in climate data analysis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2014},
  abstract  = {Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT). Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP. We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Ni{\~n}o Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Koc2018,
  author    = {Ko{\c{c}}, Azize},
  title     = {Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths},
  doi       = {10.25932/publishup-42328},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {ii, 117},
  year      = {2018},
  abstract  = {In this dissertation the lattice and the magnetic recovery dynamics of the two heavy rare-earth metals Dy and Gd after femtosecond photoexcitation are described. For the investigations, thin films of Dy and Gd were measured at low temperatures in the antiferromagnetic phase of Dy and close to room temperature in the ferromagnetic phase of Gd. Two different optical pump-x-ray probe techniques were employed: Ultrafast x-ray diffraction with hard x-rays (UXRD) yields the structural response of heavy rare-earth metals and resonant soft (elastic) x-ray diffraction (RSXD), which allows measuring directly changes in the helical antiferromagnetic order of Dy. The combination of both techniques enables to study the complex interaction between the magnetic and the phononic subsystems.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Sander2018,
  author    = {Sander, Mathias},
  title     = {Ultrafast tailored strain fields in nanostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417863},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xvii, 119},
  year      = {2018},
  abstract  = {This publication based thesis, which consists of seven published articles, summarizes my contributions to the research field of laser excited ultrafast structural dynamics. The coherent and incoherent lattice dynamics on microscopic length scales are detected by ultrashort optical and X-ray pulses. The understanding of the complex physical processes is essential for future improvements of technological applications. For this purpose, tabletop soruces and large scale facilities, e.g. synchrotrons, are employed to study structural dynamics of longitudinal acoustic strain waves and heat transport. The investigated effects cover timescales from hundreds of femtoseconds up to several microseconds. The main part of this thesis is dedicated to the investigation of tailored phonon wave packets propagating in perovskite nanostructures. Tailoring is achieved either by laser excitation of nanostructured bilayer samples or by a temporal series of laser pulses. Due to the propagation of longitudinal acoustic phonons, the out-of-plane lattice spacing of a thin film insulator-metal bilayer sample is modulated on an ultrafast timescale. This leads to an ultrafast modulation of the X-ray diffraction efficiency which is employed as a phonon Bragg switch to shorten hard X-ray pulses emitted from a 3rd generation synchrotron. In addition, we have observed nonlinear mixing of high amplitude phonon wave packets which originates from an anharmonic interatomic potential. A chirped optical pulse sequence excites a narrow band phonon wave packet with specific momentum and energy. The second harmonic generation of these phonon wave packets is followed by ultrafast X-ray diffraction. Phonon upconversion takes place because the high amplitude phonon wave packet modulates the acoustic properties of the crystal which leads to self steepening and to the successive generation of higher harmonics of the phonon wave packet. Furthermore, we have demonstrated ultrafast strain in direction parallel to the sample surface. Two consecutive so-called transient grating excitations displaced in space and time are used to coherently control thermal gradients and surface acoustic modes. The amplitude of the coherent and incoherent surface excursion is disentangled by time resolved X-ray reflectivity measurements. We calibrate the absolute amplitude of thermal and acoustic surface excursion with measurements of longitudinal phonon propagation. In addition, we develop a diffraction model which allows for measuring the surface excursion on an absolute length scale with sub-{\"A}angstr{\"o}m precision. Finally, I demonstrate full coherent control of an excited surface deformation by amplifying and suppressing thermal and coherent excitations at the surface of a laser-excited Yttrium-manganite sample.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Trabant2014,
  author    = {Trabant, Christoph},
  title     = {Ultrafast photoinduced phase transitions in complex materials probed by time-resolved resonant soft x-ray diffraction},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-71377},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2014},
