TY - THES A1 - Voroshnin, Vladimir T1 - Control over spin and electronic structure of MoS₂ monolayer via interactions with substrates T1 - Kontrolle der Spin- und elektronischen Strukturen von MoS₂-Monolagen durch Wechselwirkungen mit Substraten N2 - The molybdenum disulfide (MoS2) monolayer is a semiconductor with a direct bandgap while it is a robust and affordable material. It is a candidate for applications in optoelectronics and field-effect transistors. MoS2 features a strong spin-orbit coupling which makes its spin structure promising for acquiring the Kane-Mele topological concept with corresponding applications in spintronics and valleytronics. From the optical point of view, the MoS2 monolayer features two valleys in the regions of K and K' points. These valleys are differentiated by opposite spins and a related valley-selective circular dichroism. In this study we aim to manipulate the MoS2 monolayer spin structure in the vicinity of the K and K' points to explore the possibility of getting control over the optical and electronic properties. We focus on two different substrates to demonstrate two distinct routes: a gold substrate to introduce a Rashba effect and a graphene/cobalt substrate to introduce a magnetic proximity effect in MoS2. The Rashba effect is proportional to the out-of-plane projection of the electric field gradient. Such a strong change of the electric field occurs at the surfaces of a high atomic number materials and effectively influence conduction electrons as an in-plane magnetic field. A molybdenum and a sulfur are relatively light atoms, thus, similar to many other 2D materials, intrinsic Rashba effect in MoS2 monolayer is vanishing small. However, proximity of a high atomic number substrate may enhance Rashba effect in a 2D material as it was demonstrated for graphene previously. Another way to modify the spin structure is to apply an external magnetic field of high magnitude (several Tesla), and cause a Zeeman splitting, the conduction electrons. However, a similar effect can be reached via magnetic proximity which allows us to reduce external magnetic fields significantly or even to zero. The graphene on cobalt interface is ferromagnetic and stable for MoS2 monolayer synthesis. Cobalt is not the strongest magnet; therefore, stronger magnets may lead to more significant results. Nowadays most experimental studies on the dichalcogenides (MoS2 included) are performed on encapsulated heterostructures that are produced by mechanical exfoliation. While mechanical exfoliation (or scotch-tape method) allows to produce a huge variety of structures, the shape and the size of the samples as well as distance between layers in heterostructures are impossible to control reproducibly. In our study we used molecular beam epitaxy (MBE) methods to synthesise both MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We chose to use MBE, as it is a scalable and reproducible approach, so later industry may adapt it and take over. We used graphene/cobalt instead of just a cobalt substrate because direct contact of MoS2\ monolayer and a metallic substrate may lead to photoluminescence (PL) quenching in the metallic substrate. Graphene and hexagonal boron nitride monolayer are considered building blocks of a new generation of electronics also commonly used as encapsulating materials for PL studies. Moreover graphene is proved to be a suitable substrate for the MBE growth of transitional metal dichalcogenides (TMDCs). In chapter 1, we start with an introduction to TMDCs. Then we focus on MoS2 monolayer state of the art research in the fields of application scenario; synthesis approaches; electronic, spin, and optical properties; and interactions with magnetic fields and magnetic materials. We briefly touch the basics of magnetism in solids and move on to discuss various magnetic exchange interactions and magnetic proximity effect. Then we describe MoS2 optical properties in more detail. We start from basic exciton physics and its manifestation in the MoS2 monolayer. We consider optical selection rules in the MoS2 monolayer and such properties as chirality, spin-valley locking, and coexistence of bright and dark excitons. Chapter 2 contains an overview of the employed surface science methods: angle-integrated, angle-resolved, and spin-resolved photoemission; low energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy. In chapter 3, we describe MoS2 monolayer synthesis details for two substrates: gold monocrystal with (111) surface and graphene on cobalt thin film with Co(111) surface orientation. The synthesis descriptions are followed by a detailed characterisation of the obtained structures: fingerprints of MoS2 monolayer formation; MoS2 monolayer symmetry and its relation to the substrate below; characterisation of MoS2 monolayer coverage, domain distribution, sizes and shapes, and moire structures. In chapter~4, we start our discussion with MoS2/Au(111) electronic and spin structure. Combining density functional theory computations (DFT) and spin-resolved photoemission studies, we demonstrate that the MoS2 monolayer band structure features an in-plane Rashba spin splitting. This confirms the possibility of MoS2 monolayer spin structure manipulation via a substrate. Then we investigate the influence of a magnetic proximity in the MoS2/graphene/Co system on the MoS2 monolayer spin structure. We focus our investigation on MoS2 high symmetry points: G and K. First, using spin-resolved measurements, we confirm that electronic states are spin-split at the G point via a magnetic proximity effect. Second, combining spin-resolved measurements and DFT computations for MoS2 monolayer in the K point region, we demonstrate the appearance of a small in-plane spin polarisation in the valence band top and predict a full in-plane spin polarisation for the conduction band bottom. We move forward discussing how these findings are related to the MoS2 monolayer optical properties, in particular the possibility of dark exciton observation. Additionally, we speculate on the control of the MoS2 valley energy via magnetic proximity from cobalt. As graphene is spatially buffering the MoS2 monolayer from the Co thin film, we speculate on the role of graphene in the magnetic proximity transfer by replacing graphene with vacuum and other 2D materials in our computations. We finish our discussion by investigating the K-doped MoS2/graphene/Co system and the influence of this doping on the electronic and spin structure as well as on the magnetic proximity effect. In summary, using a scalable MBE approach we synthesised MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We found a Rashba effect taking place in MoS2/Au(111) which proves that the MoS2 monolayer in-plane spin structure can be modified. In MoS2/graphene/Co the in-plane magnetic proximity effect indeed takes place which rises the possibility of fine tuning the MoS2 optical properties via manipulation of the the substrate magnetisation. N2 - Die Molybdändisulfid-Monolage MoS2 ist ein mechanisch und chemisch robuster Direktband-Halbleiter. Seine Valley-Eigenschaften versprechen spin- und valleybezogene spintronische, valleytronische und optoelektronische Anwendungen. Hier wurde die Möglichkeit untersucht, die elektronische und Spin-Struktur von MoS2 durch Wechselwirkung mit einem Substrat zu beeinflussen. Eine Kontrolle der elektronischen Struktur und der Spinstruktur ist unerlässlich, wenn man die optischen Eigenschaften kontrollieren will. Wir haben zwei Methoden angewandt, um die Spinentartung aufzuheben. Zum einen haben wir die MoS2-Monolage einem elektrischen Potentialgradienten ausgesetzt, zum anderen einem starken Magnetfeld in der Ebene, das durch einen magnetischen Proximity-Effekt erzeugt wurde. Zu diesem Zweck haben wir zwei Systeme hergestellt: eine MoS2-Monolage auf einem Gold-Einkristall und eine MoS2-Monolage auf Graphen auf einer dünnen Kobalt-Schicht. Wir modifizierten ein zuvor vorgeschlagenes Verfahren zur Synthese der MoS2-Monolage auf der Au(111)-Oberfläche und erzielten mit der MBE-Methode eine Bedeckung von ≈0,4 MoS2-Monolage. Die Bedeckung wies eine 10×10-Überstruktur auf und bestand aus gleichmäßig verteilten und ähnlich orientierten Domänen von ≈30 nm Größe. Die Kombination aus DFT-Simulationen und spinaufgelöster Photoemissionsspektroskopie bestätigte das Vorhandensein einer Rashba-ähnlichen Spinaufspaltung in der Ebene der MoS2-Valenzbandzustände in Bereichen mit k ⃗≠0, aus Symmetriegründen mit Ausnahme des K ̅-Punktes. Wir untersuchten die Möglichkeit, die Spinstruktur der MoS2-Monolage durch den magnetischen Proximity-Effekt zu manipulieren, einschließlich der Bereiche um Hochsymmetriepunkte. Die Regionen der K ̅ und (K') ̅ Punkte sind am interessantesten, da sich dort die direkte Bandlücke der MoS2-Monolage befindet. Eine energetische Verschiebung der Valenz- und Leitungsbandzustände relativ zueinander in diesen Bereichen sollte die Kontrolle über die Valley-Aufspaltung der MoS2-Monolage ermöglichen. Andererseits sollte eine Neigung der Spinrichtung dieser Zustände in Richtung der Spinrichtung in der Ebene die optischen Auswahlregeln drastisch ändern und ein dunkles Exziton aufhellen. Wir haben ein Kobalt-Dünnschichtsubstrat aufgrund seiner in der Ebene liegenden magnetischen Anisotropie als Testobjekt für den magnetischen Proximity-Effekt gewählt. Wir benutzten die CVD-Methode, um es zunächst mit Graphen zu beschichten, und dann die MBE-Methode, um eine ≈0,4 MoS2-Monolage auf dem Substrat herzustellen. Wir platzierten das Graphen zwischen der MoS2-Monolage und der Kobalt-Dünnschicht, um zu verhindern, dass die Exzitonen von MoS2 durch das metallische Substrat ausgelöscht werden. Für die Herstellung der MoS2-Monolage auf dem Graphen/Co-Substrat haben wir ein Verfahren modifiziert, das für die Herstellung von MoS2 auf einem Graphen/Ir-Substrat vorgeschlagen wurde. Die einschichtige MoS2-Bedeckung von ≈0,4 Atomlagen zeigt eine große Fläche kristalliner Domänen von mehr als 200 nm Größe. Vier MoS2-Einheitszellen entsprechen fünf Graphen-Einheitszellen. Dies lässt auf eine 5×5-Überstruktur schließen, was durch die LEED-Bilder bestätigt wird. Andererseits zeigt die STM-Abbildung mit atomarer Auflösung eine quasi-periodische Struktur mit mehreren Arten von Moiré-Mustern. Da das epitaktische Wachstum von MoS2 entlang der Graphen-Untergitter A und B gleich wahrscheinlich ist, weist die MoS2-Monolage eine gleiche Anzahl von um 180° gedrehten Domänen (Spiegeldomänen) auf. Wir bestätigten zunächst das Vorhandensein des magnetischen Proximity-Effekts, indem wir ≈20 meV Zeeman in-plane Spinaufspaltung von MoS2-Valenzbandzuständen im Bereich von Γ ̅ sowohl in DFT-Berechnungen als auch in spinaufgelösten Photoemissionsmessungen beobachteten. Im Bereich von K ̅ stimmen Berechnungen und Messungen in Bezug auf die Spinpolarisation der Valenzbandzustände von 15% überein. Im Gegensatz dazu deuten die DFT-Berechnungen für die Leitungsbandzustände auf eine 100%ige Spinpolarisierung der Zustände hin. Dieses Ergebnis impliziert die Aufhellung der dunklen Exzitonen der MoS2-Monolage. Im Falle der Magnetisierung von Kobalt senkrecht zur Ebene sagen DFT-Berechnungen eine Spinaufspaltung von ≈16 meV bei Γ ̅ und ≈8 meV bei K ̅ und (K') ̅ voraus. Um die Leitungsbandzustände von MoS2 zu untersuchen, haben wir MoS2/Graphen/Co mit Kaliumatomen dotiert. Das resultierende System zeichnet sich dadurch aus, dass Kaliumatome unter MoS2 interkaliert sind, was den Abstand zwischen der MoS2-Monolage und dem Kobaltfilm vergrößert. Spinaufgelöste Messungen zeigten keine in-plane Spinaufspaltung der MoS2-Valenzbandzustände im Bereich von Γ ̅ und der MoS2-Leitungsbandzustände im Bereich von K ̅. Da Graphen eine Pufferschicht zwischen der MoS2-Monolage und der Kobaltschicht bildet, um ein mögliches Exzitonen-Löschen zu verhindern, untersuchten wir die Rolle von Graphen für den magnetischen Proximity-Effekt. In unseren Berechnungen ersetzten wir Graphen durch eine Graphen-Doppelschicht, h-BN, Vakuum und eine Kupfer-Monolage und kamen zu dem Schluss, dass der Effekt stark vom Orbitalüberlapp abhängt. MoS2/h-BN/Co zeigen ähnliche Ergebnisse, während MoS2-Graphen-Doppelschicht/Co und MoS2/Vakuum/Co fast keinen magnetischen Proximity-Effekt aufweisen. Zusammenfassend haben wir mittels spektroskopischer Methoden und DFT-Berechnungen bewiesen, dass die Spinstruktur einer MoS2-Monolage durch Wechselwirkung mit einem Substrat manipuliert werden kann. Wir blicken daher mit Zuversicht auf zukünftige optische Untersuchungen zur optischen Kontrolle von MoS2 und Dichalcogeniden der Gruppe VI durch den magnetischen Proximity-Effekt. KW - MoS₂ KW - Au(111) KW - gold substrate KW - magnetic proximity effect KW - dark exciton KW - Molybdenum sulfide monolayer KW - graphene KW - spin structure KW - valence band structure KW - Cobalt thin film KW - ARPES KW - Angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy KW - MBE KW - Molecular Beam Epitaxy KW - CVD KW - Chemical Vapour Deposition KW - synthesis KW - XPS KW - X-rays Photoemission Spectroscopy KW - LEED KW - Low Energy Electron Diffraction KW - MoS₂ KW - Molybdänsulfid Monolagen KW - Graphene KW - Au(111) KW - Goldsubstrat KW - magnetischer Näherungseffekt KW - dunkles Exziton KW - Spinstruktur KW - Leitungsbandstruktur KW - Kobalt-Dünnfilm KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Molekularstrahlepitaxie KW - chemische Gasphasenabscheidung KW - Synthese KW - Beugung niederenergetischer Elektronen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590709 ER - TY - THES A1 - De Andrade Queiroz, Anna Barbara T1 - The Milky Way disks, bulge, and bar sub-populations T1 - Die Scheiben, der Bulge und der Balken der Milchstraße Subpopulationen BT - a chemo-dynamical view of our Galaxy in the APOGEE + Gaia era BT - ein chemodynamischer Blick auf unsere Galaxie in der APOGEE + Gaia Ära N2 - In recent decades, astronomy has seen a boom in large-scale stellar surveys of the Galaxy. The detailed information obtained about millions of individual stars in the Milky Way is bringing us a step closer to answering one of the most outstanding questions in astrophysics: how do galaxies form and evolve? The Milky Way is the only galaxy where we can dissect many stars into their high-dimensional chemical composition and complete phase space, which analogously as fossil records can unveil the past history of the genesis of the Galaxy. The processes that lead to large structure formation, such as the Milky Way, are critical for constraining cosmological models; we call this line of study Galactic archaeology or near-field cosmology. At the core of this work, we present a collection of efforts to chemically and dynamically characterise the disks and bulge of our Galaxy. The results we present in this thesis have only been possible thanks to the advent of the Gaia astrometric satellite, which has revolutionised the field of Galactic archaeology by precisely measuring the positions, parallax distances and motions of more than a billion stars. Another, though not less important, breakthrough is the APOGEE survey, which has observed spectra in the near-infrared peering into the dusty regions of the Galaxy, allowing us to determine detailed chemical abundance patterns in hundreds of thousands of stars. To accurately depict the Milky Way structure, we use and develop the Bayesian isochrone fitting tool/code called StarHorse; this software can predict stellar distances, extinctions and ages by combining astrometry, photometry and spectroscopy based on stellar evolutionary models. The StarHorse code is pivotal to calculating distances where Gaia parallaxes alone cannot allow accurate estimates. We show that by combining Gaia, APOGEE, photometric surveys and using StarHorse, we can produce a chemical cartography of the Milky way disks from their outermost to innermost parts. Such a map is unprecedented in the inner Galaxy. It reveals a continuity of the bimodal chemical pattern previously detected in the solar neighbourhood, indicating two populations with distinct formation histories. Furthermore, the data reveals a chemical gradient within the thin disk where the content of 𝛼-process elements and metals is higher towards the centre. Focusing on a sample in the inner MW we confirm the extension of the chemical duality to the innermost regions of the Galaxy. We find stars with bar shape orbits to show both high- and low-𝛼 abundances, suggesting the bar formed by secular evolution trapping stars that already existed. By analysing the chemical orbital space of the inner Galactic regions, we disentangle the multiple populations that inhabit this complex region. We reveal the presence of the thin disk, thick disk, bar, and a counter-rotating population, which resembles the outcome of a perturbed proto-Galactic disk. Our study also finds that the inner Galaxy holds a high quantity of super metal-rich stars up to three times solar suggesting it is a possible repository of old super-metal-rich stars found in the solar neighbourhood. We also enter into the complicated task of deriving individual stellar ages. With StarHorse, we calculate the ages of main-sequence turn-off and sub-giant stars for several public spectroscopic surveys. We validate our results by investigating linear relations between chemical abundances and time since the 𝛼 and neutron capture elements are sensitive to age as a reflection of the different enrichment timescales of these elements. For further study of the disks in the solar neighbourhood, we use an unsupervised machine learning algorithm to delineate a multidimensional separation of chrono-chemical stellar groups revealing the chemical thick disk, the thin disk, and young 𝛼-rich stars. The thick disk is shown to have a small age dispersion indicating its fast formation contrary to the thin disk that spans a wide range of ages. With groundbreaking data, this thesis encloses a detailed chemo-dynamical view of the disk and bulge of our Galaxy. Our findings on the Milky Way can be linked to the evolution of high redshift disk galaxies, helping to solve the conundrum of galaxy formation. N2 - In den letzten Jahrzehnten hat die Astronomie mit großen galaktischen Durchmusterungen einen Boom erlebt. Die dadurch gewonnenen detaillierten Informationen über Millionen von Einzelsternen in der Milchstraße bringen uns der Beantwortung einer der wichtigsten Fragen der Astrophysik einen Schritt näher: Wie entstehen und entwickeln sich Galaxien? Die Milchstraße ist die einzige Galaxie, in der wir viele Sterne in ihre hochdimensionale chemische Zusammensetzung und ihren vollständigen Phasenraum zerlegen können, was analog zu fossilen Aufzeichnungen die Entstehungsgeschichte der Galaxie enthüllen kann. Für kosmologische Modelle ist es von entscheidender Bedeutung, die Prozesse zu verstehen, die zur Bildung großer Strukturen wie der Milchstraße führen; wir nennen diese Studienrichtung Galaktische Archäologie oder Nahfeldkosmologie. