TY - THES A1 - Bendre, Abhijit B. T1 - Growth and saturation of dynamo in spiral galaxies via direct simulations T1 - Wachstum und Sättigung des Dynamos in Spiralgalaxien mit direkten Simulationen N2 - We do magnetohydrodynamic (MHD) simulations of local box models of turbulent Interstellar Medium (ISM) and analyse the process of amplification and saturation of mean magnetic fields with methods of mean field dynamo theory. It is shown that the process of saturation of mean fields can be partially described by the prolonged diffusion time scales in presence of the dynamically significant magnetic fields. However, the outward wind also plays an essential role in the saturation in higher SN rate case. Algebraic expressions for the back reaction of the magnetic field onto the turbulent transport coefficients are derived, which allow a complete description of the nonlinear dynamo. We also present the effects of dynamically significant mean fields on the ISM configuration and pressure distribution. We further add the cosmic ray component in the simulations and investigate the kinematic growth of mean fields with a dynamo perspective. N2 - Wir fuehren magnetohydrodynamische (MHD) Simulationen des turbulenten interstellaren Mediums (ISM) in lokalen Boxen durch und analysieren darin den Prozess der Verstaerkung und Saturation der mittleren Magnetfelder mit Methoden der Dynamotheorie mittlerer Felder. Es wird gezeigt, dass der Prozess der Saturation mittlerer Felder teilweise durch eine verlaengerte Diffusionzeit in Gegenwart dynamisch signifikanter Magnetfelder erklaert werden kann. Fuer hoehere Supernovae-Raten spielt auch der nach aussen treibende Wind eine essenzielle Rolle fuer die Saturation. Aus den Simulationen konnten algebraische Formeln fuer die Rueckwirkung des Magnetfeldes auf die turbulenten Transportkoeffizienten abgeleitet werden, die eine vollstaendige Beschreibung des nichtlinearen Dynamos erlauben. Wir praesentieren zudem den Einfluss signifikanter mittlerer Magnetfelder auf die ISM-Konfiguration und Druckverteilung. Wir fuegen der Simulation ausserdem kosmische Strahlung als Komponente hinzu und untersuchen das kinematische Wachstum mittlerer Felder aus einer Dynamo-Perspektive. KW - magnetohydrodynamics KW - ISM: Turbulence KW - spiral galaxies: magnetic fields KW - nonliear dynamo KW - cosmic ray dynamo KW - Magnetohydrodynamik KW - ISM: Turbulenz KW - Spiralgalaxien: Magnetfelder KW - nichtlineare Dynamo KW - kosmische Strahlung Dynamo Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407517 ER - TY - THES A1 - Brauer, Dorothée T1 - Chemo-kinematic constraints on Milky Way models from the spectroscopic surveys SEGUE & RAVE T1 - Beschränkungen von Modellen der Milchstraße auf Basis der chemisch-kinematischen Analyse von Beobachtungsdaten der spektroskopischen Himmelsdurchmusterungen SEGUE und RAVE N2 - The Milky Way is only one out of billions of galaxies in the universe. However, it is a special galaxy because it allows to explore the main mechanisms involved in its evolution and formation history by unpicking the system star-by-star. Especially, the chemical fingerprints of its stars provide clues and evidence of past events in the Galaxy’s lifetime. These information help not only to decipher the current structure and building blocks of the Milky Way, but to learn more about the general formation process of galaxies. In the past decade a multitude of stellar spectroscopic Galactic surveys have scanned millions of stars far beyond the rim of the solar neighbourhood. The obtained spectroscopic information provide unprecedented insights to the chemo-dynamics of the Milky Way. In addition analytic models and numerical simulations of the Milky Way provide necessary descriptions and predictions suited for comparison with observations in order to decode the physical properties that underlie the complex system of the Galaxy. In the thesis various approaches are taken to connect modern theoretical modelling of galaxy formation and evolution with observations from Galactic stellar surveys. With its focus on the chemo-kinematics of the Galactic disk this work aims to determine new observational constraints on the formation of the Milky Way providing also proper comparisons with two different models. These are the population synthesis model TRILEGAL based on analytical distribution functions, which aims to simulate the number and distribution of stars in the Milky Way and its different components, and a hybrid model (MCM) that combines an N-body simulation of a Milky Way like galaxy in the cosmological framework with a semi-analytic chemical evolution model for the Milky Way. The major observational data sets in use come from two surveys, namely the “Radial Velocity Experiment” (RAVE) and the “Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration” (SEGUE). In the first approach the chemo-kinematic properties of the thin and thick disk of the Galaxy as traced by a selection of about 20000 SEGUE G-dwarf stars are directly compared to the predictions by the MCM model. As a necessary condition for this, SEGUE's selection function and its survey volume are evaluated in detail to correct the spectroscopic observations for their survey specific selection biases. Also, based on a Bayesian method spectro-photometric distances with uncertainties below 15% are computed for the selection of SEGUE G-dwarfs that are studied up to a distance of 3 kpc from the Sun. For the second approach two synthetic versions of the SEGUE survey are generated based on the above models. The obtained synthetic stellar catalogues are then used to create mock samples best resembling the compiled sample of observed SEGUE G-dwarfs. Generally, mock samples are not only ideal to compare predictions from various models. They also allow validation of the models' quality and improvement as with this work could be especially achieved for TRILEGAL. While TRILEGAL reproduces the statistical properties of the thin and thick disk as seen in the observations, the MCM model has shown to be more suitable in reproducing many chemo-kinematic correlations as revealed by the SEGUE stars. However, evidence has been found that the MCM model may be missing a stellar component with the properties of the thick disk that the observations clearly