TY - THES A1 - Steiglechner, Peter T1 - Estimating global warming from anthropogenic heat emissions T1 - Abschätzung der globalen Erwärmung durch anthropogene Abwärme BT - conceptual and numerical modelling approaches BT - konzeptionelle und numerische Modellierungsansätze N2 - The forcing from the anthropogenic heat flux (AHF), i.e. the dissipation of primary energy consumed by the human civilisation, produces a direct climate warming. Today, the globally averaged AHF is negligibly small compared to the indirect forcing from greenhouse gas emissions. Locally or regionally, though, it has a significant impact. Historical observations show a constant exponential growth of worldwide energy production. A continuation of this trend might be fueled or even amplified by the exploration of new carbon-free energy sources like fusion power. In such a scenario, the impacts of the AHF become a relevant factor for anthropogenic post-greenhouse gas climate change on the global scale, as well. This master thesis aims at estimating the climate impacts of such a growing AHF forcing. In the first part of this work, the AHF is built into simple and conceptual, zero- and one-dimensional Energy Balance Models (EBMs), providing quick order of magnitude estimations of the temperature impact. In the one-dimensional EBM, the ice-albedo feedback from enhanced ice melting due to the AHF increases the temperature impact significantly compared to the zero-dimensional EBM. Additionally, the forcing is built into a climate model of intermediate complexity, CLIMBER-3α. This allows for the investigation of the effect of localised AHF and gives further insights into the impact of the AHF on processes like the ocean heat uptake, sea ice and snow pattern changes and the ocean circulation. The global mean temperature response from the AHF today is of the order of 0.010 − 0.016 K in all reasonable model configurations tested. A transient tenfold increase of this forcing heats up the Earth System additionally by roughly 0.1 − 0.2 K in the presented models. Further growth can also affect the tipping probability of certain climate elements. Most renewable energy sources do not or only partially contribute to the AHF forcing as the energy from these sources dissipates anyway. Hence, the transition to a (carbon-free) renewable energy mix, which, in particular, does not rely on nuclear power, eliminates the local and global climate impacts from the increasing AHF forcing, independent of the growth of energy production. N2 - Das Forcing durch die Emission von anthropogener Abwärme (AHF), d.h. die Dissipation von konsumierter Primärenergie, stellt einen Beitrag zu einer direkten Klimaerwärmung dar. Der global gemittelte AHF ist heutzutage vernachlässigbar klein im Vergleich zu dem indirekten Forcing durch Treibhausgasemissionen. Auf lokaler oder regionaler Ebene hat das Forcing jedoch einen signifikanten Einfluss. Die Energieproduktion hat in der Vergangenheit ein konstant exponentielles Wachstum aufgezeigt. Dieser Trend kann durch die Erschließung neuer CO2-neutraler Energiequellen, wie zum Beispiel Fusionsenergie, weiter bestärkt und angetrieben werden. In solch einem Szenario führt das AHF Forcing zu einem auch global relevanten Beitrag zum menschengemachten Klimawandel abseits der Treibhausgasemissionen. In dieser Arbeit sollen die Auswirkungen eines wachsenden AHF auf das Klima abgeschätzt werden. Im ersten Teil wird das zusätzliche Forcing in einfache und konzeptionelle, null- und eindimensionale Energiebilanzmodelle (EBM) eingebaut. Diese bieten schnelle Größenordnungsabschätzungen des Temperaturanstiegs. Im eindimensionalen EBM erhöht die Eis-Albedo-Rückkopplung die Temperatur signifikant im Verlgeich zum nulldimensionalen Fall aufgrund von verstärkter Eisschmelze. Zusätzlich, wird das AHF Forcing in das Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-3α eingebaut. Dieses erlaubt eine Analyse des Effekts eines heterogenen AHF Forcings und gibt weitere Einblicke in die Einflüsse auf Prozessse wie den Wärmefluss in den Ozean, Veränderungen in Meereis und Schneebedeckung und die Ozeanzirkulation. Der global gemittelte Temperaturanstieg für das heutige AHF Forcing beträgt 0.010 − 0.016 K in allen realistischen, getesteten Modellkonfigurationen. Ein transienter Anstieg des Forcings auf den zehnfachen Wert erwärmt die Erde um weitere 0.1 − 0.2 K in den vorgestellten Modellen. Weiteres Wachstum kann zusätzlich auch das Kippen von bestimmten Klimaelementen beeinflussen. Die meisten erneuerbaren Energiequellen tragen nicht oder nur kaum zu der anthropogenen Abwärme bei, da deren Energie sowieso dissipiert. Daher beseitigt ein Wechsel auf einen CO2-neutralen, erneuerbaren Energiemix, der explizit nicht auf nuklearen Brennstoffen basiert, unabhängig von dem Wachstum der Energieproduktion die lokalen wie auch globalen Auswirkungen des AHF Effekts. KW - climate change KW - waste heat KW - heat island KW - energy balance model KW - climate model of intermediate complexity KW - Klimawandel KW - Abwärme KW - Wärmeinsel KW - Energiebilanzmodell KW - Klimamodell mittlerer Komplexität Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-498866 ER - TY - GEN A1 - Reindl, Nicole A1 - Finch, Nicolle L. A1 - Schaffenroth, Veronika A1 - Barstow, Martin A. A1 - Casewell, Sarah L. A1 - Geier, Stephan Alfred A1 - Bertolami Miller, Marcelo Miguel A1 - Taubenberger, Stefan T1 - Revealing the true nature of Hen2-428 T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The nucleus of Hen 2-428 is a short orbital period (4.2 h) spectroscopic binary, whose status as potential supernovae type Ia progenitor has raised some controversy in the literature. We present preliminary results of a thorough analysis of this interesting system, which combines quantitative non-local thermodynamic (non-LTE) equilibrium spectral modelling, radial velocity analysis, multi-band light curve fitting, and state-of-the art stellar evolutionary calculations. Importantly, we find that the dynamical system mass that is derived by using all available He II lines does not exceed the Chandrasekhar mass limit. Furthermore, the individual masses of the two central stars are too small to lead to an SN Ia in case of a dynamical explosion during the merger process. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1129 KW - binaries: spectroscopic KW - stars: atmospheres KW - stars: abundances KW - Supernovae Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459703 SN - 1866-8372 IS - 1129 ER - TY - GEN A1 - Shan, Yuli A1 - Guan, Dabo A1 - Hubacek, Klaus A1 - Zheng, Bo A1 - Davis, Steven J. A1 - Jia, Lichao A1 - Liu, Jianghua A1 - Liu, Zhu A1 - Fromer, Neil A1 - Mi, Zhifu A1 - Meng, Jing A1 - Deng, Xiangzheng A1 - Li, Yuan A1 - Lin, Jintai A1 - Schroeder, Heike A1 - Weisz, Helga A1 - Schellnhuber, Hans Joachim T1 - City-level climate change mitigation in China T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - As national efforts to reduce CO2 emissions intensify, policy-makers need increasingly specific, subnational information about the sources of CO2 and the potential reductions and economic implications of different possible policies. This is particularly true in China, a large and economically diverse country that has rapidly industrialized and urbanized and that has pledged under the Paris Agreement that its emissions will peak by 2030. We present new, city level estimates of CO2 emissions for 182 Chinese cities, decomposed into 17 different fossil fuels, 46 socioeconomic sectors, and 7 industrial processes. We find that more affluent cities have systematically lower emissions per unit of gross domestic product (GDP), supported by imports from less affluent, industrial cities located nearby. In turn, clusters of industrial cities are supported by nearby centers of coal or oil extraction. Whereas policies directly targeting manufacturing and electric power infrastructure would drastically undermine the GDP of industrial cities, consumption based policies might allow emission reductions to be subsidized by those with greater ability to pay. In particular, sector based analysis of each city suggests that technological improvements could be a practical and effective means of reducing emissions while maintaining growth and the current economic structure and energy system. We explore city-level emission reductions under three scenarios of technological progress to show that substantial reductions (up to 31%) are possible by updating a disproportionately small fraction of existing infrastructure. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1096 KW - carbon-dioxide emissions KW - fired power plants KW - co2 emissions KW - energy use KW - cluster analysis KW - uncertainties KW - urbanization KW - methodology KW - combustion KW - inventory Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471541 SN - 1866-8372 IS - 1096 ER - TY - GEN A1 - Woodfield, Emma E. A1 - Horne, Richard B. A1 - Glauert, Sarah A. A1 - Menietti, John D. A1 - Shprits, Yuri Y. A1 - Kurth, William S. T1 - Formation of electron radiation belts at Saturn by Z-mode wave acceleration T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - At Saturn electrons are trapped in the planet's magnetic field and accelerated to relativistic energies to form the radiation belts, but how this dramatic increase in electron energy occurs is still unknown. Until now the mechanism of radial diffusion has been assumed but we show here that in-situ acceleration through wave particle interactions, which initial studies dismissed as ineffectual at Saturn, is in fact a vital part of the energetic particle dynamics there. We present evidence from numerical simulations based on Cassini spacecraft data that a particular plasma wave, known as Z-mode, accelerates electrons to MeV energies inside 4 R-S (1 R-S = 60,330 km) through a Doppler shifted cyclotron resonant interaction. Our results show that the Z-mode waves observed are not oblique as previously assumed and are much better accelerators than O-mode waves, resulting in an electron energy spectrum that closely approaches observed values without any transport effects included. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1032 KW - astrophysical plasmas KW - giant planets KW - magnetospheric physics KW - diffusion KW - pitch angle KW - plasma KW - radio KW - region Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468342 SN - 1866-8372 IS - 1032 ER - TY - GEN A1 - Bouchoule, Isabelle A1 - Schemmer, Max A1 - Henkel, Carsten T1 - Cooling phonon modes of a Bose condensate with uniform few body losses T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We present a general analysis of the cooling produced by losses on condensates or quasi-condensates. We study how the occupations of the collective phonon modes evolve in time, assuming that the loss process is slow enough so that each mode adiabatically follows the decrease of the mean density. The theory is valid for any loss process whose rate is proportional to the jth power of the density, but otherwise spatially uniform. We cover both homogeneous gases and systems confined in a smooth potential. For a low-dimensional gas, we can take into account the modified equation of state due to the broadening of the cloud width along the tightly confined directions, which occurs for large interactions. We find that at large times, the temperature decreases proportionally to the energy scale mc2, where m is the mass of the particles and c the sound velocity. We compute the asymptotic ratio of these two quantities for different limiting cases: a homogeneous gas in any dimension and a one-dimensional gas in a harmonic trap. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1029 KW - 3 body recombination KW - gas KW - scattering KW - Bose-Einstein condensates (BECs) KW - harmonic traps KW - one-dimensional Bose gas KW - phonon modes Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468811 SN - 1866-8372 IS - 1029 ER - TY - GEN A1 - Risbey, James S. A1 - Lewandowsky, Stephan A1 - Cowtan, Kevin A1 - Oreskes, Naomi A1 - Rahmstorf, Stefan A1 - Jokimäki, Ari A1 - Foster, Grant T1 - A fluctuation in surface temperature in historical context BT - reassessment and retrospective on the evidence T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - This work reviews the literature on an alleged global warming 'pause' in global mean surface temperature (GMST) to determine how it has been defined, what time intervals are used to characterise it, what data are used to measure it, and what methods used to assess it. We test for 'pauses', both in the normally understood meaning of the term to mean no warming trend, as well as for a 'pause' defined as a substantially slower trend in GMST. The tests are carried out with the historical versions of GMST that existed for each pause-interval tested, and with current versions of each of the GMST datasets. The tests are conducted following the common (but questionable) practice of breaking the linear fit at the start of the trend interval ('broken' trends), and also with trends that are continuous with the data bordering the trend interval. We also compare results when appropriate allowance is made for the selection bias problem. The results show that there is little or no statistical evidence for a lack of trend or slower trend in GMST using either the historical data or the current data. The perception that there was a 'pause' in GMST was bolstered by earlier biases in the data in combination with incomplete statistical testing. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1023 KW - climate variability KW - climate trends KW - temperature fluctuation KW - pause hiatus Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468041 SN - 1866-8372 VL - 13 IS - 1023 ER - TY - GEN A1 - Alonso, Sergio A1 - Stange, Maike A1 - Beta, Carsten T1 - Modeling random crawling, membrane deformation and intracellular polarity of motile amoeboid cells T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Amoeboid movement is one of the most widespread forms of cell motility that plays a key role in numerous biological contexts. While many aspects of this process are well investigated, the large cell-to-cell variability in the motile characteristics of an otherwise uniform population remains an open question that was largely ignored by previous models. In this article, we present a mathematical model of amoeboid motility that combines noisy bistable kinetics with a dynamic phase field for the cell shape. To capture cell-to-cell variability, we introduce a single parameter for tuning the balance between polarity formation and intracellular noise. We compare numerical simulations of our model to experiments with the social amoeba Dictyostelium discoideum. Despite the simple structure of our model, we found close agreement with the experimental results for the center-of-mass motion as well as for the evolution of the cell shape and the overall intracellular patterns. We thus conjecture that the building blocks of our model capture essential features of amoeboid motility and may serve as a starting point for more detailed descriptions of cell motion in chemical gradients and confined environments. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1014 KW - signaling system KW - eukaryotic chemotaxis KW - Dictyostelium cells KW - actin cytoskeleton KW - excitable networks KW - PIP3 waves KW - migration KW - dynamics KW - oscillations KW - transduction Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459745 SN - 1866-8372 IS - 1014 ER - TY - GEN A1 - Mann, Michael E. A1 - Rahmstorf, Stefan A1 - Kornhuber, Kai A1 - Steinman, Byron A. A1 - Miller, Sonya K. A1 - Petri, Stefan A1 - Coumou, Dim T1 - Projected changes in persistent extreme summer weather events BT - the role of quasi-resonant amplification T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Persistent episodes of extreme weather in the Northern Hemisphere summer have been associated with high-amplitude quasi-stationary atmospheric Rossby waves, with zonal wave numbers 6 to 8 resulting from the phenomenon of quasi-resonant amplification (QRA). A fingerprint for the occurrence of QRA can be defined in terms of the zonally averaged surface temperature field. Examining state-of-the-art [Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5)] climate model projections, we find that QRA events are likely to increase by similar to 50% this century under business-as-usual carbon emissions, but there is considerable variation among climate models. Some predict a near tripling of QRA events by the end of the century, while others predict a potential decrease. Models with amplified Arctic warming yield the most pronounced increase in QRA events. The projections are strongly dependent on assumptions regarding the nature of changes in radiative forcing associated with anthropogenic aerosols over the next century. One implication of our findings is that a reduction in midlatitude aerosol loading could actually lead to Arctic de-amplification this century, ameliorating potential increases in persistent extreme weather events. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 994 KW - planetary wave resonance KW - northern KW - atmosphere KW - attribution KW - circulation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-446416 SN - 1866-8372 IS - 994 ER - TY - THES A1 - Leser, Eva T1 - Eta Carinae T1 - Eta Carinae BT - detection and characterisation of the first colliding-wind binary in very-high-energy gamma-rays with H.E.S.S. BT - Detektion und Charakterisierung des ersten Binärsternsystems mit kollidierenden Sternwinden in sehr hoch-energetischer Gammastrahlung mit H.E.S.S. N2 - Das außergewöhnliche Doppelsternsystem Eta Carinae fasziniert WissenschaftlerInnen und BeobachterInnen auf der südlichen Erdhalbkugel seit hunderten Jahren. Nach einem Supernova-ähnlichem Ausbruch war Eta Carinae zeitweise der hellste Stern am Nachthimmel. Heute sind durch zahlreiche Beobachtungen, von Radiowellen bis zu Röntgenstrahlung, der Aufbau des Sternsystems und die Eigenschaften seiner Strahlung bis zu Energien von ~ 50 keV gut erforscht. Das Doppelsternsystem besteht aus zwei massiven Sternen (~ 30 und ~ 100 Sonnenmassen Gewicht) mit starken Sternwinden, über die sie kontinuierlich einen Teil ihrer Masse verlieren. Wenn diese Sternwinde kollidieren, entsteht auf beiden Seiten ein Kompressionsschock der das Plasma in der Kollisionszone aufheizt, was sich in Röntgenstrahlung beobachten lässt. Bei Energien oberhalb von ~ 50 keV ist der Ursprung der Strahlung nicht mehr thermisch: um ein Plasma auf die entsprechende Temperatur zu bringen, wird mehr mechanische Energie benötigt, als in den Sternwinden vorhanden. In hoch-energetischer Gamma-Strahlung ist Eta Carinae das einzige eindeutig detektierte Sternsystem seiner Art und sein Energiespektrum reicht bis zu ~ hundert GeV. Bodengebundene Gamma-Strahlungsexperimente haben in diesem Energiebereich den Vorteil von großen Detektorflächen. H.E.S.S. ist das einzige bodengebundene Gamma-Strahlungsexperiment auf der Südhalbkugel und somit in der Lage, Eta Carinae in diesen Energien zu beobachten. H.E.S.S. misst Gamma-Strahlung mit Hilfe der elektromagnetischen Teilchenschauer, die sehr hoch-energetische Photonen in der Atmosphäre auslösen. Die größte Herausforderung der Messung von Eta Carinaes Strahlung mit H.E.S.S. ist die ultraviolette Strahlung des Carina Nebels, die zu einem Hintergrund führt, der bis zu zehn mal stärker ist als der Durchschnitt in H.E.S.S. In dieser Arbeit wird die erste Detektion eines Doppelsternsystems mit kollidierenden Sternwinden in sehr hoch-energetischer Gamma-Strahlung präsentiert und die Studien, die diese ermöglicht haben. Das differentielle Gamma-Strahlungsspektrum bis 700 GeV wird untersucht. Hadronische und leptonische Szenarios für den Ursprung der Gamma-Strahlung werden diskutiert und das hadronische Szenario wird aufgrund eines Vergleichs der Kühlzeiten bevorzugt. N2 - The exceptional binary star Eta Carinae has been fascinating scientists and the people in the Southern hemisphere alike for hundreds of years. It survived an enormous outbreak, comparable to a supernova energy-wise, and for a short period became the brightest star of the night sky. From observations from the radio regime to X-rays the system's characteristics and its emission in photon energies up to ~ 50 keV are well studied today. The binary is composed of two massive stars of ~ 30 and ~ 100 solar masses. Either star drives a strong stellar wind that continuously carries away a fraction of its mass. The collision of these winds leads to a shock on each side of the encounter. In the wind-wind-collision region plasma gets heated when it is overrun by the shocks. Part of the emission seen in X-rays can be attributed to this plasma. Above ~ 50 keV the emission is no longer of thermal origin: the required plasma temperature exceeds the available mechanical energy input of the stellar winds. In contrast to its observational history in thermal energies observational evidence of Eta Carinae's non-thermal emission has only recently built up. In high-energy gamma-rays Eta Carinae is the only binary of its kind that has been detected unambiguously. Its energy spectrum reaches up to ~ hundred GeV, a regime where satellite-based gamma-ray experiments run out of statistics. Ground-based gamma-ray experiments have the advantage of large photon collection areas. H.E.S.S. is the only gamma-ray experiment located in the Southern hemisphere and thus able to observe Eta Carinae in this energy range. H.E.S.S. measures gamma-rays via electromagnetic showers of particles that very-high-energy gamma-rays initiate in the atmosphere. The main challenge in observations of Eta Carinae with H.E.S.S. is the UV emission of the Carina nebula that leads to a background that is up to 10 times stronger than usual for H.E.S.S. This thesis presents the first detection of a colliding-wind binary in very-high-energy gamma-rays and documents the studies that led to it. The differential gamma-ray energy spectrum of Eta Carinae is measured up to 700 GeV. A hadronic and leptonic origin of the gamma-ray emission is discussed and based on the comparison of cooling times a hadronic scenario is favoured. KW - Eta Carinae KW - Astroteilchen KW - astroparticle KW - H.E.S.S. KW - Gammaastronomie KW - H.E.S.S. Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428141 ER - TY - THES A1 - Tchoumba Kwamen, Christelle Larodia T1 - Investigating the dynamics of polarization reversal in ferroelectric thin films by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung der Dynamik der Polarisationsumkehr in ferroelektrischen Dünnschichten durch zeitaufgelöste Röntgenbeugung N2 - Ferroic materials have attracted a lot of attention over the years due to their wide range of applications in sensors, actuators, and memory devices. Their technological applications originate from their unique properties such as ferroelectricity and piezoelectricity. In order to optimize these materials, it is necessary to understand the coupling between their nanoscale structure and transient response, which are related to the atomic structure of the unit cell. In this thesis, synchrotron X-ray diffraction is used to investigate the structure of ferroelectric thin film capacitors during application of a periodic electric field. Combining electrical measurements with time-resolved X-ray diffraction on a working device allows for visualization of the interplay between charge flow and structural motion. This constitutes the core of this work. The first part of this thesis discusses the electrical and structural dynamics of a ferroelectric Pt/Pb(Zr0.2,Ti0.8)O3/SrRuO3 heterostructure during charging, discharging, and polarization reversal. After polarization reversal a non-linear piezoelectric response develops on a much longer time scale than the RC time constant of the device. The reversal process is inhomogeneous and induces a transient disordered domain state. The structural dynamics under sub-coercive field conditions show that this disordered domain state can be remanent and can be erased with an appropriate voltage pulse sequence. The frequency-dependent dynamic characterization of a Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3 layer, at the morphotropic phase boundary, shows that at high frequency, the limited domain wall velocity causes a phase lag between the applied field and both the structural and electrical responses. An external modification of the RC time constant of the measurement delays the switching current and widens the electromechanical hysteresis loop while achieving a higher compressive piezoelectric strain within the crystal. In the second part of this thesis, time-resolved reciprocal space maps of multiferroic BiFeO3 thin films were measured to identify the domain structure and investigate the development of an inhomogeneous piezoelectric response during the polarization reversal. The presence of 109° domains is evidenced by the splitting of the Bragg peak. The last part of this work investigates the effect of an optically excited ultrafast strain or heat pulse propagating through a ferroelectric BaTiO3 layer, where we observed an additional current response due to the laser pulse excitation of the metallic bottom electrode of the heterostructure. N2 - Ferroika haben aufgrund vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten in Sensoren, Motoren und Speichermedien in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erhalten. Das Interesse für technologische Anwendungen ist in ihren einzigartigen Eigenschaften wie Ferroelektrizität und Piezoelektrizität begründet. Um die Eigenschaften dieser Materialien zu optimieren ist es notwendig, die Kopplung zwischen ihrer Nanostruktur und der zeitabhängigen Antwort auf die Anregung zu verstehen, welcher von der Atomstruktur der Einheitszelle abhängig ist. In dieser Arbeit wird Röntgenbeugung an einem Synchrotron verwendet, um die Struktur eines ferroelektrischen Dünnschichtkondensators während eines angelegten elektrischen Feld zu beobachten. Den Kern dieser Arbeit bildet die Kombination aus elektrischen zeitaufgelösten Röntgenbeugungsmessungen an einem betriebsfähigen Kondensator, was die Visualisierung des Zusammenspiels zwischen Ladungsbewegung und Strukturdynamik ermöglicht. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der elektrischen und strukturellen Dynamik einer ferroelektrischen Pt/Pb(Zr0.2,Ti0.8)O3/SrRuO3 Heterostruktur während des Ladens, Entladens und der Polarisationsumkehr. Nach der Umkehr der Polarisation bildet sich auf einer längeren Zeitskala als die RC-Zeitkonstante der Probe ein nichtlineares piezoelektrisches Signal aus. Der Umkehrungsprozess ist inhomogen und induziert einen vorübergehenden Zustand ungeordneter Domänen. Die strukturelle Dynamik mit einem angelegten elektrischen Feld unterhalb des Koerzitivfelds zeigt, dass dieser ungeordnete Zustand remanent sein kann und mit einer entsprechenden Abfolge von Spannungspulsen wieder entfernt werden kann. Die frequenzabhängige Charakterisierung der Dynamik einer Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3 Schicht mit einer Zusammensetzung, die der morphotropen Phasengrenze entspricht, zeigt, dass bei hohen Frequenzen die begrenzte Domänenwandgeschwindigkeit eine Phasenverzögerung zwischen dem angelegten Feld und dem strukturellen sowie dem elektrischen Signal verursacht. Eine externe Änderung der RC-Zeitkonstante verzögert den Schaltstrom und verbreitert die elektromechanische Hysteresekurve, während im Kristall eine höhere kompressive piezoeletrische Spannung erzeugt wird. In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurde der reziproke Raum von multiferroischen dünnen BiFeO3 Filmen vermessen, um die Domänenstruktur zu identifizieren und die Entwicklung eines inhomogenen piezoelektrischen Signals während der Polarisationsumkehr zu untersuchen. Das Aufspalten des Bragg Reflexes ist ein Hinweis auf die Existenz von 109° Domänen. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Effekt, den ein durch optische Anregung erzeugter ultraschneller Verspannungs- oder Wärmepuls hervorruft, der durch eine ferroelektrische BaTiO3 Schicht propagiert. Dabei wurde durch die Anregung der unteren metallischen Elektrode der Heterostruktur durch den Laserpuls ein zusätzliches Ladungssignal beobachtet. KW - ferroelectrics KW - X-ray diffraction KW - structural dynamics KW - Ferroelektrika KW - Röntgenbeugung KW - Strukturdynamik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427815 ER - TY - THES A1 - Hintsche, Marius T1 - Locomotion of a bacterium with a polar bundle of flagella T1 - Fortbewegung eines Bakteriums mit einem polaren Flagellenbündel BT - insights into movement and navigation by fluorescence high speed microscopy BT - Erkentnisse über Bewegung und Navigation mittels Hochgeschwindigkeitsfluoreszenzmikroskopie N2 - Movement and navigation are essential for many organisms during some parts of their lives. This is also true for bacteria, which can move along surfaces and swim though liquid environments. They are able to sense their environment, and move towards environmental cues in a directed fashion. These abilities enable microbial lifecyles in biofilms, improved food uptake, host infection, and many more. In this thesis we study aspects of the swimming movement - or motility - of the soil bacterium (P. putida). Like most bacteria, P. putida swims by rotating its helical flagella, but their arrangement differs from the main model organism in bacterial motility research: (E. coli). P. putida is known for its intriguing motility strategy, where fast and slow episodes can occur after each other. Up until now, it was not known how these two speeds can be produced, and what advantages they might confer to this bacterium. Normally the flagella, the main component of thrust generation in bacteria, are not observable by ordinary light microscopy. In order to elucidate this behavior, we therefore used a fluorescent staining technique on a mutant strain of this species to specifically label the flagella, while leaving the cell body only faintly stained. This allowed us to image the flagella of the swimming bacteria with high spacial and temporal resolution with a customized high speed fluorescence microscopy setup. Our observations show that P. putida can swim in three different modes. First, It can swim with the flagella pushing the cell body, which is the main mode of swimming motility previously known from other bacteria. Second, it can swim with the flagella pulling the cell body, which was thought not to be possible in situations with multiple flagella. Lastly, it can wrap its flagellar bundle around the cell body, which results in a speed wich is slower by a factor of two. In this mode, the flagella are in a different physical conformation with a larger radius so the cell body can fit inside. These three swimming modes explain the previous observation of two speeds, as well as the non strict alternation of the different speeds. Because most bacterial swimming in nature does not occur in smoothly walled glass enclosures under a microscope, we used an artificial, microfluidic, structured system of obstacles to study the motion of our model organism in a structured environment. Bacteria were observed in microchannels with cylindrical obstacles of different sizes and with different distances with video microscopy and cell tracking. We analyzed turning angles, run times, and run length, which we compared to a minimal model for movement in structured geometries. Our findings show that hydrodynamic interactions with the walls lead to a guiding of the bacteria along obstacles. When comparing the observed behavior with the statics of a particle that is deflected with every obstacle contact, we find that cells run for longer distances than that model. Navigation in chemical gradients is one of the main applications of motility in bacteria. We studied the swimming response of P. putida cells to chemical stimuli (chemotaxis) of the common food preservative sodium benzoate. Using a microfluidic gradient generation device, we created gradients of varying strength, and observed the motion of cells with a video microscope and subsequent cell tracking. Analysis of different motility parameters like run lengths and times, shows that P. putida employs the classical chemotaxis strategy of E. coli: runs up the gradient are biased to be longer than those down the gradient. Using the two different run speeds we observed due to the different swimming modes, we classify runs into `fast' and `slow' modes with a Gaussian mixture model (GMM). We find no evidence that P. putida's uses its swimming modes to perform chemotaxis. In most studies of bacterial motility, cell tracking is used to gather trajectories of individual swimming cells. These trajectories then have to be decomposed into run sections and tumble sections. Several algorithms have been developed to this end, but most require manual tuning of a number of parameters, or extensive measurements with chemotaxis mutant strains. Together with our collaborators, we developed a novel motility analysis scheme, based on generalized Kramers-Moyal-coefficients. From the underlying stochastic model, many parameters like run length etc., can be inferred by an optimization procedure without the need for explicit run and tumble classification. The method can, however, be extended to a fully fledged tumble classifier. Using this method, we analyze E. coli chemotaxis measurements in an aspartate analog, and find evidence for a chemotactic bias in the tumble angles. N2 - Bewegung und Navigation sind für viele Organismen in einigen Bereichen ihres Lebens unerlässlich. Dies gilt auch für Bakterien, die sich entlang von Oberflächen bewegen und durch Flüssigkeiten schwimmen können. Sie sind in der Lage, ihre Umgebung wahr zu nehmen und sich gezielt auf Signale in der Umwelt zuzubewegen. Diese Fähigkeiten ermöglichen mikrobielle Lebenszyklen in Biofilmen, verbesserte Nahrungsaufnahme, Wirtsinfektion und vieles mehr. In dieser Arbeit untersuchen wir Aspekte der Schwimmbewegung - oder Motilität - des Bodenbakteriums Pseudomonas putida (P. putida). Wie die meisten Bakterien schwimmt P. putida durch Rotation seiner schraubenförmigen Flagellen, aber ihre Anordnung unterscheidet sich vom Hauptmodellorganismus in der bakteriellen Motilitätsforschung: Escherichia coli (E. coli). P. putida ist bekannt für seine faszinierende Motilitätsstrategie, bei der schnelle und langsame Episoden hintereinander auftreten können. Bislang war nicht bekannt, wie diese beiden Geschwindigkeiten erzeugt werden können und welche Vorteile sie diesem Bakterium bringen können. Normalerweise sind die Flagellen, die Hauptkomponente der Schuberzeugung bei Bakterien, mit herkömmlicher Lichtmikroskopie nicht zu beobachten. Um dieses Verhalten zu verdeutlichen, haben wir daher eine Fluoreszenzfärbetechnik an einem Mutantenstamm dieser Spezies eingesetzt, um die Flagellen spezifisch zu markieren und gleichzeitig den Zellkörper nur schwach gefärbt zu lassen. Dies ermöglichte es uns, die Geißeln der schwimmenden Bakterien mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit einem maßgeschneiderten Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie-Setup darzustellen. Unsere Beobachtungen zeigen, dass P. putida in drei verschiedenen Modi schwimmen kann. Erstens kann es mit den Flagellen den Zellkörper vorwärts drücken, was der wichtigste Modus der Schwimmmotilität ist, der zuvor von anderen Bakterien bekannt war. Zweitens kann es mit den Flagellen den Zellkörper hinter sich her ziehen, was in Situationen mit mehreren Flagellen für nicht möglich gehalten wurde. Schließlich kann es sein Flagellenbündel um den Zellkörper wickeln, was zu einer um den Faktor zwei verlangsamten Geschwindigkeit führt. In diesem Modus befinden sich die Flagellen in einer anderen physikalischen Konformation mit einem größeren Radius, so dass der Zellkörper hineinpassen kann. Diese drei Schwimmmodi erklären die vorherige Beobachtung von zwei Geschwindigkeiten sowie das nicht strenge Abwechseln der verschiedenen Geschwindigkeiten. Da das Schwimmen von Bakterien in der Natur nicht in glattwandigen Glaskammern unter dem Mikroskop stattfindet, haben wir ein künstliches, mikrofluidisches, strukturiertes System von Hindernissen verwendet, um die Bewegung unseres Modellorganismus in einer strukturierten Umgebung zu untersuchen. Bakterien wurden in Mikrokanälen mit zylindrischen Hindernissen unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Abständen mit Videomikroskopie und Zelltracking beobachtet. Wir analysierten Turn-Winkel, Run-Zeiten und Run-Längen, die wir mit einem Minimalmodell für die Bewegung in strukturierten Geometrien verglichen haben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass hydrodynamische Wechselwirkungen mit den Wänden zu einer Leitung der Bakterien entlang von Hindernissen führen. Vergleicht man das beobachtete Verhalten mit der Statik eines Partikels, das bei jedem Hinderniskontakt umgelenkt wird, so stellt man fest, dass Zellen über längere Strecken Laufen als in dieses Modell. Die Navigation in chemischen Gradienten ist eine der Hauptapplikation der Motilität bei Bakterien. Wir untersuchten die Schwimmreaktion von P. putida Zellen auf chemische Reize (Chemotaxis) des gängigen Lebensmittelkonservierungsmittels Natriumbenzoat. Mit einem mikrofluidischen Gradientengenerator erzeugten wir Gradienten unterschiedlicher Stärke und beobachteten die Bewegung der Zellen mit einem Videomikroskop und anschließendem Zelltracking. Die Analyse verschiedener Motilitätsparameter wie Lauflängen und -zeiten zeigt, dass P. putida die klassische Chemotaxiestrategie von E. coli anwendet: Läufe gradientenaufwärts sind im Mittel länger sein als solche gradientenabwärts. Mit den beiden verschiedenen Laufgeschwindigkeiten, die wir aufgrund der unterschiedlichen Schwimmmodi beobachtet haben, klassifizieren wir Läufe in schnelle und langsame Modi mit einem "Gaussian Mixture Model" (GMM). Wir finden keinen Beweis dafür, dass P. putida seine Schwimmmodi nutzt, um Chemotaxis durchzuführen. In den meisten Studien zur bakteriellen Motilität wird das Zelltracking verwendet, um die Trajektorien einzelner schwimmender Zellen zu erfassen. Diese Trajektorien müssen dann in Lauf- und Wendeabschnitte (Runs und Turns) zerlegt werden. Mehrere Algorithmen wurden zu diesem Zweck entwickelt, aber die meisten erfordern eine manuelle Abstimmung einer Reihe von Parametern oder umfangreiche Messungen mit chemotaktischen Mutantenstämmen. Zusammen mit unseren Mitarbeitern haben wir ein neuartiges Motilitätsanalyseschema entwickelt, das auf verallgemeinerten Kramers-Moyal-Koeffizienten basiert. Aus dem zugrunde liegenden stochastischen Modell können viele Parameter wie Lauflänge etc. durch ein Optimierungsverfahren abgeleitet werden, ohne dass eine explizite Run und Turn Klassifizierung erforderlich ist. Das Verfahren kann jedoch zu einem vollwertigen Klassifizierer ausgebaut werden. Mit dieser Methode analysieren wir E. coli Chemotaxis Messungen in einem Gradienten eines Aspartat analogen Chemoattractors und finden Beweise für eine chemotaktische Variation der Tumble-Winkeln. KW - bacteria KW - motility KW - chemotaxis KW - Bakterien KW - Motilität KW - Chemotaxis Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426972 ER - TY - GEN A1 - Sarhan, Radwan Mohamed A1 - Koopman, Wouter-Willem Adriaan A1 - Schuetz, Roman A1 - Schmid, Thomas A1 - Liebig, Ferenc A1 - Koetz, Joachim A1 - Bargheer, Matias T1 - The importance of plasmonic heating for the plasmondriven photodimerization of 4-nitrothiophenol T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Metal nanoparticles form potent nanoreactors, driven by the optical generation of energetic electrons and nanoscale heat. The relative influence of these two factors on nanoscale chemistry is strongly debated. This article discusses the temperature dependence of the dimerization of 4-nitrothiophenol (4-NTP) into 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) adsorbed on gold nanoflowers by Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Raman thermometry shows a significant optical heating of the particles. The ratio of the Stokes and the anti-Stokes Raman signal moreover demonstrates that the molecular temperature during the reaction rises beyond the average crystal lattice temperature of the plasmonic particles. The product bands have an even higher temperature than reactant bands, which suggests that the reaction proceeds preferentially at thermal hot spots. In addition, kinetic measurements of the reaction during external heating of the reaction environment yield a considerable rise of the reaction rate with temperature. Despite this significant heating effects, a comparison of SERS spectra recorded after heating the sample by an external heater to spectra recorded after prolonged illumination shows that the reaction is strictly photo-driven. While in both cases the temperature increase is comparable, the dimerization occurs only in the presence of light. Intensity dependent measurements at fixed temperatures confirm this finding. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 698 KW - enhanced raman-scattering KW - charge-transfer KW - metal KW - nanoparticles KW - catalysis KW - AU KW - 4-nitrobenzenethiol KW - aminothiophenol KW - photocatalysis KW - wavelength Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427197 SN - 1866-8372 IS - 698 ER - TY - THES A1 - Hoischen, Clemens T1 - Multi-Messenger Astronomy with H.E.S.S: the Starburst Galaxy NGC253 and the Search for Short Time-Scale Transients T1 - Multi-Botenteilchen-Astronomie mit H.E.S.S: die Starburstgalaxie NGC 253 und die Suche nach kurzzeit-Transienten N2 - Gamma-ray astronomy has proven to provide unique insights into cosmic-ray accelerators in the past few decades. By combining information at the highest photon energies with the entire electromagnetic spectrum in multi-wavelength studies, detailed knowledge of non-thermal particle populations in astronomical objects and systems has been gained: Many individual classes of gamma-ray sources could be identified inside our galaxy and outside of it. Different sources were found to exhibit a wide range of temporal evolution, ranging from seconds to stable behaviours over many years of observations. With the dawn of both neutrino- and gravitational wave astronomy, additional messengers have come into play over the last years. This development presents the advent of multi-messenger astronomy: a novel approach not only to search for sources of cosmic rays, but for astronomy in general. In this thesis, both traditional multi-wavelength studies and multi-messenger studies will be presented. They were carried out with the H.E.S.S. experiment, an imaging air Cherenkov telescope array located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. has entered its second phase in 2012 with the addition of a large, fifth telescope. While the initial array was limited to the study of gamma-rays with energies above 100 GeV, the new instrument allows to access gamma-rays with energies down to a few tens of GeV. Strengths of the multi-wavelength approach will be demonstrated at the example of the galaxy NGC253, which is undergoing an episode of enhanced star-formation. The gamma-ray emission will be discussed in light of all the information on this system available from radio, infrared and X-rays. These wavelengths reveal detailed information on the population of supernova remnants, which are suspected cosmic-ray accelerators. A broad-band gamma-ray spectrum is derived from H.E.S.S. and Fermi-LAT data. The improved analysis of H.E.S.S. data provides a measurement which is no longer dominated by systematic uncertainties. The long-term behaviour of cosmic rays in the starburst galaxy NGC253 is finally characterised. In contrast to the long time-scale evolution of a starburst galaxy, multi-messenger studies are especially intriguing when shorter time-scales are being probed. A prime example of a short time-scale transient are Gamma Ray Bursts. The efforts to understand this phenomenon effectively founded the branch of gamma-ray astronomy. The multi-messenger approach allows for the study of illusive phenomena such as Gamma Ray Bursts and other transients using electromagnetic radiation, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves contemporaneously. With contemporaneous observations getting more important just recently, the execution of such observation campaigns still presents a big challenge due to the different limitations and strengths of the infrastructures. An alert system for transient phenomena has been developed over the course of this thesis for H.E.S.S. It aims to address many follow-up challenges in order to maximise the science return of the new large telescope, which is able to repoint much faster than the initial four telescopes. The system allows for fully automated observations based on scientific alerts from any wavelength or messenger and allows H.E.S.S. to participate in multi-messenger campaigns. Utilising this new system, many interesting multi-messenger observation campaigns have been performed. Several highlight observations with H.E.S.S. are analysed, presented and discussed in this work. Among them are observations of Gamma Ray Bursts with low latency and low energy threshold, the follow-up of a neutrino candidate in spatial coincidence with a flaring active galactic nucleus and of the merger of two neutron stars, which was revealed by the coincidence of gravitational waves and a Gamma-Ray Burst. N2 - Die Gammaastronomie hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine wichtige Disziplin für die Suche nach den Beschleunigern der kosmischen Strahlung erwiesen. Dabei ergänzt die Gamma-Strahlung das Bild, welches wir aus Multi-Wellenlängen Studien gewonnen haben ausgezeichnet. Kürzlich sind die beiden neuen astronomischen Boten, Neutrinos und Gravitationswellen, zugänglich geworden. Diese liefern tiefere und neue Erkenntnisse über wichtige Prozesse im Universum und markiert die Geburt der Multi-Botenteilchen Astronomie: eine Form der Astronomie welche Gebrauch vom gesamten elektromagnetischen Spektrum, sowie von kosmischer Strahlung, Neutrinos und auch Gravitationswellen macht. In dieser Arbeit werden sowohl traditionelle Multi-Wellenlängen Studien, als auch neue Multi-Botenteilchen Studien präsentiert. Dabei wird gebrauch von Daten des H.E.S.S. Experiments gemacht: eine Gruppe von abbildenden Cherenkov-Teleskopen in Namibia. Im Jahr 2012 ist H.E.S.S. in die zweite Operationsphase eingetreten: ein neues, großes Teleskop wurde hinzugefügt welches es erlaubt Gamma-Strahlung mit Energien in der Größenordnung von wenigen zehn GeV zu messen. Der Multi-Wellenlängen Ansatz wird an dem Beispiel der Galaxie NGC253 demonstriert. Diese Galaxy befindet sich in einer Episode mit erhöhter Stern-Erzeugungsrate. Die Gamma-Strahlung, welche von dieser Galaxie gemessen wurde, wird im Zusammenhang mit Informationen über dieses System diskutiert die aus Radio, Infrarot und Röntgenstrahlung gewonnen wurden. Diese geben Aufschluss über die große Population von Supernova Überresten, welche exzellente Kandidaten für Beschleuniger von kosmischer Strahlung sind. Ein Breitband Gamma-Strahlungs-Spektrum wurde mit Hilfe von H.E.S.S. und Fermi-LAT Daten zusammengesetzt. Die verbesserte Analyse der H.E.S.S. Daten erzielt eine Messung die nicht mehr von systematischen Unsicherheiten dominiert wird. Anhand des kombinierte Spektrum wird das Verhalten der kosmischen Strahlung in der Galaxy NGC253 diskutiert. Im Gegensatz zum Langzeitverhalten von einer Galaxie wie NGC253, erweisen sich Multi-Botenteilchen Studien als besonders interessant für transiente Phänomene. Gleichzeitige Beobachtungen von Gamma-Strahlung und weiteren Botenteilchen können neue Erkenntnisse über beispielsweise Gammastrahlungsausbrüche oder die Quellen von Astrophysikalischen Neutrinos geben. Da gleichzeitige Beobachtungen in der Gammaastronomie erst seit kurzem immer wichtiger werden, stellen solche Beobachtungskampagnen aktuell eine Herausforderung dar. Um die Herausforderungen zu überwinden und gleichzeitig die wissenschaftlichen Studien, für die das neue große Teleskop von H.E.S.S. besonders geeignet ist, zu maximieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Alarmsystem für transiente Ereignisse entwickelt. Mit der Hilfe dieses neuen Systems konnten bereits viele interessante Beobachtungen durchgeführt werden. Einige der Interessantesten werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Darunter sind Beobachtungen von Gammastrahlungsausbrüchen mit kleinen zeitlichen Latenzen und niedriger Energieschwelle, die Nachbeobachtung eines Neutrino Kandidaten welcher räumlich mit einem Aktiven Galaxien Kern, der vorübergehend eine erhöhte Aktivität aufwies, zusammenfiel, sowie Beobachtungen vom Verschmelzen zweier Neutronensterne, was durch Gravitationswellen und einen gleichzeitigen Gammastrahlungsausbruch identifiziert werden konnte. KW - gamma-rays KW - astronomy KW - astro-particle physics KW - multi-messenger astronomy KW - Gamma-Strahlen KW - Astronomie KW - Astroteilchenphysik KW - Multi-Botenteilchen Astronomie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424521 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Loureiro, Ignacio T1 - Structural characterization of single and interacting soft interfaces displaying brushes of synthetic or biomolecular polymers T1 - Strukturelle Charakterisierung von einzelnen und interagierenden weichen Grenzflächen mit Bürsten aus synthetischen oder biomolekularen Polymeren N2 - The interaction between surfaces displaying end-grafted hydrophilic polymer brushes plays important roles in biology and in many wet-technological applications. The outer surfaces of Gram-negative bacteria, for example, are composed of lipopolysaccharide (LPS) molecules exposing oligo- and polysaccharides to the aqueous environment. This unique, structurally complex biological interface is of great scientific interest as it mediates the interaction of bacteria with neighboring bacteria in colonies and biofilms. The interaction between polymer-decorated surfaces is generally coupled to the distance-dependent conformation of the polymer chains. Therefore, structural insight into the interacting surfaces is a prerequisite to understand the interaction characteristics as well as the underlying physical mechanisms. This problem has been addressed by theory, but accurate experimental data on polymer conformations under confinement are rare, because obtaining perturbation-free structural insight into buried soft interfaces is inherently difficult. In this thesis, lipid membrane surfaces decorated with hydrophilic polymers of technological and biological relevance are investigated under controlled interaction conditions, i.e., at defined surface separations. For this purpose, dedicated sample architectures and experimental tools are developed. Via ellipsometry and neutron reflectometry pressure-distance curves and distance-dependent polymer conformations in terms of brush compression and reciprocative interpenetration are determined. Additional element-specific structural insight into the end-point distribution of interacting brushes is obtained by standing-wave x-ray fluorescence (SWXF). The methodology is first established for poly[ethylene glycol] (PEG) brushes of defined length and grafting density. For this system, neutron reflectometry revealed pronounced brush interpenetration, which is not captured in common brush theories and therefore motivates rigorous simulation-based treatments. In the second step the same approach is applied to realistic mimics of the outer surfaces of Gram-negative bacteria: monolayers of wild type LPSs extracted from E. Coli O55:B5 displaying strain-specific O-side chains. The neutron reflectometry experiments yield unprecedented structural insight into bacterial interactions, which are of great relevance for the properties of biofilms. N2 - Die Wechselwirkung zwischen Oberflächen mit end-gebundenen hydrophilen Polymerbürsten, spielt eine wichtige Rolle in der Biologie und in vielen nass-technologischen Anwendungen. Die äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien bestehen beispielsweise aus Lipopolysaccharid (LPS) -Molekülen, welche ihrer wässrigen Umgebung Oligo- und Polysaccharide präsentieren. Diese einzigartige, strukturell komplexe biologische Grenzfläche ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bakterien in Kolonien und Biofilmen vermittelt. Die Wechselwirkung zwischen Polymer-dekorierten Oberflächen ist im Allgemeinen mit der abstandsabhängigen Konformation der Polymerketten gekoppelt. Strukturelle Einblicke in die interagierenden Oberflächen sind daher eine Voraussetzung, um sowohl die Wechselwirkungseigenschaften als auch die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen. Dieses Problem wurde bereits theoretisch angegangen, aber genaue experimentelle Daten über Polymerkonformationen unter räumlicher Einschränkung liegen kaum vor, da es schwierig ist, störungsfrei strukturelle Einblicke in weiche Grenzflächen innerhalb kondensierter Materie zu erhalten. In dieser Arbeit wurden Lipidmonoschichten, die mit hydrophilen Polymeren von technologischer und biologischer Relevanz versehen sind, unter kontrollierten Wechselwirkungsbedingungen, d. h. bei definierten Oberflächenabständen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden spezielle Probenarchitekturen und experimentelle Methoden entwickelt. Mittels Ellipsometrie und Neutronenreflektometrie wurden Druck-Abstand-Kurven und abstandsabhängige Polymerkonformationen im Hinblick auf Bürstenkompression und gegenseitige Durchdringung bestimmt. Zusätzliche, elementspezifische strukturelle Einblicke in die Endpunktverteilung interagierender Polymerbürsten wurden durch Röntgenfluoreszenz unter stehenden Wellen (SWXF) gewonnen. Die entwickelte Methodik wurde zunächst für Poly(ethylenglycol) (PEG) -Bürsten definierter Länge und Bindungsdichte etabliert. Für dieses System zeigte die Neutronenreflektometrie eine ausgeprägte Durchdringung der Bürsten, die in gängigen Bürstentheorien nicht erfasst wird und daher rigorose simulationsbasierte Studien motiviert. Im zweiten Schritt wurde der gleiche Ansatz auf realistische Modelle der äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien angewandt: Monoschichten von aus E. coli O55 B5 extrahierten Wildtyp-Lipopolysacchariden, welche stammspezifische O-Seitenketten tragen. Die Neutronenreflektometrie-Experimente lieferten nie dagewesene strukturelle Einblicke in die Wechselwirkung von Bakterienoberflächen, Welche für die Eigenschaften von Biofilme von großer Bedeutung sind. KW - polymer physics KW - neutron reflectometry KW - soft matter physics KW - biophysics KW - Polymerphysik KW - Neutronreflektometrie KW - Physik der weichen Materie KW - Biophysik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423675 ER - TY - THES A1 - Koç, Azize T1 - Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths T1 - Ultraschnelle Röntgenuntersuchungen des Nichtgleichgewichts der magnetischen und phononischen Systeme in schweren Seltenen Erden N2 - 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. N2 - In dieser Dissertation wird die Relaxationsdynamik des Gitters und der magnetischen Ordnung der zwei schweren, seltenen Erden Dy und Gd nach der Anregung mit femtosekunden Laserpulsen beschrieben. Für diese Untersuchungen wurden dünne Schichten von Dy und Gd bei niedrigen Temperaturen in der antiferromagnetischen Phase von Dy und nahe der Raumtemperatur in der ferromagnetischen Phase von Gd gemessen. Es wurden zwei verschiedene Experimente mittels optischem Anrege- Röntgen Abfrageverfahren durchgeführt, die ultraschnelle Röntgenbeugung mit harten Röntgenstrahlen (UXRD) und die resonante weiche (elastische) Röntgenbeugung (RSXD). Letzteres Verfahren erlaubt es, direkt die Änderungen der helikalen, antiferromagnetischen Ordnung zu messen. Die Kombination beider Techniken ermöglicht es, die komplexe Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und dem phononischen Subsystem zu untersuchen. KW - magnetostriction KW - time-resolved x-ray diffraction KW - resonant soft x-ray diffraction KW - magnetism KW - critical exponent KW - heat transport KW - dysprosium KW - gadolinium KW - rare-earth metals KW - non-equilibrium KW - dynamics KW - magnetic and phononic system KW - Magnetostriktion KW - zeitaufgelöste Röntgenbeugung KW - resonante weiche Röntgenbeugung KW - Magnetismus KW - kritischer Exponent KW - Wärmetransport KW - Dysprosium KW - Gadolinium KW - Metalle der seltenen Erden KW - Nichtgleichgewicht KW - Dynamik KW - magnetisches und phononisches System Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282 ER - TY - THES A1 - Codutti, Agnese T1 - Behavior of magnetic microswimmers T1 - Verhalten magnetischer Microschwimmer BT - simulations for natural swimmers and synthetic propellers BT - Simulationen von natürlichen Schwimmern und synthetischen Propellern N2 - Microswimmers, i.e. swimmers of micron size experiencing low Reynolds numbers, have received a great deal of attention in the last years, since many applications are envisioned in medicine and bioremediation. A promising field is the one of magnetic swimmers, since magnetism is biocom-patible and could be used to direct or actuate the swimmers. This thesis studies two examples of magnetic microswimmers from a physics point of view. The first system to be studied are magnetic cells, which can be magnetic biohybrids (a swimming cell coupled with a magnetic synthetic component) or magnetotactic bacteria (naturally occurring bacteria that produce an intracellular chain of magnetic crystals). A magnetic cell can passively interact with external magnetic fields, which can be used for direction. The aim of the thesis is to understand how magnetic cells couple this magnetic interaction to their swimming strategies, mainly how they combine it with chemotaxis (the ability to sense external gradient of chemical species and to bias their walk on these gradients). In particular, one open question addresses the advantage given by these magnetic interactions for the magnetotactic bacteria in a natural environment, such as porous sediments. In the thesis, a modified Active Brownian Particle model is used to perform simulations and to reproduce experimental data for different systems such as bacteria swimming in the bulk, in a capillary or in confined geometries. I will show that magnetic fields speed up chemotaxis under special conditions, depending on parameters such as their swimming strategy (run-and-tumble or run-and-reverse), aerotactic strategy (axial or polar), and magnetic fields (intensities and orientations), but it can also hinder bacterial chemotaxis depending on the system. The second example of magnetic microswimmer are rigid magnetic propellers such as helices or random-shaped propellers. These propellers are actuated and directed by an external rotating magnetic field. One open question is how shape and magnetic properties influence the propeller behavior; the goal of this research field is to design the best propeller for a given situation. The aim of the thesis is to propose a simulation method to reproduce the behavior of experimentally-realized propellers and to determine their magnetic properties. The hydrodynamic simulations are based on the use of the mobility matrix. As main result, I propose a method to match the experimental data, while showing that not only shape but also the magnetic properties influence the propellers swimming characteristics. N2 - Die Forschung an Mikroschwimmern oder genauer gesagt an aktiv schwimmenden Mikroorganismen oder Objekten mit niedrigen Reynolds Zahlen, hat in den letzten Jahren wegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der Medizin und Bioremediation stark an Bedeutung gewonnen. Besonders vielversprechend ist die Arbeit mit magnetischen Mikroschwimmern, da deren biokompatibler Magnetismus genutzt werden kann um die Schwimmer gezielt zu steuern. In dieser Arbeit werden zwei Beispiele von magnetischen Mikroschwimmern aus physikalischer Sicht untersucht. Das erste Modellsystem hierfür sind magnetische Zellen. Diese können entweder magnetische Biohybride (eine schwimm-Zelle gekoppelt mit einer synthetischen magnetischen Komponente) oder magnetotaktische Bakterien (natürlich vorkommende Bakterien die eine intrazelluläre Kette von magnetischen Kristallen produzieren) sein. Die passive Wechselwirkung der magnetischen Zelle mit einem externen Magnetfeld kann zu deren Steuerung genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu verstehen wie magnetische Zellen die magnetische Wechselwirkung mit ihre Schwimmstrategie verknüpfen, oder genauer gesagt, wie sie sie zur Chemotaxis (die Fähigkeit externe chemische Gradienten wahrzunehmen und die Fortbewegungsrichtung daran anzupassen) zu nutzen. Es ist immer noch nicht restlos geklärt worin in der natürlichen Umgebung der magnetischen Bakterien, wie beispielsweise in porösem Sediment, der Vorteil der Wechselwirkung mit dem externen magnetischen Feld liegt. In dieser Arbeit wurde ein modifiziertes „Active Brownian Particle model“ verwendet um mittels Computersimulationen experimentelle Ergebnisse an Bakterien zu reproduzieren, die sich frei, in einer Glaskapillare, oder in anders begrenzten Geometrien bewegen. Ich werde zeigen, dass abhängig von der Schwimmstrategie („run-and-tumble“ oder „runand-reverse“), aerotaktische Strategie (axial oder polar), und der Feldintensität und Orientierung, das magnetische Feld Chemotaxis beschleunigen kann. Abhängig von dem gewählten Modellsystem kann es jedoch auch zu einer Behinderung der Chemotaxis kommen. Das zweite Beispiel für magnetische Mikroschwimmer sind starre (z.B. Helices) oder zufällig geformte magnetische Propeller. Sie werden durch ein externes magnetisches Feld angetrieben und gelenkt. Hierbei stellt sich die Frage wie die Form der Propeller deren Verhalten beeinflusst und wie sie für eine bestimmte Anwendung optimiert werden können. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit Simulationsmethoden vorzuschlagen um das experimentell beobachtete Verhalten zu reproduzieren und die magnetischen Eigenschaften der Propeller zu beschreiben. Hierfür wird die Mobilitätsmatrix verwendet um die hydrodynamischen Simulationen zu realisieren. Ein Hauptresultat meiner Arbeit ist eine neue Methode, welche die Simulationen in Einklang mit den experimentellen Resultaten bringt. Hierbei zeigt sich, dass nicht nur die Form sondern insbesondere auch die magnetischen Eigenschaften die Schwimmcharakteristik der Propeller entscheidend beeinflussen. KW - microswimmers KW - magnetism KW - bacteria KW - propellers KW - simulation KW - Microschwimmer KW - Magnetismus KW - Bakterien KW - Propeller KW - Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422976 ER - TY - THES A1 - von Nordheim, Danny T1 - Dielectric non-linearities of P(VDF-TrFE) single and multilayers for memory applications T1 - Dielektrische Nichtlinearitäten in P(VDF-TrFE) Einzel- und Mehrfachschichten für Speicheranwendungen N2 - Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) ferroelectric thin films of different molar ratio have been studied with regard to data memory applications. Therefore, films with thicknesses of 200 nm and less have been spin coated from solution. Observations gained from single layers have been extended to multilayer capacitors and three terminal transistor devices. Besides conventional hysteresis measurements, the measurement of dielectric non-linearities has been used as a main tool of characterisation. Being a very sensitive and non-destructive method, non-linearity measurements are well suited for polarisation readout and property studies. Samples have been excited using a high quality, single-frequency sinusoidal voltage with an amplitude significantly smaller than the coercive field of the samples. The response was then measured at the excitation frequency and its higher harmonics. Using the measurement results, the linear and non-linear dielectric permittivities ɛ₁, ɛ₂ and ɛ₃ have been determined. The permittivities have been used to derive the temperature-dependent polarisation behaviour as well as the polarisation state and the order of the phase transitions. The coercive field in VDF-TrFE copolymers is high if compared to their ceramic competitors. Therefore, the film thickness had to be reduced significantly. Considering a switching voltage of 5 V and a coercive field of 50 MV/m, the film thickness has to be 100 nm and below. If the thickness becomes substantially smaller than the other dimensions, surface and interface layer effects become more pronounced. For thicker films of P(VDF-TrFE) with a molar fraction of 56/44 a second-order phase transition without a thermal hysteresis for an ɛ₁(T) temperature cycle has been predicted and observed. This however, could not be confirmed by the measurements of thinner films. A shift of transition temperatures as well as a temperature independent, non-switchable polarisation and a thermal hysteresis for P(VDF-TrFE) 56/44 have been observed. The impact of static electric fields on the polarisation and the phase transition has therefore been studied and simulated, showing that all aforementioned phenomena including a linear temperature dependence of the polarisation might originate from intrinsic electric fields. In further experiments the knowledge gained from single layer capacitors has been extended to bilayer copolymer thin films of different molar composition. Bilayers have been deposited by succeeding cycles of spin coating from solution. Single layers and their bilayer combination have been studied individually in order to prove the layers stability. The individual layers have been found to be physically stable. But while the bilayers reproduced the main ɛ₁(T) properties of the single layers qualitatively, quantitative numbers could not be explained by a simple serial connection of capacitors. Furthermore, a linear behaviour of the polarisation throughout the measured temperature range has been observed. This was found to match the behaviour predicted considering a constant electric field. Retention time is an important quantity for memory applications. Hence, the retention behaviour of VDF-TrFE copolymer thin films has been determined using dielectric non-linearities. The polarisation loss in P(VDF-TrFE) poled samples has been found to be less than 20% if recorded over several days. The loss increases significantly if the samples have been poled with lower amplitudes, causing an unsaturated polarisation. The main loss was attributed to injected charges. Additionally, measurements of dielectric non-linearities have been proven to be a sensitive and non-destructive tool to measure the retention behaviour. Finally, a ferroelectric field effect transistor using mainly organic materials (FerrOFET) has been successfully studied. DiNaphtho[2,3-b:2',3'-f]Thieno[3,2-b]Thiophene (DNTT) has proven to be a stable, suitable organic semiconductor to build up ferroelectric memory devices. Furthermore, an oxidised aluminium bottom electrode and additional dielectric layers, i.e. parylene C, have proven to reduce the leakage current and therefore enhance the performance significantly. N2 - Ferroelektrika eignen sich generell gut zur Realisierung von Datenspeichern, da einige dieser Materialien bei Raumtemperatur und darüber hinaus eine spontane Polarisation besitzen. Diese lässt sich durch Anlegen einer ausreichend großen Spannung definiert schalten. Die unterschiedlichen Zustände der Polarisation können dann ausgelesen und verschiedenen Speicherzuständen, insbesondere 0 und 1, zugeordnet werden. Da der Polarisationszustand auch nach Abschaltung der zur Polarisation verwendeten Spannung erhalten bleibt, bezeichnet man diese Speicher als nicht flüchtig, ähnlich wie herkömmliche Flash-Speicher (z.B. USB-Sticks). Bisher wurden vor allem ferroelektrische Speicher aus keramischen Materialien untersucht und implementiert. Ferroelektrische Speicher aus Polymeren bieten u.U. eine größere Freiheit bei der Formgebung. Weiterhin können Polymere einfacher verarbeitet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Schichten des ferroelektrischen Copolymers VDF-TrFE mit verschiedenen Zusammensetzungen, 56/44 und 70/30 bezogen auf das molare Verhältnis von VDF und TrFE, hinsichtlich ihrer Eigenschaften für die Verwendung in Datenspeichern untersucht. Da die zum Schalten zwischen den Polarisationszuständen benötigte Feldstärke bei den verwendeten Copolymeren sehr hoch ist, musste die Schichtdicke reduziert werden. Auf diese Art und Weise war es möglich, auch mit kleinen, computer-typischen Arbeitsspannungen wie bspw. 5 Volt den Polarisationszustand bzw. Speicherzustand zu ändern. Dazu wurden Schichten mit einer Dicke von 200 Nanometern und weniger durch Aufschleudern einer Lösung (Polymer-Granulat in Lösungsmittel) abgeschieden. Nach der Charakterisierung von Einzelschichten wurden die Untersuchungen auf Doppelschichten und organische Feldeffekttransistoren ausgeweitet. Aus vorherigen Untersuchungen an dünnen VDF-TrFE Copolymer-Schichten mit einer Dicke von einigen Mikrometern war bereits bekannt, dass die Messung der Nichtlinearitäten ein nützliches Werkzeug zur Charakterisierung dieser Schichten ist. Besonders der bereits erwähnte Schaltzustand lässt sich gut auslesen. Weiterhin können auch das temperatur- und das zeitabhängige Verhalten der Polarisation bestimmt werden. Ersteres ist besonders für den Temperaturbereich ausschlaggebend, in welchem die Speicher eingesetzt werden. Ab einer gewissen Temperatur, der sogenannten Phasenübergangstemperatur, verlieren die Materialien ihre Polarisation und damit jegliche gespeicherte Information. Der zeitliche Verlauf der Polarisation ist für das sogenannte Retentionsverhalten eines nichtflüchtigen Speichers von Bedeutung. Es definiert, wie lange eine gespeicherte Information fehlerfrei erhalten bleibt bzw. ausgelesen werden kann. Bei der Auswertung der Ergebnisse zeigt sich, dass die hergestellten Schichten selbst bei einer Dicke von 30 Nanometern und weniger eine schaltbare Polarisation aufwiesen. Es konnte auch beobachtet werden, dass einige Charakteristika, wie z.B. der absolute Wert der Polarisation, die Phasenübergangstemperaturen sowie das Verhalten in der Nähe des Phasenübergangs von denen dickerer Schichten abwichen. Die Polarisation blieb, abhängig von der Zusammensetzung, bis ca. 60°C bzw. 80°C stabil. In Bezug auf das Retentionsverhalten der dünnen Schichten konnte festgestellt werden, dass die Polarisation nach einem anfänglichen Verlust auch über mehrere Tage stabil blieb. Weiterhin wurden Doppelschichten untersucht. Hierzu wurden zwei Schichten unterschiedlicher molarer Zusammensetzung aufeinander abgeschieden. Unter, zwischen und auf den Schichten wurden jeweils Elektroden abgeschieden. Diese wurden so platziert, dass sowohl die Schichten einzeln als auch das Schichtsystem gemessen werden konnten. Bei der Messung der Schichtsysteme und ihrer individuellen Schichten wurde festgestellt, dass Letztere das in vorherigen Messungen an Einzelschichten beobachtete Verhalten aufwiesen. Bei den Schichtsystemen hingegen wurde eine lineare Abhängigkeit der Polarisation von der Temperatur beobachtet. Abschließend wurden ferroelektrische organische Transistoren (FerrOFET) untersucht. Dabei erwies sich der organische Halbleiter DNTT als geeignetes Material für den leitfähigen Kanal. Weiterhin zeigte sich, dass sich mithilfe von zusätzlich oxidierten Aluminium-Grundelektroden sowie zusätzlichen Schichten von Parylene C die Funktionsfähigkeit der Bauelemente verbessern ließ. KW - Ferroelektrika KW - Speicheranwendungen KW - Dielektrische Nichtlinearitäten KW - Ferroelektrische Polymere KW - P(VDF-TrFE) KW - ferroelectrics KW - ferroelectric polymers KW - dielectric non-linearities KW - memory applications KW - P(VDF-TrFE) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421778 ER - TY - THES A1 - Arora, Ashima T1 - Optical and electric field control of magnetism T1 - Optische und elektrische Feld Kontrolle des Magnetismus N2 - Future magnetic recording industry needs a high-density data storage technology. However, switching the magnetization of small bits requires high magnetic fields that cause excessive heat dissipation. Therefore, controlling magnetism without applying external magnetic field is an important research topic for potential applications in data storage devices with low power consumption. Among the different approaches being investigated, two of them stand out, namely i) all-optical helicity dependent switching (AO-HDS) and ii) ferroelectric control of magnetism. This thesis aims to contribute towards a better understanding of the physical processes behinds these effects as well as reporting new and exciting possibility for the optical and/or electric control of magnetic properties. Hence, the thesis contains two differentiated chapters of results; the first devoted to AO-HDS on TbFe alloys and the second to the electric field control of magnetism in an archetypal Fe/BaTiO3 system. In the first part, the scalability of the AO-HDS to small laser spot-sizes of few microns in the ferrimagnetic TbFe alloy is investigated by spatially resolving the magnetic contrast with photo-emission electron microscopy (PEEM) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The results show that the AO-HDS is a local effect within the laser spot size that occurs in the ring-shaped region in the vicinity of thermal demagnetization. Within the ring region, the helicity dependent switching occurs via thermally activated domain wall motion. Further, the thesis reports on a novel effect of thickness dependent inversion of the switching orientation. It addresses some of the important questions like the role of laser heating and the microscopic mechanism driving AO-HDS. The second part of the thesis focuses on the electric field control of magnetism in an artificial multiferroic heterostructure. The sample consists of an Fe wedge with thickness varying between 0:5 nm and 3 nm, deposited on top of a ferroelectric and ferroelastic BaTiO3 [001]-oriented single crystal substrate. Here, the magnetic contrast is imaged via PEEM and XMCD as a function of out-of-plane voltage. The results show the evidence of the electric field control of superparamagnetism mediated by a ferroelastic modification of the magnetic anisotropy. The changes in the magnetoelastic anisotropy drive the transition from the superparamagnetic to superferromagnetic state at localized sample positions. N2 - Die Herstellung zukünftiger magnetischer Datenspeicher erfordert eine hohe Speicherdichte mit entsprechend kleinen Bits. Das Schalten der Magnetisierung kleiner Strukturen benötigt jedoch starke Magnetfelder, die einen hohen Energieverbrauch und Wärmeeintrag verursachen. Daher ist das Schalten von Magnetismus ohne Anlegen eines externen Magnetfeldes ein wichtiges Forschungsthema für potentielle Anwendungen in der Datenspeicherung mit geringem Stromverbrauch. Unter den verschiedenen Ansätzen, die verfolgt werden, heben sich zwei hervor, nämlich i) rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) und ii) magnetoelektrische Kontrolle von Magnetismus. Diese Arbeit soll zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse beitragen, die hinter diesen Effekten stehen, sowie neue und aufregende Möglichkeiten für die optische und/ oder elektrische Kontrolle magnetischer Eigenschaften aufzeigen. Daher sind die Ergebnisse dieser Arbeit in zwei Kapitel gegliedert; das erste befasst sich mit dem helizitätsabhängigen optischen Schalten in Eisen-Terbium Legierungen und das zweite Kapitel widmet sich der magnetoelektrischen Kopplung in Hybridsystemen, bestehend aus einer ferromagnetischen Eisenschicht welche auf ferroelektrischen Bariumtitanat gewachsen wurde. Im ersten Kapitel wird die Skalierbarkeit des helizitätsabhängigen optischen Schaltens in ferrimagnetischen Eisen-Terbium Legierungen mit Laserspotgrößen im Mikrometer Bereich untersucht. Photoelektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) wird verwendet um die resultierende Magnetisierung hochaufgelöst abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass helizitätsabhängiges optisches Schalten ein lokaler Effekt innerhalb des Laserspots ist, der in der ringförmigen Region in der Nähe der thermischen Entmagnetisierung auftritt. Innerhalb der Ringregion erfolgt die Umkehr der Magnetisierung über thermisch aktivierte Domänenwandbewegung. Des Weiteren berichtet die Arbeit über einen neuartigen Effekt der die Helizitätsabhängigkeit mit zunehmender Schichtdicke umkehrt. Auch werden wichtigen Fragen wie der Rolle thermischer Effekt oder die mikroskopische Ursache helizitätsabhängigen Schaltens beleuchtet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die elektrische Kontrolle des Magnetismus in einer künstlichen multiferroischen Heterostruktur. Die Probe besteht aus einem Eisen-Keil mit einer Dicke zwischen 0:5 nm und 3 nm, der auf einem ferroelektrischen und ferroelastischen Bariumtitanat abgeschieden ist. Hier wird der magnetische Kontrast als Funktion des elektrischen Feldes untersucht. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit superparamagnetische Bereiche per elektrischen Feld zu steuern. Die magnetelektrische Kopplung erfolgt durch eine ferroelastische Modifikation der magnetischen Anisotropie. Die Änderungen in der magnetoelastischen Anisotropie erlauben elektrisches Schalten zwischen dem superparamagnetischen zu dem superferromagnetischen Zustand. KW - magnetism KW - X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - all-optical helicity dependent switching KW - multiferroic heterostructure KW - photo-emission electron microscopy (PEEM) KW - magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) KW - Photoelektronenmikroskopie (PEEM) KW - Magnetismus KW - multiferroischen Heterostruktur KW - rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421479 ER - TY - THES A1 - Kegeles, Alexander T1 - Algebraic foundation of Group Field Theory T1 - Algebraische Grundlagen der Gruppenfeldtheorie N2 - In this thesis we provide a construction of the operator framework starting from the functional formulation of group field theory (GFT). We define operator algebras on Hilbert spaces whose expectation values in specific states provide correlation functions of the functional formulation. Our construction allows us to give a direct relation between the ingredients of the functional GFT and its operator formulation in a perturbative regime. Using this construction we provide an example of GFT states that can not be formulated as states in a Fock space and lead to math- ematically inequivalent representations of the operator algebra. We show that such inequivalent representations can be grouped together by their symmetry properties and sometimes break the left translation symmetry of the GFT action. We interpret these groups of inequivalent representations as phases of GFT, similar to the classification of phases that we use in QFT’s on space-time. N2 - Die Gruppenfeldtheorie (GFT) ist Kandidat für eine Theorie der Quantengravitation. Formuliert in der Sprache der Quantenfeldtheorie, beschreibt die GFT die Entstehung der Raum-Zeit. Jedoch, im Gegensatz zu den QFT's der Teilchenphysik, ist die GFT nicht auf der Raum-Zeit formuliert, sondern liefert einen möglichen Ansatz zur deren Entstehung. Dennoch, ähnlich wie in den QFT's der Teilchenphysik, existieren zwei Arten der GFT: die funktionale und die operator Formulierung. Der funktionale Formalismus, geschrieben mit Hilfe von Funktionalintegralen, stellt eine Verbindungen zu anderen Theorien der Quantengravitation dar, und liefert eine gute Basis für die Analyse der Renormierung. Seine Bestandteile lassen sich jedoch nicht ohne weiteres physikalisch interpretieren, was einen intuitiven Zugang bei der Entwicklung der Theorie verkompliziert. Die Operator-Formulierung wird dagegen in Operatoren auf Hilbert-Räumen angegeben und bietet eine Anschauliche Definition der GFT-Teilchen sowie eine Beschreibung der Theorie in der Sprache der Vielteilchenphysik. Allerdings ist weder ihre Verknüpfung zu dem funktionalen Zugang noch zu anderen, verwandten Theorien der Gravitation, bekannt, was diese Formulierung wenig praktikabel macht. Eine Beziehung zwischen funktionellem und dem operator Formalismus der GFT würde es uns ermöglichen, die klare Anschauung mit den Intuitionen anderer Theorien zu verbinden und würde somit die Entwicklung auf dem Gebiet vorantreiben. In dieser Arbeit stelle ich eine Konstruktion des Operator-Formalismus vor, ausgehend von der funktionalen Formulierung der GFT. Ich definiere Operatoralgebren auf Hilberträumen, deren Erwartungswerte in bestimmten Zuständen den Korrelationsfunktionen der funktionalen Formulierung entsprechen. Diese Konstruktion gibt uns, eine direkte Beziehung zwischen den Bestandteilen der funktionellen GFT und der Operator-Formulierung. KW - quantum gravity KW - quantum field theory KW - group field theory KW - Quantengravitation KW - Quantenfeldtheorie KW - Gruppenfeldtheorie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421014 ER - TY - THES A1 - Quade, Markus T1 - Symbolic regression for identification, prediction, and control of dynamical systems T1 - Symbolische Regression zur Identifikation, Vorhersage und Regelung dynamischer Systeme N2 - In the present work, we use symbolic regression for automated modeling of dynamical systems. Symbolic regression is a powerful and general method suitable for data-driven identification of mathematical expressions. In particular, the structure and parameters of those expressions are identified simultaneously. We consider two main variants of symbolic regression: sparse regression-based and genetic programming-based symbolic regression. Both are applied to identification, prediction and control of dynamical systems. We introduce a new methodology for the data-driven identification of nonlinear dynamics for systems undergoing abrupt changes. Building on a sparse regression algorithm derived earlier, the model after the change is defined as a minimum update with respect to a reference model of the system identified prior to the change. The technique is successfully exemplified on the chaotic Lorenz system and the van der Pol oscillator. Issues such as computational complexity, robustness against noise and requirements with respect to data volume are investigated. We show how symbolic regression can be used for time series prediction. Again, issues such as robustness against noise and convergence rate are investigated us- ing the harmonic oscillator as a toy problem. In combination with embedding, we demonstrate the prediction of a propagating front in coupled FitzHugh-Nagumo oscillators. Additionally, we show how we can enhance numerical weather predictions to commercially forecast power production of green energy power plants. We employ symbolic regression for synchronization control in coupled van der Pol oscillators. Different coupling topologies are investigated. We address issues such as plausibility and stability of the control laws found. The toolkit has been made open source and is used in turbulence control applications. Genetic programming based symbolic regression is very versatile and can be adapted to many optimization problems. The heuristic-based algorithm allows for cost efficient optimization of complex tasks. We emphasize the ability of symbolic regression to yield white-box models. In contrast to black-box models, such models are accessible and interpretable which allows the usage of established tool chains. N2 - In der vorliegenden Arbeit nutzen wird symbolische Regression zur automatisierten Modellierung dynamischer Systeme. Symbolische Regression ist eine mächtige und vielseitige Methode, welche zur Daten-getriebenen Identifikation von mathematischen Ausdrücken geeignet ist. Insbesondere werden dabei Struktur und Parameter des gesuchten Ausdrucks parallel ermittelt. Zwei Varianten der symbolischen Regression werden im Rahmen dieser Arbeit in Betracht gezogen: sparse regression und symbolischer Regression basierend auf genetischem Programmieren. Beide Verfahren werden für die Identifikation, Vor- hersage und Regelung dynamischer Systeme angewandt. Wir führen eine neue Methodik zur Identifikation von dynamischen Systemen, welche eine spontane Änderung erfahren, ein. Die Änderung eines Modells, wel- ches mit Hilfe von sparse regression gefunden wurde, ist definiert als sparsamste Aktualisierung im Hinblick auf das Modell vor der Änderung. Diese Technik ist beispielhaft am chaotischem Lorenz System und dem van der Pol Oszillator demonstriert. Aspekte wie numerische Komplexität, Robustheit gegenüber Rauschen sowie Anforderungen an Anzahl von Datenpunkten werden untersucht. Wir zeigen wie symbolische Regression zur Zeitreihenvorhersage genutzt wer- den kann. Wir nutzen dem harmonischen Oszillator als Beispielmodell, um Aspekte wie Robustheit gegenüber Rauschen sowie die Konvergenzrate der Optimierung zu untersuchen. Mit Hilfe von Einbettungsverfahren demonstrieren wir die Vorhersage propagierenden Fronten in gekoppelten FitzHugh-Nagumo Oszillatoren. Außerdem betrachten wir die kommerzielle Stromproduktionsvorhersage von erneuerbaren Energien. Wir zeigen wie man diesbezügliche die numerische Wettervorhersage mittels symbolischer Regression verfeinern und zur Stromproduktionsvorhersage anwenden kann. Wir setzen symbolische Regression zur Regelung von Synchronisation in gekoppelten van der Pol Oszillatoren ein. Dabei untersuchen wir verschiedene Topologien und Kopplungen. Wir betrachten Aspekte wie Plausibilität und Stabilität der gefundenen Regelungsgesetze. Die Software wurde veröffentlicht und wird u. a. zur Turbulenzregelung eingesetzt. Symbolische Regression basierend auf genetischem Programmieren ist sehr vielseitig und kann auf viele Optimierungsprobleme übertragen werden. Der auf Heuristik basierenden Algorithmus erlaubt die effiziente Optimierung von komplexen Fragestellungen. Wir betonen die Fähigkeit von symbolischer Regression, sogenannte white-box Modelle zu produzieren. Diese Modelle sind – im Gegensatz zu black-box Modellen – zugänglich und interpretierbar. Dies ermöglicht das weitere Nutzen von etablierten Methodiken. KW - dynamical systems KW - symbolic regression KW - genetic programming KW - identification KW - prediction KW - control KW - Dynamische Systeme KW - Symbolische Regression KW - Genetisches Programmieren KW - Identifikation KW - Vorhersage KW - Regelung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419790 ER - TY - THES A1 - Saad Hassanin, Alshaimaa T1 - Dynamic coronal mass ejection process and magnetic reconnection T1 - Dynamische koronale Massenauswürfe und magnetische Rekonnexion N2 - The Sun is the nearest star to the Earth. It consists of an interior and an atmosphere. The convection zone is the outermost layer of the solar interior. A flux rope may emerge as a coherent structure from the convection zone into the solar atmosphere or be formed by magnetic reconnection in the atmosphere. A flux rope is a bundle of magnetic field lines twisting around an axis field line, creating a helical shape by which dense filament material can be supported against gravity. The flux rope is also considered as the key structure of the most energetic phenomena in the solar system, such as coronal mass ejections (CMEs) and flares. These magnetic flux ropes can produce severe geomagnetic storms. In particular, to improve the ability to forecast space weather, it is important to enrich our knowledge about the dynamic formation of flux ropes and the underlying physical mechanisms that initiate their eruption, such as a CME. A confined eruption consists of a filament eruption and usually an associated are, but does not evolve into a CME; rather, the moving plasma is halted in the solar corona and usually seen to fall back. The first detailed observations of a confined filament eruption were obtained on 2002 May 27by the TRACE satellite in the 195 A band. So, in the Chapter 3, we focus on a flux rope instability model. A twisted flux rope can become unstable by entering the kink instability regime. We show that the kink instability, which occurs if the twist of a flux rope exceeds a critical value, is capable of initiating of an eruption. This model is tested against the well observed confined eruption on 2002 May 27 in a parametric magnetohydrodynamic (MHD) simulation study that comprises all phases of the event. Very good agreement with the essential observed properties is obtained, only except for a relatively poor matching of the initial filament height. Therefore, in Chapter 4, we submerge the center point of the flux rope deeper below the photosphere to obtain a flatter coronal rope section and a better matching with the initial height profile of the erupting filament. This implies a more realistic inclusion of the photospheric line tying. All basic assumptions and the other parameter settings are kept the same as in Chapter 3. This complement of the parametric study shows that the flux rope instability model can yield an even better match with the observational data. We also focus in Chapters 3 and 4 on the magnetic reconnection during the confined eruption, demonstrating that it occurs in two distinct locations and phases that correspond to the observed brightenings and changes of topology, and consider the fate of the erupting flux, which can reform a (less twisted) flux rope. The Sun also produces series of homologous eruptions, i.e. eruptions which occur repetitively in the same active region and are of similar morphology. Therefore, in Chapter 5, we employ the reformed flux rope as a new initial condition, to investigate the possibility of subsequent homologous eruptions. Free magnetic energy is built up by imposing motions in the bottom boundary, such as converging motions, leading to flux cancellation. We apply converging motions in the sunspot area, such that a small part of the flux from the sunspots with different polarities is transported toward the polarity inversion line (PIL) and cancels with each other. The reconnection associated with the cancellation process forms more helical magnetic flux around the reformed flux rope, which leads to a second and a third eruption. In this study, we obtain the first MHD simulation results of a homologous sequence of eruptions that show a transition from a confined to two ejective eruptions, based on the reformation of a flux rope after each eruption. N2 - Die Sonne ist der uns am nächsten benachbarte Stern. Sie besteht aus einem Inneren und einer Atmosphäre. Die Konvektionszone ist die äußerste Schicht des Inneren. Eine magnetische Flussröhre kann als kohärente Struktur aus der Konvektionszone in die Atmosphäre aufsteigen oder durch magnetische Rekonnexion in der Atmosphäre gebildet werden. Unter magnetischer Flussröhre wird hier ein Bündel magnetischer Feldlinien verstanden, die um eine zentrale Feldlinie herum verdrillt sind. In der entstehenden helikalen Form der Feldlinien kann dichtes Filamentmaterial gegen die Gravitation magnetisch gestützt werden. Diese Flussröhren werden auch als ein Schlüsselelement der energetischsten Erscheinungen in unserem Sonnensystem, nämlich koronaler Massenauswürfe (CMEs) und Flares, angesehen. Auf diesem Wege können solare magnetische Flussröhren starke geomagnetische Stürme erzeugen. Für Voraussagen des Raumwetters ist es von entscheidender Bedeutung, sowohl die dynamischen Prozesse der Flussröhrenbildung zu verstehen als auch die physikalischen Mechanismen, die ihrer Eruption, z.B. einem CME, zugrunde liegen. Eine beschränkte Filamenteruption besteht aus einer Filamentaktivierung und üblicherweise einem mit ihr verbundenen Flare, wobei die Entwicklung zu einem CME jedoch ausbleibt; vielmehr wird aufsteigendes Plasma in der Korona gehalten und meist kann sein Rückfall beobachtet werden. Die ersten detaillierten Beobachtungen einer beschränkten Filamenteruption wurden am 27. Mai 2002 vom TRACE-Satelliten im 195A-Band gewonnen. Zu ihrer Analyse wird in Kapitel 3 die Instabilit� at einer Flussröhre untersucht. Eine verdrillte Flussröhre kann instabil gegenüber der Knick-(Kink-)Instabilität werden. Wir zeigen, dass die Knick-Instabilität, die auftritt, wenn die Verdrillung einen kritischen Wert überschreitet, eine Eruption auslösen kann. Eine parametrische magnetohydrodynamischen (MHD-) Simulation, die alle Phasen des Ereignisses umfasst, wird mit den Beobachtungen vom 27. Mai 2002 verglichen. Hinsichtlich der wesentlichen Eigenschaften wird eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Beobachtungen festgestellt, allerdings mit Ausnahme der Anfangshöhe des Filamentes. Deshalb wird in Kapitel 4 das Zentrum der Flussröhre tiefer unterhalb das Niveau der Photosphäre gelegt. Das führt zu einem acheren koronalen Flussröhren-Abschnitt und einer realistischeren Modellierung der Feldlinienverankerung in der Photosphäre. Diese komplementäre parametrische Untersuchung zeigt eine noch bessere Übereinstimmung mit den Beobachtungen. In den Kapiteln 3 und 4 liegt ein spezielles Augenmerk auch auf der magnetischen Rekonnexion im Verlaufe der beschränkten Eruption. Es stellt sich heraus, dass die Rekonnexion an zwei unterschiedlichen Orten und in zwei unterschiedlichen Phasen stattfindet, die durch verstärkte Strahlungsemission und Änderung der magnetischen Topologie charakterisiert sind. In den späten Stadien der Entwicklung kommt es zur Neubildung einer (weniger verdrillten) Flussröhre. Die Sonne produziert auch Serien homologer Eruptionen, die wiederholt mit ähnlicher Morphologie in derselben aktiven Region auftreten. In Kapitel 5 wird die neu gebildete Flussröhre als neue Anfangsbedingung verwendet, um die Möglichkeit nachfolgender homologer Eruptionen zu untersuchen. Photosphärische Bewegungen speisen Energie in das Magnetfeld ein. Wir verwenden konvergierende Bewegungen, die die Flüsse von Flecken unterschiedlicher Polarität zur Inversionslinie der Polarität transportieren und dort teilweise neutralisieren. Die damit verbundene Rekonnexion erzeugt helikalen magnetischen Fluss um die neu gebildete Flussröhre herum, was zu einer zweiten und einer dritten Eruption führt. Unsere Simulationen einer Serie homologer Eruptionen zeigen erstmals einen Übergang von einer beschränkten Eruption zu zwei ejektiven Eruptionen. KW - solar corona KW - solar eruption KW - magnetohydrodynamic KW - instability KW - Sonnenkorona KW - solare Eruption KW - Magnetohydrodynamik KW - Instabiltät Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419626 ER - TY - THES A1 - Sander, Mathias T1 - Ultrafast tailored strain fields in nanostructures T1 - Ultraschnelle massgeschneiderte Dehnungsfelder in Nanostrukturen N2 - 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-Äangström 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. N2 - Diese publikations basierte Dissertation enthält sieben veröffentlichte Artikel und ist ein Beitrag zum Forschungsfeld der laserangeregten ultraschnellen Strukturdynamik. Dabei wird die kohärente und inkohärente Gitterdynamik mit Hilfe von ultrakurzen optischen Pulsen sowie Röntgenpulsen auf mikroskopischer Längenskala untersucht. Das Verständnis dieser komplexen physikalischen Prozesse ist essenziell für die Verbesserung von zukünftigen technologischen Anwendungen. Hierfür wurde die Strukturdynamik von longitudinal akustischen Schallwellen und Wärmetransport mit Hilfe von verschieden Messinstrumenten, basierend auf Labor und Synchrotronstrahlungsquellen, untersucht. Die untersuchten Effekte umfassen Zeitskalen von einigen hundert Femtosekunden bis hin zu mehreren Mikrosekunden. Der Hauptteil meiner Dissertation beruht auf der Untersuchungen von definiert angeregten Phonon-Wellenpakten, die sich in Perowskit Nanostrukturen ausbreiten. Die Kontrolle wird entweder durch Laseranregung einer nanostruktieren Doppelschichtprobe oder durch eine zeitlich versetzte Laserpulsfolge erreicht. Dabei wird die Einheitszelle senkrecht zu den Gitterebenen auf ultraschnellen Zeiten modifiziert. Daraus folgt eine ultraschnelle Modulation der Röntgenbeugungs Effizienz, die als Phonon Braggschalter verwendet wird, um harte Röntgenpulse von Synchrotrons der dritten Generation zu verkürzen. Zudem haben wir die nichtlineare Mischung von Phonon-Wellenpaketen mit hoher Amplitude beobachtet, die der Anharmonizität des interatomaren Potential herrührt. Durch eine gechirpte optische Laserpulsfolge wird ein schmalbandiges Phonon-Wellenpaket mit definiertem Impuls und definierter Energie angeregt. Dabei wird die Erzeugung der zweiten Harmonischen mittels ultraschneller Röntgenbeugung untersucht. Die Phononkonversion findet hierbei durch die hohe Phononamplitude statt, die die akustischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Dieser Prozess führt zum Aufsteilen der Wellenfront und folglich zur Erzeugung der höheren Harmonischen des Phonon-Wellenpakets. Außerdem habe ich ultraschnelle Schallpulse parallel zur Richtung der Probenoberfläche demonstriert. Dabei werden zwei sogenannte transiente Gitteranregungen verwendet, die räumlich und zeitlich zueinander versetzt sind, um thermische Gradienten und akustische Oberflächenmoden kohärent zu kontrollieren. Die Amplitude der kohärenten und inkohärenten Oberflächenausdehnung kann mit Hilfe von Röntgenreflektivität getrennt betrachtet werden. Zusätzlich haben wir ein Beugungsmodel entwickelt, mit dem wir die Oberflächenausdehnung auf einer absoluten Längenskale mit sub-Ängström Präzision kalibrieren. Schließlich zeige ich volle kohärente Kontrolle von der angeregten Oberflächenausdehnung durch Verstärkung und Unterdrückung von thermischen und kohärenten Anregungen auf der Oberfläche einer dünnen, laserangeregten Yttriummanganat Schicht. KW - Ultrafast X-ray diffraction KW - strain KW - acoustic waves KW - Ultraschnelle Röntgenbeugung KW - akustische Wellen KW - Dehnung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417863 ER - TY - THES A1 - Rafighi, Iman T1 - Plasma Instabilities from blazar-induced pair beams propagating through IGM T1 - Plasmainstabilitäten von blazarinduzierten, durch das IGM propagierenden Paarstrahlen BT - Particle-in-Cell Simulations BT - Particle-in-Cell Simulationen N2 - Modern gamma-ray telescopes, provide the main stream of data for astrophysicists in quest of detecting the sources of gamma rays such as active galactic nuclei (AGN). Many blazars have been detected with gamma-ray telescopes such as HESS, VERITAS, MAGIC and Fermi satellite as sources of gamma-rays with the energy E ≥ 100 GeV. These very-high-energy photons interact with extragalactic background light (EBL) producing ultra-relativistic electron-positron pairs. Observations with Fermi-LAT indicate that the GeV gamma-ray flux from some blazars is lower than that predicted from the full electromagnetic cascade. The pairs can induce electrostatic and electromagnetic instabilities. In this case, wave-particle interactions can reduce the energy of the pairs. Therefore, the collective plasma effects can also substantially suppress the GeV-band gamma-ray emission affecting as well the IGMF constraints. Using Particle in cell (PIC) simulations, we have revisited the issue of plasma instabilities induced by electron-positron beams in the fully ionized intergalactic medium. This problem is related to pair beams produced by TeV radiation of blazars. The main objective of our study