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Bemühungen, die Scheiben und den Bulge unserer Galaxie chemisch und dynamisch zu charakterisieren. Die Ergebnisse, die wir in dieser Arbeit vorstellen, waren nur dank des starts des astrometrischen Satelliten Gaia möglich, der das Gebiet der galaktischen Archäologie durch die präzise Messung der Positionen, Parallaxenwinkel und Eigenbewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne revolutioniert hat. Ein weiterer, aber nicht minder wichtiger Durchbruch ist die APOGEE-Durchmusterung, die Spektren im nahen Infrarot beobachtet hat, was es uns erlaubt, durch die staubigen Regionen der Milchstraße hindurchzublicken und die chemischen Fingerabdrücke von Hunderttausenden von Sternen zu bestimmen. Um die Struktur der Milchstraße genau darzustellen, verwenden und entwickeln wir das Isochrone-fitting-Tool StarHorse; diese Software kann Sternentfernungen, Aussterbezeiten und Alter vorhersagen, indem sie Astrometrie, Photometrie und Spektroskopie auf der Grundlage von Modellen der Sternentwicklung kombiniert. Der Code StarHorse ist von zentraler Bedeutung für die Berechnung von Entfernungen, bei denen Gaia -Parallaxen allein keine Bestimmung ermöglichen. Wir zeigen, dass wir durch die Kombination von Gaia, APOGEE und StarHorse eine chemische Kartographie der Milchstraßenscheiben von ihrem äußersten bis zum innersten Teil erstellen können. Eine solche Karte ist in der inneren Galaxis beispiellos und zeigt ein bimodales chemisches Muster, das auf zwei Populationen mit unterschiedlichen Entstehungsgeschichten hinweist. Darüber hinaus bestätigen die Daten einen chemischen Gradienten innerhalb der dünnen Scheibe, bei dem der Gehalt an Elementen und Metallen aus 𝛼-Prozessen zum Zentrum hin zunimmt ist. Eine Überdichte in der Anzahl der Sterne bestätigt zudem die Signatur eines Balkens in der inneren Galaxie. Modelle der Galaxienentstehung sagen gewöhnlich deren Beginn im galaktischen Zentrum voraus. Wir konzentrieren uns auf eine Stichprobe in der inneren Galaxie und erwarten, dass wir primordiale stellare Populationen finden. Wir bestätigen die chemische Bimodalität der inneren Galaxie und dass der galaktische Balken sowohl aus Sternen mit hohem als auch mit niedrigem 𝛼 besteht, was darauf hindeutet, dass sich der Balken durch säkulare Evolution gebildet hat, bei der bereits existierende Sterne eingefangen wurden. Durch die Analyse des chemischen Orbitalraums der inneren galaktischen Regionen können wir die verschiedenen Populationen, die diese komplexe Region bewohnen, unterscheiden. Wir zeigen das Vorhandensein einer dünnen Scheibe, einer dicken Scheibe, eines Balkens und einer gegenläufig rotierenden Population, die dem Ergebnis einer gestörten proto-galaktischen Scheibe ähnelt. Unsere Studie zeigt auch, dass die innere Galaxie eine große Menge an supermetallreichen Sternen enthält, die bis zum Dreifachen der solaren Metallizität reichen. Möglicherweise handelt es sich bei der Gruppe alter supermetallreicher Sterne, die in der Sonnenumgebung gefunden wurden um Kandidaten für Migranten aus den innersten Regionen. Wir befassen uns auch mit der komplizierten Aufgabe der Bestimmung individueller Sternalter. Mit StarHorse berechnen wir das Alter von Hauptreihenabzweig- und Unterriesensternen für mehrere öffentliche spektroskopische Durchmusterungen. Wir validieren unsere Ergebnisse, indem wir lineare Abhängigkeiten zwischen den chemischen Häufigkeiten und der Zeit untersuchen, da die 𝛼- und Neutroneneinfang-Elemente empfindlich auf das Alter reagieren, was auf die unterschiedlichen Zeitskalen der Anreicherung dieser Elemente zurückzuführen ist. Zur weiteren Untersuchung der Scheiben in der Sonnenumgebung verwenden wir einen nicht überwachten Algorithmus für maschinelles Lernen, um eine mehrdimensionale Trennung der chrono-chemischen Sterngruppen vorzunehmen. Dies macht die chemisch dicke Scheibe, die dünne Scheibe und junge 𝛼 Sterne erkennbar. Es zeigt sich, dass die dicke Scheibe eine geringe Altersstreuung aufweist, was auf ihre schnelle Entstehung hindeutet, während die dünne Scheibe eine große Altersspanne abdeckt. Mit bahnbrechenden Daten liefert diese Arbeit ein detailliertes chemodynamisches Bild der Scheibe und des Bulge der Galaxis. Unsere Erkenntnisse über die Milchstraße können mit der Entwicklung von Scheibengalaxien mit hoher Rotverschiebung in Verbindung gebracht werden und so zur Lösung des Rätsels der Galaxienbildung beitragen. KW - stars: distances KW - fundamental parameters KW - statistics KW - galaxy: general KW - disc KW - bulge KW - stellar content KW - Bulge KW - Scheibe KW - fundamentale Parameter KW - Galaxie: allgemein KW - Sterne: Entfernungen KW - Statistik KW - stellarer Inhalt Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590615 ER - TY - THES A1 - Schlemm, Tanja T1 - The marine ice cliff instability of the Antarctic ice sheet T1 - Die marine Eisklippeninstabilität des antarktischen Eisschildes BT - a theory of mélange-buttressed cliff calving and its application in the Parallel Ice Sheet Model BT - eine Theorie des Mélange-gebremsten Klippenkalbens und ihre Anwendung im Parallel Ice Sheet Model N2 - The Antarctic ice sheet is the largest freshwater reservoir worldwide. If it were to melt completely, global sea levels would rise by about 58 m. Calculation of projections of the Antarctic contribution to sea level rise under global warming conditions is an ongoing effort which yields large ranges in predictions. Among the reasons for this are uncertainties related to the physics of ice sheet modeling. These uncertainties include two processes that could lead to runaway ice retreat: the Marine Ice Sheet Instability (MISI), which causes rapid grounding line retreat on retrograde bedrock, and the Marine Ice Cliff Instability (MICI), in which tall ice cliffs become unstable and calve off, exposing even taller ice cliffs. In my thesis, I investigated both marine instabilities (MISI and MICI) using the Parallel Ice Sheet Model (PISM), with a focus on MICI. N2 - Der antarktische Eisschild ist das größte Süßwasserreservoir der Welt. Würde er vollständig schmelzen, würde der globale Meeresspiegel um etwa 58 m ansteigen. Die Ermittlung von Prognosen über den Beitrag der Antarktis zum Anstieg des Meeresspiegels infolge der globalen Erwärmung ist ein fortlaufender Prozess, der große Unterschiede in den Vorhersagen zur Folge hat. Einer der Gründe dafür sind Ungewissheiten im Zusammenhang mit der Physik der Eisschildmodellierung. Zu diesen Unsicherheiten gehören zwei Prozesse, die zu einem unkontrollierten Eisrückzug führen könnten: die Marine Ice Sheet Instability (MISI), die zu einem schnellen Rückzug der Grundlinie auf rückläufigem Grundgestein führt, und die Marine Ice Cliff Instability (MICI), bei der hohe Eisklippen instabil werden und abkalben, wodurch noch höhere Eisklippen freigelegt werden. In meiner Dissertation untersuchte ich beide marinen Instabilitäten (MISI und MICI) mit Hilfe des Parallel Ice Sheet Model (PISM), wobei der Schwerpunkt auf MICI lag. KW - Antarctica KW - ice sheet modelling KW - iceberg calving KW - Antarktis KW - Eisschildmodellierung KW - Eisbergkalbung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586333 ER - TY - THES A1 - Pfrang, Konstantin Johannes T1 - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations T1 - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen N2 - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate. This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year. N2 - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate. In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr. KW - PBH KW - dark matter KW - primordial black holes KW - microlensing KW - gamma-rays KW - deep learning KW - LSTM KW - LSTM KW - PBH KW - Dunkle Materie KW - Deep Learning KW - Gammastrahlung KW - Microlensing KW - Primordiale Schwarzen Löchern Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266 ER - TY - THES A1 - Damle, Mitali T1 - Gas distribution around galaxies in cosmological simulations T1 - Gasverteilung um Galaxien in kosmologischen Simulationen N2 - The evolution of a galaxy is pivotally governed by its pattern of star formation over a given period of time. The star formation rate at any given time is strongly dependent on the amount of cold gas available in the galaxy. Accretion of pristine gas from the Intergalactic medium (IGM) is thought to be one of the primary sources for star-forming gas. This gas first passes through the virial regions of the galaxy before reaching the Interstellar medium (ISM), the hub of star formation. On the other hand, owing to the evolutionary course of young and massive stars, energetic winds are ejected from the ISM to the virial regions of the galaxy. A bunch of interlinked, complex astrophysical processes, arising from the concurrent presence of both infalling as well as outbound gas, play out over a range of timescales in the halo region or the Circumgalactic medium (CGM) of a galaxy. It would not be incorrect to say that the CGM has a stronghold over the gas reserves of a galaxy and thus, plays a backhand, yet, rather pivotal role in shaping many galactic properties, some of which are also readily observable. Observing the multi-phase CGM (via spectral-line ion measurements), however, remains a non-trivial effort even today. Low particle densities as well as the CGM’s vast spatial extent, coupled with likely deviations from a spherical distribution, marr the possibility of obtaining complete, unbiased, high-quality spectral information tracing the full extent of the gaseous halo. This often incomplete information leads to multiple inferences about the CGM properties that give rise to multiple contradicting models. In this regard, computer simulations offer a neat solution towards testing and, subsequently, falsifying many of these existing CGM models. Thanks to their controlled environments, simulations are able to not only effortlessly transcend several orders of magnitude in time and space, but also get around many of the observational limitations and provide some unique views on many CGM properties. In this thesis, I focus on effectively using different computer simulations to understand the role of CGM in various astrophysical contexts, namely, the effect of Local Group (LG) environment, major merger events and satellite galaxies. In Chapter 2, I discuss the approach used for modeling various phases of the simulated z = 0 LG CGM in Hestia constrained simulations. Each of the three realizations contain a Milky Way (MW)–Andromeda (M31) galaxy pair, along with their corresponding sets of satellite galaxies, all embedded within the larger cosmological context. For characterizing the different temperature–density phases within the CGM, I model five tracer ions with cloudy ionization modeling. The cold and cool–ionized CGM (H i and Si iii respectively) in Hestia is very clumpy and distributed close to the galactic centers, while the warm-hot and hot CGM (O vi, O vii and O viii) is tenuous and volume-filling. On comparing the H i and Si iii column densities for the simulated M31 with observational measurements from Project AMIGA survey and other low-z galaxies, I found that Hestia galaxies produced less gas in the outer CGM, unlike observations. My carefully designed observational bias model subsequently revealed the possibility that some MW gas clouds might be incorrectly associated with the M31 CGM in observations, and hence, may be partly responsible for giving rise to the detected mismatch between simulated data and observations. In Chapter 3, I present results from four zoom–in, major merger, gas–rich simulations and the subsequent role of the gas, originally situated in the CGM, in influencing some of the galactic observables. The progenitor parameters are selected such that the post–merger remnants are MW–mass galaxies. We generally see a very clear gas bridge joining the merging galaxies in case of multiple passage mergers while such a bridge is mostly absent when a direct collision occurs. On the basis of particle–to–galaxy distance computations and tracer particle analysis, I found that about 33–48 percent of the cold gas contributing to the merger–induced star formation in the bridge originated from the CGM regions. In Chapter 4, I used a sample of 234 MW-mass, L* galaxies from the TNG50 cosmological simulations, with an aim of characterizing the impact of their global satellite populations on the extended cold CGM properties of their host L* halos. On the basis of halo mass and number of satellite galaxies (N_sats ), I categorized the sample into low and high mass bins, and subsequently into bottom, inter and top quartiles respectively. After confirming that satellites indeed influence the extended cold halo gas density profiles of the host galaxies, I investigated the effects of different satellite population parameters on the host halo cold CGMs. My analysis showed that there is hardly any cold gas associated with the satellite population of the lowest mass halos. The stellar mass of the most massive satellite (M_*mms ) impacted the cold gas in low mass bin halos the most, while N_sats (followed by M_*mms ) was the most influential factor for the high mass halos. In any case, how easily cold gas was stripped off the most massive satellite did not play much role. The number of massive (Stellar mass, M* > 10^8 M_solar) satellites as well as the M_*mms associated with a galaxy are two of the most crucial parameters determining how much cold gas ultimately finds its way from the satellites to the host halo. Low mass galaxies are found rather lacking on both these fronts unlike their high mass counterparts. This work highlights some aspects of the complex gas physics that constitute the basic essence of a low-z CGM. My analysis proved the importance of a cosmological environment, local surroundings and merger history in defining some key observable properties of a galactic CGM. Furthermore, I found that different satellite properties were responsible for affecting the cold–dense CGM of the low and high-mass parent galaxies. Finally, the LG emerged as an exciting prospect for testing and pinning down several intricate details about the CGM. N2 - Die zeitliche Entwicklung der Sternenentstehung in einer Galaxie ist ein bestimmender Faktor für deren Entwicklung. Dabei ist die Sternenentstehungsrate stark abhängig von der in der Galaxie verfügbaren Menge an kaltem Gas. Die Akkretion von Gas aus dem intergalaktischen Medium (IGM) wird als eine der wichtigsten Quellen für das Gasreservoir angesehen, aus dem sich junge Sterne bilden. Bei diesem Prozess passiert das Gas zunächst die virialisierten äußeren Regionen der Milchstraße bevor es das Interstellare Medium (ISM) erreicht, der wichtigste Ort für die galaktische Sternentstehung. Im Gegensatz dazu tragen energiereiche Winde Gas zurück in die virialisierten Außenbereiche der Galaxie. Diese entstehen aufgrund der spezifischen Evolutionsprozesse von besonders jungen und massereichen Sternen in der galaktischen Scheibe. Durch das Zusammenspiel von einfallendem und das die Galaxie verlassendem Gas entsteht eine Vielzahl von astrophysikalischen Prozessen welche auf unterschiedlichsten Zeitskalen sowie in der Haloregion der Galaxie und dem zirkumgalaktischen Medium (CGM) von besonderer Wichtigkeit sind. Es kann behauptet werden, dass das CGM maßgeblich über die Gasreserven der Galaxie entscheidet und daher eine elementare Rolle in der Bestimmung vieler galaktischer Eigenschaften spielt von denen mache direkt beobachtbar sind. Die Beobachtung des CGM in seinen vielen unterschiedlichen Gasphasen (durch die Spektrallinienanalyse mehrerer Ionenspezies) gestaltet sich auch heute noch als kompliziert. Die geringen Teilchendichten und die schiere Größe im Zusammenspiel mit Abweichungen von sphärischer Geometrie erschweren es, vollständige, repräsentative und hochqualitative spektrale Datensätze zu erhalten welche das volle Ausmaß das galaktischen Halos in Betracht ziehen. Diese unvollständige Informationslage führt oft zu unterschiedlichen Interpretationen der Eigenschaften des CGM welche sich in verschiedenen, sich mitunter widersprechenden Modellen, widerspiegeln. In diesem Zusammenhang bieten Computersimulationen eine elegante Lösung, um viele der CGM Modelle zu testen und schließlich zu verifizieren oder falsifizieren. Die kontrollierte Umgebung erlaubt es, das CGM mühelos auf unterschiedlichsten Größenordnungen in Raum und Zeit zu untersuchen aber auch observationstechnische Limitationen zu umgehen, um ein einzigartiges Bild der Eingenschaften des CGM zu erhalten. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf die effektive Nutzung von verschiedenen Computersimulationen, um die Rolle des CGM im verschiedenen astrophysikalischen Kontexten zu verstehen. Im Kapitel 2 diskutiere ich den Ansatz, welcher für das Modellieren derunterschiedlichen Gasphasen des CGM in der Lokalen Gruppe (LG) bei z = 0 in den ”constrained” Simulationen des Hestia Projekts angewandt worden iii ist. Jede der drei Realisierungen enthält ein Milchstraßen-M31 Paar zusammen ihren Satellitengalaxien. Alle zusammen sind dabei eingebettet in den größeren kosmologischen Kontext. Für die Charakterisierung der unterschiedlichen Temperatur-Dichte Phasen im CGM habe ich eine Gruppe von fünf Ionen gewählt welche das Vorhandensein der Phasen anzeigen. Für jede der Zellen in der Simulation habe ich das cloudy post-processing Toolkit angewandt und die entsprechenden Anteile der Ionen im Gas bestimmt. Das kalte und kühle CGM (entsprechend charakterisiert durch H i beziehungsweise Si iii) zeigt sich sehr klumpig und ist nahe an den galaktischen Zentren verteilt während das warm-heiße CGM (charakterisiert durch O vi, O vii, O viii) dünn verteilt und volumenfüllend ist. Durch den Vergleich der Säulendichten für H i und Si iii aus den Simulationen zusammen mit Beobachtungsdaten der AMIGA Durchmusterung und Studien über andere Galaxien mit geringer Rotverschiebung habe ich herausgefunden, dass hestia weniger Gas in den Außenbereichen des CGM produziert als es die Beobachtungsdaten suggerieren. Mein sorgfältig entworfenes Modell für den Beobachtungsbias hat die Möglichkeit aufgezeigt, dass in Beobachtungen mache der Milchstraße zugehörigen Gaswolken als M31-zugehörig missinterpretiert werden könnten. Im Kapitel 3 präsentiere ich Ergebnisse von vier zoom-in, major merger und gasreichen Simulationen unter dem Gesichtspunkt der Rolle des Gases, welches ursprünglich dem CGM zugehörig ist und dessen Einfluss auf einige galaktische Observablen. Die initialen Parameter sind so ausgewählt, dass die den Verschmelzungen entspringenden Galaxien eine vergleichbare Masse wie die der Milchstraße besitzen. Im Allgemeinen sehen wir eine klare Brücke von Gas im Falle von Verschmelzungen welche mehrere separate Annäherungen durchlebten. Im Vergleich dazu fehlt diese Brücke in den Fällen einer direkten Kollision. Auf der Grundlage von particle-to-galaxy Distanz Berechnungen und tracer particle Analysen habe ich herausgefunden, dass rund 33–48 Prozent des kalten Gases aus dem CGM zur Sternenentstehung, welche in Folge der Kollision erfolgt, beiträgt. In Kapitel 4 habe ich eine Stichprobe aus 234 L* Galaxien, jeweils mit der Masse der Milchstraße, aus der Kosmologischen Simulation TNG50 genutzt, um den Einfluss der globalen Begleitgalaxienpopulation auf die Eigenschaften des ausgedehnten und kalten CGM der Zentralhalos zu bestimmen. Auf der Basis der Halomasse habe ich die Galaxienhalos in Bins niedriger und hohern Masse eingeteilt. Dabei ist jeder dieser Bins wiederum unterteilt in das untere, mittlere und obere Quartil in Abhängigkeit der Anzahl der Begleitgalaxien (N_sats) im jeweiligen Halo. Nach der Bestätigung dass Begleitgalaxien in der Tat die Gasdichteprofile ihrer Zentralgalaxie beeinflussen, habe ich die Effekte von verschiedenen Populationsparametern der Begleitgalaxien auf die CGM der jeweiligen Zentralgalaxien untersucht. Meine Analyse zeigt, dass nahezu kein kaltes Gas mit der Population der Satellitengalaxien in den Halos mit der geringsten Masse assoziiert ist. Das Gas der Halos im masseärmeren Bin ist primär beeinflusst durch die stellare Masse der massereichsten Satelliten-galaxie (M_*mms), wohingegen N_sats (gefolgt von M _*mms) die Masse des kalten Gases der massereichsten Zentralhalos am signifikantesten beeinflusst hat. Unabhängig davon schien es nicht von Relevanz zu sein wie einfach das Gas von der massereichsten Satellitengalaxie abgetragen werden kann. Die Anzahl der der massereichen (M* > 10^8 M_solar) Satellitengalaxien, sowie die mit einer Galaxie assoziierten M_*mms zeigten sich als zwei der Wichtigsten Parameter um zu verstehen wie das kalte Gas von den Satellitengalaxien in den Halo transferiert wird. Im Falle von masseärmeren Galaxien scheinen sich diese in beiden Aspekten von ihren massereichen Gegenstücken zu unterscheiden und zeigen keine besondere Abhängingkeit. Diese Arbeit behandelt einige Aspekte der komplexem physikalischen Aspekte von astrophysikalischen Gasen welche die Basis für die Untersuchung des CGM bei geringen Rotverschiebungen bildet. Meine Analyse zeigt die Wichtigkeit des Kosmologischen Umfelds, die lokale Umgebung, sowie die Verschmelzungshistorie indem sie fundamentale Observablen des galaktischen CGM beeinflussen. Des weiteren habe ich herausgefunden, dass verschiedene Satelliteneigenschaften für die Beeinflussung des kalt–dichten CGM der masseärmeren und massereichen Muttergalaxien verantwortlich waren. Schließlich stellte sich heraus, dass die LG eine vielversprechendes Beispiel zum Testen und Festhalten mehrerer komplizierter Details über das CGM darstellt. KW - circumgalactic medium KW - cosmological simulations KW - local group KW - major mergers KW - satellite galaxies KW - zirkumgalaktischen Medium KW - kosmologische Computersimulationen KW - lokalen Gruppe KW - Major mergers KW - Begleitgalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590543 ER - TY - THES A1 - Maiti, Snehanshu T1 - Magnetohydrodynamic turbulence and cosmic ray transport T1 - Magnetohydrodynamische Turbulenz und Transport kosmischer Strahlung N2 - The first part of the thesis studies the properties of fast mode in magneto hydro-dynamic (MHD) turbulence. 