show. While the SEGUE stars do indicate a thin-thick dichotomy of the stellar Galactic disk in agreement with other spectroscopic stellar studies, no sign for a distinct metal-poor disk is seen in the MCM model. Usually stellar spectroscopic surveys are limited to a certain volume around the Sun covering different regions of the Galaxy’s disk. This often prevents to obtain a global view on the chemo-dynamics of the Galactic disk. Hence, a suitable combination of stellar samples from independent surveys is not only useful for the verification of results but it also helps to complete the picture of the Milky Way. Therefore, the thesis closes with a comparison of the SEGUE G-dwarfs and a sample of RAVE giants. The comparison reveals that the chemo-kinematic relations agree in disk regions where the samples of both surveys show a similar number of stars. For those parts of the survey volumes where one of the surveys lacks statistics they beautifully complement each other. This demonstrates that the comparison of theoretical models on the one side, and the combined observational data gathered by multiple surveys on the other side, are key ingredients to understand and disentangle the structure and formation history of the Milky Way. N2 - Die Milchstraße ist nur eine unter Milliarden von Galaxien im Universum, dennoch ist sie besonders. Sie bietet die einzigartige Möglichkeit anhand ihrer einzeln auflösbaren Sterne und deren im Detail beobachtbaren Eigenschaften die Mechanismen ihrer Evolutions- und Entstehungsgeschichte genau zu studieren und damit Rückschlüsse auf die Entwicklungsprozesse von Galaxien im Allgemeinen zu ziehen. Insbesondere der chemische Fingerabdruck ihrer Sterne liefert dabei Indizien und Beweise für Ereignisse im Leben der Galaxie. In den letzten 15 Jahren wurden daher in einer Vielzahl von Himmeldurchmusterungen Millionen von Sternen in der Milchstraße spektroskopisch beobachtet. Die so gewonnenen Informationen bieten detaillierte Einblicke in die Substrukturen unserer Galaxie und deren chemisch-kinematische Struktur. Ergänzend dazu liefern analytische Modelle und numerische Simulationen der Milchstraße wichtige Beschreibungen, die sich zum Vergleich mit Beobachtungen eignen, um die dem komplexen System der Galaxie zugrunde liegenden exakten physikalischen Eigenschaften entschlüsseln zu können. Die vorliegende Arbeit nutzt verschiedene Ansätze, um moderne theoretische Modelle der Galaxienentstehung und -evolution mit Daten aus stellaren Beobachtungskampagnen zu vergleichen. Die dazu analysierten Beobachtungsdatensätze stammen aus zwei großen Himmelsdurchmusterungen, dem „Radial Velocity Experiment“ (RAVE) und dem „Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration“ (SEGUE). Mit dem Fokus auf der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe geht es im Wesentlichen darum, zwei Modelle der Milchstraße zu testen, nämlich ein Populationssynthesemodell (TRILEGAL) und ein Hybridmodell (MCM). Während TRILEGAL auf analytischen Verteilungsfunktionen basiert und zum Ziel hat, die Anzahl und Verteilung der Sterne innerhalb der Galaxie und ihrer unterschiedlichen Komponenten zu simulieren, verbindet das MCM Modell eine kosmologische N-Körper Simulation einer der Milchstraße ähnlichen Galaxie mit einem semi-analytischen Modell zur Beschreibung der chemischen Evolution der Milchstraße. Auf Grundlage einer Auswahl von etwa 20000 SEGUE G-Zwergsternen werden in einem ersten Ansatz die aus den Messdaten gewonnenen chemisch-kinematischen Eigenschaften der dünnen und dicken Scheibe der Milchstraße mit den direkten Vorhersagen des MCM Modells verglichen. Eine notwendige Bedingung dafür ist die Korrektur der Beobachtungsdaten für systematische Fehler bei der Objektauswahl der Beobachtungskampagne. Zudem werden mittels einer Bayesischen Methode spektro-photometrische Distanzen mit Fehlern kleiner als 15% für die Auswahl an SEGUE Sternen berechnet, die sich in einer Entfernung von bis zu 3 kpc von der Sonne befinden. Für den zweiten Ansatz werden basierend auf den oben genannten Modellen zwei synthetische Versionen der SEGUE Himmelsdurchmusterung generiert. Diese künstlichen stellaren Kataloge werden dann verwendet, um Vergleichspseudodatensätze für die verwendeten Zwergsterndaten anzufertigen. Solche synthetischen Testdatensätze eignen sich nicht nur, um die Vorhersagen verschiedener Modelle zu vergleichen, sie können auch zur Validierung der Qualität einzelner Modelle herangezogen werden. Während sich in der Analyse zeigt, dass TRILEGAL sich besonders gut eignet, statistische Eigenschaften der dünnen und dicken galaktischen Scheibe zu reproduzieren, spiegelt das MCM Modell viele der in der Milchstraße beobachtbaren chemisch-kinematischen Korrelationen gut wieder. Trotzdem finden sich Beweise dafür, dass dem MCM Modell eine stellare Komponente fehlt, deren Eigenschaften der in den Beobachtungen sichtbaren dicken Scheibe ähnlich sind. Meist sind spektroskopische Beobachtungskampagnen auf ein bestimmtes Volumen um die Sonne beschränkt. Oftmals verhindert dies die Möglichkeit einen globalen Blick auf die chemisch-kinematischen Eigenschaften der galaktischen Scheibe zu erlangen. Die Kombination von stellaren Daten unabhängiger Kampagnen ist daher nicht nur nützlich für die Verifikation von Ergebnissen, es hilft auch ein ganzheitlicheres Bild der Galaxie zu erlangen. Die vorliegende Arbeit schließt daher mit einem Vergleich der SEGUE G-Zwergsterne und einer Auswahl von RAVE Riesensternen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung bzgl. der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe besonders in denjenigen Regionen, die von einer Vielzahl von SEGUE und RAVE Objekten abgedeckt werden. Für Regionen des Beobachtungsvolumens, in dem die eine oder die andere der beiden Beobachtungskampagnen eine geringere Statistik von beobachteten Sternen aufweist, ergänzen sich RAVE und SEGUE gut. Dies zeigt, dass nicht nur der Vergleich von Beobachtungen und theoretischen Modellen, sondern auch die Kombination von Messdaten aus verschiedenen Himmelsdurchmusterungen wichtig ist, um die Struktur und die Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu verstehen und zu entschlüsseln. KW - galaktische Astronomie KW - galactic astronomy KW - Entstehung der Milchstraße KW - Milky Way formation KW - Evolution der Milchstraße KW - Milky Way evolution KW - Milky Way chemo-kinematics KW - Chemokinematik der Milchstraße KW - SEGUE survey KW - SEGUE Beobachtungskampagne KW - RAVE survey KW - RAVE Beobachtungskampagne KW - mock data catalogues KW - Pseudodatensätze Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403968 ER - TY - THES A1 - Ata, Metin T1 - Phase-space reconstructions of cosmic velocities and the cosmic web T1 - Phasenraumrekonstruktionen kosmischer Geschwindigkeiten und des kosmischen Netzes BT - structure formation models - galaxy bias models - galaxy redshift surveys - inference analysis N2 - In the current paradigm of cosmology, the formation of large-scale structures is mainly driven by non-radiating dark matter, making up the dominant part of the matter budget of the Universe. Cosmological observations however, rely on the detection of luminous galaxies, which are biased tracers of the underlying dark matter. In this thesis I present cosmological reconstructions of both, the dark matter density field that forms the cosmic web, and cosmic velocities, for which both aspects of my work are delved into, the theoretical formalism and the results of its applications to cosmological simulations and also to a galaxy redshift survey.The foundation of our method is relying on a statistical approach, in which a given galaxy catalogue is interpreted as a biased realization of the underlying dark matter density field. The inference is computationally performed on a mesh grid by sampling from a probability density function, which describes the joint posterior distribution of matter density and the three dimensional velocity field. The statistical background of our method is described in Chapter ”Implementation of argo”, where the introduction in sampling methods is given, paying special attention to Markov Chain Monte-Carlo techniques. In Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations”, I introduce and implement a novel biasing scheme to relate the galaxy number density to the underlying dark matter, which I decompose into a deterministic part, described by a non-linear and scale-dependent analytic expression, and a stochastic part, by presenting a negative binomial (NB) likelihood function that models deviations from Poissonity. Both bias components had already been studied theoretically, but were so far never tested in a reconstruction algorithm. I test these new contributions againstN-body simulations to quantify improvements and show that, compared to state-of-the-art methods, the stochastic bias is inevitable at wave numbers of k≥0.15h Mpc^−1 in the power spectrum in order to obtain unbiased results from the reconstructions. In the second part of Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations” I describe and validate our approach to infer the three dimensional cosmic velocity field jointly with the dark matter density. I use linear perturbation theory for the large-scale bulk flows and a dispersion term to model virialized galaxy motions, showing that our method is accurately recovering the real-space positions of the redshift-space distorted galaxies. I analyze the results with the isotropic and also the two-dimensional power spectrum.Finally, in Chapter ”Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys”, I show how I combine all findings and results and apply the method to the CMASS (for Constant (stellar) Mass) galaxy catalogue of the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). I describe how our method is accounting for the observational selection effects inside our reconstruction algorithm. Also, I demonstrate that the renormalization of the prior distribution function is mandatory to account for higher order contributions in the structure formation model, and finally a redshift-dependent bias factor is theoretically motivated and implemented into our method. The various refinements yield unbiased results of the dark matter until scales of k≤0.2 h Mpc^−1in the power spectrum and isotropize the galaxy catalogue down to distances of r∼20h^−1 Mpc in the correlation function. We further test the results of our cosmic velocity field reconstruction by comparing them to a synthetic mock galaxy catalogue, finding a strong correlation between the mock and the reconstructed velocities. The applications of both, the density field without redshift-space distortions, and the velocity reconstructions, are very broad and can be used for improved analyses of the baryonic acoustic oscillations, environmental studies of the cosmic web, the kinematic Sunyaev-Zel’dovic or integrated Sachs-Wolfe effect. N2 - In der gegenwärtigen Anschauung der Kosmologie wird die Bildung von großräumigen Strukturen vor allem durch nicht strahlende, Dunkle Materie beeinflusst, die den überwiegenden Teil des Materieanteils des Universums ausmacht. Kosmologische Beobachtungen beruhen jedoch auf dem Nachweis von leuchtenden Galaxien, die gebiaste Indikatoren (biased tracer) der darunterliegenden Dunklen Materie sind. In dieser Arbeit präsentiere ich Rekonstruktionen des kosmischen Netzes der Dunklen Materie und kosmischer Geschwindigkeitsfelder. Beide Aspekte meiner Arbeit, der theoretische Formalismus und die Ergebnisse der Anwendungen sowohl auf kosmologische Simulationen als auch auf Galaxie-Rotverschiebungssurveys, weden detaiiert aufgeführt. Die Grundlage dieser Methode beruht auf einem statistischen Ansatz, bei dem ein gegebener Galaxienkatalog als eine Realisierung des darunter liegenden Dunklen Materiedichtefeldes interpretiert wird. Unsere Rekonstruktionen werden rechnerisch auf einem Gitter durch das Sampling einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion durchgeführt, die die gemeinsame a posteriori Wahrscheinlichkeit der Materiedichte und des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes beschreibt. Der statistische Hintergrund unserer Methode ist im Kapitel "Implantation of argo" beschrieben, wobei die Einführung in die Samplingmethoden unter besonderer Berücksichtigung der Markov-Kette-Monte-Carlo-Technik erfolgt. Im Kapitel "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" stelle ich ein neuartiges Biasmodell vor, welches die Galaxienanzahldichte mit der darunter liegenden Dunklen Materiedichte verknüpft. Diesen zerlege ich in einen