TY - GEN A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Metzler, Ralf A1 - Magdziarz, Marcin T1 - Superstatistical generalised Langevin equation BT - non-Gaussian viscoelastic anomalous diffusion N2 - Recent advances in single particle tracking and supercomputing techniques demonstrate the emergence of normal or anomalous, viscoelastic diffusion in conjunction with non-Gaussian distributions in soft, biological, and active matter systems. We here formulate a stochastic model based on a generalised Langevin equation in which non-Gaussian shapes of the probability density function and normal or anomalous diffusion have a common origin, namely a random parametrisation of the stochastic force. We perform a detailed analysis demonstrating how various types of parameter distributions for the memory kernel result in exponential, power law, or power-log law tails of the memory functions. The studied system is also shown to exhibit a further unusual property: the velocity has a Gaussian one point probability density but non-Gaussian joint distributions. This behaviour is reflected in the relaxation from a Gaussian to a non-Gaussian distribution observed for the position variable. We show that our theoretical results are in excellent agreement with stochastic simulations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 413 KW - anomalous diffusion KW - generalised langevin equation KW - superstatistics KW - non-Gaussian diffusion Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409315 ER - TY - JOUR A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Metzler, Ralf A1 - Magdziarz, Marcin T1 - Superstatistical generalised Langevin equation BT - non-Gaussian viscoelastic anomalous diffusion JF - New Journal of Physics N2 - Recent advances in single particle tracking and supercomputing techniques demonstrate the emergence of normal or anomalous, viscoelastic diffusion in conjunction with non-Gaussian distributions in soft, biological, and active matter systems. We here formulate a stochastic model based on a generalised Langevin equation in which non-Gaussian shapes of the probability density function and normal or anomalous diffusion have a common origin, namely a random parametrisation of the stochastic force. We perform a detailed analysis demonstrating how various types of parameter distributions for the memory kernel result in exponential, power law, or power-log law tails of the memory functions. The studied system is also shown to exhibit a further unusual property: the velocity has a Gaussian one point probability density but non-Gaussian joint distributions. This behaviour is reflected in the relaxation from a Gaussian to a non-Gaussian distribution observed for the position variable. We show that our theoretical results are in excellent agreement with stochastic simulations. KW - anomalous diffusion KW - generalised langevin equation KW - superstatistics KW - non-Gaussian diffusion Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/aaa3d4 SN - 1367-2630 VL - 20 IS - 023026 SP - 1 EP - 25 PB - Deutsche Physikalische Gesellschaft / Institute of Physics CY - Bad Honnef und London ER - TY - GEN A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Burnecki, Krzysztof A1 - Metzler, Ralf T1 - Random coefficient autoregressive processes describe Brownian yet non-Gaussian diffusion in heterogeneous systems T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Many studies on biological and soft matter systems report the joint presence of a linear mean-squared displacement and a non-Gaussian probability density exhibiting, for instance, exponential or stretched-Gaussian tails. This phenomenon is ascribed to the heterogeneity of the medium and is captured by random parameter models such as ‘superstatistics’ or ‘diffusing diffusivity’. Independently, scientists working in the area of time series analysis and statistics have studied a class of discrete-time processes with similar properties, namely, random coefficient autoregressive models. In this work we try to reconcile these two approaches and thus provide a bridge between physical stochastic processes and autoregressive models.Westart from the basic Langevin