1D and 3D numerical simulations are carried out to generate decaying fast mode MHD turbulence. The injection of waves are carried out in a collinear and isotropic fashion to generate fast mode turbulence. The properties of fast mode turbulence are analyzed by studying their energy spectral density, 2D structure functions and energy decay/cascade time. The injection wave vector is varied to study the dependence of the above properties on the injection wave vectors. The 1D energy spectrum obtained for the velocity and magnetic fields has 𝐸 (𝑘) ∝ 𝑘−2. The 2D energy spectrum and 2D structure functions in parallel and perpendicular directions shows that fast mode turbulence generated is isotropic in nature. The cascade/decay rate of fast mode MHD turbulence is proportional to 𝑘−0.5 for different kinds of wave vector injection. Simulations are also carried out in 1D and 3D to compare balanced and imbalanced turbulence. The results obtained shows that while 1D imbalanced turbulence decays faster than 1D balanced turbulence, there is no difference in the decay of 3D balanced and imbalanced turbulence for the current resolution of 512 grid points. "The second part of the thesis studies cosmic ray (CR) transport in driven MHD turbulence and is strongly dependent on it’s properties. Test particle simulations are carried out to study CR interaction with both total MHD turbulence and decomposed MHD modes. The spatial diffusion coefficients and the pitch angle scattering diffusion coefficients are calculated from the test particle trajectories in turbulence. The results confirms that the fast modes dominate the CR propagation, whereas Alfvén, slow modes are much less efficient with similar pitch angle scattering rates. The cross field transport on large and small scales are investigated next. On large/global scales, normal diffusion is observed and the diffusion coefficient is suppressed by 𝑀𝜁𝐴 compared to the parallel diffusion coefficients, with 𝜁 closer to 4 in Alfvén modes than that in total turbulence as theoretically expected. For the CR transport on scales smaller than the turbulence injection scale 𝐿, both the local and global magnetic reference frames are adopted. Super diffusion is observed on such small scales in all the cases. Particularly, CR transport in Alfvén modes show clear Richardson diffusion in the local reference frame. The diffusion transition smoothly from the Richardson’s one with index 1.5 to normal diffusion as particle’s mean free path decreases from 𝜆∥ ≫ 𝐿 to 𝜆∥ ≪ 𝐿. These results have broad applications to CRs in various astrophysical environments". N2 - Der erste Teil der Arbeit untersucht die Eigenschaften des schnellen Modus in magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenzen. Es werden numerische 1D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um eine abklingende Fast-Mode-MHD-Turbulenz zu erzeugen. Die Injektion von Wellenvektoren wird kollinear und isotrop durchgeführt, um Fast-Mode-Turbulenzen zu erzeugen. Die Eigenschaften der Fast-Mode-Turbulenz werden durch die Untersuchung ihrer Energie-Spektraldichte, 2D-Strukturfunktionen und Energieabfall-/Kaskadenzeit analysiert. Die Injektionswellenvektoren werden in verschiedenen Simulationen für unterschiedliche Arten der Injektion variiert, um die Abhängigkeit der oben genannten Eigenschaften von den Injektionswellenvektoren zu untersuchen. Das für die Geschwindigkeits- und Magnetfelder erhaltene 1D-Energiespektrum hat E(k) ∝ k−2. Das 2D-Energiespektrum und die 2D-Strukturfunktionen in parallelen und senkrechten Richtungen zeigen, dass die erzeugte Fast-Mode-Turbulenz von Natur aus isotrop ist. Die Kaskaden-/Zerfallsrate der Fast-Mode-MHD-Turbulenz ist proportional zu k−0.5 für verschiedene Arten der Wellenvektorinjektion. Es werden auch Simulationen in 1D und 3D durchgeführt, um ausgeglichene und unausgeglichene Turbulenzen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine unausgewogene 1D-Turbulenz schneller abklingt als eine ausgeglichene 1D-Turbulenz, während es bei der derzeitigen Auflösung von 512 Gitterpunkten keinen Unterschied im Abklingen von ausgeglichener und unausgewogener 3D-Turbulenz gibt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht den Transport kosmischer Strahlung (CR) in angetriebenen MHD-Turbulenzen und ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Es werden Testpartikelsimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung sowohl mit der gesamten MHD-Turbulenz als auch mit zerlegten MHD-Moden zu untersuchen. Aus den Flugbahnen der Testteilchen in der Turbulenz werden die räumlichen Diffusionskoeffizienten und die Diffusionskoeffizienten für die Streuung im Neigungswinkel berechnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die schnellen Moden die CR-Ausbreitung dominieren, während Alfv´en langsame Moden bei ähnlichen Neigungswinkelstreuungsraten viel weniger effizient sind. Der Querfeldtransport auf großen und kleinen Skalen wird als nächstes untersucht. Auf großen/globalen Skalen wird normale Diffusion beobachtet und der Diffusionskoeffizient wird durch MζA im Vergleich zu den parallelen Diffusionskoeffizienten unterdrückt, wobei ζin Alfv´en-Moden näher bei 4 liegt als in der Gesamtturbulenz, wie theoretisch erwartet. Für den CR-Transport auf Skalen, die kleiner sind als die Turbulenzinjektionsskala L, werden sowohl der lokale als auch der globale magnetische Bezugsrahmen verwendet. Auf solch kleinen Skalen wird in allen Fällen Superdiffusion beobachtet. Insbesondere der CRTransport in Alfv’en-Moden zeigt eine deutliche Richardson-Diffusion im lokalen Bezugssystem. Die Diffusion geht fließend von der Richardson-Diffusion mit dem Index 1,5 zur normalen Diffusion über, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen, λ∥, von λ∥ ≫ L auf λ∥ ≪ L abnimmt. Diese Ergebnisse haben eine breite Anwendung auf CRs in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen. KW - isotropic fast mode turbulence KW - cascade rate KW - Alfv´en mode MHD turbulence KW - cosmic ray diffusion KW - efficient scattering KW - mean free path KW - Richardson Superdiffusion KW - Alfv´en-Modus MHD-Turbulenz KW - Richardson-Superdiffusion KW - Kaskadenrate KW - Diffusion kosmischer Strahlung KW - effiziente Streuung KW - Isotroper schneller Modus Turbulenzen KW - bedeuten freie Bahn Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589030 ER - TY - THES A1 - Hantschmann, Markus T1 - Stimulated resonant inelastic X-ray scattering in transition metal systems T1 - Resonante Inelastische Röntgenstreuung in Übergangsmetall-Komplexen N2 - With the implementation of intense, short pulsed light sources throughout the last years, the powerful technique of resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) became feasible for a wide range of experiments within femtosecond dynamics in correlated materials and molecules. In this thesis I investigate the potential to bring RIXS into the fluence regime of nonlinear X-ray-matter interactions, especially focusing on the impact of stimulated scattering on RIXS in transition metal systems in a transmission spectroscopy geometry around transition metal L-edges. After presenting the RIXS toolbox and the capabilities of free electron laser light sources for ultrafast intense X-ray experiments, the thesis explores an experiment designed to understand the impact of stimulated scattering on diffraction and direct beam transmission spectroscopy on a CoPd multilayer system. The experiments require short X-ray pulses that can only be generated at free electron lasers (FEL). Here the pulses are not only short, but also very intense, which opens the door to nonlinear X-ray-matter interactions. In the second part of this thesis, we investigate observations in the nonlinear interaction regime, look at potential difficulties for classic spectroscopy and investigate possibilities to enhance the RIXS through stimulated scattering. Here, a study on stimulated RIXS is presented, where we investigate the light field intensity dependent CoPd demagnetization in transmission as well as scattering geometry. Thereby we show the first direct observation of stimulated RIXS as well as light field induced nonlinear effects, namely the breakdown of scattering intensity and the increase in sample transmittance. The topic is of ongoing interest and will just increase in relevance as more free electron lasers are planned and the number of experiments at such light sources will continue to increase in the near future. Finally we present a discussion on the accessibility of small DOS shifts in the absorption-band of transition metal complexes through stimulated resonant X-ray scattering. As these shifts occur for example in surface states this finding could expand the experimental selectivity of NEXAFS and RIXS to the detectability of surface states. We show how stimulation can indeed enhance the visibility of DOS shifts through the detection of stimulated spectral shifts and enhancements in this theoretical study. We also forecast the observation of stimulated enhancements in resonant excitation experiments at FEL sources in systems with a high density of states just below the Fermi edge and in systems with an occupied to unoccupied DOS ratio in the valence band above 1. N2 - In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung der Technik ’Resonante Inelastische Röntgenstreuung’ (RIXS) thematisiert. Vor allem wird das Thema der nichtlinearen Röntgen-Materie-Wechselwirkung an Freien Elektronenlasern wird ausführlich diskutiert. Mit der Etablierung von intensiven kurzpulsigen Röntgenquellen auf Basis von freien Elektronenlasern, ist die Möglichkeit entstanden, zeitaufgelöste Experimente im Femtosekundenbereich mit Röntgenstrahlung durchzuführen. Die dort erzeugten Pulse sind so intensiv und kurz, dass neue Effekte, die analogien in der nichtlinearen Optik haben, auftreten können. Diese neu auftretenden Effekte sind für die Röntgengemeinschaft vollkommen neu und müssen verstanden werden um freie Elektronenlaser sinnvoll auf größerer Skala, sinnvoll nutzen zu können. Außerdem könnten diese Effekte auch ganz neue experimentelle Möglichkeiten eröffnen. Deswegen beschäftigt sich diese Arbeit vor allem mit der potentiellen Möglichkeit, die RIXS Technik im nicht-linearen Licht-Materie Wechselwirkungsbereich zu bringen, die geänderten Interaktionen zu verstehen und vielleicht sogar nutzbar zu machen. Zu Beginn werden die Möglichkeiten der RIXS Technik vorgestellt. Im Anschluss wird ein von uns in Kollaboration mit dem SLAC entwickeltes und durchgeführtes Experiment vorgestellt, welches unter anderem die erste direkte Beobachtung von stimulierter resonanter inelastischer Röntgenbeugung an dünnen CoPd Multischichtsystemen ermöglicht hat. Außerdem sind intensitätsabhängige Veränderungen der Licht-Materie Wechselwirkung beobachtet worden. Speziell konnten wir einen klaren Zusammenhang zwischen dem Zusammenbruch von Streuintensität (entspricht etwa der Intensit¨ at, die nicht in direkter Strahlrichtung abgestrahlt wird) und der Vergrößerung der Transmittivität (Intensität, die in Strahlrichtung durch die Probe propagiert) feststellen. Dies konnte mit der Verschiebung von Auger und Streueffekten zu stimulierten Effekten verknüpft werden. Um das Experiment besser zu verstehen wurde ein Ratengleichungsmodell entwickelt, das intensitätsabhängige Wirkungsquerschnitte inkludiert und damit intensitätsabhängige Puls-induzierte Effekte abschätzen kann. Es konnte gezeigt werden wie die Intensitätsabhängikeit von Puls-Induzierter Transparenz, Puls-induziertem zusammenbruch der Röntgenstreuung, und die Verstärkung von Teilen des Pulses mit stimulierten Emissionen verknüpft sind. Außerdem konnten einige Aspekte identifiziert werden, die dabei helfen können um neue Experimente zu designen, die in der Lage wären durch das Ausnutzen von stimulierter Emission und damit verbundenen Spektralen verschiebungen zusätzliche Informationen aus den zu untersuchenden Systemen zu gewinnen, wie zum Beispiel über die elektronische Zustandsdichte in einer Oberflächen- oder Interface-Schicht. KW - RIXS KW - free electron laser KW - transition metal systems KW - rate equation KW - RIXS KW - resonante inelastische Röntgenstreuung KW - Freie Elektronen Laser KW - Übergangsmetall - Komplexe Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-584761 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER - TY - THES A1 - Rikani, Albano T1 - Modeling global human migration dynamics under climate change N2 - International migration has been an increasing phenomenon during the past decades and has involved all the regions of the globe. Together with fertility and mortality rates, net migration rates represent the components that fully define the demographic evolution of the population in a country. Therefore, being able to capture the patterns of international migration flows and to produce projections of how they might change in the future is of relevant importance for demographic studies and for designing policies informed on the potential scenarios. Existing forecasting methods do not account explicitly for the main drivers and processes shaping international migration flows: existing migrant communities at the destination country, termed diasporas, would reduce the costs of migration and facilitate the settling for new migrants, ultimately producing a positive feedback; accounting for the heterogeneity in the type of migration flows, e.g. return and transit Ćows, becomes critical in some specific bilateral migration channels; in low- to middle- income countries economic development could relax poverty constraint and result in an increase of emigration rates. Economic conditions at both origin and destination are identified as major drivers of international migration. At the same time, climate change impacts have already appeared on natural and human-made systems such as the economic productivity. These economic impacts might have already produced a measurable effect on international migration flows. Studies that provide a quantification of the number of migration moves that might have been affected by climate change are usually specific to small regions, do not provide a mechanistic understanding of the pathway leading from climate change to migration and restrict their focus to the effective induced flows, disregarding the impact that climate change might have had in inhibiting other flows. Global climate change is likely to produce impacts on the economic development of the countries during the next decades too. Understanding how these impacts might alter future global migration patterns is relevant for preparing future societies and understanding whether the response in migration flows would reduce or increase population's exposure to climate change impacts. This doctoral research aims at investigating these questions and fill the research gaps outlined above. First, I have built a global bilateral international migration model which accounts explicitly for the diaspora feedback, distinguishes between transit and return flows, and accounts for the observed non-linear effects that link emigration rates to income levels in the country of origin. I have used this migration model within a population dynamic model where I account also for fertility and mortality rates, producing hindcasts and future projections of international migration flows, covering more than 170 countries. Results show that the model reproduces past patterns and trends well. Future projections highlight the fact that,depending on the assumptions regarding future evolution of income levels and between-country inequality, migration at the end of the century might approach net zero or be still high in many countries. The model, parsimonious in the explanatory variables that includes, represents a versatile tool for assessing the impacts of different socioeconomic scenarios on international migration. I consider then a counterfactual past without climate change impacts on the economic productivity. By prescribing these counterfactual economic conditions to the migration model I produce counterfactual migration flows for the past 30 years. I compare the counterfactual migration flows to factual ones, where historical economic conditions are used to produce migration flows. This provides an estimation of the recent international migration flows attributed to climate change impacts. Results show that a counterfactual world without climate change would have seen less migration globally. This effect becomes larger if I consider separately the increase and decrease in migration moves: a Ągure of net change in the migration flows is not representative of the effective magnitude of the climate change impact on migration. Indeed, in my results climate change produces a divergent effect on richer and poorer countries: by slowing down the economic development, climate change might have reduced international mobility from and to countries of the Global South, and increased it from and to richer countries in the Global North. I apply the same methodology to a scenario of future 3℃ global warming above pre-industrial conditions. I Ąnd that climate change impacts, acting by reorganizing the relative economic attractiveness of destination countries or by affecting the economic growth in the origin, might produce a substantial effect in international migration flows, inhibiting some moves and inducing others. Overall my results suggest that climate change might have had and might have in the future a significant effect on global patterns of international migration. It also emerges clearly that, for a comprehensive understanding of the effects of climate change on international migration, we need to go beyond net effects and consider separately induced and inhibited flows. N2 - Die internationale Migration ist in den letzten Jahrzehnten ein zunehmendes Phänomen, das alle Regionen der Welt betrifft. Die wirtschaftlichen Bedingungen sowohl im Herkunftsals auch im Zielland gelten als wichtige Triebkräfte der internationalen Migration. Die wirtschaftlichen Auswirkungen des Klimawandels haben sich in der Vergangenheit bereits messbar auf die internationalen Migrationsströme ausgewirkt, und künftige Auswirkungen werden dies wahrscheinlich ebenfalls tun. Diese Dissertation zielt darauf ab, dieses Thema zu untersuchen. Zunächst habe ich ein globales bilaterales internationales Migrationsmodell entwickelt, das explizit die wichtigsten Triebkräfte der internationalen Migration berücksichtigt. Ich habe dieses Migrationsmodell für die Erstellung retrospektiver und zukünftiger Projektionen der internationalen Migrationsströme weltweit verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell die Muster und Trends der Vergangenheit gut wiedergibt, und die Zukunftsprojektionen verdeutlichen, dass je nach den Annahmen über die künftige Entwicklung des Einkommensniveaus und der Ungleichheit zwischen den Ländern die Migration gegen Null gehen oder in vielen Ländern bis zum Ende des Jahrhunderts noch hoch sein könnte. Anschließend betrachte ich eine kontrafaktische Vergangenheit, in der der Klimawandel keine Auswirkungen auf die wirtschaftliche Produktivität hat. Ich vergleiche die kontrafaktischen Migrationsströme mit den faktischen Strömen. Die Ergebnisse zeigen, dass es in einer kontrafaktischen Welt ohne Klimawandel weniger globale Migration gegeben hätte. Dieser Effekt wird sogar noch größer, wenn ich den Anstieg und den Rückgang der Migrationsströme getrennt betrachte. Ich wende dieselbe Methodik auf ein Szenario einer zukünftigen globalen Erwärmung von 3℃ über den vorindustriellen Bedingungen an. Ich komme zu dem Schluss, dass die Folgen des Klimawandels erhebliche Auswirkungen auf die internationalen Migrationsströme haben könnten, indem sie die relative wirtschaftliche Attraktivität der Zielländer verändern oder das Wirtschaftswachstum in den Herkunftsländern beeinträchtigen, wodurch einige Wanderungen verhindert und andere ausgelöst werden. Insgesamt deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass der Klimawandel möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die globalen Muster der internationalen Migration hatte und auch weiterhin haben wird. Es wird auch deutlich, dass wir, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die internationale Migration vollständig zu verstehen, über die Nettoeffekte hinausgehen und die induzierten und gehemmten Ströme getrennt betrachten