deterministischen, nicht linearen und skalenabhängigen analytischen Teil und einen stochastischen Teil. Das letztere beschreibe ich durch einen Negativ-Binomial-Likelihood Ausdruck, welches die Abweichungen von Poissonität modelliert. Beide Biaskomponenten wurden bereits theoretisch untersucht, aber bisher noch nie in einem Rekonstruktionsalgorithmus getestet. Ich evaluiere diese neuen Beiträge mit $N$-Körper-Simulationen, um die Verbesserungen zu beurteilen und um zu zeigen, dass der stochastische Bias im Leistungsspektrum bei Wellenzahlen von k < 0.15 h Mpc^- 1 unabdingbar ist. Im zweiten Teil des Kapitels "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" beschreibe und validiere ich unseren Ansatz, das kosmische Geschwindigkeitsfeld gemeinsam mit der Dunklen Materiedichte zu rekonstruieren. Ich verwende lineare Störungstheorie für die großräumigen Potentialströme und einen Dispersionsterm, um virialisierte Galaxiebewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Methode die Rotverschiebungsverzerrungen der Positionen der Galaxien genau beschreibt. Ich analysiere die Ergebnisse sowohl mit dem anisotropen Leistungsspektrum, als auch mit dem zweidimensionalen Leistungsspektrum. Schließlich zeige ich im Kapitel "Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys", wie ich alle Ergebnisse kombiniere und die Methode auf den CMASS (für Constant (stellar) Mass) Galaxienkatalog anwende. Ich beschreibe, wie unsere Methode die Selektionseffekte der Beobachtungen innerhalb des Rekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt. Weiterhin demonstriere ich, dass die Renormalisierung der a priori Verteilung zwingend erforderlich ist, um die Beiträge höherer Ordnung im Strukturbildungsmodell zu berücksichtigen. Außerdem wird ein rotverschiebungsabhängiger Bias-Faktor theoretisch motiviert und in unseren Algorithmus implementiert. Unsere Rekonstruktionen, welche diese verschiedenen Verfeinerungen beinhaten, führen zu robusten Ergebnissen hinsichtlich des Feldes der Dunklen Materie bis zu Skalen von k <0.2 Mpc^-1 im Leistungsspektrum. Außerdem werden Anisotropien in dem rekonstruierten Galaxienkatalog bis zu Abständen von r~20 h^-1 Mpc in der Korrelationsfunktion zu einem hohen Grad überwunden. Wir testen die Ergebnisse unserer kosmischen Geschwindigkeitsrekonstruktion, indem wir sie mit einem synthetischen Mock-Galaxienkatalog vergleichen und bestätigen eine starke Korrelation zwischen den Mock- und den rekonstruierten Geschwindigkeiten. Die Anwendungen sowohl des Dichtefeldes ohne Rotverschiebungsverzerrungen als auch der Geschwindigkeitsrekonstruktionen sind sehr vielfältig und können für verbesserte Analysen der baryonischen akustischen Oszillationen, Umgebungsstudien des kosmischen Netzes, des kinematischen Sunjajew-Seldowitsch-Effekts oder des integrierten Sachs-Wolfe-Effekts verwendet werden. KW - large-scale structure formation KW - großräumige Strukturen KW - Kosmologie KW - Theorie KW - cosmology KW - theory Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403565 ER - TY - THES A1 - Schulz, Alexander T1 - Untersuchung der Wechselwirkung synoptisch-skaliger mit orographisch bedingten Prozessen in der arktischen Grenzschicht über Spitzbergen N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die planetare Grenzschicht in Ny-Ålesund, Spitzbergen, sowohl bezüglich kleinskaliger („mikrometeorologischer“) Effekte als auch in ihrer Kopplung mit der Synoptik untersucht. Dazu werden verschiedene Beobachtungsdaten aus der Säule und in Bodennähe zusammengezogen und bewertet. Die so gewonnenen Datensätze werden dann zur Validierung eines nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodells genutzt. Weiterhin werden orographisch bedingte Einflüsse, die Untergrundbeschaffenheit und die lokale Heterogenität der Unterlage untersucht. Hierzu werden meteorologische Größen, wie die Variabilität der Temperatur und insbesondere die jährliche Windverteilung in Bodennähe untersucht und es erfolgt ein Vergleich von in-situ gemessenen turbulenten Flüssen von den Eddy-Kovarianz-Messkomplexen bei Ny-Ålesund 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 Strömung beeinflusst ist und sich nicht für Vergleiche mit regionalen Klimamodellen mit horizontalen Auflösungen von <1km eignet. Die hohe Bodenfeuchte im Bayelva-Tal führt zudem zu einem deutlich kleineren Bowen-Verhältnis, als es für diese Region zu erwarten ist. Der Eddy-Kovarianz-Messkomplex bei Ny-Ålesund erweist sich hingegen als geeigneter für solche Modellvergleiche, aufgrund der typischen, küstennahen Windverteilung und des repräsentativen 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 über den Archipel auf die zeitliche Variabilität der lokalen Grenzschichteigenschaften untersucht und bewertet. Dazu wird ein Zyklonen-Detektions-Algorithmus auf ERA-Interim-Reanalysedatensätze angewendet, wodurch die Häufigkeit von nahezu ideal konzentrischen Hoch- und die Tiefdruckgebieten für drei Jahre bestimmt wird. Aus dieser Verteilung werden insgesamt drei interessante Zeiträume zu verschiedenen Jahreszeiten ausgewählt und im Rahmen von Prozessstudien die lokalen bodennahen meteorologischen Messungen, der turbulente Austausch an der Oberfläche und die Grenzschichtdynamik in der Säule untersucht. Die zeitliche Variabilität der dynamischen Grenzschichtstabilität in der Säule wird anhand von zeitlich hoch aufgelösten vertikalen Profilen der Bulk-Richardson-Zahl aus Kompositprofilen aus Fernerkundungsinstrumenten (Radiometer, Wind-LIDAR) sowie Mastdaten (BSRN-Mast) untersucht und die Grenzschichthöhe ermittelt. Aus diesen Analysen ergibt sich eine deutliche Abhängigkeit der thermischen Stabilität beim Durchzug von Fronten, eine damit einhergehende erhebliche Abhängigkeit der Grenzschichtdynamik und der Grenzschichthöhe sowie des turbulenten Austauschs von der zeitlichen Variabilität der Windgeschwindigkeit in der Säule. Auf Grundlage der Standortanalysen und Prozessstudien erfolgt ein Vergleich der bodennahen Messungen und den Beobachtungen aus der Säule, sowohl von den genannten Fernerkundungsinstrumenten als auch von In-situ-Messungen (Radiosonden) für 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 Gelände in der Arktis reproduzieren können, werden zwei Grenzschichtparametrisierungsschemata mit verschiedenen Ordnungen der Schließung