is to clarify the feedback of the beam-driven instabilities on the pairs. The present dissertation provides new results regarding the plasma instabilities from blazar induced pair beams interacting with intergalactic medium. This clarifies the relevance of plasma instabilities and improves our understanding of blazars. N2 - Modern Gammateleskope, sowohl bodengebundene als auch Satelliten, liefern große Datenvolumen fur die Suche nach den Quellen der hochenergetischen Gammastrahlung im Universum wie z. B. aktive galaktische Kerne (englisch: active galactic nucleus, abgekürzt AGN). Ein AGN ist die Zentralregion einer Galaxie und er besteht aus einem akkretierenden supermassiven schwarzen Loch, dessen Zentralkern einen relativistischen Plasmastrahl senkrecht zur Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs emmitiert. Blazare sind eine AGN-Subklasse und eine Quelle der hochenergetischen Gamma-strahlung. Zahlreiche Blazare mit der Photonenenergie E ≥ 100 GeV wurden in der letzten Zeit von den Gammateleskopen H.E.S.S., MAGIC, VERITAS und vom Satelliten FERMI detektiert. Diese hochenergetischen Photonen wechselwirken mit dem extragalaktischen Hintegrundlicht und erzeugen dadurch ultrarelativistische Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchenpaare werden durch verschiedene Prozesse beeinflusst und bieten ein breites und interessantes Forschunggebiet. Die vorliegende Doktorarbeit widmet sich insbesondere der Untersuchung von Plasmainstabilitäten, welche die Elektron-Positron-Paare im intergalaktischen Medium induzieren. Diese Instabilitäten sind von besonderer Wichtigkeit, da die Paare durch sie Energieverluste erfahren, welche das reduzierte Gammastrahlensignal im GeV Bereich erklären können. Die Größenordnung der blazarinduzierten Elektron-Positron-Paaredichte ist zu klein, um mit modernern Rechnern simuliert zu werden. In dieser Arbeit wurden daher andere Parameterbereiche untersucht, in welchem die Teilchenpaare sich ähnlich verhalten. Die Doktorarbeit erklärt die Wahl der Simulationsparameter anhand des analytischen Modells und stellt die Simulationsergebnisse dar. Die Ergebnisse lassen sich auf den astrophysikalischen Parameterbereich extrapolieren, so dass eine Abschätzung der Energieverluste der Paare möglich ist. Es wird gezeigt, dass die Elektron-Positron-Paare ihre Energie durch die Wechselwirkung mit den Plasmainstabilitäten etwas schneller als durch die inverse Compton-Streuung dissipieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Doktorarbeit neue relevante Ergebnisse bezüglich der Plasmainstabilitäten, erzeugt von Elektron-Positron-Paaren im intergalaktischen Mendium. Die Ergebnisse verdeutlichen die Relevanz von Plasmainstabilitäten und verbessern unser Verständnis von Blazarspektren. KW - Plasma instability KW - Blazar KW - IGM KW - PIC simulation KW - gamma rays KW - Plasmainstabilität KW - Gammastrahlung KW - Blazar KW - intergalaktisches Medium (IGM) KW - Particle-in-Cell Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417428 ER - TY - THES A1 - Feldmann, David T1 - Light-driven diffusioosmosis T1 - Licht-getriebene Diffusioosmose BT - the manipulation of colloids using azobenzene containing surfactant BT - Manipulation von Kolloiden mittels azobenzolhaltigen Tensiden N2 - The emergence of microfluidics created the need for precise and remote control of micron-sized objects. I demonstrate how light-sensitive motion can be induced at the micrometer scale by a simple addition of a photosensitive surfactant, which makes it possible to trigger hydrophobicity with light. With point-like laser irradiation, radial inward and outward hydrodynamic surface flows are remotely switched on and off. In this way, ensembles of microparticles can be moved toward or away from the irradiation center. Particle motion is analyzed according to varying parameters, such as surfactant and salt concentration, illumination condition, surface hydrophobicity, and surface structure. The physical origin of this process is the so-called light-driven diffusioosmosis (LDDO), a phenomenon that was discovered in the framework of this thesis and is described experimentally and theoretically in this work. To give a brief explanation, a focused light irradiation induces a local photoisomerization that creates a concentration gradient at the solid-liquid interface. To compensate for the change in osmotic pressure near the surface, a hydrodynamic flow along the surface is generated. Surface-surfactant interaction largely governs LDDO. It is shown that surfactant adsorption depends on the isomerization state of the surfactant. Photoisomerization, therefore, triggers a surfactant attachment or detachment from the surface. This change is considered to be one of the reasons for the formation of LDDO flow. These flows are introduced not only by a focused laser source but also by global irradiation. Porous particles show reversible repulsive and attractive interactions when dispersed in the solution of photosensitive surfactant. Repulsion and attraction is controlled by the irradiation wavelength. Illumination with red light leads to formation of aggregates, while illumination with blue light leads to the formation of a well-separated grid with equal interparticle distances, between 2µm and 80µm, depending on the particle surface density. These long-range interactions are considered to be a result of an increase or decrease of surfactant concentration around each particle, depending on the irradiation wavelength. Surfactant molecules adsorb inside the pores of the particles. A light-induced photoisomerization changes adsorption to the pores and drives surfactant molecules to the outside. The concentration gradients generate symmetric flows around each single particle resulting in local LDDO. With a break of the symmetry (i.e., by closing one side of the particle with a metal cap), one can achieve active self-propelled particle motion. N2 - Mit Aufkommen der Mikrofluidik entstand eine größere Nachfrage nach präziser und berührungsfreier Manipulation von mikrometergroßen Objekten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Bewegung im Mikrometerbereich durch ein lichtschaltbares Tensid erzeugt werden kann, deren Hydrophobizität sich durch Beleuchtung ändert. Eine fokussierte punktförmige Laserbestrahlung erzeugt einen radial nach außen oder innen gerichteten Fluss an der Substratoberfläche je nach Laserwellenlänge. Mikropartikel die sich auf der Oberfläche befinden, bewegen sich dadurch passiv mit dem Fluss entweder zum Bestrahlungspunkt hin oder vom Bestrahlungspunkt weg. Die Partikelbewegung wird in Abhängigkeit von den folgenden Parametern untersucht: Tensid- und Salzkonzentration, Bestrahlungsbedingungen, Hydrophobizität der Oberfläche und Oberflächenstruktur. Der Grund für die Bewegung kann in einem Prozess gefunden werden, der sogenannten lichtgetriebenen Diffusioosmose (LDDO), die im Rahmen dieser Dissertation entdeckt und theoretisch sowie experimentell beschrieben wurde. Der Prozess kann wie folgt betrachtet werden: Die fokussierte Bestrahlung induziert eine lokale Photo-Isomerisation der Tensidmoleküle, die eine Monomer-Konzentrationsänderung zur Folge hat. Lokal entsteht ein hierdurch ein höherer osmotischer Druck an der Oberfläche. Um den Druckunterschied an der Oberfläche auszugleichen, wird ein hydrodynamischer Fluss nahe der Oberfläche erzeugt. Hierbei bestimmt vor allem die Wechselwirkung zwischen Tensid und Oberfläche den induzierten Fluss. Es wird gezeigt, dass die Oberflächenadsorption des Tensids vom Isomerisationszustand abhängt. Somit kann eine Bestrahlung ein Ablösen von oder Anhaften an der Oberfläche erzeugen. Diese Änderung der Oberflächenkonzentration kann als einer der Gründe für die Flussentstehung angesehen werden. Diese hydrodynamischen Oberflächenflüssen können nicht nur durch einen fokussierten Laser erzeugt werden, sondern auch durch eine gesamte Bestrahlung der Oberfläche. Hierbei zeigen poröse Partikel eine reversible Anziehung und Abstoßung, wenn sie sich in einer Tensidlösung und an einer Substratoberfläche befinden. Die Wechselwirkung kann hierbei durch die Bestrahlungswellenlänge kontrolliert werden. In Dunkelheit oder in rotem Licht ziehen sich die Partikel gegenseitig an, währenddessen sie sich unter blauer Bestrahlung abstoßen und ein Partikelnetz erzeugen mit äquidistanten Abständen zwischen den Partikeln. Die Partikelabstände hängen von der Partikeldichte an der Oberfläche ab und variieren zwischen 2µm und 80µm. Der Grund für die reversible Anziehung und Abstoßung wird ähnlich zu LDDO in einer lichtinduzierten Konzentrationsänderung gesehen. Tensidmoleküle adsorbieren innerhalb der Poren der Partikel. Durch eine lichtinduzierte Isomerisation werden die Moleküle ausgestoßen. Hierbei entsteht die Konzentrationsänderung um jedes poröse Partikel herum, währenddessen sie in LDDO um den Laserpunkt entsteht. Somit werden diffusioosmotische Flüsse symmetrisch um jedes Partikel erzeugt, wohingegen sie in LDDO nur um den Laserpunkt erzeugt werden.Demzufolge stoßen sich die Partikel durch eine hydrodynamische Wechselwirkung ab. Es wird gezeigt, dass aufgrund eines Symmetriebruchs durch ein Abdecken einer Partikelhälfte eine aktive selbstgetriebene Partikelbewegung erzeugt werden kann. KW - azobenzene surfactant KW - Diffusioosmosis KW - Janus particle KW - surface KW - solid-liquid interface KW - surface flow KW - micro swimmer KW - self-propelled particle KW - light-driven KW - particles KW - azobenzolhaltige Tenside KW - Diffusioosmose KW - Janus Partikel KW - Oberfläche KW - fest-flüssig Grenzfläche KW - Oberflächenfluss KW - Mikroschwimmer KW - selbst-getriebene Partikel KW - licht-getrieben KW - Partikel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417184 ER - TY - THES A1 - Ma, Siyuan T1 - Analysis of Teukolsky equations on slowly rotating Kerr spacetimes T1 - Analyse von Teukolsky-Gleichungen auf langsam rotierende Kerr-Raumzeiten N2 - In this thesis, we treat the extreme Newman-Penrose components of both the Maxwell field (s=±1) and the linearized gravitational perturbations (or "linearized gravity" for short) (s=±2) in the exterior of a slowly rotating Kerr black hole. Upon different rescalings, we can obtain spin s components which satisfy the separable Teukolsky master equation (TME). For each of these spin s components defined in Kinnersley tetrad, the resulting equations by performing some first-order differential operator on it once and twice (twice only for s=±2), together with the TME, are in the form of an "inhomogeneous spin-weighted wave equation" (ISWWE) with different potentials and constitute a linear spin-weighted wave system. We then prove energy and integrated local energy decay (Morawetz) estimates for this type of ISWWE, and utilize them to achieve both a uniform bound of a positive definite energy and a Morawetz estimate for the regular extreme Newman-Penrose components defined in the regular Hawking-Hartle tetrad. We also present some brief discussions on mode stability for TME for the case of real frequencies. This says that in a fixed subextremal Kerr spacetime, there is no nontrivial separated mode solutions to TME which are purely ingoing at horizon and purely outgoing at infinity. This yields a representation formula for solutions to inhomogeneous Teukolsky equations, and will play a crucial role in generalizing the above energy and Morawetz estimates results to the full subextremal Kerr case. N2 - In dieser Arbeit behandeln wir die extremen Newman-Penrose-Komponenten des Maxwell-Feldes (s=±1) und die linearisierten Gravitationsstörungen (kurz "linearisierte Gravitation") (s=±2) im Äußeren eines langsam rotierenden Kerr-Schwarzen Lochs. Nach verschiedenen Reskalierungen können wir Spin s-Komponenten erhalten, die die separierbare Teukolsky-Master-Gleichung (TME) erfüllen. Für jede dieser spin s-Komponenten, die in der Kingersley-Tetrade definiert sind, werden die resultierenden Gleichungen durch Ausführen eines Differentialoperators erster Ordnung einmal und zweimal (zweimal nur für s=±2) zusammen mit dem TME ausgeführt. liegen in Form einer "inhomogenen spin-weighted wave equation" (ISWWE) mit unterschiedlichen Potentialen vor und bilden ein lineares spingewichtetes Wellensystem. Wir zeigen dann Energie und integrierte lokale Zerfall (Morawetz) Schätzungen für diese Art von ISWWE, und nutzen sie, um sowohl eine einheitliche Grenze einer positiven bestimmten Energie und eine Morawetz-Schätzung für die regulären extremen Newman-Penrose-Komponenten zu erreichen definiert in der regulären Hawking-Hartle-Tetrade. Wir präsentieren auch einige kurze Diskussionen über die Modenstabilität für TME für den Fall von echten Frequenzen. Dies besagt, dass es in einer festen subextremalen Kerr-Raumzeit keine nicht-trivialen getrennten Modenlösungen für TME gibt, die rein am Horizont und rein im Unendlichen ausgehen. Dies ergibt eine Repräsentationsformel für Lösungen zu inhomogenen Teukolsky-Gleichungen und wird eine entscheidende Rolle bei der Verallgemeinerung der obigen Energie- und Morawetz-Schätzergebnisse auf den vollen sutextremalen Kerr-Fall spielen. KW - energy estimate KW - Morawetz estimate KW - Teukolsky equations KW - slowly rotating Kerr spacetimes KW - mode stability KW - Energieschätzung KW - Morawetz-Schätzung KW - Teukolsky-Gleichungen KW - langsam rotierende Kerr-Raumzeiten KW - Modenstabilität Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414781 ER - TY - THES A1 - Paganini, Claudio Francesco T1 - The role of trapping in black hole spacetimes T1 - Über die Rolle gefangener lichtartiger Kurven in Raumzeiten mit Schwarzen Löchern N2 - In the here presented work we discuss a series of results that are all in one way or another connected to the phenomenon of trapping in black hole spacetimes. First we present a comprehensive review of the Kerr-Newman-Taub-NUT-de-Sitter family of black hole spacetimes and their most important properties. From there we go into a detailed analysis of the bahaviour of null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr spacetime. We show that most well known fundamental properties of null geodesics can be represented in one plot. In particular, one can see immediately that the ergoregion and trapping are separated in phase space. We then consider the sets of future/past trapped null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr-Newman-Taub-NUT spacetime. We show that from the point of view of any timelike observer outside of such a black hole, trapping can be understood as two smooth sets of spacelike directions on the celestial sphere of the observer. Therefore the topological structure of the trapped set on the celestial sphere of any observer is identical to that in Schwarzschild. We discuss how this is relevant to the black hole stability problem. In a further development of these observations we introduce the notion of what it means for the shadow of two observers to be degenerate. We show that, away from the axis of symmetry, no continuous degeneration exists between the shadows of observers at any point in the exterior region of any Kerr-Newman black hole spacetime of unit mass. Therefore, except possibly for discrete changes, an observer can, by measuring the black holes shadow, determine the angular momentum and the charge of the black hole under observation, as well as the observer's radial position and angle of elevation above the equatorial plane. Furthermore, his/her relative velocity compared to a standard observer can also be measured. On the other hand, the black hole shadow does not allow for a full parameter resolution in the case of a Kerr-Newman-Taub-NUT black hole, as a continuous degeneration relating specific angular momentum, electric charge, NUT charge and elevation angle exists in this case. We then use the celestial sphere to show that trapping is a generic feature of any black hole spacetime. In the last chapter we then prove a generalization of the mode stability result of Whiting (1989) for the Teukolsky equation for the case of real frequencies. The main result of the last chapter states that a separated solution of the Teukolsky equation governing massless test fields on the Kerr spacetime, which is purely outgoing at infinity, and purely ingoing at the horizon, must vanish. This has the consequence, that for real frequencies, there are linearly independent fundamental solutions of the radial Teukolsky equation which are purely ingoing at the horizon, and purely outgoing at infinity, respectively. This fact yields a representation formula for solutions of the inhomogenous Teukolsky equation, and was recently used by Shlapentokh-Rothman (2015) for the scalar wave equation. N2 - In Newtons Gravitationstheorie bewegt sich Licht auf geraden Linien durch den Raum. Entsprechend beeinflussen Massen den Verlauf von Lichtstrahlen nicht. In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie führt die Präsenz von Massen dazu, dass sich die Raumzeit, sprich das Koordinatensystem für alle physikalischen Vorgänge, verkrümmt. Da das Licht immer den kürzesten Weg nimmt, wird es nun auch abgelenkt wenn es nahe an einem Körper mit grosser Masse vorbeikommt. Der Nachweis der Lichtablenkung durch die Masse der Sonne bei einer Sonnenfinsternis durch Eddington 1919 war der erste direkte Nachweis, dass Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie richtig liegt. Eine der erstaunlichsten Vorhersagen aus Einsteins Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern. Es wird gemeinhin angenommen, dass Schwarzen Löcher die dichtesten Objekte sind, welche im Universum existieren können. Ein Schwarzes Loch ist eine Raumzeit, die so stark verkrümmt ist, dass ein Bereich existiert aus welchem nicht einmal mehr Licht entfliehen kann. Die Grenze dieses Bereiches bezeichnet man als Ereignishorizont. Beobachter, welche den Ereignishorizont überqueren, können danach nicht mehr mit Beobachtern ausserhalb kommunizieren. Die Krümmung der Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizontes ist so stark, dass sehr gewisse Lichtstrahlen, ähnlich der Planeten im Sonnensystem, auf Kreisbahnen bewegen. Das heisst, dass das Licht weder ins Schwarze Loch fällt, noch ins unendliche davon läuft. Die Bahn solcher Lichtstrahlen bezeichnet man als gefangene lichtartige Kurven. Solche Kurven existieren nur in einem beschränkten Bereich in der Nähe des Ereignishorizontes. Allerdings ist es an jedem Ort der Raumzeit möglich, lichtartige Kurven durch diesen Punkt zu finden, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve beliebig annähern und weder ins Schwarze Loch fallen noch ins unendliche davon laufen. Die Gesamtheit aller möglichen Lichtstrahlen durch einen Punkt kann durch eine Kugel, der Himmelssphäre des Beobachters, bestehend aus allen möglichen Raumrichtungen beschrieben werden. In unserer Arbeit zeigen wir, dass die Strahlen, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern, die Himmelssphäre in zwei Bereiche unterteilt. Der eine Teil besteht aus jenen Richtungen, in welche der Lichtstrahl im Schwarzen Loch endet, der andere Teil aus jenen Richtungen in welche der Lichtstrahl ins unendliche davon läuft. Die Richtungen in welcher sich die Lichtstrahlen in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern bilden eine geschlossene Kurve auf der Himmelssphäre. Diese Kurve, zusammen mit den Richtungen unter welchen das Licht im Schwarzen Loch endet, bilden den Schatten des Schwarzen Loches auf der Himmelssphäre des Beobachters. Wir konnten zeigen, dass die Form dieses Schattens Rückschlüsse auf die physikalischen Parameter, wie Ladung und Drehmoment des Schwarzen Loches, sowie die Distanz zwischen Beobachter und Schwarzem Loch zulässt. Ausserdem haben wir gezeigt, dass für masselose Felder (Skalarfelder, elektromagnetische Felder, linearisierte Gravitation) auf Raumzeiten mit einem rotierenden Schwarzen Loch, die sogenannte Modenstabillität gilt. Modenlösungen für partielle