müssen. KW - climate change KW - international migration KW - macroeconomic impacts KW - international migration modeling KW - Klimawandel KW - internationale Migration KW - Modellierung der internationalen Migration KW - makroökonomische Folgen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583212 ER - TY - THES A1 - Kruse, Marlen T1 - Characterization of biomolecules and their interactions using electrically controllable DNA nanolevers N2 - In this work, binding interactions between biomolecules were analyzed by a technique that is based on electrically controllable DNA nanolevers. The technique was applied to virus-receptor interactions for the first time. As receptors, primarily peptides on DNA nanostructures and antibodies were utilized. The DNA nanostructures were integrated into the measurement technique and enabled the presentation of the peptides in a controllable geometrical order. The number of peptides could be varied to be compatible to the binding sites of the viral surface proteins. Influenza A virus served as a model system, on which the general measurability was demonstrated. Variations of the receptor peptide, the surface ligand density, the measurement temperature and the virus subtypes showed the sensitivity and applicability of the technology. Additionally, the immobilization of virus particles enabled the measurement of differences in oligovalent binding of DNA-peptide nanostructures to the viral proteins in their native environment. When the coronavirus pandemic broke out in 2020, work on binding interactions of a peptide from the hACE2 receptor and the spike protein of the SARS-CoV-2 virus revealed that oligovalent binding can be quantified in the switchSENSE technology. It could also be shown that small changes in the amino acid sequence of the spike protein resulted in complete loss of binding. Interactions of the peptide and inactivated virus material as well as pseudo virus particles could be measured. Additionally, the switchSENSE technology was utilized to rank six antibodies for their binding affinity towards the nucleocapsid protein of SARS-CoV-2 for the development of a rapid antigen test device. The technique was furthermore employed to show binding of a non-enveloped virus (adenovirus) and a virus-like particle (norovirus-like particle) to antibodies. Apart from binding interactions, the use of DNA origami levers with a length of around 50 nm enabled the switching of virus material. This proved that the technology is also able to size objects with a hydrodynamic diameter larger than 14 nm. A theoretical work on diffusion and reaction-limited binding interactions revealed that the technique and the chosen parameters enable the determination of binding rate constants in the reaction-limited regime. Overall, the applicability of the switchSENSE technique to virus-receptor binding interactions could be demonstrated on multiple examples. While there are challenges that remain, the setup enables the determination of affinities between viruses and receptors in their native environment. Especially the possibilities regarding the quantification of oligo- and multivalent binding interactions could be presented. N2 - In dieser Arbeit wurden Bindungsinteraktionen zwischen biologischen Molekülen mit Hilfe von elektrisch kontrollierbaren DNA-Nanohebeln untersucht. Die Technologie wurde zum ersten Mal auf Virus-Rezeptor Interaktionen angewendet. Als Rezeptoren wurden überwiegend Peptide und Antikörper untersucht. Die Peptide wurden auf vierarmigen DNA-Nanohebeln angeordnet. Ihre geometrische Anordnung entsprach der Anordnung der Rezeptorbindungsstellen der Proteine auf der Virusoberfläche. An Influenza A Viren wurde die Machbarkeit der Bindungsmessung zuerst demonstriert. Dabei konnte die Anwendbarkeit und Sensitivität der Technologie durch Variation der Peptide, der Ligandendichte auf der Sensoroberfläche, der Messtemperatur und der Virussubtypen gezeigt werden. Weiterhin wurde Virusmaterial auf der Sensoroberfläche immobilisiert und anschließend wurden quantitative Bindungsmessungen mit den oligovalenten DNA-Peptid-Strukturen durchgeführt. Dieser Versuchsaufbau ermöglichte die Messung der Bindungsstärke in Abhängigkeit der Anzahl der pro DNA-Struktur gekoppelten Peptide. Im Zuge des Ausbruchs der Coronavirus-Pandemie im Jahr 2020 wurden Bindungsinteraktionsmessungen zwischen einem Peptid aus dem hACE2-Rezeptor und SARS-CoV-2 Spike Proteinen durchgeführt. Auch hier konnten oligovalente Bindungseffekte quantifiziert werden. Außerdem wurde festgestellt, dass Veränderungen an der Aminosäuresequenz des SARS-CoV-2 Proteins starke Auswirkungen auf das Bindungsverhalten hatten. Auch Interaktionen zwischen dem Peptid und sowohl inaktiviertem Virusmaterial als auch Pseudoviruspartikeln wurden gemessen. Für die Entwicklung eines Antigenschnelltests wurden die Affinitäten von sechs Antikörpern an das Nucleocapsidprotein des SARS-CoV-2 bestimmt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit der Technologie auch die Bindung von unbehüllten Viren (am Beispiel von Adenoviren) und Virus-ähnlichen Partikeln (am Beispiel von Norovirus-ähnlichen Partikeln) an Antikörper vermessen werden kann. Neben Bindungsinteraktionen, wurden auch Größenbestimmungen mit Hilfe von DNA Origamis durchgeführt. Die Hebellänge von ca. 50 nm ermöglichte die elektrische Bewegung ("switching") von Virusmaterial. Es konnte so gezeigt werden, dass die Technologie es ermöglicht, Objekte mit einem hydrodynamischen Durchmesser von mehr als 14 nm zu bewegen. In einer theoretischen Betrachtung der Experimente konnte gezeigt werden, dass der Sensoraufbau und die verwendeten Parameter die Messung von Bindungsratenkonstanten in einem Reaktions-limitierten Bereich ermöglichen. Insgesamt konnte die Arbeit an vielen Beispielen zeigen, dass die switch-SENSE Technologie für die Messung von Virus-Rezeptor Interaktionen geeignet ist. Während es weiterhin Herausforderungen gibt, so ermöglicht der Aufbau doch die Bestimmung von Affinitäten zwischen Viren und Rezeptoren. Insbesondere die Möglichkeiten zur Quantifizierung von oligo- und multivalenten Bindungsinteraktionen konnten aufgezeigt werden. T2 - Charakterisierung von Biomolekülen und deren Interaktionen mittels elektrisch kontrollierbarer DNA Nanohebel KW - biomolecule KW - binding interactions KW - switchSENSE KW - virus KW - receptor KW - Biomoleküle KW - Bindungsinteraktion KW - switchSENSE Technologie KW - Virus KW - Rezeptor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577384 ER - TY - THES A1 - Ehlert, Kristian T1 - Simulations of active galactic nuclei feedback with cosmic rays and magnetic fields N2 - The central gas in half of all galaxy clusters shows short cooling times. Assuming unimpeded cooling, this should lead to high star formation and mass cooling rates, which are not observed. Instead, it is believed that condensing gas is accreted by the central black hole that powers an active galactic nuclei jet, which heats the cluster. The detailed heating mechanism remains uncertain. A promising mechanism invokes cosmic ray protons that scatter on self-generated magnetic fluctuations, i.e. Alfvén waves. Continuous damping of Alfvén waves provides heat to the intracluster medium. Previous work has found steady state solutions for a large sample of clusters where cooling is balanced by Alfvénic wave heating. To verify modeling assumptions, we set out to study cosmic ray injection in three-dimensional magnetohydrodynamical simulations of jet feedback in an idealized cluster with the moving-mesh code arepo. We analyze the interaction of jet-inflated bubbles with the turbulent magnetized intracluster medium. Furthermore, jet dynamics and heating are closely linked to the largely unconstrained jet composition. Interactions of electrons with photons of the cosmic microwave background result in observational signatures that depend on the bubble content. Those recent observations provided evidence for underdense bubbles with a relativistic filling while adopting simplifying modeling assumptions for the bubbles. By reproducing the observations with our simulations, we confirm the validity of their modeling assumptions and as such, confirm the important finding of low-(momentum) density jets. In addition, the velocity and magnetic field structure of the intracluster medium have profound consequences for bubble evolution and heating processes. As velocity and magnetic fields are physically coupled, we demonstrate that numerical simulations can help link and thereby constrain their respective observables. Finally, we implement the currently preferred accretion model, cold accretion, into the moving-mesh code arepo and study feedback by light jets in a radiatively cooling magnetized cluster. While self-regulation is attained independently of accretion model, jet density and feedback efficiencies, we find that in order to reproduce observed cold gas morphology light jets are preferred. N2 - Das zentrale Gas in der Hälfte aller Galaxienhaufen weist kurze Kühlzeiten auf. Dies sollte zu hohen Sternentstehungs- und Massenkühlungsraten führen. Bei ungehinderter Kühlung würden jedoch viel mehr Sterne entstehen als beobachtet. Stattdessen wird vermutet, dass das kondensierende Gas durch das zentrale Schwarze Loch akkretiert wird, das einen aktiven Galaxienkerne antreibt, der den Haufen heizt. Der genaue Heizmechanismus ist noch unklar. Ein vielversprechender Mechanismus geht von Protonen der kosmischen Strahlung aus, die an selbst erzeugten magnetischen Fluktuationen, d.h. Alfvénwellen, streuen. Die kontinuierliche Dämpfung der Alfvénwellen heizt das Gas. Für eine große Anzahl von Galaxienhaufen wurden stationäre Lösungen gefunden, bei denen Kühlen durch Alfvénwellenheizen ausgeglichen wird. Um die Modellierungsannahmen zu überprüfen, untersuchen wir die CR-Injektion in magnetohydrodynamischen 3D-Simulationen von Jets in einem idealisierten Cluster mit dem Code arepo. Wir simulieren die Entstehung und Entwicklung von Gasblasen durch energetische Ausflüsse in einer turbulenten, magnetische Atmosphäre. Darüberhinaus ist die Dynamik des Jets und das Heizen eng verknüpft mit der soweit unklaren Zusammensetzung des Jets. DieWechselwirkung von Elektronen mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund führt zu beobachtbaren Signaturen, die vom Inhalt der Blasen abhängen. Diese jüngsten Beobachtungen lieferten Beweise für unterdichte Blasen mit einer relativistischen Füllung, wobei vereinfachende Modellannahmen für die Blasen angenommen wurden. Indem wir die Beobachtungen mit unseren Simulationen reproduzieren, bestätigen wir die Gültigkeit ihrer Modellannahmen und damit die wichtige Erkenntnis, dass Jets eine niedrige (Impuls-)Dichte haben. Außerdem haben die Geschwindigkeits- und Magnetfeldstruktur der Haufenatmosphäre tiefgreifende Auswirkungen auf die Blasenentwicklung und Heizprozesse. Da Geschwindigkeits- und Magnetfelder physikalisch gekoppelt sind, zeigen wir, dass numerische Simulationen dazu beitragen können, die jeweiligen Beobachtungsdaten in direkte Verbindung zu setzen, um sie dadurch besser abschätzen zu können. Schließlich implementieren wir das derzeit bevorzugte Akkretionsmodell, cold accretion, in arepo und untersuchen die Rückkopplung durch leichte Jets in einem explizit kühlenden magnetisierten Haufen. Während die Selbstregulierung unabhängig vom Akkretionsmodell, der Jetdichte und der Jeteffizienz erreicht wird, ist die Morphologie des kalten Gases bei Simulationen mit leichten Jets Beobachtungen am ähnlichsten. T2 - Simulationen vom Heizen von Galaxienhaufen durch aktive Galaxienkerne mit kosmischer Strahlung und Magnetfeldern KW - galaxy clusters KW - intracluster medium KW - active galactic nuclei KW - magnetohydrodynamics KW - cosmic rays KW - Galaxienhaufen KW - aktive Galaxienkerne KW - Magnetohydrodynamik KW - kosmische Strahlung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-578168 ER - TY - THES A1 - Mayer, Dennis T1 - Time-resolved x-ray spectroscopy of 2-thiouracil T1 - Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie an 2-Thiouracil N2 - In this thesis, I present my contributions to the field of ultrafast molecular spectroscopy. Using the molecule 2-thiouracil as an example, I use ultrashort x-ray pulses from free- electron lasers to study the relaxation dynamics of gas-phase molecular samples. Taking advantage of the x-ray typical element- and site-selectivity, I investigate the charge flow and geometrical changes in the excited states of 2-thiouracil. In order to understand the photoinduced dynamics of molecules, knowledge about the ground-state structure and the relaxation after photoexcitation is crucial. Therefore, a part of this thesis covers the electronic ground-state spectroscopy of mainly 2-thiouracil to provide the basis for the time-resolved experiments. Many of the previously published studies that focused on the gas-phase time-resolved dynamics of thionated uracils after UV excitation relied on information from solution phase spectroscopy to determine the excitation energies. This is not an optimal strategy as solvents alter the absorption spec- trum and, hence, there is no guarantee that liquid-phase spectra resemble the gas-phase spectra. Therefore, I measured the UV-absorption spectra of all three thionated uracils to provide a gas-phase reference and, in combination with calculations, we determined the excited states involved in the transitions. In contrast to the UV absorption, the literature on the x-ray spectroscopy of thionated uracil is sparse. Thus, we measured static photoelectron, Auger-Meitner and x-ray absorption spectra on the sulfur L edge before or parallel to the time-resolved experiments we performed at FLASH (DESY, Hamburg). In addition, (so far unpublished) measurements were performed at the synchrotron SOLEIL (France) which have been included in this thesis and show the spin-orbit splitting of the S 2p photoline and its satellite which was not observed at the free-electron laser. The relaxation of 2-thiouracil has been studied extensively in recent years with ultrafast visible and ultraviolet methods showing the ultrafast nature of the molecular process after photoexcitation. Ultrafast spectroscopy probing the core-level electrons provides a complementary approach to common optical ultrafast techniques. The method inherits its local sensitivity from the strongly localised core electrons. The core energies and core-valence transitions are strongly affected by local valence charge and geometry changes, and past studies have utilised this sensitivity to investigate the molecular process reflected by the ultrafast dynamics. We have built an apparatus that provides the requirements to perform time-resolved x-ray spectroscopy on molecules in the gas phase. With the apparatus, we performed UV-pump x-ray-probe electron spectroscopy on the S 2p edge of 2-thiouracil using the free-electron laser FLASH2. While the UV triggers the relaxation dynamics, the x-ray probes the single sulfur atom inside the molecule. I implemented photoline self-referencing for the photoelectron spectral analysis. This minimises the spectral jitter of the FEL, which is due to the underlying self-amplified spontaneous emission (SASE) process. With this approach, we were not only able to study dynamical changes in the binding energy of the electrons but also to detect an oscillatory behaviour in the shift of the observed photoline, which we associate with non-adiabatic dynamics involving several electronic states. Moreover, we were able to link the UV-induced shift in binding energy to the local charge flow at the sulfur which is directly connected to the electronic state. Furthermore, the analysis of the Auger-Meitner electrons shows that energy shifts observed at early stages of the photoinduced relaxation are related to the geometry change in the molecule. More specifically, the observed increase in kinetic energy of the Auger-Meitner electrons correlates with a previously predicted C=S bond stretch. N2 - In dieser Arbeit präsentiere ich meine Beiträge zum Gebiet der ultraschnellen Molekülspektroskopie. Am Beispiel des Moleküls 2-Thiouracil verwende ich ultrakurze Röntgenpulse von Freie-Elektronen-Lasern, um die Relaxationsdynamik von Molekülproben in der Gasphase zu untersuchen. Unter Ausnutzung der für Röntgenstrahlung typischen Element- und Ortsselektivität untersuche ich den Ladungsfluss und die geometrischen Veränderungen in den angeregten Zuständen von 2-Thiouracil. Um die photoinduzierte Dynamik von Molekülen zu verstehen, ist das Wissen über die Grundzustandsstruktur und die Relaxation nach Photoanregung entscheidend. Daher befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der elektronischen Grundzustandsspektroskopie von 2-Thiouracil, um die Grundlage für die zeitaufgelösten Experimente zu schaffen. Viele der bisher veröffentlichten Studien, die sich mit der zeitaufgelösten Dynamik von Thiouracilen in der Gasphase nach UV-Anregung befassten, stützten sich zur Bestimmung der Anregungsenergien auf Informationen aus der Spektroskopie in Lösung. Dies ist nicht optimal, da Lösungsmittel das Absorptionsspektrum verändern und es daher keine Garantie dafür gibt, dass die Spektren in Lösung den Spektren der Gasphase ähneln. Daher habe ich die UV-Absorptionsspektren aller drei Thiouracile gemessen, um eine Referenz für die Gasphase zu erhalten, und in Kombination mit Berechnungen die an den Übergängen beteiligten angeregten Zustände bestimmt. Im Gegensatz zur UV-Absorption ist die Literatur zur Röntgenspektroskopie von thioniertem Uracil spärlich. Daher haben wir statische Photoelektronen-, Auger-Meitner- und Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel-L-Kante vor oder parallel zu den zeitaufgelösten Experimenten an FLASH (DESY, Hamburg) gemessen. Darüber hinaus wurden (bisher unveröffentlichte) Messungen am Synchrotron SOLEIL (Frankreich) durchgeführt, die in diese Arbeit eingeflossen sind und die Spin-Orbit-Aufspaltung der S 2p-Photolinie und ihres Satelliten zeigen, die am Freie-Elektronen-Laser nicht beobachtet wurde. Die Relaxation von 2-Thiouracil wurde in den letzten Jahren ausgiebig mit ultraschnellen Methoden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht, die die ultraschnelle Natur des molekularen Prozesses nach der Photoanregung zeigen. Die ultraschnelle Spektroskopie, bei der die Elektronen des Kernniveaus untersucht werden, bietet einen ergänzenden Ansatz zu den üblichen optischen Techniken. Die Methode erhält ihre lokale Empfindlichkeit durch die stark lokalisierten Kernelektronen. Die Kernenergien und Kern-Valenz-Übergänge werden stark von lokalen Valenzladungs- und Geometrieänderungen beeinflusst, und frühere Studien haben diese Empfindlichkeit genutzt, um den molekularen Prozess zu untersuchen, der sich in der ultraschnellen Dynamik widerspiegelt. Wir haben eine Apparatur gebaut, die die Voraussetzungen für die Durchführung zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an Molekülen in der Gasphase bietet. Mit dieser Apparatur haben wir Anregungs-Abfrage-Elektronenspektroskopie an der S 2p-Kante von 2-Thiouracil an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH2 durchgeführt. Zuerst triggert ein UV-Puls die Relaxationsdynamik und anschließend tastet ein Röntgenpuls das einzelne Schwefelatom im Inneren des Moleküls ab. Für die Analyse der Photoelektronenspektren habe ich eine Selbstrefernzierung der Photolinie implementiert, mit deren Hilfe der spektrale Jitter des FEL minimiert werden konnte. Dieser ist auf den zugrunde liegenden Prozess der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) zurückzuführen. Mit diesem Ansatz konnten wir nicht nur dynamische Veränderungen in der Bindungsenergie der Elektronen untersuchen, sondern auch ein oszillierendes Verhalten in der Verschiebung der beobachteten Photolinie feststellen, das wir mit einer nicht-adiabatischen Dynamik in Verbindung bringen, an der mehrere elektronische Zustände beteiligt sind. Außerdem konnten wir die UV-induzierte Verschiebung der Bindungsenergie mit dem lokalen Ladungsfluss am Schwefel in Verbindung bringen, der direkt mit dem elektronischen Zustand verbunden ist. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Auger-Meitner-Elektronen, dass die in frühen Stadien der photoinduzierten Relaxation beobachteten Energieverschiebungen mit der Geometrieänderung des Moleküls zusammenhängen. Genauer gesagt korreliert der beobachtete Anstieg der kinetischen Energie der Auger-Meitner-Elektronen mit einer zuvor vorhergesagten Dehnung der C=S-Bindung. KW - thiouracil KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopy KW - Auger-Meitner electron spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - free-electron laser KW - FLASH KW - excited-state chemical shift KW - Thiouracil KW - ultraschnelle Moleküldynamik KW - Röntgenspektroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - pump-probe spectroscopy KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Anregungs-Abfrage-Spektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571636 ER - TY - THES A1 - Antonelli, Andrea T1 - Accurate waveform models for gravitational-wave astrophysics: synergetic approaches from analytical relativity N2 - Gravitational-wave (GW) astrophysics is a field in full blossom. Since the landmark detection of GWs from a binary black hole on September 14th 2015, fifty-two compact-object binaries have been reported by the LIGO-Virgo collaboration. Such events carry astrophysical and cosmological information ranging from an understanding of how black holes and neutron stars are formed, what neutron stars are composed of, how the Universe expands, and allow testing general relativity in the highly-dynamical strong-field regime. It is the goal of GW astrophysics to extract such information as accurately as possible. Yet, this is only possible if the tools and technology used to detect and analyze GWs are advanced enough. A key aspect of GW searches are waveform models, which encapsulate our best predictions for the gravitational radiation under a certain set of parameters, and that need to be cross-correlated with data to extract GW signals. Waveforms must be very accurate to avoid missing important physics in the data, which might be the key to answer the fundamental questions of GW astrophysics. The continuous improvements of the current LIGO-Virgo detectors, the development of next-generation ground-based detectors such as the Einstein Telescope or the Cosmic Explorer, as well as the development of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), demand accurate waveform models. While available models are enough to capture the low spins, comparable-mass binaries routinely detected in LIGO-Virgo searches, those for sources from both current and next-generation ground-based and spaceborne detectors must be accurate enough to detect binaries with large spins and asymmetry in the masses. Moreover, the thousands of sources that we expect to detect with future detectors demand accurate waveforms to mitigate biases in the estimation of signals’ parameters due to the presence of a foreground of many sources that overlap in the frequency band. This is recognized as one of the biggest challenges for the analysis of future-detectors’ data, since biases might hinder the extraction of important astrophysical and cosmological information from future detectors’ data. In the first part of this thesis, we discuss how to improve waveform models for binaries with high spins and asymmetry in the masses. In the second, we present the first generic metrics that have been proposed to predict biases in the presence of a foreground of many overlapping signals in GW data. For the first task, we will focus on several classes of analytical techniques. Current models for LIGO and Virgo studies are based on the post-Newtonian (PN, weak-field, small velocities) approximation that is most natural for the bound orbits that are routinely detected in GW searches. However, two other approximations have risen in prominence, the post-Minkowskian (PM, weak- field only) approximation natural for unbound (scattering) orbits and the small-mass-ratio (SMR) approximation typical of binaries in which the mass of one body is much bigger than the other. These are most appropriate to binaries with high asymmetry in the masses that challenge current waveform models. Moreover, they allow one to “cover” regions of the parameter space of coalescing binaries, thereby improving the interpolation (and faithfulness) of waveform models. The analytical approximations to the relativistic two-body problem can synergically be included within the effective-one-body (EOB) formalism, in which the two-body information from each approximation can be recast into an effective problem of a mass orbiting a deformed Schwarzschild (or Kerr) black hole. The hope is that the resultant models can cover both the low-spin comparable-mass binaries that are routinely detected, and the ones that challenge current models. The first part of this thesis is dedicated to a study about how to best incorporate information from the PN, PM, SMR and EOB approaches in a synergistic way. We also discuss how accurate the resulting waveforms are, as compared against numerical-relativity (NR) simulations. We begin by comparing PM models, whether alone or recast in the EOB framework, against PN models and NR simulations. We will show that PM information has the potential to improve currently-employed models for LIGO and Virgo, especially if recast within the EOB formalism. This is very important, as the PM approximation comes with a host of new computational techniques from particle physics to exploit. Then, we show how a combination of PM and SMR approximations can be employed to access previously-unknown PN orders, deriving the third subleading PN dynamics for spin-orbit and (aligned) spin1-spin2 couplings. Such new results can then be included in the EOB models currently used in GW searches and parameter estimation studies, thereby improving them when the binaries have high spins. Finally, we build an EOB model for quasi-circular nonspinning binaries based on the SMR approximation (rather than the PN one as usually done). We show how this is done in detail without incurring in the divergences that had affected previous attempts, and compare the resultant model against NR simulations. We find that the SMR approximation is an excellent approximation for all (quasi-circular nonspinning) binaries, including both the equal-mass binaries that are routinely detected in GW searches and the ones with highly asymmetric masses. In particular, the SMR-based models compare much better than the PN models, suggesting that SMR-informed EOB models might be the key to model binaries in the future. In the second task of this thesis, we work within the linear-signal ap- proximation and describe generic metrics to predict inference biases on the parameters of a GW source of interest in the presence of confusion noise from unfitted foregrounds and from residuals of other signals that have been incorrectly fitted out. We illustrate the formalism with simple (yet realistic) LISA sources, and demonstrate its validity against Monte-Carlo simulations. The metrics we describe pave the way for more realistic studies to quantify the biases with future ground-based and spaceborne detectors. N2 - Wenn zwei kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren, wird der Raum und die Zeit um sie herum stark gekrümmt. Der effekt sind Störungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die sich im gesamten Universum ausbreiten. Mit den leistungsstarken und präzisen Netzwerken von Detektoren und der Arbeit vieler Wissenschaftler rund um den Globus kann man Gravitationswellen auf der Erde messen. Gravitationswellen tragen Informationen über das System, das sie erzeugt hat. Insbesondere kann man erfahren, wie sich die kompakten Objekte gebildet haben und woraus sie bestehen. Daraus lässt sich ableiten, wie sich das Universum ausdehnt, und man kann die Allgemeine Relativitätstheorie in Regionen mit starker Gravitation testen. Um diese Informationen zu extrahieren, werden genaue Modelle benötigt. Modelle können entweder numerisch durch Lösen der berühmten Einstein-Gleichungen oder analytisch durch Annäherung an deren Lösungen gewonnen werden. In meiner Arbeit haben wir den zweiten Ansatz verfolgt, um sehr genaue Vorhersagen für die Signale zu erhalten, die bei kommenden Beobachtungen durch Gravitationswellendetektoren verwendet werden können. KW - gravitational waves KW - Gravitationswellen KW - general relativity KW - allgemeine Relativitätstheorie KW - data analysis KW - Datenanalyse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576671 ER - TY - THES A1 - Giuri, Chiara T1 - VERITAS Dark Matter search in dwarf spheroidal galaxies: an extended analysis T1 - VERITAS-Suche nach dunkler Materie in sphäroidischen Zwerggalaxien: eine erweiterte Analyse” N2 - In the last century, several astronomical measurements have supported that a significant percentage (about 22%) of the total mass of the Universe, on galactic and extragalactic scales, is composed of a mysterious ”dark” matter (DM). DM does not interact with the electromagnetic force; in other words it does not reflect, absorb or emit light. It is possible that DM particles are weakly interacting massive particles (WIMPs) that can annihilate (or decay) into Standard Model (SM) particles, and modern very- high-energy (VHE; > 100 GeV) instruments such as imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs) can play an important role in constraining the main properties of such DM particles, by detecting these products. One of the most privileged targets where to look for DM signal are dwarf spheroidal galaxies (dSphs), as they are expected to be high DM-dominated objects with a clean, gas-free environment. Some dSphs could be considered as extended sources, considering the angular resolution of IACTs; their angu- lar resolution is adequate to detect extended emission from dSphs. For this reason, we performed an extended-source analysis, by taking into account in the unbinned maximum likelihood estimation both the energy and the angular extension dependency of observed events. The goal was to set more constrained upper limits on the velocity-averaged cross-section annihilation of WIMPs with VERITAS data. VERITAS is an array of four IACTs, able to detect γ-ray photons ranging between 100 GeV and 30 TeV. The results of this extended analysis were compared against the traditional spectral analysis. We found that a 2D analysis may lead to more constrained results, depending on the DM mass, channel, and source. Moreover, in this thesis, the results of a multi-instrument project are presented too. Its goal was to combine already published 20 dSphs data from five different experiments, such as Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS and HAWC, in order to set upper limits on the WIMP annihilation cross-section in the widest mass range ever reported. N2 - Im letzten Jahrhundert haben verschiedene mehrere astronomische Messungen gezeigt, dass ein erheblicher Prozentsatz (etwa 22 %) der Gesamtmasse des Universums auf galaktischer und extragalaktischer Ebene aus einer geheimnisvollen ”dunklen” Materie (DM) besteht. DM interagiert nicht mit der elektromagnetischen Kraft und reflektiert, absorbiert oder emittiert daher kein Licht. Es ist möglich, dass es sich bei DM-Teilchen um schwach wechselwirkende massive Teilchen (engl. weakly interacting massive particles, WIMPs) handelt, die in Teilchen des Standardmodells (SM) annihilieren (oder zerfallen) können. Indem sie diese Produkte nachweisen, können moderne Detektoren für sehr hoch energetische (engl. very-high-energy, VHE; 100 GeV) Gammastrahlung, wie zum Beispiel bildgebende atmosphärische Cherenkov-Teleskope (engl. imaging atmospheric Cherenkov telescopes, IACTs), eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Haupteigenschaften solcher DM-Teilchen spielen. Eines der am besten geeignetsten Ziele für die Suche nach DM-Signalen sind sphäroidische Zwerggalaxien (engl. dwarf spheroidal galaxies, dSphs), da diese stark DM-dominierte Objekte mit einer gasfreien Umgebung sind. Die Winkelauflösung von IACTs ist ausreichend, um ausgedehnte Emission von dSphs zu entdecken. Aus diesem Grund haben wir eine Analyse dieser Quellen durchgeführt, indem wir in der unbinned Maximum-Likelihood-Schätzung sowohl die Energie als auch die Abhängigkeit der Winkelausdehnung der beobachteten Gammastrahlung berücksichtigt haben. Das Ziel war es, mit Hilfe der VERITAS-Daten genauere Obergrenzen für den geschwindigkeitsgemittelten Annihilationsquerschnitt von WIMPs zu bestimmen. VERITAS ist eine Anordnung von vier IACTs, die Gammastrahlen im Bereich von 100 GeV bis 30 TeV detektieren können. Die Ergebnisse dieser erweiterten Analyse wurden mit der traditionellen Spektralanalyse verglichen. Es zeigte sich, dass je nach DM-Masse, Kanal und Quelle eine 2D-Analyse zu aussagekräftigeren Ergebnissen führen kann. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit auch die Ergebnisse eines Multi-Instrumenten-Projekts vorgestellt. Das Ziel war es, die bereits veröffentlichte 20 dSphs-Datensätze von Fermi-LAT, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS und HAWC zu kombinieren, um obere Grenzwerte für den WIMP-Annihilationsquerschnitt im breitesten jemals veröffentlichten Massenbereich zu bestimmen. KW - Dark Matter KW - data analysis KW - Cherenkov telescopes KW - dwarf spheroidal galaxies KW - Dunkle Materie KW - Datenanalyse KW - Cherenkov-Teleskope KW - sphäroidische Zwerggalaxien Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575869 ER - TY - THES A1 - Magkos, Sotirios T1 - Iterative reconstruction from under-sampled Computed Tomography data T1 - Iterative Rekonstruktion aus unterabgetasteten Computertomographiedaten N2 - In X-ray computed tomography (XCT), an X-ray beam of intensity I0 is transmitted through an object and its attenuated intensity I is measured when it exits the object. The attenuation of the beam depends on the attenuation coefficients along its path. The attenuation coefficients provide information about the structure and composition of the object and can be determined through mathematical operations that are referred to as reconstruction. The standard reconstruction algorithms are based on the filtered backprojection (FBP) of the measured data. While these algorithms are fast and relatively simple, they do not always succeed in computing a precise reconstruction, especially from under-sampled data. Alternatively, an image or volume can be reconstructed by solving a system of linear equations. Typically, the system of equations is too large to be solved but its solution can be approximated by iterative methods, such as the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) and the Conjugate Gradient Least Squares (CGLS). This dissertation focuses on the development of a novel iterative algorithm, the Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories (DIRECTT). After its reconstruction principle is explained, its performance is assessed for real parallel- and cone-beam CT (including under-sampled) data and compared to that of other established algorithms. Finally, it is demonstrated how the shape of the measured object can be modelled into DIRECTT to achieve even better reconstruction results. N2 - Bei der Röntgen-Computertomographie (XCT) wird ein Röntgenstrahl der Intensität I0 durch ein Objekt gesendet und seine geschwächte Intensität I hinter dem Objekt gemessen. Die Schwächung des Strahls hängt von den Abschwächungskoeffizienten entlang seines Weges innerhald des Objekts ab. Die Schwächungskoeffizienten liefern Informationen uber die Struktur und Zusammensetzung des Objekts und können durch mathematische Operationen, die als Rekonstruktion bezeichnet werden, bestimmt werden. Die Standard-Rekonstruktionsalgorithmen basieren auf der gefilterten Rückprojektion (FBP) der Messdaten. Diese Algorithmen sind zwar schnell und relativ einfach, doch gelingt es ihnen nicht immer, eine präzise Rekonstruktion zu berechnen, vor allem bei unzureichend abgetasteten Daten. Alternativ kann ein Bild oder ein Volumen auch durch die Lösung eines Systems linearer Gleichungen rekonstruiert werden. In der Regel ist das Gleichungssystem zu groß, um gelöst zu werden, aber seine Lösung kann durch iterative Methoden angenähert werden, wie die Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) und die Conjugate Gradient Least Squares (CGLS). Im Mittelpunkt dieser Dissertation steht die Entwicklung eines neuartigen iterativen Algorithmus, des Direct Iterative Reconstruction of Computed Tomography Trajectories (DIRECTT). Nach der Erläuterung seines Rekonstruktionsprinzips wird seine Leistung für reale Parallel- und Kegelstrahl-CT-Daten (einschließlich unterabgetasteter Daten) bewertet und mit Rekonstruktionen anderer etablierter Algorithmen verglichen. Schließlich wird gezeigt, wie die Form des gemessenen Objekts in DIRECTT modelliert werden kann, um noch bessere Rekonstruktionsergebnisse zu erzielen. KW - Computed Tomography KW - X-rays KW - Iterative reconstruction KW - Computertomographie KW - Röntgenstrahlung KW - iterative Rekonstruktion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572789 ER - TY - THES A1 - Werhahn, Maria T1 - Simulating galaxy evolution with cosmic rays: the multi-frequency view T1 - Galaxienentwicklung in Simulationen mit komischer Strahlung und deren Strahlungsprozessen N2 - Cosmic rays (CRs) constitute an important component of the interstellar medium (ISM) of galaxies and are thought to play an essential role in governing their evolution. In particular, they are able to impact the dynamics of a galaxy by driving galactic outflows or heating the ISM and thereby affecting the efficiency of star-formation. Hence, in order to understand galaxy formation and evolution, we need to accurately model this non-thermal constituent of the ISM. But except in our local environment within the Milky Way, we do not have the ability to measure CRs directly in other galaxies. However, there are many ways to indirectly observe CRs via the radiation they emit due to their interaction with magnetic and interstellar radiation fields as well as with the ISM. In this work, I develop a numerical framework to calculate the spectral distribution of CRs in simulations of isolated galaxies where a steady-state between injection and cooling is assumed. Furthermore, I calculate the non-thermal emission processes arising from the modelled CR proton and electron spectra ranging from radio wavelengths up to the very high-energy gamma-ray regime. I apply this code to a number of high-resolution magneto-hydrodynamical (MHD) simulations of isolated galaxies, where CRs are included. This allows me to study their CR spectra and compare them to observations of the CR proton and electron spectra by the Voyager-1 satellite and the AMS-02 instrument in order to reveal the origin of the measured spectral features. Furthermore, I provide detailed emission maps, luminosities and spectra of the non-thermal emission from our simulated galaxies that range from dwarfs to Milk-Way analogues to starburst galaxies at different evolutionary stages. I successfully reproduce the observed relations between the radio and gamma-ray luminosities with the far-infrared (FIR) emission of star-forming (SF) galaxies, respectively, where the latter is a good tracer of the star-formation rate. I find that highly SF galaxies are close to the limit where their CR population would lose all of their energy due to the emission of radiation, whereas CRs tend to escape low SF galaxies more quickly. On top of that, I investigate the properties of CR transport that are needed in order to match the observed gamma-ray spectra. Furthermore, I uncover the underlying processes that enable the FIR-radio correlation (FRC) to be maintained even in starburst galaxies and find that thermal free-free-emission naturally explains the observed radio spectra in SF galaxies like M82 and NGC 253 thus solving the riddle of flat radio spectra that have been proposed to contradict the observed tight FRC. Lastly, I scrutinise the steady-state modelling of the CR proton component by investigating for the first time the influence of spectrally resolved CR transport in MHD simulations on the hadronic gamma-ray emission of SF galaxies revealing new insights into the observational signatures of CR transport both spectrally and spatially. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein essentieller Bestandteil des interstellaren Mediums (ISM) von Galaxien und spielt eine wichtige Rolle in deren Entwicklung. Insbesondere ist sie in der Lage, die Dynamik einer Galaxie zu beeinflussen, indem sie galaktische Ausflüsse treibt oder das ISM aufheizt und sich dadurch auf die Effizienz der Sternentstehung auswirkt. Um Galaxienentstehung zu verstehen ist es daher notwendig, diesen nicht-thermischen Bestandteil des ISM genau zu modellieren. Aber außerhalb unserer lokalen Umgebung innerhalb der Milchstraße haben wir keine Möglichkeit, um CRs in anderen Galaxien direkt zu messen. Allerdings gibt es viele Möglichkeiten, CRs indirekt über die Strahlung zu beobachten, die sie auf Grund ihrer Interaktion mit Magnetfeldern und interstellarer Strahlung sowie mit dem ISM emittieren. In dieser Arbeit habe ich einen numerischen Code entwickelt, der die spektrale Verteilung der CRs in Simulationen von isolierten Galaxien berechnet, wobei ein stationäres Verhältnis zwischen Injektion und Kühlen angenommen wird. Des Weiteren berechnet er die nicht-thermischen Strahlungsprozesse, die aus den modellierten CR Protonen- und Elektronenspektren hervorgehen. Diese reichen von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung. Ich wende diesen Code auf eine Vielzahl von hoch aufgelösten, magneto-hydrodynamischen Simulationen von isolierten Galaxien an, die CRs beinhalten. Das ermöglicht es mir, ihre CR Spektren zu untersuchen und mit Beobachtungen des Voyager-1 Satelliten sowie des AMS-02 Instruments von CR Protonen- und Elektronenspektren zu vergleichen, um dem Ursprung von den gemessenen spektralen Besonderheiten nachzugehen. Außerdem lege ich detaillierte Emissionskarten, Leuchtkräfte und Spektren der nicht-thermischen Strahlung unserer simulierten Galaxien vor, die von Zwerggalaxien über Milchstraßen-ähnliche Galaxien bis hin zu Starburst-Galaxien bei verschiedensten Entwicklungsstadien reichen. Damit kann ich erfolgreich die beobachteten Zusammenhänge zwischen jeweils der Radio- und Gammastrahlungsleuchtkraft mit der Ferninfrarot (FIR) Strahlung der sternbildenden Galaxien reproduzieren, wobei die FIR Strahlung ein guter Indikator für die Rate der Sternentstehung ist. Dabei finde ich heraus, dass Galaxien mit einer hohen Rate an Sternentstehung sehr nah an dem Limit sind, in dem ihre CR Population all ihre Energie an die Produktion von Strahlung verlieren würde, während CRs dazu tendieren, Galaxien mit einer niedrigen Sternentstehungsrate schneller zu verlassen. Zusätzlich untersuche ich die Eigenschaften des Transports von CRs, die benötigt werden, um die beobachteten Spektren der Gammastrahlung zu reproduzieren. Außerdem decke ich die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse auf, durch die die Korrelation zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft auch in Starburst-Galaxien aufrecht erhalten werden kann und finde heraus, dass die thermische Emission natürlicherweise die beobachteten Radiospektren in Galaxien wie M82 und NGC 253 erklärt, wodurch sich das Rätsel der flachen Radiospektren löst, die scheinbar im Widerspruch zum beobachteten engen Zusammenhang zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft standen. Zuletzt hinterfrage ich die Annahme eines stationären Zustandes bei der Modellierung der CR Protonenspektren, indem ich zum ersten Mal den Einfluss von spektral aufgelöstem Transport von CR Protonen in magneto-hydrodynamischen Simulationen auf die hadronische Gammastrahlung von sternbildenden Galaxien untersuche, was neue Einblicke in beobachtbare Signaturen, sowohl spektral als auch räumlich, von CR-Transport ermöglicht. KW - galaxies KW - cosmic rays KW - numerical astrophysics KW - kosmische Strahlung KW - Galaxien KW - numerische Astrophysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572851 ER - TY - THES A1 - Ilin, Ekaterina T1 - High lights: stellar flares as probes of magnetism in stars and star-planet systems T1 - Highlights: Sterneruptionen als Sonden des Magnetismus in Sternen und Stern-Planeten Systemen N2 - Flares are magnetically driven explosions that occur in the atmospheres of all main sequence stars that possess an outer convection zone. Flaring activity is rooted in the magnetic dynamo that operates deep in the stellar interior, propagates through all layers of the atmosphere from the corona to the photosphere, and emits electromagnetic radiation from radio bands to X-ray. Eventually, this radiation, and associated eruptions of energetic particles, are ejected out into interplanetary space, where they impact planetary atmospheres, and dominate the space weather environments of young star-planet systems. Thanks to the Kepler and the Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS) missions, flare observations have become accessible for millions of stars and star-planet systems. The goal of this thesis is to use these flares as multifaceted messengers to understand stellar magnetism across the main sequence, investigate planetary habitability, and explore how close-in planets can affect the host star. Using space based observations obtained by the Kepler/K2 mission, I found that flaring activity declines with stellar age, but this decline crucially depends on stellar mass and rotation. I calibrated the age of the stars in my sample using their membership in open clusters from zero age main sequence to solar age. This allowed me to reveal the rapid transition from an active, saturated flaring state to a more quiescent, inactive flaring behavior in early M dwarfs at about 600-800 Myr. This result is an important observational constraint on stellar activity evolution that I was able to de-bias using open clusters as an activity-independent age indicator. The TESS mission quickly superseded Kepler and K2 as the main source of flares in low mass M dwarfs. Using TESS 2-minute cadence light curves, I developed a new technique for flare localization and discovered, against the commonly held belief, that flares do not occur uniformly across their stellar surface: In fast rotating fully convective stars, giant flares are preferably located at high latitudes. This bears implications for both our understanding of magnetic field emergence in these stars, and the impact on the exoplanet atmospheres: A planet that orbits in the equatorial plane of its host may be spared from the destructive effects of these poleward emitting flares. AU Mic is an early M dwarf, and the most actively flaring planet host detected to date. Its innermost companion, AU Mic b is one of the most promising targets for a first observation of flaring star-planet interactions. In these interactions, the planet influences the star, as opposed to space weather, where the planet is always on the receiving side. The effect reflects the properties of the magnetosphere shared by planet and star, as well as the so far inaccessible magnetic properties of planets. In the about 50 days of TESS monitoring data of AU Mic, I searched for statistically robust signs of flaring interactions with AU Mic b as flares that occur in surplus of the star's intrinsic activity. I found the strongest yet still marginal signal in recurring excess flaring in phase with the orbital period of AU Mic b. If it reflects true signal, I estimate that extending the observing time by a factor of 2-3 will yield a statistically significant detection. Well within the reach of future TESS observations, this additional data may bring us closer to robustly detecting this effect than we have ever been. This thesis demonstrates the immense scientific value of space based, long baseline flare monitoring, and the versatility of flares as a carrier of information about the magnetism of star-planet systems. Many discoveries still lay in wait in the vast archives that Kepler and TESS have produced over the years. Flares are intense spotlights into the magnetic structures in star-planet systems that are otherwise far below our resolution limits. The ongoing TESS mission, and soon PLATO, will further open the door to in-depth understanding of small and dynamic scale magnetic fields on low mass stars, and the space weather environment they effect. N2 - Flares sind magnetisch getriebene Explosionen. Sie treten in den Atmosphären aller Hauptreihensterne mit einer äußeren Konvektionszone auf, und sind auf den magnetischen Dynamo zurückzuführen, der tief im Sterninneren arbeitet. Das entstehende Magnetfeld durchdringt alle Schichten der Atmosphäre von der Korona bis zur Photosphäre und sendet elektromagnetische Strahlung vom Radio- bis in den Röntgenbereich aus. Diese Strahlung und die damit verbundenen Eruptionen energiereicher Teilchen werden anschließend in den interplanetaren Raum geschleudert, wo sie auf die Planetenatmosphären treffen und das Weltraumwetter junger Stern-Planeten-Systeme bestimmen. Die Kepler und die Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) Missionen haben in den letzten Jahren die systematische Beobachtung von Flares auf Millionen von Sternen ermöglicht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Flares in jungen Sternen und Stern-Planeten-Systemen als vielseitige Werkzeuge zur Sondierung des stellaren Magnetismus auf der Hauptreihe zu etablierten, ihre Rolle bei der Bewohnbarkeit von Planeten zu untersuchen und zu erforschen, wie die Wechselwirkung mit nahen Planeten die magnetische Aktivität des Wirtssterns beeinflusst. Anhand von weltraumgestützten Beobachtungen der Kepler/K2-Mission habe ich herausgefunden, dass die Flare-Aktivität mit dem Alter des Sterns abnimmt, wobei dieser Rückgang entscheidend von der Masse und der Rotation des Sterns abhängt. Ich kalibrierte das Alter der Sterne in meiner Stichprobe anhand ihrer Zugehörigkeit zu offenen Sternhaufen von der Nullalter-Hauptreihe bis zum Zustand der heutigen Sonne. Auf diese Weise konnte ich den schnellen Übergang von einer aktiven, gesättigten Flare-Aktivität zu einem ruhigeren, inaktiven Zustand bei frühen M-Zwergen bei etwa 600-800 Millionen Jahren aufdecken. Dieser Zeitpunkt ist eine wichtige Randbedingung für die Entwicklung der Sternaktivität, die ich Dank der offenen Sternhaufen als aktivitätsunabhängigem Altersindikator eindeutig bestimmen konnte. Die TESS-Mission hat Kepler und K2 bereits als Hauptquelle von Flares in M-Zwergen abgelöst. Anhand der zeitlich hochaufgelösten Lichtkurven von TESS entwickelte ich eine neue Technik zur Lokalisierung von Flares und entdeckte, dass -- entgegen der allgemeinen Annahme -- Flares nicht gleichmäßig über die Sternoberfläche verteilt sind: Bei schnell rotierenden, vollkonvektiven Sternen sind die energiereichsten Flares bevorzugt bei hohen Breitengraden zu finden. Das Ergebnis hat Auswirkungen sowohl auf unser Verständnis der Magnetfeldentstehung in diesen Sternen als auch auf die Auswirkungen auf die Atmosphären von Planeten, die in deren Äquatorebene kreisen. Die jungen Welten könnten durch die Lage ihrer Orbits den zerstörerischen Auswirkungen dieser polwärts strahlenden Flares entkommen. AU Mic ist ein früher M-Zwerg und der bisher magnetisch aktivste Stern mit bekannten Planeten. Sein innerster Begleiter, AU Mic b, ist eines der vielversprechendsten Ziele für eine erste Beobachtung der Wechselwirkungen zwischen Stern und Planet. Dabei beeinflusst der Planet den Stern, und nicht, wie bei Weltraumwetter, andersherum. In diesem Effekt spiegeln sich die Eigenschaften der von beiden geteilten Magnetosphäre, sowie beispielsweise die bisher unzugänglichen magnetischen Eigenschaften von Planeten. In den vorhandenen etwa 50 Tagen von TESS-Beobachtungsdaten von AU Mic suchte ich nach statistisch robusten Anzeichen für magnetische Wechselwirkungen mit AU Mic b, die sich als Flares offenbaren, die im Überschuss zur Eigenaktivität des Sterns auftreten. Das stärkste, aber doch vorläufige Signal fand ich in mit der Umlaufperiode von AU Mic b wiederkehrenden, überzähligen Flares. Wenn es sich hierbei um ein wahres Signal handelt, schätze ich anhand der Daten, dass eine Verlängerung der Beobachtungszeit um einen Faktor 2-3 einen statistisch signifikanten Nachweis erbringen wird. Die Anforderung liegt in Bereich zukünftiger TESS-Beobachtungen, und bringt uns somit womöglich näher an eine robuste Detektion dieses Effekts heran, als wir es jemals waren. Die Untersuchungen in dieser Arbeit sind nur durch das Eintreten ins Zeitalter der Flare-Statistik möglich geworden. Diese Arbeit demonstriert den immensen wissenschaftlichen Wert der weltraumgestützten, wochen- und monatelangen Beobachtung von Flares, als auch die Vielseitigkeit von Flares als Informationsträger über den dynamischen Magnetismus in Stern-Planeten-Systemen. In den riesigen Archiven, die Kepler und TESS im Laufe der Jahre angelegt haben, schlummern noch viele Entdeckungen. Flares werfen kontrastreiche Schlaglichter auf magnetische Strukturen in Stern-Planeten-Systemen, die sonst weit unterhalb der modernen Auflösungsgrenze liegen. Die laufenden Beobachtungen von TESS, und bald PLATO, werden die Tür zu einem tiefen Verständnis der kleinen und dynamischen Magnetfelder in diesen Systemen weiter öffnen. KW - stars KW - exoplanets KW - flares KW - Exoplaneten KW - Flares KW - Sterne Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563565 ER - TY - THES A1 - Thomas, Timon T1 - Cosmic-ray hydrodynamics: theory, numerics, applications T1 - Hydrodynamik der kosmischen Strahlung: Theorie, Numerik, Anwendungen N2 - Cosmic rays (CRs) are a ubiquitous and an important component of astrophysical environments such as the interstellar medium (ISM) and intracluster medium (ICM). Their plasma physical interactions with electromagnetic fields strongly influence their transport properties. Effective models which incorporate the microphysics of CR transport are needed to study the effects of CRs on their surrounding macrophysical media. Developing such models is challenging because of the conceptional, length-scale, and time-scale separation between the microscales of plasma physics and the macroscales of the environment. Hydrodynamical theories of CR transport achieve this by capturing the evolution of CR population in terms of statistical moments. In the well-established one-moment hydrodynamical model for CR transport, the dynamics of the entire CR population are described by a single statistical quantity such as the commonly used CR energy density. In this work, I develop a new hydrodynamical two-moment theory for CR transport that expands the well-established hydrodynamical model by including the CR energy flux as a second independent hydrodynamical quantity. I detail how this model accounts for the interaction between CRs and gyroresonant Alfvén waves. The small-scale magnetic fields associated with these Alfvén waves scatter CRs which fundamentally alters CR transport along large-scale magnetic field lines. This leads to the effects of CR streaming and diffusion which are both captured within the presented hydrodynamical theory. I use an Eddington-like approximation to close the hydrodynamical equations and investigate the accuracy of this closure-relation by comparing it to high-order approximations of CR transport. In addition, I develop a finite-volume scheme for the new hydrodynamical model and adapt it to the moving-mesh code Arepo. This scheme is applied using a simulation of a CR-driven galactic wind. I investigate how CRs launch the wind and perform a statistical analysis of CR transport properties inside the simulated circumgalactic medium (CGM). I show that the new hydrodynamical model can be used to explain the morphological appearance of a particular type of radio filamentary structures found inside the central molecular zone (CMZ). I argue that these harp-like features are synchrotron-radiating CRs which are injected into braided magnetic field lines by a point-like source such as a stellar wind of a massive star or a pulsar. Lastly, I present the finite-volume code Blinc that uses adaptive mesh refinement (AMR) techniques to perform simulations of radiation and magnetohydrodynamics (MHD). The mesh of Blinc is block-structured and represented in computer memory using a graph-based approach. I describe the implementation of the mesh graph and how a diffusion process is employed to achieve load balancing in parallel computing environments. Various test problems are used to verify the accuracy and robustness of the employed numerical algorithms. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein allgegenwärtiger und wichtiger Bestandteil astrophysikalischer Umgebungen wie des interstellaren Mediums (ISM) und des Intracluster-Mediums (ICM). Ihre plasmaphysikalischen Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern beeinflussen ihre Transporteigenschaften weitgehend. Effektive Modelle, die die Mikrophysik des CR-Transports einbeziehen, sind erforderlich, um die Auswirkungen von CRs auf die sie umgebenden makrophysikalischen Medien zu untersuchen. Die Entwicklung solcher Modelle ist eine Herausforderung, aufgrund der konzeptionellen, Längenskalen-, und Zeitskalen-Unterschiede zwischen den Mikroskalen der Plasmaphysik und den Makroskalen der Umgebung. Hydrodynamische Theorien des CR-Transports erreichen dies, indem sie die Entwicklung der CR-Population in Form von statistischen Momenten erfassen. Im etablierten hydrodynamischen Ein-Moment Modell für den CR-Transport wird die Dynamik der gesamten CR-Population durch eine einzige statistische Größe wie der häufig verwendeten CR-Energiedichte beschrieben. In dieser Arbeit entwickle ich eine neue hydrodynamische Zwei-Momenten Theorie für den CR-Transport, die das etablierte hydrodynamische Modell um den CR-Energiefluss als zweite unabhängige hydrodynamische Größe erweitert. Ich erläutere, wie dieses Modell die Wechselwirkung zwischen CRs und gyroresonanten Alfvén-Wellen berücksichtigt. Die mit diesen Alfvén-Wellen verbundenen kleinskaligen Magnetfelder streuen die CRs, was den CR-Transport entlang großskaligen Magnetfeldlinien grundlegend verändert. Dies führt zu den CR-Strömungs-und Diffusioneffekten, welche beide in der neu vorgestellten hydrodynamischen Theorie erfasst werden. Ich verwende eine adaptierte Eddington Näherung, um die hydrodynamischen Gleichungen zu schließen und untersuche die Genauigkeit dieser Näherung, indem ich sie mit Näherungen höherer Ordnung für den CR-Transport vergleiche. Darüber hinaus entwickle ich ein Finite-Volumen-Schema für das neue hydrodynamische Modell und passe es an den mitbewegten Gitter Code Arepo an. Dieses Schema wird mittels einer Simulation eines CR-getriebenen galaktischen Windes angewendet. Ich untersuche, wie CRs den Wind beschleunigen und führe eine statistische Analyse der CR-Transporteigenschaften innerhalb des simulierten zirkumgalaktischen Mediums (CGM) durch. Ich zeige, dass das neue hydrodynamische Modell das morphologische Erscheinungsbild eines neu-entdeckten bestimmten Typs von filamentartigen Radiostrukturen, welcher in der zentralen molekularen Zone (CMZ) auffindbar ist, erklären kann. Ich schlage vor, dass es sich bei diesen harfenartigen Strukturen um synchrotronstrahlende CRs handelt, die zuvor von einer punktförmigen Quelle wie dem stellaren Wind eines massereichen Sterns oder eines Pulsars in geflochtene Magnetfeldlinien injiziert wurden. Schließlich stelle ich den Finite-Volumen-Code Blinc vor, der adaptive Gitterverfeinerungstechniken (AMR) verwendet, um Simulationen von Strahlungs-und Magnetohydrodynamik (MHD) durchzuführen. Das Gitter von Blinc ist blockstrukturiert und wird im Computerspe-icher mittels eines graphbasierten Ansatzes dargestellt. Ich beschreibe die Implementierung des Gittergraphen und wie ein Diffusionsprozess eingesetzt wird, um einen Lastausgleich in parallelen Rechenumgebungen zu erreichen. Verschiedene Testprobleme werden verwendet, um die Genauigkeit und Robustheit der verwendeten numerischen Algorithmen zu überprüfen. KW - cosmic rays KW - hydrodynamics KW - radiative transfer KW - methods: analytical KW - methods: numerical KW - Galactic center KW - Non-thermal radiation sources KW - galaktisches Zentrum KW - Quellen nichtthermischer Strahlung KW - kosmische Strahlung KW - Hydrodynamik KW - Methoden: analytisch KW - Methoden: numerisch KW - Strahlungstransport Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563843 ER - TY - THES A1 - Foster, Mary Grace T1 - X-Ray studies of exoplanet systems N2 - X-rays are integral to furthering our knowledge of exoplanetary systems. In this work we discuss the use of X-ray observations to understand star-planet interac- tions, mass-loss rates of an exoplanet’s atmosphere and the study of an exoplanet’s atmospheric components using future X-ray spectroscopy. The low-mass star GJ 1151 was reported to display variable low-frequency radio emission, which is an indication of coronal star-planet interactions with an unseen exoplanet. In chapter 5 we report the first X-ray detection of GJ 1151’s corona based on XMM-Newton data. Averaged over the observation, we detect the star with a low coronal temperature of 1.6 MK and an X-ray luminosity of LX = 5.5 × 1026 erg/s. This is compatible with the coronal