validiert. Hierzu wird die zeitliche Variabilität der Temperatur, der Feuchte und des Windfeldes in der Säule bis 2000m in den Simulationen mit den Beobachtungsdaten vergleichen. Es wird gezeigt, dass durch Modifikation der Initialwertfelder eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Beobachtungen bereits bei einer horizontalen Auflösung von 1km erreicht werden kann und die Wahl des Grenzschichtschemas nur untergeordneten Einfluss hat. Hieraus werden Ansätze der Weiterentwicklung der Parametrisierungen, aber auch Empfehlungen bezüglich der Initialwertfelder, wie der Landmaske und der Orographie, vorgeschlagen. N2 - In this work, the planetary boundary layer in Ny-Ålesund, Svalbard is investigated both in terms of small scale (“micrometeorological”) effects and its connection to synoptic scale processes. Therefore several observational data from the lower troposphere and near the surface are added together and evaluated. These datasets are used to validate a non-hydrostatic, regional climate model. Furthermore orographically induced influences and the character of the surface and its local heterogeneity are investigated. To this, meteorological quantities like the temperature variability and the annual wind distribution near the surface are analysed and a comparison of in-situ measurements of the turbulent fluxes from the eddy covariance measuring complexes near Ny-Ålesund and in the Bayelva valley are conducted accordingly. It is shown that the eddy-covariance measuring complex in the Bayelva valley is influenced considerably by local channelling of the flow. Therefore this station is not suitable for comparisons with a regional climate model with horizontal resolutions ≥1km. In addition, higher soil moisture results in lower Bowen-ratio than expected for this site. It turned out that the eddy-covariance measuring complex near Ny-Ålesund is more appropriate for such model studies due to typical coastal wind distribution and a representative footprint. The latter is calculated by determining the footprint climatology of the year 2013 with a current footprint model. Furthermore the impact of (anti-) cyclones over the archipelago on the temporal variability of boundary layer characteristics is investigated and evaluated. For this purpose, a cyclone detection algorithm is applied to ERA-Interim reanalysis data which determines the frequency of nearly ideal concentric high and low pressure systems for three years. From this distribution, three interesting time periods are selected at different seasons and the local near surface meteorological measurements, the turbulent fluxes at the surface and the boundary layer dynamics in the column are examined in case studies. The temporal variability of the dynamic stability of the planetary boundary layer in the column is examined by temporally high resolved vertical profiles of the bulk Richardson number from composite profiles compiled from remote sensing data (radiometer, wind LIDAR) as well as data from the BSRN mast. From these analyses, a clear dependence of the thermal stability during the passage of fronts, a corresponding dependence of the boundary layer dynamics and the boundary layer height as well as the turbulent exchange from the temporal variability of the wind speed in the column results. On the basis of the site analyses and the case studies, a comparison of near surface measurements and observations from the column is made, both from the above-mentioned remote sensing instruments and in-situ measurements (radio soundings) for the period of an intense radio sounding campaign with the non-hydrostatic regional climate model WRF (ARW). On the basis of the question as to how far current schemes can reproduce the boundary layer characteristics in complex terrain in the Arctic, two boundary layer parameterization schemes with different orders of closure are validated. For this purpose, the temporal variability of the temperature, humidity and wind field in the column up to 2000m height in the simulations is compared with observational data. It is shown that by modifying fields of initial value, a very good agreement between the simulations and the observations can already be achieved with a horizontal resolution of 1km. The choice of the boundary layer scheme has only a minor influence. From this, approaches to the further development of the parameterizations as well as recommendations concerning the initial value fields, such as the land mask and the orography, are proposed. KW - atmosphärische Grenzschicht KW - atmospheric boundary layer KW - Mikrometeorologie KW - micrometeorology KW - regionale Klimamodellierung KW - regional climate modelling KW - Turbulenzmessung KW - turbulence measurement KW - arktische Atmosphäre KW - Arctic atmosphere Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400058 ER - TY - THES A1 - Marx, Robert T1 - A quantitative model of spatial correlations in parametric down conversion for investigating complementarity at a double slit Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Breitling, Frank T1 - Propagation of energetic electrons in the solar corona observed with LOFAR T1 - Ausbreitung energiereicher Elektronen in der Sonnenkorona beobachtet mit LOFAR N2 - This work reports about new high-resolution imaging and spectroscopic observations of solar type III radio bursts at low radio frequencies in the range from 30 to 80 MHz. Solar type III radio bursts are understood as result of the beam-plasma interaction of electron beams in the corona. The Sun provides a unique opportunity to study these plasma processes of an active star. Its activity appears in eruptive events like flares, coronal mass ejections and radio bursts which are all accompanied by enhanced radio emission. Therefore solar radio emission carries important information about plasma processes associated with the Sun’s activity. Moreover, the Sun’s atmosphere is a unique plasma laboratory with plasma processes under conditions not found in terrestrial laboratories. Because of the Sun’s proximity to Earth, it can be studied in greater detail than any other star but new knowledge about the Sun can be transfer to them. This “solar stellar connection” is important for the understanding of processes on other stars. The novel radio interferometer LOFAR