equation of motion with time-varying damping or diffusion coefficients and establish the link to random coefficient autoregressive processes. By exploring that link we gain access to efficient statistical methods which can help to identify data exhibiting Brownian yet non-Gaussian diffusion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 765 KW - diffusion KW - Langevin equation KW - Brownian yet non-Gaussian diffusion KW - diffusing diffusivity KW - superstatistics KW - autoregressive models KW - time series analysis KW - codifference Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437923 SN - 1866-8372 IS - 765 ER - TY - JOUR A1 - Ślęzak, Jakub A1 - Burnecki, Krzysztof A1 - Metzler, Ralf T1 - Random coefficient autoregressive processes describe Brownian yet non-Gaussian diffusion in heterogeneous systems JF - New Journal of Physics N2 - Many studies on biological and soft matter systems report the joint presence of a linear mean-squared displacement and a non-Gaussian probability density exhibiting, for instance, exponential or stretched-Gaussian tails. This phenomenon is ascribed to the heterogeneity of the medium and is captured by random parameter models such as ‘superstatistics’ or ‘diffusing diffusivity’. Independently, scientists working in the area of time series analysis and statistics have studied a class of discrete-time processes with similar properties, namely, random coefficient autoregressive models. In this work we try to reconcile these two approaches and thus provide a bridge between physical stochastic processes and autoregressive models.Westart from the basic Langevin equation of motion with time-varying damping or diffusion coefficients and establish the link to random coefficient autoregressive processes. By exploring that link we gain access to efficient statistical methods which can help to identify data exhibiting Brownian yet non-Gaussian diffusion. KW - diffusion KW - Langevin equation KW - Brownian yet non-Gaussian diffusion KW - diffusing diffusivity KW - superstatistics KW - autoregressive models KW - time series analysis KW - codifference Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab3366 SN - 1367-2630 VL - 21 PB - Deutsche Physikalische Gesellschaft ; IOP, Institute of Physics CY - Bad Honnef und London ER - TY - THES A1 - Önel, Hakan T1 - Electron acceleration in a flare plasma via coronal circuits T1 - Elektronenbeschleunigung im Flareplasma modelliert mit koronalen Schaltkreisen N2 - The Sun is a star, which due to its proximity has a tremendous influence on Earth. Since its very first days mankind tried to "understand the Sun", and especially in the 20th century science has uncovered many of the Sun's secrets by using high resolution observations and describing the Sun by means of models. As an active star the Sun's activity, as expressed in its magnetic cycle, is closely related to the sunspot numbers. Flares play a special role, because they release large energies on very short time scales. They are correlated with enhanced electromagnetic emissions all over the spectrum. Furthermore, flares are sources of energetic particles. Hard X-ray observations (e.g., by NASA's RHESSI spacecraft) reveal that a large fraction of the energy released during a flare is transferred into the kinetic energy of electrons. However the mechanism that accelerates a large number of electrons to high energies (beyond 20 keV) within fractions of a second is not understood yet. The thesis at hand presents a model for the generation of energetic electrons during flares that explains the electron acceleration based on real parameters obtained by real ground and space based observations. According to this model photospheric plasma flows build up electric potentials in the active regions in the photosphere. Usually these electric potentials are associated with electric currents closed within the photosphere. However as a result of magnetic reconnection, a magnetic connection between the regions of different magnetic polarity on the photosphere can establish through the corona. Due to the significantly higher electric conductivity in the corona, the photospheric electric power supply can be