  abstract  = {In processing and data storage mainly ferromagnetic (FM) materials are being used. Approaching physical limits, new concepts have to be found for faster, smaller switches, for higher data densities and more energy efficiency. Some of the discussed new concepts involve the material classes of correlated oxides and materials with antiferromagnetic coupling. Their applicability depends critically on their switching behavior, i.e., how fast and how energy efficient material properties can be manipulated. This thesis presents investigations of ultrafast non-equilibrium phase transitions on such new materials. In transition metal oxides (TMOs) the coupling of different degrees of freedom and resulting low energy excitation spectrum often result in spectacular changes of macroscopic properties (colossal magneto resistance, superconductivity, metal-to-insulator transitions) often accompanied by nanoscale order of spins, charges, orbital occupation and by lattice distortions, which make these material attractive. Magnetite served as a prototype for functional TMOs showing a metal-to-insulator-transition (MIT) at T = 123 K. By probing the charge and orbital order as well as the structure after an optical excitation we found that the electronic order and the structural distortion, characteristics of the insulating phase in thermal equilibrium, are destroyed within the experimental resolution of 300 fs. The MIT itself occurs on a 1.5 ps timescale. It shows that MITs in functional materials are several thousand times faster than switching processes in semiconductors. Recently ferrimagnetic and antiferromagnetic (AFM) materials have become interesting. It was shown in ferrimagnetic GdFeCo, that the transfer of angular momentum between two opposed FM subsystems with different time constants leads to a switching of the magnetization after laser pulse excitation. In addition it was theoretically predicted that demagnetization dynamics in AFM should occur faster than in FM materials as no net angular momentum has to be transferred out of the spin system. We investigated two different AFM materials in order to learn more about their ultrafast dynamics. In Ho, a metallic AFM below T ≈ 130 K, we found that the AFM Ho can not only be faster but also ten times more energy efficiently destroyed as order in FM comparable metals. In EuTe, an AFM semiconductor below T ≈ 10 K, we compared the loss of magnetization and laser-induced structural distortion in one and the same experiment. Our experiment shows that they are effectively disentangled. An exception is an ultrafast release of lattice dynamics, which we assign to the release of magnetostriction. The results presented here were obtained with time-resolved resonant soft x-ray diffraction at the Femtoslicing source of the Helmholtz-Zentrum Berlin and at the free-electron laser in Stanford (LCLS). In addition the development and setup of a new UHV-diffractometer for these experiments will be reported.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Willig2019,
  author    = {Willig, Lisa},
  title     = {Ultrafast magneto-optical studies of remagnetisation dynamics in transition metals},
  doi       = {10.25932/publishup-44194},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441942},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XIV, 113, XVII},
  year      = {2019},
  abstract  = {Ultrafast magnetisation dynamics have been investigated intensely for two decades. The recovery process after demagnetisation, however, was rarely studied experimentally and discussed in detail. The focus of this work lies on the investigation of the magnetisation on long timescales after laser excitation. It combines two ultrafast time resolved methods to study the relaxation of the magnetic and lattice system after excitation with a high fluence ultrashort laser pulse. The magnetic system is investigated by time resolved measurements of the magneto-optical Kerr effect. The experimental setup has been implemented in the scope of this work. The lattice dynamics were obtained with ultrafast X-ray diffraction. The combination of both techniques leads to a better understanding of the mechanisms involved in magnetisation recovery from a non-equilibrium condition. Three different groups of samples are investigated in this work: Thin Nickel layers capped with nonmagnetic materials, a continuous sample of the ordered L10 phase of Iron Platinum and a sample consisting of Iron Platinum nanoparticles embedded in a carbon matrix. The study of the remagnetisation reveals a general trend for all of the samples: The remagnetisation process can be described by two time dependences. A first exponential recovery that slows down with an increasing amount of energy absorbed in the system until an approximately linear time dependence is observed. This is followed by a second exponential recovery. In case of low fluence excitation, the first recovery is faster than the second. With increasing fluence the first recovery is slowed down and can be described as a linear function. If the pump-induced temperature increase in the sample is sufficiently high, a phase transition to a paramagnetic state is observed. In the remagnetisation process, the transition into the ferromagnetic state is characterised by a distinct transition between the linear and exponential recovery. From the combination of the transient lattice temperature Tp(t) obtained from ultrafast X-ray measurements and magnetisation M(t) gained from magneto-optical measurements we construct the transient magnetisation versus temperature relations M(Tp). If the lattice temperature remains below the Curie temperature the remagnetisation curve M(Tp) is linear and stays below the M(T) curve in equilibrium in the continuous transition metal layers. When the sample is heated above phase transition, the remagnetisation converges towards the static temperature dependence. For the granular Iron Platinum sample the M(Tp) curves for different fluences coincide, i.e. the remagnetisation follows a similar path irrespective of the initial laser-induced temperature jump.},
  language  = {en}
}