provides imaging and spectroscopic capabilities to study these processes at low frequencies. Here it was used for solar observations. LOFAR, the characteristics of its solar data and the processing and analysis of the latter with the Solar Imaging Pipeline and Solar Data Center are described. The Solar Imaging Pipeline is the central software that allows using LOFAR for solar observations. So its development was necessary for the analysis of solar LOFAR data and realized here. Moreover a new density model with heat conduction and Alfvén waves was developed that provides the distance of radio bursts to the Sun from dynamic radio spectra. Its application to the dynamic spectrum of a type III burst observed on March 16, 2016 by LOFAR shows a nonuniform radial propagation velocity of the radio emission. The analysis of an imaging observation of type III bursts on June 23, 2012 resolves a burst as bright, compact region localized in the corona propagating in radial direction along magnetic field lines with an average velocity of 0.23c. A nonuniform propagation velocity is revealed. A new beam model is presented that explains the nonuniform motion of the radio source as a propagation effect of an electron ensemble with a spread velocity distribution and rules out a monoenergetic electron distribution. The coronal electron number density is derived in the region from 1.5 to 2.5 R☉ and fitted with the newly developed density model. It determines the plasma density for the interplanetary space between Sun and Earth. The values correspond to a 1.25- and 5-fold Newkirk model for harmonic and fundamental emission, respectively. In comparison to data from other radio instruments the LOFAR data shows a high sensitivity and resolution in space, time and frequency. The new results from LOFAR’s high resolution imaging spectroscopy are consistent with current theories of solar type III radio bursts and demonstrate its capability to track fast moving radio sources in the corona. LOFAR solar data is found to be a valuable source for solar radio physics and opens a new window for studying plasma processes associated with highly energetic electrons in the solar corona. N2 - Diese Arbeit befasst sich mit neuen hochaufgelösten abbildenden und spektroskopischen Beobachtungen von solaren Typ III Radiobursts bei niedrigen Frequenzen im Bereich von 30 bis 80 MHz. Solare Typ III Radiobursts werden auf die Beam-Plasmawechselwirkung von Elektronenstrahlen in der Korona zurückgeführt. Die Sonne stellt eine einzigartige Möglichkeit dar, diese Plasmaprozesse eines aktiven Sterns zu untersuchen. Die Aktivität zeigt sich in eruptiven Ereignissen wie Flares, koronalen Massenauswürfen und Radiobursts, die jeweils von erhöhter Radiostrahlung begleitet werden. Daher trägt solare Radioemission wichtige Informationen über Plasmaprozesse, die mit Sonnenaktivität in Verbindung stehen. Darüber hinaus ist die Sonne auch ein einzigartiges Plasmalabor mit Plasmaprozessen unter Bedingungen die man nicht in irdischen Laboren findet. Aufgrund ihres vergleichsweise geringen Abstands kann man die Sonne wesentlich genauer beobachten als andere Sterne, aber neue Erkenntnisse von ihr auf andere Sterne übertragen. Diese “Solare-Stellare Verbindung” ist wichtig um Prozesse auf anderen Sternen zu verstehen. Das neue Radiointerferometer LOFAR bietet abbildende und spektroskopische Möglichkeiten, um diese Prozesse bei niedrigen Frequenzen zu untersuchen und wurde hier für Sonnenbeobachtungen genutzt. LOFAR, die Besonderheiten seiner Sonnendaten sowie das Verarbeiten und Analysieren dieser Daten mit der Solar Imaging Pipeline und dem Solar Data Center werden beschrieben. Die Solar Imaging Pipeline ist die zentrale Software, die die Nutzung von LOFAR für Sonnenbeobachtungen ermöglicht. Daher war deren Entwicklung für die Analyse von Sonnendaten notwendig und ist im Rahmen dieser Arbeit erfolgt. Außerdem wurde ein neues Dichtemodell mit Wärmeleitung und Alfvén-Wellen entwickelt, welches die Bestimmung der Entfernung von Radiobursts zur Sonne mittels dynamischer Spektren ermöglicht. Die Anwendung auf dynamische Spektren eines LOFAR Typ III Bursts am 16. März 2016 zeigt eine radiale, ungleichförmige Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radioemission. Die Analyse einer abbildenden Beobachtung von Typ III Bursts am 23. Juni 2012 zeigt den Burst als helle, kompakte Region in der Korona die sich in radiale Richtung entlang magnetischer Feldlinien mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 0.23c (c, Lichtgeschwindigkeit) bewegt. Die Geschwindigkeit ist nicht gleichförmig. Ein neues Beammodell wird vorgestellt, dass diese ungleichförmige Geschwindigkeit als Ausbreitungseffekt eines Elektronenensemble mit einer ausgedehnten Geschwindigkeitsverteilung erklärt und eine monoenergetische Elektronenverteilung ausschließt. Die koronale Elektronenzahldichte wird in der Region von 1.5 bis 2.5 R☉ ermittelt und ein Fit mit dem neuen Dichtemodell durchgeführt. Dadurch ist die Plasmadichte im ganzen interplanetaren Raum zwischen Sonne und Erde bestimmt. Die Werte entsprechen jeweils einem 1.25- und 5-fachen Newkirk Modell im Fall von fundamentaler und harmonischer Emission. Im Vergleich zu Daten von anderen Radioinstrumenten haben LOFAR-Daten eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung in Raum, Zeit und Frequenz. Die neuen Ergebnisse von LOFARs hochauflösender, abbildender Spektroskopie stimmen mit derzeitigen Theorien von solaren Typ III Radiobursts überein und zeigen die Möglichkeit, schnell bewegliche Radioquellen in der Korona zu verfolgen. LOFAR Sonnendaten wurden als wertvolle Quelle für solare Radiophysik erkannt und öffnen eine neues Fenster zur Untersuchung von Plasmaprozessen hochenergetischer Elektronen in der Korona. KW - sun KW - type III KW - radio burst KW - LOFAR KW - plasma physics KW - Sonne KW - Typ III KW - Radioburst KW - Plasmaphysik Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396893 ER - TY - THES A1 - Fournier, Yori T1 - Dynamics of the rise of magnetic flux tubes in stellar interiors BT - a numerical study of compressible non-axisymmetric flux tubes N2 - In sonnenähnlichen Sternen erhält ein Dynamo-Mechanismus die Magnetfelder. Der Babcock-Leighton-Dynamo beruht auf einem solchen Mechanismus und erfordert insbesondere die Existenz von magnetischen Flussröhren. Man nimmt an, dass magnetische Flussröhren am Boden der Konvetionszone entstehen und durch Auftrieb bis zur Oberfläche steigen. Es wird ein spezielles Dynamomodell vorgeschlagen, in dem der Verzögerungseffekt durch das Aufsteigen der Flussröhren berücksichtigt wird. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendbarkeit des Babcock-Leighton-Dynamos auf andere Sterne. Zu diesem Zweck versuchen wir, die Aufstiegszeiten von magnetischen Flussröhren mit Hilfe von kompressiblen MHD-Simulationen in spärischen Kugelschalen mit Dichteschichtung zu bestimmen und einzugrenzen. Derartige Simulationen sind allerdings nur in einem unrealistischen Parameterbereich möglich. Deshalb ist eine Skalierungsrelation nötig, die die Ergebnisse auf realistische physikalische Regimes überträgt. Wir erweitern frühere Arbeiten zu Skalierungsrelationen in 2D und leiten ein allgemeines Skalierungsgesetz ab, das für 2D- und 3D-Flussröhren gültig ist. In einem umfangreichen Satz von numerischen Simulationen zeigen wir, dass die abgeleitete Skalierungsrelation auch im vollständig nichtlinearen Fall gilt. Wir haben damit ein Gesetz für die Aufstiegszeit von magnetischen Flussröhren gefunden, dass in jedem sonnenähnlichen Stern Gültigkeit hat. Schließlich implementieren wir dieses Gesetz in einem Dynamomodell mit Verzögerungsterm. Die Simulationen eines solchen verzögerten Flussröhren/Babcock-Leighton-Dynamos auf der Basis der Meanfield-Formulierung führten auf ein neues Dynamo-Regime, das nur bei Anwesenheit der Verzögerung existiert. Die erforderlichen Verzögerungen sind von der Gröÿenordnung der Zykluslänge, die resultierenden Magnetfelder sind schwächer als die Äquipartitions-Feldstärke. Dieses neue Regime zeigt, dass auch bei sehr langen Aufstiegszeiten der Flussröhren/Babcock-Leighton-Dynamo noch nichtzerfallende Lösungen liefern und daher auf ein breites Spektrum von Sternen anwendbar sein kann. N2 - Solar-like stars maintain their magnetic fields thanks to a dynamo mechanism. The Babcock-Leighton dynamo is one possible dynamo that has the particularity to require magnetic flux tubes. Magnetic flux tubes are assumed to form at the bottom of the convective zone and rise buoyantly to the surface. A delayed dynamo model has been suggested, where the delay accounts for the rise time of the magnetic flux tubes; a time, that has been ignored by former studies. The present thesis aims to study the applicability of the flux tube/Babcock-Leighton dynamo to other stars. To do so, we attempt to constrain the rise time of magnetic flux tubes thanks to the first fully compressible MHD simulations of rising magnetic flux tubes in stratified rotating spherical shells. Such simulations are limited to an unrealistic parameter space, therefore, a scaling relation is required to scale the results to realistic physical regimes. We extended earlier works on 2D scaling relations and derived a general scaling law valid for both 2D and 3D. We then carried out two large series of numerical experiments and verified that the scaling law we have derived indeed applies to the fully non-linear case. It allowed us to extract a constraint for the rise time of magnetic flux tubes that is valid for any solar-like star. We finally introduced this constraint to a delayed dynamo model. By carrying out simulations of a mean-field, delayed, flux tube/Babcock-Leighton dynamo, we were able to identify a new dynamo regime resulting from the delay. This regime requires delays about an entire cycle and exhibits subequipartition magnetic activity. Revealing this new regime shows that even for long delays the flux tube/Babcock-Leighton dynamo can still deliver non-decaying solutions and remains a good candidate for a wide range of solar-like stars. KW - astrophysics KW - stellar physics KW - magnetohydrodynamics (MHD) KW - numerical experiments KW - magnetic flux tubes KW - dynamo theory Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394533 ER - TY - THES A1 - Soriano, Manuel Flores T1 - Short-term evolution and coexistence of photospheric and chromospheric activity on LQ Hydrae Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Ruppert, Jan T1 - The Low-Mass Young Stellar Content in the Extended Environment of the Galactic Starburst Region NGC3603 Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Krüsemann, Henning T1 - First passage phenomena and single-file motion in ageing continuous time random walks and quenched energy landscapes N2 - In der Physik gibt es viele Prozesse, die auf Grund ihrer Komplexität nicht durch physikalische Gleichungen beschrieben werden können, beispielsweise die Bewegung eines Staubkorns in der Luft. Durch die vielen Stöße mit Luftmolekülen führt es eine Zufallsbewegung aus, die so genannte Diffusion. Auch Moleküle in biologischen Zellen diffundieren, jedoch befinden sich in einer solchen Zelle im selben Volumen viel mehr oder viel größere Moleküle. Das beobachtete Teilchen stößt dementsprechend öfter mit anderen zusammen und die Diffusion wird langsamer, sie wird subdiffusiv. Mit der Zeit kann sich die Charakteristik der Subdiffusion ändern; dies wird als (mikroskopisches) Altern bezeichnet. Ich untersuche in der vorliegenden Arbeit zwei mathematische Modelle für eindimensionale Subdiffusion, einmal den continuous time random walk (CTRW) und einmal die Zufallsbewegung in einer eingefrorenen Energielandschaft (QEL=quenched energy landscape). Beide sind Sprungprozesse, das heißt, sie sind Abfolgen von räumlichen Sprüngen, die durch zufallsverteilte Wartezeiten getrennt sind. Die Wartezeiten in der QEL sind räumlich korrelliert, während sie im CTRW unkorrelliert sind. Ich untersuche in der vorliegenden Arbeit verschiedene statistische Größen in beiden Modellen. Zunächst untersuche ich den Einfluss des Alters und den Einfluss der Korrellationen einer QEL auf die Verteilung der Zeiten, die das diffundierendes Teilchen benötigt, um eine (räumliche) Schwelle zu überqueren. Ausserdem bestimme ich den Effekt des Alters auf Ströme von (sub)diffundierenden Partikeln, die sich auf eine absorbierende Barriere zubewegen. Zuletzt beschäftige ich mich mit der Diffusion einer eindimensionalen Anordnung von Teilchen in einer QEL, in der diese als harte Kugeln miteinander wechselwirken. Dabei vergleiche