Differentialgleichungen sind Lösungen, welche ein Produkt von Lösungen in einzelner Koordinatenrichtungen sind. Modenstäbilität bedeutet nun, dass es zu diesen Feldgleichungen, auf diesen Raumzeiten keine Modenlösungen mit realen Frequenzen gibt, welche nur Energie aus der Raumzeit hinaustragen. KW - black hole KW - trapping KW - black hole shadows KW - Teukolsky master equation KW - mode stability KW - Schwarzes Loch KW - gefangene lichtartige Kurven KW - Schatten eines Schwarzen Lochs KW - Teukolsky Gleichung KW - Moden Stabilität Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414686 ER - TY - THES A1 - Kotha, Sreeram Reddy T1 - Quantification of uncertainties in seismic ground-motion prediction T1 - Quantifizierung von Unsicherheiten bei der seismischen Bodenbewegungsvorhersage N2 - The purpose of Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) at a construction site is to provide the engineers with a probabilistic estimate of ground-motion level that could be equaled or exceeded at least once in the structure’s design lifetime. A certainty on the predicted ground-motion allows the engineers to confidently optimize structural design and mitigate the risk of extensive damage, or in worst case, a collapse. It is therefore in interest of engineering, insurance, disaster mitigation, and security of society at large, to reduce uncertainties in prediction of design ground-motion levels. In this study, I am concerned with quantifying and reducing the prediction uncertainty of regression-based Ground-Motion Prediction Equations (GMPEs). Essentially, GMPEs are regressed best-fit formulae relating event, path, and site parameters (predictor variables) to observed ground-motion values at the site (prediction variable). GMPEs are characterized by a parametric median (μ) and a non-parametric variance (σ) of prediction. μ captures the known ground-motion physics i.e., scaling with earthquake rupture properties (event), attenuation with distance from source (region/path), and amplification due to local soil conditions (site); while σ quantifies the natural variability of data that eludes μ. In a broad sense, the GMPE prediction uncertainty is cumulative of 1) uncertainty on estimated regression coefficients (uncertainty on μ,σ_μ), and 2) the inherent natural randomness of data (σ). The extent of μ parametrization, the quantity, and quality of ground-motion data used in a regression, govern the size of its prediction uncertainty: σ_μ and σ. In the first step, I present the impact of μ parametrization on the size of σ_μ and σ. Over-parametrization appears to increase the σ_μ, because of the large number of regression coefficients (in μ) to be estimated with insufficient data. Under-parametrization mitigates σ_μ, but the reduced explanatory strength of μ is reflected in inflated σ. For an optimally parametrized GMPE, a ~10% reduction in σ is attained by discarding the low-quality data from pan-European events with incorrect parametric values (of predictor variables). In case of regions with scarce ground-motion recordings, without under-parametrization, the only way to mitigate σ_μ is to substitute long-term earthquake data at a location with short-term samples of data across several locations – the Ergodic Assumption. However, the price of ergodic assumption is an increased σ, due to the region-to-region and site-to-site differences in ground-motion physics. σ of an ergodic GMPE developed from generic ergodic dataset is much larger than that of non-ergodic GMPEs developed from region- and site-specific non-ergodic subsets - which were too sparse to produce their specific GMPEs. Fortunately, with the dramatic increase in recorded ground-motion data at several sites across Europe and Middle-East, I could quantify the region- and site-specific differences in ground-motion scaling and upgrade the GMPEs with 1) substantially more accurate region- and site-specific μ for sites in Italy and Turkey, and 2) significantly smaller prediction variance σ. The benefit of such enhancements to GMPEs is quite evident in my comparison of PSHA estimates from ergodic versus region- and site-specific GMPEs; where the differences in predicted design ground-motion levels, at several sites in Europe and Middle-Eastern regions, are as large as ~50%. Resolving the ergodic assumption with mixed-effects regressions is feasible when the quantified region- and site-specific effects are physically meaningful, and the non-ergodic subsets (regions and sites) are defined a priori through expert knowledge. In absence of expert definitions, I demonstrate the potential of machine learning techniques in identifying efficient clusters of site-specific non-ergodic subsets, based on latent similarities in their ground-motion data. Clustered site-specific GMPEs bridge the gap between site-specific and fully ergodic GMPEs, with their partially non-ergodic μ and, σ ~15% smaller than the ergodic variance. The methodological refinements to GMPE development produced in this study are applicable to new ground-motion datasets, to further enhance certainty of ground-motion prediction and thereby, seismic hazard assessment. Advanced statistical tools show great potential in improving the predictive capabilities of GMPEs, but the fundamental requirement remains: large quantity of high-quality ground-motion data from several sites for an extended time-period. N2 - Der Zweck der probabilistischen seismischen Gefährdungsbeurteilung (PSHA) auf einer Baustelle besteht darin, den Ingenieuren eine probabilistische Schätzung des Bodenbewegungspegels zu liefern, die mindestens einmal in der Entwurfslebensdauer der Struktur erreicht oder überschritten werden könnte. Eine Gewissheit über die vorhergesagte Bodenbewegung erlaubt es den Ingenieuren, das strukturelle Design sicher zu optimieren und das Risiko von weitreichenden Schäden oder im schlimmsten Fall eines Zusammenbruchs zu minimieren. Es liegt daher im Interesse des Ingenieurwesens, der Versicherung, der Katastrophenvorsorge und der Sicherheit der Gesellschaft insgesamt, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der Bodenbewegungsebenen des Entwurfs zu reduzieren. In dieser Studie, beschäftige ich mich mit der Quantifizierung und Reduzierung der Vorhersageunsicherheit von Regressions-basierten Bodenbewegungsvorhersage-Gleichungen (GMPEs). Im Wesentlichen sind GMPEs am besten angepasste Formeln, die Ereignis-, Pfad- und Standortparameter (Prädiktorvariablen) auf beobachtete Bodenbewegungswerte an der Stelle (Vorhersagevariable) beziehen. GMPEs sind gekennzeichnet durch einen parametrischen Median (μ) und eine nichtparametrische Varianz (σ) der Vorhersage. μ erfasst die bekannte Bodenbewegungs-Physik, d. h. Skalierung mit Erdbebenbrucheigenschaften (Ereignis), Dämpfung mit Abstand von der Quelle (Region/Pfad) und Verstärkung aufgrund lokaler Bodenbedingungen (Standort); während σ die natürliche Variabilität von Daten quantifiziert, die sich dem μ entziehen. In einem weiten Sinne ist die GMPE-Vorhersageunsicherheit kumulativ von 1) Unsicherheit bezüglich der geschätzten Regressionskoeffizienten (Unsicherheit auf μ; σ_μ) und 2) der inhärenten natürlichen Zufälligkeit von Daten (σ). Das Ausmaß der μ-Parametrisierung, die Menge und die Qualität der Bodenbewegungsdaten, die in einer Regression verwendet werden, bestimmen die Größe der Vorhersageunsicherheit: σ_μ und σ. Im ersten Schritt stelle ich den Einfluss der μ-Parametrisierung auf die Größe von σ_μ und σ vor. Überparametrisierung scheint die σ_μ zu erhöhen, da die große Anzahl von Regressionskoeffizienten (in μ) mit unzureichenden Daten geschätzt werden muss. Unterparametrisierung mindert σ_μ, aber die reduzierte Erklärungsstärke von μ spiegelt sich in aufgeblähtem σ wider. Für eine optimal parametrisierte GMPE wird eine ~ 10% ige Verringerung von σ erreicht, indem die Daten niedriger Qualität aus paneuropäischen Ereignissen mit inkorrekten Parameterwerten (von Prädiktorvariablen) verworfen werden. In Regionen mit wenigen Bodenbewegungsaufzeichnungen, ohne Unterparametrisierung, besteht die einzige Möglichkeit, σ_μ abzuschwächen, darin, langfristige Erdbebendaten an einem Ort durch kurzzeitige Datenproben an mehreren Orten zu ersetzen - die Ergodische Annahme. Der Preis der ergodischen Annahme ist jedoch aufgrund der Unterschiede in der Bodenbewegungsphysik von Region-zu-Region und von Ort-zu-Ort ein erhöhter σ. σ einer ergodischen GMPE, die aus einem generischen ergodischen Datensatz entwickelt wurde, ist viel größer als die von nicht-ergodischen GMPEs, die aus regions- und ortsspezifischen nicht-ergodischen Teilmengen entwickelt wurden - die zu dünn waren, um ihre spezifischen GMPEs zu erzeugen. Glücklicherweise konnte ich mit dem dramatischen Anstieg der erfassten Bodenbewegungsdaten an mehreren Standorten in Europa und im Nahen Osten die regions- und standortspezifischen Unterschiede bei der Bodenbewegungsskalierung quantifizieren und die GMPE mit 1) wesentlich genauerer Regionalität verbessern, und ortspezifische μ für Standorte in Italien und der Türkei, und 2) signifikant kleinere Vorhersage Varianz σ. Der Vorteil solcher Verbesserungen für GMPEs ist ziemlich offensichtlich in meinem Vergleich von PSHA-Schätzungen von ergodischen gegenüber regions- und ortsspezifischen GMPEs; wo die Unterschiede in den prognostizierten Bodenbewegungsebenen an verschiedenen Standorten in Europa und im Nahen Osten bis zu ~ 50% betragen. Die Lösung der ergodischen Annahme mit gemischten Regressionen ist machbar, wenn die quantifizierten bereichs- und ortsspezifischen Effekte physikalisch sinnvoll sind und die nicht-ergodischen Teilmengen (Regionen und Standorte) a priori durch Expertenwissen definiert werden. In Ermangelung von Expertendefinitionen demonstriere ich das Potential von maschinellen Lerntechniken bei der Identifizierung effizienter Cluster von ortsspezifischen nicht-ergodischen Untergruppen, basierend auf latenten Ähnlichkeiten in ihren Bodenbewegungsdaten. Geclusterte ortsspezifische GMPEs überbrücken die Lücke zwischen ortsspezifischen und vollständig ergodischen GMPEs mit ihrem teilweise nicht-ergodischen μ und ~ 15% kleiner als die ergodische Varianz. Die methodischen Verbesserungen der GMPE-Entwicklung, die in dieser Studie entwickelt wurden, sind auf neue Bodenbewegungsdatensätze anwendbar, um die Sicherheit der Bodenbewegungsvorhersage und damit die Bewertung der seismischen Gefährdung weiter zu verbessern. Fortgeschrittene statistische Werkzeuge zeigen ein großes Potenzial bei der Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von GMPEs, aber die grundlegende Anforderung bleibt: eine große Menge an hochwertigen Bodenbewegungsdaten von mehreren Standorten für einen längeren Zeitraum. KW - ground-motion variability KW - predictive modeling KW - mixed-effect analysis KW - Probabilistic Seismic Hazard and Risk Assessment KW - machine learning Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415743 ER - TY - THES A1 - Münch, Thomas T1 - Interpretation of temperature signals from ice cores T1 - Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen BT - insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica BT - Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten N2 - Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales. N2 - Das Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. Jedoch stellen die Daten dieses Temperaturproxys keine perfekte Aufzeichnung früherer Klimaschwankungen dar – was im Übrigen für alle Proxydaten gilt –, da neben der Temperatur eine Fülle anderer Effekte Mittelwert und Varianz der Proxyschwankungen beeinflussen und damit die direkte Interpretation der Daten in Bezug auf klimatische Veränderungen beeinträchtigen. Insbesondere trifft dies auf Gebiete mit geringen jährlichen Schneefallmengen zu, wie z.B. das Polarplateau des antarktischen Kontinents. Diese Gebiete erlauben zwar prinzipiell die Gewinnung von Proxydatensätzen, die weit in die Vergangenheit zurückreichen, allerdings erwartet man im Allgemeinen auch eine starke Beeinträchtigung des ursprünglichen, in der isotopischen Zusammensetzung des Schnees eingeprägten Temperatursignals. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten aus der Antarktis – hauptsächlich aus dem Niedrigakkumulationsgebiet von Dronning Maud Land in Ostantarktika, in dem auch die Kohnen-Station liegt –, sowie durch Anwendung statistischer und physikalischer Methoden, trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Isotopendaten über einen weiten Skalenbereich bei. Damit verbessert die vorliegende Arbeit die Anwendbarkeit dieses Temperaturproxys in Bezug auf die Rekonstruktion natürlicher Klimavariabilität. Im Speziellen wird aus den Beobachtungsdaten ein statistisches Modell abgeleitet, welches quantitativ die lokale räumliche (1–500 m-Skala) Variabilität erklärt; des Weiteren wird gezeigt, dass die zeitliche Variabilität hauptsächlich bedingt wird durch die Kombination zweier Effekte: einen klimatischen Jahreszyklus angetrieben durch den Jahresgang der Temperatur, und die Wirkung des Diffusionsprozesses auf einen zeitlich unkorrelierten Rauschterm. Diese Resultate führen zum einen zu einer wesentlich eingegrenzten Abschätzung der Repräsentativität einzelner, isotopenbasierter Proxyzeitreihen in Bezug auf lokale Temperaturveränderungen. Zum anderen beeinflussen sie erheblich die Interpretation scheinbarer Periodizitäten im Isotopensignal. Es wird darüber hinaus vermutet, dass die Gesamtstärke des Rauschens im Isotopensignal nicht nur durch die örtliche Akkumulationsrate bestimmt wird, sondern auch durch andere Parameter wie die lokale mittlere Windstärke und die räumliche und zeitliche Kohärenz der Niederschlagswichtung. Schließlich erlaubt die Erweiterung der Analyse auf größere räumliche und zeitliche Skalen die Untersuchung, inwieweit die Variabilität isotopenbasierter Proxyzeitreihen aus dem Holozän von der Zeitskala abhängt. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Proxyvariabilität erzielt, welches grundlegend dafür ist, die tatsächliche, in den Daten einzelner Zeitreihen verdeckt vorhandene Temperaturvariabilität, über einen weiten Zeitskalenbereich zu entschlüsseln. KW - climate physics KW - temperature variability KW - temperature proxy KW - proxy understanding KW - proxy uncertainty KW - stable isotopes KW - isotope variations KW - ice core KW - firn KW - noise KW - post-depositional KW - two-dimensional KW - Antarctica KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen KW - Klimaphysik KW - Klimavariabilität KW - Temperaturproxy KW - Proxyverständnis KW - Proxyunsicherheit KW - stabile Isotope KW - Eisbohrkern KW - Antarktis KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963 ER - TY - THES A1 - Valliappan, Senthamizh Pavai T1 - Solar Activity Reconstruction from Historical Observations of Sunspots T1 - Rekonstruktion der Sonnenaktivität aus historischen Beobachtungen von Sonnenflecken N2 - The solar activity and its consequences affect space weather and Earth’s climate. The solar activity exhibits a cyclic behaviour with a period of about 11 years. The solar cycle properties are governed by the dynamo taking place in the interior of the Sun, and they are distinctive. Extending the knowledge about solar cycle properties into the past is essential for understanding the solar dynamo and forecasting space weather. It can be acquired through the analysis of historical sunspot drawings. Sunspots are the dark areas, which are associated with strong magnetic fields, on the solar surface. Sunspots are the oldest and longest available observed features of solar activity. One of the longest available records of sunspot drawings is the collection by Samuel Heinrich Schwabe during 1825–1867. The sunspot sizes measured from digitized Schwabe drawings are not to scale and need to be converted into physical sunspot areas. We employed a statistical approach assuming that the area distribution of sunspots was the same in the 19th century as it was in the 20th century. Umbral areas for about 130 000 sunspots observed by Schwabe were obtained. The annually averaged sunspot areas correlate reasonably well with the sunspot number. Tilt angles and polarity separations of sunspot groups were calculated assuming them to be bipolar. There is, of course, no polarity information in the observations. We derived an average tilt angle by attempting to exclude unipolar groups with a minimum separation of the two surmised polarities and an outlier rejection method, which follows the evolution of each group and detects the moment, when it turns unipolar as it decays. As a result, the tilt angles, although displaying considerable natural scatter, are on average 5.85° ± 0.25°, with the leading polarity located closer to the equator, in good agreement with tilt angles obtained from 20th century data sets. Sources of uncertainties in the tilt angle determination are discussed and need to be addressed whenever different data sets are combined. Digital images of observations printed in the books Rosa Ursina and Prodromus pro sole mobili by Christoph Scheiner, as well as the drawings from Scheiner’s letters to Marcus Welser, are analyzed to obtain information on the positions and sizes of sunspots that appeared before the Maunder minimum. In most cases, the given orientation of the ecliptic is used to set up the heliographic coordinate system for the drawings. Positions and sizes are measured manually displaying the drawings on a computer screen. Very early drawings have no indication of the solar orientation. A rotational matching using common spots of adjacent days is used in some cases, while in other cases, the assumption that images were aligned with a zenith–horizon coordinate system appeared to be the most likely. In total, 8167 sunspots were measured. A distribution of sunspot latitudes versus time (butterfly diagram) is obtained for Scheiner’s observations. The observations of 1611 are very inaccurate, but the drawings of 1612 have at least an indication of the solar orientation, while the remaining part of the spot positions from 1618–1631 have good to very good accuracy. We also computed 697 tilt angles of apparent bipolar sunspot groups, which were observed in the period 1618–1631. We find that the average tilt angle of nearly 4° does not significantly differ from the 20th century values. The solar cycle properties seem to be related to the tilt angles of sunspot groups, and it is an important parameter in the surface flux transport models. The tilt angles of bipolar sunspot groups from various historical sets of solar drawings including from Schwabe and Scheiner are analyzed. Data by Scheiner, Hevelius, Staudacher, Zucconi, Schwabe, and Spörer deliver a series of average tilt angles spanning a period of 270 years, in addition to previously found values for 20th-century data obtained by other authors. We find that the average tilt angles before the Maunder minimum were not significantly different from modern values. However, the average tilt angles of a period 50 years after the Maunder minimum, namely for cycles 0 and 1, were much lower and near zero. The typical tilt angles before the Maunder minimum suggest that abnormally low tilt angles were not responsible for driving the solar cycle into a grand minimum. With the Schwabe (1826–1867) and Spörer (1866–1880) sunspot data, the butterfly diagram of sunspot groups extends back till 1826. A recently developed method, which separates the wings of the butterfly diagram based on the long gaps present in sunspot group occurrences at different latitudinal bands, is used to separate the wings of the butterfly diagram. The cycle-to-cycle variation in the start (F), end (L), and highest (H) latitudes of the wings with respect to the strength of the wings are analyzed. On the whole, the wings of the stronger cycles tend to start at higher latitudes and have a greater extent. The time spans of the wings and the time difference between the wings in the northern hemisphere display a quasi-periodicity of 5–6 cycles. The average wing overlap is zero in the southern hemisphere, whereas it is 2–3 months in the north. A marginally significant oscillation of about 10 solar cycles is found in the asymmetry of the L latitudes. This latest, extended database of butterfly wings provides new observational constraints, regarding the spatio-temporal distribution of sunspot occurrences over the solar cycle, to solar dynamo models. N2 - Die Sonnenaktivität und ihre Folgen beeinflussen das Weltraumwetter und das Klima. Sie zeigt ein zyklisches Verhalten mit einer Periode von etwa 11 Jahren. Die Eigenschaften des Sonnenzyklus werden durch den magnetischen Dynamo bestimmt, der im Innern der Sonne Wärmeenergie über Bewegungsenergie in magnetische Energie umwandelt. Unser Wissen über den Sonnenzyklus in der Vergangenheit zu verbessern ist wichtig für das Verständnis des Sonnendynamos und die Vorhersage des Weltraumwetters. Durch die Auswertung historischer Sonnenfleckenzeichnungen können wir diese Kenntnisse erweitern. Sonnenflecken sind die dunklen Bereiche auf der Sonnenoberfläche, die mit starken Magnetfeldern verbunden sind. Sonnenflecken sind das am längsten beobachtete Phänomen der Sonnenaktivität. Eine der umfangreichsten Beobachtungsreihen von Sonnenflecken ist die Sammlung von Samuel Heinrich Schwabe aus den Jahren 1825–1867. Die in den Zeichnungen eingetragenen Sonnenflecken sind jedoch nicht maßstäblich. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Fleckendaten des 19. Jahrhunderts unter der Annahme rekonstruiert werden können, dass deren Größnverteilung identisch zu der heutigen ist. Insgesamt konnten wir Positionen und Flächen von etwa 130 000 Sonnenflecken aus Schwabes Archiv bestimmen. Die Jahresmittel der Flächen korrelieren gut mit der so genannten Sonnenfleckenrelativzahl, einer Größe, die aus der Anzahl der Fleckengruppen und der Gesamtzahl der Flecken konstruiert wird und üblicherweise als Standardmaß für die Sonnenaktivität verwendet wird. Fleckengruppen sind zumeist bipolar mit einer magnetisch positiven und einer magnetisch negativen Teilgruppe. Der Neigungswinkel dieser Gruppen gegen den Sonnenäquator wurde ebenfalls bestimmt. Ihr Mittelwert von 5.85° ± 0.25° stimmt gut mit Werten aus dem 20. Jahrhundert überein. Zusätzlich wurden Digitalsierte Beobachtungen von Christoph Scheiner aus dem 17. Jahrhundert analysiert, um Informationen über die Zeit vor dem Maunder-Minimum, einer Periode äußerst geringer Sonnenaktivität, zu erlangen. Bei den frühesten Beobachtungen gibt es keinen Hinweis auf die Ausrichtung des Sonnenbildes. Durch die Nutzung der Sonnenrotation über zwei oder mehr Tage können wir jedoch die Ausrichtungen fixieren. Insgesamt wurden 8167 Sonnenflecken vermessen. Darüberhinaus wurden auch 697 Neigungswinkel von bipolaren Gruppen aus den Jahren 1618–1631 berechnet. Der durchschnittliche Neigungswinkel von fast 4° unterscheidet sich nicht signifikant von den Werten im 20. Jahrhundert. Die Neigungswinkel der Sonnenfleckengruppen scheinen Einfluss auf den Dynamo zu haben. Es wurden in der vorliegenden Arbeit noch weitere Neigungen bipolarer Sonnenfleckengruppen aus verschiedenen historischen Beobachtungsreihen aus 270 Jahren bestimmt, insgesamt von den Beobachtern Scheiner, Hevelius, Staudacher, Zucconi, Schwabe und Spörer. Die durchschnittlichen Neigungswinkel vor dem Maunder-Minimum unterschieden sich nicht wesentlich von modernen Werten, außer etwa 50 Jahren nach dem Maunder-Minimum, als die mittlere Neigung nahe Null war. Da die typischen Neigungswinkel vor dem Maunder-Minimum sich jedoch nicht wesentlich von modernen Werten unterscheiden, legt dies nahe, dass die ungewöhnlich niedrige Werte nicht für das Eintreten der Sonne in eine solche Minimums-Periode verantwortlich waren. Mit den Sonnenfleckendaten von Schwabe (1826–1867) und Spörer (1866–1880) reicht das so genannte Schmetterlingsdiagramm von Sonnenfleckengruppen bis 1826 zurück. Eine kürzlich entwickelte Methode, die Nord- und Südhälften des Schmetterlingsdiagramms zu trennen, zeigte Zyklus-zu-Zyklus-Variationen in der Start-, End-, und höchsten Breite der Teilflächen. Die “Schmetterlingsflächen” der stärkeren Zyklen tendieren dazu, in höheren Breiten zu starten und eine größere Ausdehnung zu haben. Nord- und Südhemisphäre der Sonne zeigen einen neu beginnenden Zyklus zu leicht unterschiedlichen Zeiten. Der Phasenunterschied schwankt langsam mit einer Quasiperiode von 5–6 Zyklen. Die oben erwähnten Resultate zeigen, wie hilfreich historische langzeit Analysen sind, um die Parameter des Sonnendynamos zu bestimmen und so Rückschlüsse auf die ihm zugrunde liegenden Prozesse ziehen zu können. KW - solar activity KW - sunspot group tilt angle KW - cycle-averaged tilt angle KW - history and philosophy of astronomy KW - Sonnenaktivität KW - Neigungswinkel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413600 ER - TY - GEN A1 - Yadavalli, Nataraja Sekhar A1 - Loebner, Sarah A1 - Papke, Thomas A1 - Sava, Elena A1 - Hurduc, Nicolae A1 - Santer, Svetlana T1 - A comparative study of photoinduced deformation in azobenzene containing polymer films T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In this paper two groups supporting different views on the mechanism of light induced polymer deformation argue about the respective underlying theoretical conceptions, in order to bring this interesting debate to the attention of the scientific community. The group of Prof. Nicolae Hurduc supports the model claiming that the cyclic isomerization of azobenzenes may cause an athermal transition of the glassy azobenzene containing polymer into a fluid state, the so-called photo-fluidization concept. This concept is quite convenient for an intuitive understanding of the deformation process as an anisotropic flow of the polymer material. The group of Prof. Svetlana Santer supports the re-orientational model where the mass-transport of the polymer material accomplished during polymer deformation is stated to be generated by the light-induced re-orientation of the azobenzene side chains and as a consequence of the polymer backbone that in turn results in local mechanical stress, which is enough to irreversibly deform an azobenzene containing material even in the glassy state. For the debate we chose three polymers differing in the glass transition temperature, 32 °C, 87 °C and 95 °C, representing extreme cases of flexible and rigid materials. Polymer film deformation occurring during irradiation with different interference patterns is recorded using a homemade set-up combining an optical part for the generation of interference patterns and an atomic force microscope for acquiring the kinetics of film deformation. We also demonstrated the unique behaviour of azobenzene containing polymeric films to switch the topography in situ and reversibly by changing the irradiation conditions. We discuss the results of reversible deformation of three polymers induced by irradiation with intensity (IIP) and polarization (PIP) interference patterns, and the light of homogeneous intensity in terms of two approaches: the re-orientational and the photo-fluidization concepts. Both agree in that the formation of opto-mechanically induced stresses is a necessary prerequisite for the process of deformation. Using this argument, the deformation process can be characterized either as a flow or mass transport. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 458 KW - light-induced deformation KW - surface-relief gratings KW - optical near-field KW - chromophore orientations KW - atomic-force; nano-objects KW - brushes KW - raman KW - elastomers KW - microscopy Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-413510 SN - 1866-8372 IS - 458 ER - TY - THES A1 - Gidion, Gunnar T1 - Akustische Resonatoren zur Analyse und Kontrolle von schwingungsfähigen Systemen am Beispiel von Streichinstrumenten und Dielektrischen Elastomeraktoren T1 - Acoustic resonators for the analysis and control of vibrational systems exemplified by bowed string instruments and dielectric elastomer actuators N2 - Die Klangeigenschaften von Musikinstrumenten werden durch das Zusammenwirken der auf ihnen anregbaren akustischen Schwingungsmoden bestimmt, welche sich wiederum aus der geometrischen Struktur des Resonators in Kombination mit den verwendeten Materialien ergeben. In dieser Arbeit wurde das Schwingungsverhalten von Streichinstrumenten durch den Einsatz minimal-invasiver piezoelektrischer Polymerfilmsensoren untersucht. Die studierten Kopplungsphänomene umfassen den sogenannten Wolfton und Schwingungstilger, die zu dessen Abschwächung verwendet werden, sowie die gegenseitige Beeinflussung von Bogen und Instrument beim Spielvorgang. An Dielektrischen Elastomeraktormembranen wurde dagegen der Einfluss der elastischen Eigenschaften des Membranmaterials auf das akustische und elektromechanische Schwingungsverhalten gezeigt. Die Dissertation gliedert sich in drei Teile, deren wesentliche Ergebnisse im Folgenden zusammengefasst werden. In Teil I wurde die Funktionsweise eines abstimmbaren Schwingungstilgers zur Dämpfung von Wolftönen auf Streichinstrumenten untersucht. Durch Abstimmung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers auf die Wolftonfrequenz kann ein Teil der Saitenschwingungen absorbiert werden, so dass die zu starke Anregung der Korpusresonanz vermieden wird, die den Wolfton verursacht. Der Schwingungstilger besteht aus einem „Wolftöter“, einem Massestück, welches auf der Nachlänge der betroffenen Saite (zwischen Steg und Saitenhalter) installiert wird. Hier wurde gezeigt, wie die Resonanzen dieses Schwingungstilgers von der Masse des Wolftöters und von dessen Position auf der Nachlänge abhängen. Aber auch die Geometrie des Wolftöters stellte sich als ausschlaggebend heraus, insbesondere bei einem nicht-rotationssymmetrischen Wolftöter: In diesem Fall entsteht – basierend auf den zu erwartenden nicht-harmonischen Moden einer massebelasteten Saite – eine zusätzliche Mode, die von der Polarisationsrichtung der Saitenschwingung abhängt. Teil II der Dissertation befasst sich mit Elastomermembranen, die als Basis von Dielektrischen Elastomeraktoren dienen, und die wegen der Membranspannung auch akustische Resonanzen aufweisen. Die Ansprache von Elastomeraktoren hängt unter anderem von der Geschwindigkeit der elektrischen Anregung ab. Die damit zusammenhängenden viskoelastischen Eigenschaften der hier verwendeten Elastomere, Silikon und Acrylat, wurden einerseits in einer frequenzabhängigen dynamisch-mechanischen Analyse des Elastomers erfasst, andererseits auch optisch an vollständigen Aktoren selbst gemessen. Die höhere Viskosität des Acrylats, das bei tieferen Frequenzen höhere Aktuationsdehnungen als das Silikon zeigt, führt zu einer Verminderung der Dehnungen bei höheren Frequenzen, so dass über etwa 40 Hertz mit Silikon größere Aktuationsdehnungen erreicht werden. Mit den untersuchten Aktoren konnte die Gitterkonstante weicher optischer Beugungsgitter kontrolliert werden, die als zusätzlicher Film auf der Membran installiert wurden. Über eine Messung der akustischen Resonanzfrequenz von Elastomermebranen aus Acrylat in 1Abhängigkeit von ihrer Vorstreckung konnte in Verbindung mit einer Modellierung des hyperelastischen Verhaltens des Elastomers (Ogden-Modell) der Schermodul bestimmt werden. Schließlich wird in Teil III die Untersuchung von Geigen und ihrer Streichanregung mit Hilfe minimal-invasiver piezoelektrischer Polymerfilme geschildert. Es konnten am Bogen und am Steg von Geigen – unter den beiden Füßen des Stegs – jeweils zwei Filmsensoren installiert werden. Mit den beiden Sensoren am Steg wurden Frequenzgänge von Geigen gemessen, welche eine Bestimmung der frequenzabhängigen Stegbewegung erlaubten. Diese Methode ermöglicht damit auch eine umfassende Charakterisierung der Signaturmoden in Bezug auf die Stegdynamik. Die Ergebnisse der komplementären Methoden von Impulsanregung und natürlichem Spielen der Geigen konnten dank der Sensoren verglichen werden. Für die Nutzung der Sensoren am Bogen – insbesondere für eine Messung des Bogendrucks – wurde eine Kalibrierung des Bogen-Sensor-Systems mit Hilfe einer Materialprüfmaschine durchgeführt. Bei einer Messung während des natürlichen Spielens wurde mit den Sensoren am Bogen einerseits die Übertragung der Saitenschwingung auf den Bogen festgestellt. Dabei konnten außerdem longitudinale Bogenhaarresonanzen identifiziert werden, die von der Position der Saite auf dem Bogen abhängen. Aus der Analyse dieses Phänomens konnte die longitudinale Wellengeschwindigkeit der Bogenhaare bestimmt werden, die eine wichtige Größe für die Kopplung zwischen Saite und Bogen ist. Mit Hilfe des Systems aus Sensoren an Bogen und Steg werden auf Grundlage der vorliegenden Arbeit Studien an Streichinstrumenten vorgeschlagen, in denen die Bespielbarkeit der Instrumente zu den jeweils angeregten Steg- und Bogenschwingungen in Beziehung gesetzt werden kann. Damit könnte nicht zuletzt auch die bisher nicht vollständig geklärte Rolle des Bogens für Klang und Bespielbarkeit besser beurteilt werden N2 - The sound of musical instruments is created by the interaction of their vibrational modes, which are a result of the geometrical structure and the material used in a certain instrument. In this thesis, the vibrations of bowed string instruments are studied by means of minimally-invasive polymer-film sensors. The investigated coupling phenomena comprise the wolf tone and the wolf-tone absorbers as well as the mutual interference between the bow and the instrument during playing. In a methodically related study, the acoustical and mechanical behaviour of dielectric elastomer actuators was examined, with a focus on the influence of the elastic membrane material and settings on the actuation and the resonator properties. The dissertation is arranged into three parts, the main findings of which are summarised in the following. In part I, the working principle of a tunable vibration absorber for the attenuation of wolf tones on bowed string instruments is investigated. By tuning the resonance frequency of the vibration absorber to match the wolf-tone frequency, a part of the string vibrations can be absorbed. Thus, a strong excitation of the body mode, which causes the wolf, can be avoided. The vibration absorber consists of a piece of mass, the wolf suppressor, which is installed on the afterlength of the concerned string (between the bridge and the tailpiece). It is shown here how the resonances of this vibration-absorber system depend on the mass and the position of the wolf suppressor on the afterlength. Moreover, also the geometry of the suppressor was found to play a role, especially in the case of a suppressor that is not axially symmetric: Then, based on the non-harmonic modes that can be expected for a mass-loaded string, an additional mode is created that depends on the polarisation of the string vibrations. The second part of the thesis deals with elastomer membranes that serve as the basis of dielectric elastomer actuators. In these systems, acoustical resonances can also be observed, due to the membrane tension. Among other things, the response of elastomer actuators also depends on the velocity of the electric excitation. The corresponding viscoelastic properties of the elastomers that are studied in this work, silicone and acrylic, were captured by two kinds frequency-response measurements. On the one hand, a dynamic-mechanical analysis with varied frequency was carried out on the pure elastomers; on the other hand, the performance of the assembled actuators was measured with a high-speed camera. The high viscosity of the acrylic, which shows larger actuation strains than the silicone at lower frequencies, leads to a reduction of strains at higher frequencies so that above 40 Hz, the silicone-based actuators achieve larger actuation strains. The investigated actuators were used to control soft diffraction gratings on the actuator membrane. By measuring the acoustical resonance frequency of acrylic elastomer membranes at different pre-stretches, the shear modulus of the material could be determined on the basis of the Ogden hyperelastic material law. Finally, in part III, an investigation of violins and their interactions with the bow is described in which minimally-invasive piezoelectric polymer films are used for vibration detection. Two film sensors were installed, respectively, on the bow and under the bridge 1of violins. With the two sensors under the bridge feet, the frequency response of violins was recorded, by which the frequency-dependent bridge motions could be determined. This method allows for a comprehensive characterisation of the signature modes with respect to the bridge dynamics. The results of the complementary methods of impulse excitation and natural playing of the violin could be compared owing to the sensors. To use the sensors on the bow – in particular, for a measurement of the bow force – the bow-sensor system was calibrated with the help of a materials testing machine. With the sensors on the bow, the transfer of string vibrations to the bow during normal playing could be captured. In the same measurement, longitudinal bow-hair resonances were identified which depend on the position of the string on the bow. The analysis of this phenomenon yielded the longitudinal wave velocity on the bow hair, an important factor for the string-bow coupling. Using the described system of sensors on the bow and the violin, further studies are proposed, in particular to relate the playability of bowed string instruments to the simultaneous bow and string vibrations. Thus, the yet incompletely fathomed role of the bow for sound and playability could be more comprehensively assessed. KW - musikalische Akustik KW - musical acoustics KW - Schwingungstilger KW - dynamic vibration absorber KW - Physik der Musikinstrumente KW - physics of musical instruments KW - Ferroelektrete KW - ferroelectrets KW - Piezoelektrische Sensoren KW - piezoelectric sensors KW - Dielektrische Elastomeraktoren KW - Geige KW - violin Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411772 ER - TY - GEN A1 - Sposini, Vittoria A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Flavio, Seno A1 - Pagnini, Gianni A1 - Metzler, Ralf T1 - Random diffusivity from stochastic equations BT - comparison of two models for Brownian yet non-Gaussian diffusion T2 - New Journal of Physics N2 - Brownian yet non-Gaussian dynamics was observed. These are processes characterised by a linear growth in time of the mean squared displacement, yet the probability density function of the particle displacement is distinctly non-Gaussian, and often of exponential(Laplace) shape. This apparently ubiquitous behaviour observed in very different physical systems has been interpreted as resulting from diffusion in inhomogeneous environments and mathematically represented through a variable, stochastic diffusion coefficient. Indeed different models describing a fluctuating diffusivity have been studied. Here we present a new view of the stochastic basis describing time dependent random diffusivities within a broad spectrum of distributions. Concretely, our study is based on the very generic class of the generalised Gamma distribution. Two models for the particle spreading in such random diffusivity settings are studied. The first belongs to the class of generalised grey Brownian motion while the second follows from the idea of diffusing diffusivities. The two processes exhibit significant characteristics which reproduce experimental results from different biological and physical systems. We promote these two physical models for the description of stochastic particle motion in complex environments. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 416 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409743 ER - 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 -