closed via the corona. Subsequently a high electric current is formed, which leads to the generation of hard X-ray radiation in the dense chromosphere. The previously described idea is modelled and investigated by means of electric circuits. For this the microscopic plasma parameters, the magnetic field geometry and hard X-ray observations are used to obtain parameters for modelling macroscopic electric components, such as electric resistors, which are connected with each other. This model demonstrates that such a coronal electric current is correlated with large scale electric fields, which can accelerate the electrons quickly up to relativistic energies. The results of these calculations are encouraging. The electron fluxes predicted by the model are in agreement with the electron fluxes deduced from the measured photon fluxes. Additionally the model developed in this thesis proposes a new way to understand the observed double footpoint hard X-ray sources. N2 - Die Sonne ist ein Stern, der aufgrund seiner räumlichen Nähe einen großen Einfluss auf die Erde hat. Seit jeher hat die Menschheit versucht die "Sonne zu verstehen" und besonders im 20. Jahrhundert gelang es der Wissenschaft viele der offenen Fragen mittels Beobachtungen zu beantworten und mit Modellen zu beschreiben. Die Sonne ist ein aktiver Stern, dessen Aktivität sich in seinem magnetischen Zyklus ausdrückt, welcher in enger Verbindung zu den Sonnenfleckenzahlen steht. Flares spielen dabei eine besondere Rolle, da sie hohe Energien auf kurzen Zeitskalen freisetzen. Sie werden begleitet von erhöhter Strahlungsemission über das gesamte Spektrum hinweg und setzen darüber hinaus auch energetische Teilchen frei. Beobachtungen von harter Röntgenstrahlung (z.B. mit der RHESSI Raumsonde der NASA) zeigen, dass ein großer Teil der freigesetzten Energie in die kinetische Energie von Elektronen transferiert wird. Allerdings ist nach wie vor nicht verstanden, wie die Beschleunigung der vielen Elektronen auf hohe Energien (jenseits von 20 keV) in Bruchteilen einer Sekunde erfolgt. Die vorliegende Arbeit präsentiert ein Model für die Erzeugung von energetischen Elektronen während solarer Flares, das auf mit realen Beobachtungen gewonnenen Parametern basiert. Danach bauen photosphärische Plasmaströmungen elektrische Spannungen in den aktiven Regionen der Photosphäre auf. Für gewöhnlich sind diese Potentiale mit elektrischen Strömen verbunden, die innerhalb der Photosphäre geschlossen sind. Allerdings kann infolge von magnetischer Rekonnektion eine magnetische Verbindung in der Korona aufgebaut werden, die die Regionen von magnetisch unterschiedlicher Polarität miteinander verbindet. Wegen der deutlich höheren koronalen elektrischen Leitfähigkeit, kann darauf die photosphärische Spannungsquelle über die Korona geschlossen werden. Das auf diese Weise generierte elektrische Feld führt nachfolgend zur Erzeugung eines hohen elektrischen Stromes, der in der dichten Chromosphäre harte Röntgenstrahlung generiert. Die zuvor erläuterte Idee wird mit elektrischen Schaltkreisen modelliert und untersucht. Dafür werden die mikroskopischen Plasmaparameter, die Geometrie des Magnetfeldes und Beobachtungen der harten Röntgenstrahlung verwendet, um makroskopische elektronische Komponenten, wie z.B. elektrische Widerstände zu modellieren und miteinander zu verbinden. Es wird gezeigt, dass der auftretende koronale Strom mit hohen elektrischen Feldern verbunden ist, welche Elektronen schnell auf hohe relativistische Energien beschleunigen können. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind ermutigend. Die vorhergesagten Elektronenflüsse stehen im Einklang mit aus gemessenen Photonenflüssen gewonnenen Elektronenflüssen. Zudem liefert das Model einen neuen Ansatz für das Verständnis der harten Röntgendoppelquellen in den Fußpunkten. KW - Elektronenbeschleunigung KW - Flarephysik KW - koronale Stromsysteme KW - electron acceleration KW - physics of flares KW - coronal currents Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29035 ER - TY - JOUR A1 - Öhberg, P. A1 - Surkov, E. L. A1 - Tittonen, I. A1 - Stenholm, Stig A1 - Wilkens, Martin A1 - Shlyapnikov, G. V. T1 - Low-energy