ich die gemeinsame Bewegung in einer QEL und als individuelle CTRWs miteinander über die Standartabweichung von der Startposition, für die ich das Mittel über mehrere QELs untersuche. Meine Arbeit setzt sich zusammen aus theoretischen Überlegungen und Berechnungen sowie der Simulation der Zufallsprozesse. Die Ergebnisse der Simulation und, soweit vorhanden, experimentelle Daten werden mit der Theorie verglichen. N2 - In the first part of my work I have investigated the ageing properties of the first passage time distributions in a one-dimensional subdiffusive continuous time random walk with power law distributed waiting times of the form $\psi(\tau) \sim \tau^{-1-\alpha}$ with $0<\alpha<1$ and $1<\alpha<2$. The age or ageing time $t_a$ is the time span from the start of the stochastic process to the start of the observation of this process (at $t=0$). I have calculated the results for a single target and two targets, also including the biased case, where the walker is driven towards the boundary by a constant force. I have furthermore refined the previously derived results for the non-ageing case and investigated the changes that occur when the walk is performed in a discrete quenched energy landscape, where the waiting times are fixed for every site. The results include the exact Laplace space densities and infinite (converging) series as exact results in the time space. The main results are the dominating long time power law behavior regimes, which depend on the ageing time. For the case of unbiased subdiffusion ($\alpha < 1$) in the presence of one target, I find three different dominant terms for ranges of $t$ separated by $t_a$ and another crossover time $t^{\star}$, which depends on $t_a$ as well as on the anomalous exponent $\alpha$ and the anomalous diffusion coefficient $K_{\alpha}$. In all three regimes ($t \ll t_a$, $t_a \ll t \ll t^{\star}$, $t \gg t^{\star}$) one finds power law decay with exponents depending on $\alpha$. The middle regime only exists for $t_a \ll t^{\star}$. The dominant terms in the first two regimes (ageing regimes) come from the probability distribution of the forward waiting time, the time one has to wait for the stochastic process to make the first step during the observation. When the observation time is larger than the second crossover time $t^{\star}$, the first passage time density does not show ageing and the non-ageing first passage time dominates. The power law exponents in the respective regimes are $-\alpha$ for strong ageing, $-1-\alpha$ in the intermediate regime, and $-1-\alpha/2$ in the final non-ageing regime. A similar split into three regimes can be found for $1<\alpha<2$, only with a different second crossover time $t^*$. In this regime the diffusion is normal but also age-dependent. For the diffusion in quenched energy landscapes one cannot detect ageing. The first passage time density shows a quenched power law $^\sim t^{-(1+2\alpha)/(1+\alpha)}$. For diffusion between two target sites and the biased diffusion towards a target only two scaling regimes emerge, separated by the ageing time. In the ageing case $t \ll t_a$ the forward waiting time is again dominant with power law exponent $-\alpha$, while the non-ageing power law $-1-\alpha$ is found for all times $t \gg t_a$. An intermediate regime does not exist. The bias and the confinement have similar effects on the first passage time density. For quenched diffusion, the biased case is interesting, as the bias reduces correlations due to revisiting of the same waiting time. As a result, CTRW like behavior is observed, including ageing. Extensive computer simulations support my findings. The second part of my research was done on the subject of ageing Scher-Montroll transport, which is in parts closely related to the first passage densities. It explains the electrical current in an amorphous material. I have investigated the effect of the width of a given initial distribution of charge carriers on the transport coefficients as well as the ageing effect on the emerging power law regimes and a constant initial regime. While a spread out initial distribution has only little impact on the Scher-Montroll current, ageing alters the behavior drastically. Instead of the two classical power laws one finds four current regimes, up to three of which can appear in a single experiment. The dominant power laws differ for $t \ll t_a, t_c$, $t_a \ll t \ll t_c$, $t_c \ll t \ll t_a$, and $t \gg t_a,t_c$. Here, $t_c$ is the crossover time of the non-aged Scher-Montroll current. For strongly aged systems one can observe a constant current in the first regime while the others are dominated by decaying power laws with exponents $\alpha -1$, $-\alpha$, and $-1-\alpha$. The ageing regimes are the 1st and 3rd one, while the classical regimes are the 2nd and the 4th. I have verified the theory using numerical integration of the exact integrals and applied the new results to experimental data. In the third part I considered a single file of subdiffusing particles in an energy landscape. Every occupied site of the landscape acts as a boundary, from which a particle is immediately reflected to its previous site, if it tries to jump there. I have analysed the effects single-file diffusion a quenched landscape compared to an annealed landscape and I have related these results to the number of steps and related quantities. The diffusion changes from ultraslow logarithmic diffusion in the annealed or CTRW case to subdiffusion with an anomalous exponent $\alpha/(1+\alpha)$ in the quenched landscape. The behavior is caused by the forward waiting time, which changes drastically from the quenched to the annealed case. Single-file effects in the quenched landscape are even more complicated to consider in the ensemble average, since the diffusion in individual landscapes shows extremely diverse behavior. Extensive simulations support my theoretical arguments, which consider mainly the long time evolution of the mean square displacement of a bulk particle. KW - continuous time random walk KW - quenched energy landscape KW - first passage time KW - Scher-Montroll transport KW - single-file motion KW - Zufallsbewegung KW - Diffusion KW - eingefrorene Energielandschaft KW - Scher-Montroll Transport KW - Wartezeitverteilung Y1 - 2016 ER -