elementary excitations of a trapped Bose-condensed gas N2 - We develop a method of finding analytical sotutions of the Bogolyubov-de Gennes equations for the excitations of a Bose condensate in the Thomas-Fermi regime in harmonic traps of any asymmetry and introduce a classification of eigenstates. In the case of cylindrical symmetry we emphasize the presence of an accidental degeneracy in the excitation spectrum at certain values of the projection of orbital angular momentum on the symmetry axis and discuss possible consequences of the degeneracy in the context of new signatures of Bose- Einstein condensation Y1 - 1997 ER - TY - JOUR A1 - Zöller, Gert A1 - Hainzl, Sebastian A1 - Kurths, Jürgen T1 - Observation of growing correlation length as an indicator for critical point behavior prior to large earthquakes Y1 - 2001 ER - TY - THES A1 - Zöller, Gert T1 - Critical states of seismicity : modeling and data analysis T1 - Kritische Zustände seismischer Dynamik : Modellierung und Datenanalyse N2 - The occurrence of earthquakes is characterized by a high degree of spatiotemporal complexity. Although numerous patterns, e.g. fore- and aftershock sequences, are well-known, the underlying mechanisms are not observable and thus not understood. Because the recurrence times of large earthquakes are usually decades or centuries, the number of such events in corresponding data sets is too small to draw conclusions with reasonable statistical significance. Therefore, the present study combines both, numerical modeling and analysis of real data in order to unveil the relationships between physical mechanisms and observational quantities. The key hypothesis is the validity of the so-called "critical point concept" for earthquakes, which assumes large earthquakes to occur as phase transitions in a spatially extended many-particle system, similar to percolation models. New concepts are developed to detect critical states in simulated and in natural data sets. The results indicate that important features of seismicity like the frequency-size distribution and the temporal clustering of earthquakes depend on frictional and structural fault parameters. In particular, the degree of quenched spatial disorder (the "roughness") of a fault zone determines whether large earthquakes occur quasiperiodically or more clustered. This illustrates the power of numerical models in order to identify regions in parameter space, which are relevant for natural seismicity. The critical point concept is verified for both, synthetic and natural seismicity, in terms of a critical state which precedes a large earthquake: a gradual roughening of the (unobservable) stress field leads to a scale-free (observable) frequency-size distribution. Furthermore, the growth of the spatial correlation length and the acceleration of the seismic energy release prior to large events is found. The predictive power of these precursors is, however, limited. Instead of forecasting time, location, and magnitude of individual events, a contribution to a broad multiparameter approach is encouraging. N2 - Das Auftreten von Erdbeben zeichnet sich durch eine hohe raumzeitliche Komplexität aus. Obwohl zahlreiche Muster, wie Vor- und Nachbeben bekannt sind, weiß man wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen, da diese sich direkter Beobachtung entziehen. Die Zeit zwischen zwei starken Erdbeben in einer seismisch aktiven Region beträgt Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Folglich ist die Anzahl solcher Ereignisse in einem Datensatz gering und es ist kaum möglich, allein aus Beobachtungsdaten statistisch signifikante Aussagen über deren Eigenschaften abzuleiten. Die vorliegende Arbeit nutzt daher numerische Modellierungen einer Verwerfungszone in Verbindung mit Datenanalyse, um die Beziehung zwischen physikalischen Mechanismen und beobachteter Seismizität zu studieren. Die zentrale Hypothese ist die Gültigkeit des sogenannten "kritischen Punkt Konzeptes" für Seismizität, d.h. starke Erdbeben werden als Phasenübergänge in einem räumlich ausgedehnten Vielteilchensystem betrachtet, ähnlich wie in Modellen aus der statistischen Physik (z.B. Perkolationsmodelle). Es werden praktische Konzepte entwickelt, die es ermöglichen, kritische Zustände in simulierten und in beobachteten Daten sichtbar zu machen. Die Resultate zeigen, dass wesentliche Eigenschaften von Seismizität, etwa die Magnitudenverteilung und das raumzeitliche Clustern von Erdbeben, durch Reibungs- und Bruchparameter bestimmt werden. Insbesondere der Grad räumlicher Unordnung (die "Rauhheit") einer Verwerfungszone hat Einfluss darauf, ob starke Erdbeben quasiperiodisch oder eher zufällig auftreten. Dieser Befund zeigt auf, wie numerische Modelle genutzt werden können, um den Parameterraum für reale Verwerfungen einzugrenzen. Das kritische Punkt Konzept kann in synthetischer und in beobachteter Seismizität verifiziert werden. Dies artikuliert sich auch in Vorläuferphänomenen vor großen Erdbeben: Die Aufrauhung des (unbeobachtbaren) Spannungsfeldes führt zu einer Skalenfreiheit der (beobachtbaren) Größenverteilung; die räumliche Korrelationslänge wächst und die seismische Energiefreisetzung wird beschleunigt. Ein starkes Erdbeben kann in einem zusammenhängenden Bruch oder in einem unterbrochenen Bruch (Vorbeben und Hauptbeben) stattfinden. Die beobachtbaren Vorläufer besitzen eine begrenzte Prognosekraft für die Auftretenswahrscheinlichkeit starker Erdbeben - eine präzise Vorhersage von Ort, Zeit, und Stärke eines nahenden Erdbebens ist allerdings nicht möglich. Die genannten Parameter erscheinen eher vielversprechend als Beitrag zu einem umfassenden Multiparameteransatz für eine verbesserte zeitabhängige Gefährdungsabschätzung. KW - Seismizität KW - Erdbebenvorhersage KW - statistische Physik KW - mathematische Modellierung KW - Datenanalyse KW - seismicity KW - earthquake prediction KW - statistical physics KW - mathematical modeling KW - data analysis Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7427 ER - TY - THES A1 - Zöller, Gert T1 - Analyse raumzeitlicher Muster in Erdbebendaten N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Seismizität anhand von Erdbebenkatalogen. Es werden neue Verfahren der Datenanalyse entwickelt, die Aufschluss darüber geben sollen, ob der seismischen Dynamik ein stochastischer oder ein deterministischer Prozess zugrunde liegt und was daraus für die Vorhersagbarkeit starker Erdbeben folgt. Es wird gezeigt, dass seismisch aktive Regionen häufig durch nichtlinearen Determinismus gekennzeichent sind. Dies schließt zumindest die Möglichkeit einer Kurzzeitvorhersage ein. Das Auftreten seismischer Ruhe wird häufig als Vorläuferphaenomen für starke Erdbeben gedeutet. Es wird eine neue Methode präsentiert, die eine systematische raumzeitliche Kartierung seismischer Ruhephasen ermöglicht. Die statistische Signifikanz wird mit Hilfe des Konzeptes der Ersatzdaten bestimmt. Als Resultat erhält man deutliche Korrelationen zwischen seismischen Ruheperioden und starken Erdbeben. Gleichwohl ist die Signifikanz dafür nicht hoch genug, um eine Vorhersage im Sinne einer Aussage über den Ort, die Zeit und die Stärke eines zu erwartenden Hauptbebens zu ermöglichen. KW - Erdbeben KW - nichtlineare Dynamik Y1 - 1999 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000122 ER - TY - JOUR A1 - Zykov, Vladimir A1 - Bordyugov, Grigory A1 - Lentz, Hartmut A1 - Engel, Harald T1 - Hysteresis phenomenon in the dynamics of spiral waves rotating around a hole N2 - Hysteresis in the pinning-depinning transitions of spiral waves rotating around a hole in a circular shaped two- dimensional excitable medium is studied both by use of the continuation software AUTO and by direct numerical integration of the reaction-diffusion equations for the FitzHugh-Nagumo model. In order to clarify the role of different factors in this phenomenon, a kinematical description is applied. It is found that the hysteresis phenomenon computed for the reaction-diffusion model can be reproduced qualitatively only when a nonlinear eikonal equation (i.e. velocity- curvature relationship) is assumed. However, to obtain quantitative agreement, the dispersion relation has to be taken into account. Y1 - 2010 UR - http://www.sciencedirect.com/science/journal/01672789 U6 - https://doi.org/10.1016/j.physd.2009.07.018 SN - 0167-2789 ER -