assumptions for a sub-Alfvénic star- planet interaction origin of the observed radio signals from this star. In chapter 6, we aim to characterise the high-energy environment of known ex- oplanets and estimate their mass-loss rates. This work is based on the soft X-ray instrument on board the Spectrum Roentgen Gamma (SRG) mission, eROSITA, along with archival data from ROSAT, XMM-Newton, and Chandra. We use these four X-ray source catalogues to derive X-ray luminosities of exoplanet host stars in the 0.2-2 keV energy band. A catalogue of the mass-loss rates of 287 exoplan- ets is presented, with 96 of these planets characterised for the first time using new eROSITA detections. Of these first time detections, 14 are of transiting exoplanets that undergo irradiation from their host stars that is of a level known to cause ob- servable evaporation signals in other systems, making them suitable for follow-up observations. In the next generation of space observatories, X-ray transmission spectroscopy of an exoplanet’s atmosphere will be possible, allowing for a detailed look into the atmospheric composition of these planets. In chapter 7, we model sample spectra using a toy model of an exoplanetary atmosphere to predict what exoplanet transit observations with future X-ray missions such as Athena will look like. We then estimate the observable X-ray transmission spectrum for a typical Hot Jupiter-type exoplanet, giving us insights into the advances in X-ray observations of exoplanets in the decades to come. N2 - Röntgenstrahlen sind ein wesentlicher Bestandteil, um unser Wissen über extrasolare Planetensysteme zu vertiefen und zu erweitern. In dieser Arbeit erörtern wir den Einsatz von Röntgenbeobachtungen zum Verständnis von Stern-Planeten-Interaktionen, der Abschätzung von Massenverlustraten von Exoplanetenatmosphären und die Untersuchung der atmosphärischen Komponenten eines Exoplaneten mithilfe zukünftiger Röntgenspektroskopie. Beobachtungen des massearmen Sterns GJ 1151 deuten auf eine variable Emission niederfrequenter Radiostrahlung hin, was als Indiz für koronale Stern-Planeten-Wechselwirkungen mit einem unsichtbaren Exoplaneten angesehen wird. In Kapitel 5 berichten wir über den ersten Röntgennachweis der Korona von GJ 1151, basierend auf XMM-Newton Daten. Über die gesamte Beobachtungsdauer gemittelt, weisen wir den Stern mit einer niedrigen koronalen Temperatur von 1,6 MK und einer Röntgenluminosität von LX = 5, 5 ◊ 1026 erg/s nach. Dieser Nachweis im Röntgenlicht ist kompatibel mit der Annahme, dass sub-Alfvénische Wechselwirkungen zwischen stellarer Corona und Exoplanet die Ursache für die beobachteten Radiosignale des Sterns sind. Kapitel 6 zielt darauf ab, die hochenergetische Umgebung bekannter Exoplaneten zu charakterisieren und die Massenverlustraten der Planetenatmosphären abzuschätzen. Diese Arbeit basiert auf neu gewonnenen Daten des Instruments für weiche Röntgenstrahlung an Bord der Spectrum Roentgen Gamma (SRG) Mission, eROSITA, und wird komplementiert von Archivdaten von ROSAT, XMM-Newton und Chandra. Mithilfe dieser vier Röntgenquellenkataloge vermessen wir die Röntgenhelligkeit der Zentralsterne von bekannten Exoplanetensytemen im Energiebereich von 0,2-2 keV. Die Ergebnisse sind zusammen mit den errechneten Massenverlustraten von 287 Exoplaneten in einem Katalog zusammengefasst, darunter 96 Planeten, die zum ersten Mal durch neue eROSITA-Nachweise charakterisiert wurden. Bei 14 dieser Erstnachweise handelt es sich um transitierende Exoplaneten, die von ihrem Heimatstern so stark bestrahlt werden, dass beobachtbare Signale, ausgelöst durch die Verdampfung ihrer Atmosphäre, zu erwarten sind. Speziell diese Systeme eignen sich besonders für Folgebeobachtungen. Mit der nächsten Generation von Weltraumobservatorien wird die Röntgentransmissionsspektroskopie von extrasolaren Planetenatmosphären möglich sein, was nie dagewesene Details über die atmosphärische Zusammensetzung dieser Planeten ans Licht bringen wird. In Kapitel 7 modellieren wir Transmissionsspektren mithilfe eines vereinfachten Modells einer Exoplanetenatmosphäre um vorherzusagen, wie Transitbeobachtungen von Exoplaneten mit zukünftigen Röntgenmissionen wie Athena aussehen werden. Wir schätzen dann das beobachtbare Röntgentransmissionsspektrum für einen typischen Exoplaneten vom Typ Hot Jupiter ab, was uns einen Einblick in die zu erwartenden Fortschritte bei der Röntgenbeobachtung von Exoplaneten in den kommenden Jahrzehnten gibt. KW - exoplanets KW - x-rays KW - stellar physics KW - Exoplaneten KW - Röntgenstrahlen KW - stellare Physik Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562152 PB - xiii, 92 ER - TY - THES A1 - Vu, Nils Leif T1 - A task-based parallel elliptic solver for numerical relativity with discontinuous Galerkin methods N2 - Elliptic partial differential equations are ubiquitous in physics. In numerical relativity---the study of computational solutions to the Einstein field equations of general relativity---elliptic equations govern the initial data that seed every simulation of merging black holes and neutron stars. In the quest to produce detailed numerical simulations of these most cataclysmic astrophysical events in our Universe, numerical relativists resort to the vast computing power offered by current and future supercomputers. To leverage these computational resources, numerical codes for the time evolution of general-relativistic initial value problems are being developed with a renewed focus on parallelization and computational efficiency. Their capability to solve elliptic problems for accurate initial data must keep pace with the increasing detail of the simulations, but elliptic problems are traditionally hard to parallelize effectively. In this thesis, I develop new numerical methods to solve elliptic partial differential equations on computing clusters, with a focus on initial data for orbiting black holes and neutron stars. I develop a discontinuous Galerkin scheme for a wide range of elliptic equations, and a stack of task-based parallel algorithms for their iterative solution. The resulting multigrid-Schwarz preconditioned Newton-Krylov elliptic solver proves capable of parallelizing over 200 million degrees of freedom to at least a few thousand cores, and already solves initial data for a black hole binary about ten times faster than the numerical relativity code SpEC. I also demonstrate the applicability of the new elliptic solver across physical disciplines, simulating the thermal noise in thin mirror coatings of interferometric gravitational-wave detectors to unprecedented accuracy. The elliptic solver is implemented in the new open-source SpECTRE numerical relativity code, and set up to support simulations of astrophysical scenarios for the emerging era of gravitational-wave and multimessenger astronomy. N2 - Elliptische partielle Differentialgleichungen sind in der Physik allgegenwärtig. Das elektrische Feld einer Ladung, die Gravitation der Erde, die Statik einer Brücke, oder die Temperaturverteilung auf einer heißen Herdplatte folgen trotz verschiedenster zugrundeliegender Physik elliptischen Gleichungen ähnlicher Struktur, denn es sind statische, also zeitunabhängige Effekte. Elliptische Gleichungen beschreiben auch astrophysikalische Szenarien von kataklysmischen Ausmaßen, die jegliche Gegebenheiten auf der Erde weit überschreiten. So werden Schwarze Löcher und Neutronensterne -- zwei mögliche Endstadien von massereichen Sternen -- ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben. In diesem Fall sind es Einstein's Feldgleichungen von Raum, Zeit, Gravitation und Materie. Da Schwarze Löcher und Neutronensterne mehr Masse als unsere Sonne auf die Größe einer Stadt wie Potsdam komprimieren übernimmt die Gravitation, und damit Einstein's allgemeine Relativitätstheorie, die Kontrolle. Es ist die Aufgabe der numerischen Relativität, Szenarien wie die Kollision solcher gewaltigen Objekte mithilfe von Supercomputern zu simulieren und damit die Gravitationswellensignale vorherzusagen, die von Detektoren auf der Erde gemessen werden können. Jede dieser Simulationen beginnt mit Anfangsdaten, die elliptische Gleichungen erfüllen müssen. In dieser Dissertation entwickle ich neue numerische Methoden um elliptische partielle Differentialgleichungen auf Supercomputern zu lösen, mit besonderem Augenmerk auf Anfangsdaten für Simulationen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Ich entwickle dafür eine sogenannte discontinuous Galerkin Methode um elliptische Gleichungen auf Computern zu repräsentieren, sowie eine Reihe von Algorithmen um diese Gleichungen anschließend schrittweise numerisch zu lösen bis sie die notwendige Präzision erfüllen. Die Besonderheit dieser Algorithmen liegt in ihrer Eigenschaft, in viele Teilprobleme zerlegt auf einer großen Zahl von Rechenkernen parallel arbeiten zu können. Dieses task-based parallelism ermöglicht die effektive Verwendung von Supercomputern. Ich demonstriere die Fähigkeit meiner Algorithmen, Berechnungen von über 200 Millionen Unbekannten mit hoher Effizienz auf mindestens einige Tausend Rechenkerne verteilen zu können, und Anfangsdaten zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher bereits etwa zehnmal schneller zu lösen als der langjährig verwendete Computercode SpEC. Außerdem zeige ich, dass mein neuer Code auch außerhalb der Relativitätstheorie anwendbar ist. Dazu simuliere ich thermisches Rauschen in den Beschichtungen von Spiegeln, das ebenfalls von elliptischen Gleichungen beschrieben wird. Solche Spiegel sind Objekt großen Forschungsinteresses, da sie ein zentrales Element von Gravitationswellendetektoren darstellen. Mein Code zur numerischen Lösung elliptischer Gleichungen ist Teil des kollaborativen und quelloffenen SpECTRE Forschungsprojekts zur Simulation astrophysikalischer Szenarien für die aufstrebende Ära der Gravitationswellen- und Multimessenger-Astronomie. KW - numerical relativity KW - task-based parallelism KW - discontinuous Galerkin methods KW - elliptic partial differential equations KW - black holes KW - initial data KW - high-performance computing KW - iterative methods for sparse linear systems KW - gravitational waves KW - thermal noise in mirror coatings KW - numerische Relativität KW - elliptische partielle Differentialgleichungen KW - schwarze Löcher KW - Anfangsdaten KW - Hochleistungscomputer KW - iterative Methoden zur Lösung linearer Systeme KW - Gravitationswellen KW - thermisches Rauschen in Spiegelbeschichtungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-562265 ER - TY - THES A1 - Schemenz, Victoria T1 - Correlations between osteocyte lacuno-canalicular network and material characteristics in bone adaptation and regeneration T1 - Korrelationen zwischen dem lakuno-kanalikulären Netzwerk der Osteozyten und Materialeigenschaften bei der Knochenanpassung und -regeneration N2 - The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue. The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles. First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions. In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone. Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir. For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing. A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles. In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment. N2 - Knochen haben eine komplexe hierarchische Struktur, die einen lebenslangen Umbauprozess durchläuft, bei dem der Knochen sich seinen mechanischen Anforderungen anpasst. Um ein gesundes und stabiles Organ zu erhalten müssen Knochenresorption (durch Osteoklasten) und Knochenbildung (durch Osteoblasten) ausgewogen sein. Osteozyten lenken dieses Wechselspiel, indem sie mechanische Belastungen wahrnehmen und sie in biochemische Signale übersetzen. Die Osteozyten sitzen in Lakunen und sind durch Kanälchen untereinander und mit anderen Knochenzellen über ein Netzwerk (LCN) verbunden, das in der Lage ist, Ionen zu transportieren und eine Kommunikation von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Außerdem vermutet man, dass Osteozyten auch durch direkte Wechselwirkungen mit der umgebenden Matrix zur Mineralhomöostase beitragen könnten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage, ob Osteozyten ihre materielle Umgebung aktiv verändern können. Um Spuren dieser Wechselwirkung zwischen Osteozyten und der extrazellulären Matrix nachzuweisen, werden materialwissenschaftliche Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zunächst wurden gesunde Mäuseknochen charakterisiert. Die erworbenen Ergebnisse wurden dann mit drei murinen Modellsystemen verglichen: 1) einem Belastungsmodell; 2) ein Heilungsmodell und 3) ein Krankheitsmodell, bei dem das Fbn1-Gen dysfunktional ist und Defekte in der Bildung des extrazellulären Gewebes verursacht werden. Die Messstrategie umfasste Routinen, die es ermöglichen, die Organisation des LCN und der Materialkomponenten (d.h. die organische Kollagenmatrix und die mineralischen Partikel) in denselben Knochenvolumina zu analysieren und die räumliche Verteilung der verschiedenen Datensätze zu vergleichen. Die dreidimensionale Netzwerkarchitektur des LCN wird durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie nach Rhodamin-Färbung gemessen und anschließend quantifiziert. Der Kalziumgehalt wird mittels quantitativer Rückstreuelektronenbildgebung bestimmt, während Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung verwendet werden, um die Dicke und Länge der Mineralpartikel zu bestimmen. Zunächst wurden Querschnitte der Unterschenkel von gesunden Mäusen charakterisiert, um zu untersuchen, ob Veränderungen in der LCN-Architektur auf Wechselwirkungen von Osteozyten mit der umgebenden Knochenmatrix zurückgeführt werden können. Die Kortizes zeigten zwei Hauptregionen, ein Band mit ungeordneter LCN-Architektur, umgeben von einer Region mit geordneter LCN. Die ungeordnete Region ist ein Überbleibsel der frühen Knochenbildung und wies kurze und dünne Mineralpartikel auf. Der umgebende, stärker ausgerichtete Knochen zeigte ein geordnetes und dichtes LCN, sowie dickere und längere Mineralpartikel. Der Kalziumgehalt blieb bei beiden Regionen unverändert. Im Mausbelastungsmodell wurde das linke Schienbein zwei Wochen lang mechanisch stimuliert, was zu einer erhöhten Knochenbildung führt. Hier sollte die Forschungsfrage beantwortet werden, wie sich Knochenmaterialeigenschaften an (Re-)Modellierungsstellen aufgrund von Belastung ändern. Der, als Reaktion auf die mechanische Stimulation, gebildete neue Knochen zeigte ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Mineralpartikel, wie die geordnete Kortexregion. Es gab eine klar erkennbare Grenze zwischen reifem und neu gebildetem Knochen. Trotzdem gingen einige Kanälchen durch diese Grenze, die die LCN aus reifem und neu gebildetem Knochen verband. Für das Heilungsmodell wurden die Oberschenkel von Mäusen einer Osteotomie unterzogen (einer Operation, bei der durch einen Schnitt in der Diaphyse ein Bruch erzeugt wird). Danach konnte die Fraktur 21 Tage heilen. Dadurch konnten in diesem Modell gleichzeitig verkalkter Knorpel, knöcherner Kallus und Kortex untersucht werden. Dafür wurde die räumliche Verteilung der LCN-Topologie sowie die Mineraleigenschaften der verschiedenen Gewebetypen und ihrer Grenzflächen visualisiert und verglichen. Alle Gewebetypen zeigten strukturelle Unterschiede über mehrere Längenskalen hinweg. Der Kalziumgehalt nahm von kalzifiziertem Knorpel zu knöchernem Kallus zu lamellarem kortikalem Knochen zu und wurde homogener. Der Grad der LCN-Organisation nahm ebenfalls zu, während die Lakunen vom Kallus zum Kortexgewebe kleiner wurden, ebenso wie die Lakunendichte. Im verkalkten Knorpel waren die Mineralpartikel kurz und dünn. Der größte Teil des Kallus wies eine Geflechtsknochenstruktur auf und diente als Gerüst für lamellares Gewebe, das dünnere Mineralpartikel, aber einen höheren Grad an Ausrichtung sowohl in den Mineralpartikeln als auch im LCN aufwies. Der Kortex zeigte die höchsten Werte für Minerallänge, Dicke und Orientierungsgrad. Obwohl nur wenige Kanälchen den Kallus und kortikale Regionen verbinden, weist dies darauf hin, dass eine Kommunikation zwischen Osteozyten beider Gewebe möglich sein sollte. Es wurde auch ein Mausmodell für das Marfan-Syndrom untersucht, das einen Gendefekt im Fibrillin-1-Gen beinhaltet. Beim Menschen ist das Marfan-Syndrom durch eine Reihe klinischer Symptome gekennzeichnet, wie z. B. übermäßiges Wachstum der Gliedmaßen, überstreckbare Gelenke, verringerte Knochenmineraldichte, beeinträchtigte Knochenmikroarchitektur und erhöhte Frakturraten. Somit scheint Fibrillin-1 eine Rolle in der Skeletthomöostase zu spielen. Deswegen untersuchte die vorliegende Arbeit, ob und wie das Marfan-Syndrom die LCN-Architektur und die umgebende Knochenmatrix verändert. Die Mäuse mit Marfan-Syndrom zeigten bereits ab einem Alter von sieben Wochen längere Schienbeine als ihre gesunden Wurfgeschwister. Im Gegensatz dazu erschien die kortikale Entwicklung verzögert, was über alle gemessenen Merkmale hinweg beobachtet wurde, d.h. niedrigere endokortikale Knochenbildung, lockereres und weniger organisiertes LCN, geringerer Grad an Kollagenorientierung sowie ein Trend zu dünneren und kürzeren Mineralpartikel. In jedem der drei Modellsysteme fand diese Studie, dass Änderungen in der LCN-Architektur räumlich mit Parametern des Knochenmatrixmaterials korrelierten. Obwohl der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, dass Osteozyten ein Mineralreservoir aktiv manipulieren können. Dieses Reservoir befindet sich um die Kanälchen herum und dieser Prozess würde es ermöglichen, einen schnell zugänglichen Beitrag zur Mineralhomöostase zu leisten. Diese Interaktion ist jedoch höchstwahrscheinlich nicht einseitig, sondern könnte als Wechselspiel zwischen Osteozyten und extrazellulärer Matrix verstanden werden, da die Knochenmatrix biochemische Signalmoleküle enthält, die das Verhalten von Osteozyten verändern können. Knochen(re)modellierung kann daher nicht nur als Methode zur Defektbeseitigung oder Anpassung an äußere mechanische Reize verstanden werden, sondern auch zur Effizienzsteigerung möglicher Osteozyten-Mineral-Interaktionen während der Knochenhomöostase. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es sinnvoll, Osteozyten als Ziel für die Arzneimittelentwicklung im Zusammenhang mit Knochenerkrankungen in Betracht zu ziehen, die Veränderungen der Knochenzusammensetzung und deren mechanischen Eigenschaften verursachen. KW - bone KW - lacunae KW - mineralization KW - SAXS KW - lacuno-canalicular network KW - µCT KW - CLSM KW - konfokales Laser-Scanning-Mikroskop KW - Kleinwinkelröntgenstreuung KW - Knochen KW - Lakunen KW - lakuno-kanaliculäres Netzwerk KW - Mineralisierung KW - µCT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559593 ER - TY - THES A1 - Zeuschner, Steffen Peer T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress. In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling. The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons. N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle. Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden. KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - thin films KW - magnetoelasticity KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung KW - dünne Filme KW - Magnetoelastizität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098 ER - TY - THES A1 - Kranjc Horvat, Anja T1 - Particle physics in high-school education T1 - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht BT - what should students and teachers learn? BT - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen? N2 - Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers’ professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts’ expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students’ prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders’ expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers’ school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation. N2 - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten. Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt. Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden. Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden. Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird. Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden. KW - physics education KW - particle physics KW - high-school education KW - teacher professional development KW - Physik Lehramt KW - Teilchenphysik KW - Lehrerfortbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260 ER - TY - THES A1 - Banerjee, Abhirup T1 - Characterizing the spatio-temporal patterns of extreme events BT - from recurrence to prediction N2 - Over the past decades, there has been a growing interest in ‘extreme events’ owing to the increasing threats that climate-related extremes such as floods, heatwaves, droughts, etc., pose to society. While extreme events have diverse definitions across various disciplines, ranging from earth science to neuroscience, they are characterized mainly as dynamic occurrences within a limited time frame that impedes the normal functioning of a system. Although extreme events are rare in occurrence, it has been found in various hydro-meteorological and physiological time series (e.g., river flows, temperatures, heartbeat intervals) that they may exhibit recurrent behavior, i.e., do not end the lifetime of the system. The aim of this thesis to develop some sophisticated methods to study various properties of extreme events. One of the main challenges in analyzing such extreme event-like time series is that they have large temporal gaps due to the paucity of the number of observations of extreme events. As a result, existing time series analysis tools are usually not helpful to decode the underlying information. I use the edit distance (ED) method to analyze extreme event-like time series in their unaltered form. ED is a specific distance metric, mainly designed to measure the similarity/dissimilarity between point process-like data. I combine ED with recurrence plot techniques to identify the recurrence property of flood events in the Mississippi River in the United States. I also use recurrence quantification analysis to show the deterministic properties and serial dependency in flood events. After that, I use this non-linear similarity measure (ED) to compute the pairwise dependency in extreme precipitation event series. I incorporate the similarity measure within the framework of complex network theory to study the collective behavior of climate extremes. Under this architecture, the nodes are defined by the spatial grid points of the given spatio-temporal climate dataset. Each node is associated with a time series corresponding to the temporal evolution of the climate observation at that grid point. Finally, the network links are functions of the pairwise statistical interdependence between the nodes. Various network measures, such as degree, betweenness centrality, clustering coefficient, etc., can be used to quantify the network’s topology. We apply the methodology mentioned above to study the spatio-temporal coherence pattern of extreme rainfall events in the United States and the Ganga River basin, which reveals its relation to various climate processes and the orography of the region. The identification of precursors associated with the occurrence of extreme events in the near future is extremely important to prepare the masses for an upcoming disaster and mitigate the potential risks associated with such events. Under this motivation, I propose an in-data prediction recipe for predicting the data structures that typically occur prior to extreme events using the Echo state network, a type of Recurrent Neural Network which is a part of the reservoir computing framework. However, unlike previous works that identify precursory structures in the same variable in which extreme events are manifested (active variable), I try to predict these structures by using data from another dynamic variable (passive variable) which does not show large excursions from the nominal condition but carries imprints of these extreme events. Furthermore, my results demonstrate that the quality of prediction depends on the magnitude of events, i.e., the higher the magnitude of the extreme, the better is its predictability skill. I show quantitatively that this is because the input signals collectively form a more coherent pattern for an extreme event of higher magnitude, which enhances the efficiency of the machine to predict the forthcoming extreme events. N2 - In den letzten Jahrzehnten hat das Interesse an ‘Extremereignissen’ aufgrund der zunehmenden Bedrohung, die klimabedingte Extreme wie Überschwemmungen, Hitzewellen, Dürren usw. für die Gesellschaft darstellen, zugenommen. Obwohl Extremereignisse in verschiedenen Disziplinen - von der Geowissenschaft bis zu den Neurowissenschaften - unterschiedlich definiert werden, werden sie hauptsächlich als dynamische Ereignisse innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens charakterisiert, die das normale Funktionieren eines Systems beeinträchtigen. Obwohl Extremereignisse selten vorkommen, wurde festgestellt, dass verschiedene hydro-meteorologische und physiologische Zeitreihen (z. B. Stromabflussmengen, Temperaturen, Herzschlagintervalle) rekurrentes Verhalten. Das heißt, sie enden nicht an der Lebensdauer des Systems. Das Ziel dieser Arbeit ist es, fortschrittliche Methoden zur Untersuchung verschiedener Eigenschaften von Extremereignissen zu entwickeln. Eine der größten Herausforderungen bei der Analyse solcher extremen Ereignisse ist, dass sie große zeitliche Lücken aufweisen, da die Anzahl beobachteter Extremereignissen gering ist. Bestehende Zeitreihenanalysetools sind daher in der Regel nicht hilfreich, um die zugrundeliegenden Informationen zu entschlüsseln. Ich verwende die Edit-Distanz (ED) Methode, um extremeereignisähnliche Zeitreihen in ihrer unveränderten Form zu analysieren. ED ist eine spezielle Abstandsmetrik, die hauptsächlich zur Messung der Ähnlichkeit/Unähnlichkeit zwischen punktprozessähnlichen Daten entwickelt wurde. Ich kombiniere ED mit Rekurrenzplots, um die Wiederkehr-Eigenschaften von Hochwasserereignissen am Mississippi in den Vereinigten Staaten zu ermitteln. Außerdem werte ich die Wiederkehr-Eigenschaften quantitativ aus, um die deterministische Charakteristik und die serielle Abhängigkeit bei Hochwasserereignissen aufzuzeigen. Anschließend verwende ich dieses nichtlineare Ähnlichkeitsmaß(ED), um die paarweise Abhängigkeit in extremen Niederschlagsereignisreihen zu berechnen. Ich verknüpfe das Ähnlichkeitsmaß mit der Theorie komplexer Netzwerke, um das kollektive Verhalten von Klimaextremen zu untersuchen. In diesem Fall werden die Knoten durch die räumlichen Gitterpunkte des zu untersuchenden raumzeitlichen Klimadatensatzes definiert. Jeder Knoten repräsentiert eine Zeitreihe, die die zeitliche Entwicklung der Klimabeobachtung an diesem Gitterpunkt beschreibt. Schließlich sind die Netzwerkverbindungen Funktionen der paarweisen statistischen Interdependenz zwischen den Knotenpunkten. Zur Quantifizierung der Netztopologie können verschiedene Netzwerkmaße wie unter anderem der Grad, die Betweenness-Zentralität, oder der Clustering-Koeffizient verwendet werden. Wir wenden die oben erwähnte Methodik an, um das raumzeitliche Kohärenzmuster extremer Niederschlagsereignisse in den Vereinigten Staaten und im Einzugsgebiet des Ganges zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen dem Kohärenzmuster und verschiedenen Klimaprozessen und der Orographie der Region besteht. Die Identifizierung von Vorläufern, die mit dem Auftreten von Extremereignissen in naher Zukunft verbunden sind, ist äußerst wichtig, um die Bevölkerung auf eine bevorstehende Katastrophe vorzubereiten und potenziell resultierende Risiken zu mindern. Deshalb schlage ich ein datenbasiertes Vorhersageverfahren zur Bestimmung der Datenstrukturen vor, die typischerweise vor extremen Ereignissen auftreten. Das Verfahren basiert auf dem Echo-State Netzwerk, einem rekurrenten neuronalen Netz, das dem Reservoir-Computing zugeordnet wird. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die Vorläuferstrukturen in der Variablen identifizieren, in der sich Extremereignisse manifestieren (aktive Variable), versuche ich die Strukturen anhand anderer dynamischer Variablen (passive Variablen) vorherzusagen. Diese Variablen weichen selbst nicht sonderlich von ihrem eigenen Sollzustand ab, aber sie besitzen eine Aussagekraft gegenüber den Extremereignissen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Qualität der Vorhersage von der Magnitude der Ereignisse abhängt, d.h. je extremer ein Ereignis ist, desto besser kann es vorhergesagt werden. Ich belege quantitativ, dass dieser Zusammenhang darauf basiert, dass die gesammelten Eingangssignale aussagekräftigere Kohärenzmuster für Extremereignisse hoher Magnitude bilden. Dies erhöht die Wirksamkeit des Ansatzes bei der Vorhersage bevorstehender Extremereignisse. KW - extreme events KW - Extremereignisse KW - floods KW - extreme precipitation KW - edit distance KW - recurrence plot KW - complex network KW - echo state network KW - Überschwemmungen KW - Extremniederschläge KW - Edit-Distanz KW - Rekurrenzplot KW - komplexes Netzwerk KW - Echo-State Netzwerk Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559839 ER - TY - THES A1 - Nayak, Abani Shankar T1 - Design, Characterization and On-sky Testing of an Integrated Optics Device for Stellar Interferometry: from Pupil Remappers to Discrete Beam Combiner T1 - Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung einer integrierten, optischen Vorrichtung für die stellare Interferometrie: von Pupil Remappers zum diskreten Strahlkombinierer N2 - Stellar interferometry is the only method in observational astronomy for obtaining the highest resolution images of astronomical targets. This method is based on combining light from two or more separate telescopes to obtain the complex visibility that contains information about the brightness distribution of an astronomical source. The applications of stellar interferometry have made significant contributions in the exciting research areas of astronomy and astrophysics, including the precise measurement of stellar diameters, imaging of stellar surfaces, observations of circumstellar disks around young stellar objects, predictions of Einstein's General relativity at the galactic center, and the direct search for exoplanets to name a few. One important related technique is aperture masking interferometry, pioneered in the 1960s, which uses a mask with holes at the re-imaged pupil of the telescope, where the light from the holes is combined using the principle of stellar interferometry. While this can increase the resolution, it comes with a disadvantage. Due to the finite size of the holes, the majority of the starlight (typically > 80 %) is lost at the mask, thus limiting the signal-to-noise ratio (SNR) of the output images. This restriction of aperture masking only to the bright targets can be avoided using pupil remapping interferometry - a technique combining aperture masking interferometry and advances in photonic technologies using single-mode fibers. Due to the inherent spatial filtering properties, the single-mode fibers can be placed at the focal plane of the re-imaged pupil, allowing the utilization of the whole pupil of the telescope to produce a high-dynamic range along with high-resolution images. Thus, pupil remapping interferometry is one of the most promising application areas in the emerging field of astrophotonics. At the heart of an interferometric facility, a beam combiner exists whose primary function is to combine light to obtain high-contrast fringes. A beam combiner can be as simple as a beam splitter or an anamorphic lens to combine light from 2 apertures (or telescopes) or as complex as a cascade of beam splitters and lenses to combine light for > 2 apertures. However, with the field of astrophotonics, interferometric facilities across the globe are increasingly employing some form of photonics technologies by using single-mode fibers or integrated optics (IO) chips as an efficient way to combine light from several apertures. The state-of-the-art instrument - GRAVITY at the very large telescope interferometer (VLTI) facility uses an IO-based beam combiner device reaching visibilities accuracy of better than < 0.25 %, which is roughly 50× as precise as a few decades back. Therefore, in the context of IO-based components for applications in stellar interferometry, this Thesis describes the work towards the development of a 3-dimensional (3-D) IO device - a monolithic astrophotonics component containing both the pupil remappers and a discrete beam combiner (DBC). In this work, the pupil remappers are 3-D single-mode waveguides in a glass substrate collecting light from the re-imaged pupil of the telescope and feeding the light to a DBC, where the combination takes place. The DBC is a lattice of 3-D single-mode waveguides, which interact through evanescent coupling. By observing the output power of single-mode waveguides of the DBC, the visibilities are retrieved by using a calibrated transfer matrix ({U}) of the device. The feasibility of the DBC in retrieving the visibilities theoretically and experimentally had already been studied in the literature but was only limited to laboratory tests with monochromatic light sources. Thus, a part of this work extends these studies by investigating the response of a 4-input DBC to a broad-band light source. Hence, the objectives of this Thesis are the following: 1) Design an IO device for broad-band light operation such that accurate and precise visibilities could be retrieved experimentally at astronomical H-band (1.5-1.65 μm), and 2) Validation of the DBC as a possible beam combination scheme for future interferometric facilities through on-sky testing at the William Herschel Telescope (WHT). This work consisted of designing three different 3-D IO devices. One of the popular methods for fabricating 3-D photonic components in a glass substrate is ultra-fast laser inscription (ULI). Thus, manufacturing of the designed devices was outsourced to Politecnico di Milano as part of an iterative fabrication process using their state-of-the-art ULI facility. The devices were then characterized using a 2-beam Michelson interferometric setup obtaining both the monochromatic and polychromatic visibilities. The retrieved visibilities for all devices were in good agreement as predicted by the simulation results of a DBC, which confirms both the repeatability of the ULI process and the stability of the Michelson setup, thus fulfilling the first objective. The best-performing device was then selected for the pupil-remapping of the WHT using a different optical setup consisting of a deformable mirror and a microlens array. The device successfully collected stellar photons from Vega and Altair. The visibilities were retrieved using a previously calibrated {U} but showed significant deviations from the expected results. Based on the analysis of comparable simulations, it was found that such deviations were primarily caused by the limited SNR of the stellar observations, thus constituting a first step towards the fulfillment of the second objective. N2 - Das Auflösungsvermögen eines Teleskops, also die Fähigkeit, zwei Punktquellen voneinander zu trennen, wird durch ~λ/A bestimmt, wobei λ die Wellenlänge des Lichts und A der Durchmesser des Hauptspiegels des Teleskops ist. Wenn bei einem gegebenen Teleskop zwei punktförmige Objekte durch <λ/A getrennt sind, kann kein eindeutiges Bild dieser Objekte erzeugt werden und das Teleskopsystem ist somit beugungsbegrenzt. Kombiniert man jedoch das Licht von zwei Teleskopen, die durch einen Abstand B voneinander getrennt sind, erhöht sich die Auflösung um einen Faktor ~2B/A und überwindet damit die Beugungsgrenze eines einzelnen Teleskops. Daher wird bei der stellaren Interferometrie - deren Konzept von Michelson in den 1920er Jahren entwickelte wurde - Licht von zwei oder mehr Teleskopen kombiniert, um hochauflösende Bilder von astronomischen Objekten zu erzeugen. Die Anwendung der stellaren Interferometrie hat wichtige Beiträge zur Astronomie und Astrophysik geleistet, von der Untersuchung grundlegender Eigenschaften von Sternen bis hin zur Abbildung extragalaktischer Objekte. Das Herzstück einer interferometrischen Anlage ist ein Strahlkombinierer, der das Licht von mehreren Teleskopen (oder Aperturen) kombiniert, um kontrastreiche Interferenzstreifen zu erhalten. In der Anfangszeit konnte ein Strahlkombinierer ganz einfach sein, wie z.B. ein Strahlteiler oder eine anamorphotische Linse für die Kombination des Lichts von 2 Aperturen (oder Teleskopen), oder sehr komplex, wie z.B. eine Kaskade von Strahlteilern und Linsen, um Licht für >2 Aperturen zu kombinieren. Mit dem aufkommenden Gebiet der Astrophotonik setzen interferometrische Einrichtungen jedoch vermehrt photonische Technologien ein, indem Einzelmoden-Fasern oder ein Chip mit integrierter Optik (IO) verwendet werden, um Licht aus mehreren Aperturen effizient zu kombinieren. Bei der sogenannten pupil remapping interferometry Technik (dt etwa: neugeordnete Pupille) wird beispielsweise Licht mit mehreren Einzelmoden-Wellenleitern auf einem IO-Chip gesammelt. Diese Komponenten werden an der Position im Strahlengang eingefügt, an der die Pupille des Teleskops abgebildet wird. Anschließend wird das Licht aus den Fasern oder Wellenleitern durch eine Freistrahloptik oder IO-basierte Komponente interferometrisch überlagert, um Bilder sowohl mit hohem Kontrast als auch hoher Auflösung zu erzeugen. Im Kontext von IO-basierten Komponenten für stellare Interferometrie ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines 3-dimensionalen (3-D) IO-Bauteils - eine monolithische Astrophotonik-Komponente, die sowohl die Pupil Remapper als auch einen discrete beam combiner (DBC) (dt: Diskreten Strahlkombinierer ) enthält. In dieser Arbeit sind die Pupil Remapper 3-D Einzelmoden-Wellenleiter, die in ein Glassubstrat eingeschrieben sind und das Licht von der abgebildeten Pupille des Teleskops sammeln und zu einem DBC leiten, in dem die Kombination stattfindet. Der DBC ist eine 3-D Gitteranordnung von Einzelmoden-Wellenleitern, die durch evaneszente Kopplung miteinander wechselwirken. Durch Beobachtung der Ausgangsleistung der Einzelmoden-Wellenleiter des DBCs werden mit Hilfe einer kalibrierten Übertragungsmatrix des Systems die Visibilities (dt: Kontrastwerte) ermittelt, die für eine hochauflösende Bildgebung erforderlich sind. Die Eignung von DBCs für die Ermittlung der Kontrastwerte wurde sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht und in Fachzeitschriften publiziert. Bisher beschränkten sich diese Untersuchungen jedoch auf Labortests mit monochromatischen Lichtquellen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher die folgenden: 1) Die Entwicklung eines IO-Bauteils für die Anwendung mit breitbandigem Licht, so dass Kontrastwerte im astronomischen H-Band (1,5-1,65 μm) ermittelt werden können, 2) experimentelle Demonstration genauer und präziser Kontrastwerte mit dem IO-Bauteil, welches mit der Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode hergestellt wird, und 3) Validierung des DBCs als mögliches Konzept für die Strahlkombination für zukünftige interferometrische Anlagen durch On-Sky-Tests am William Herschel Teleskop. KW - stellar interferometry KW - ultra-fast laser inscription technology KW - astrophotonics KW - discrete beam cominer KW - pupil remappers KW - visibility KW - integrated optics KW - William Herschel telescope KW - on-sky tests KW - stellare Interferometrie KW - Femtosekundenlaser-Bearbeitungsmethode KW - Astrophotonik KW - diskreter Strahlkombinierer KW - Pupil Remapper KW - Kontrastwerte KW - integrierte Optik KW - William Herschel Teleskop KW - On-Sky-Tests Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558743 ER - TY - THES A1 - Lever, Fabiano T1 - Probing the ultrafast dynamics of 2-Thiouracil with soft x-rays T1 - Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von 2-Thiouracil mit weicher Röntgenstrahlung N2 - Understanding the changes that follow UV-excitation in thionucleobases is of great importance for the study of light-induced DNA lesions and, in a broader context, for their applications in medicine and biochemistry. Their ultrafast photophysical reactions can alter the chemical structure of DNA - leading to damages to the genetic code - as proven by the increased skin cancer risk observed for patients treated with thiouracil for its immunosuppressant properties. In this thesis, I present four research papers that result from an investigation of the ultrafast dynamics of 2-thiouracil by means of ultrafast x-ray probing combined with electron spectroscopy. A molecular jet in the gas phase is excited with a uv pulse and then ionized with x-ray radiation from a Free Electron Laser. The kinetic energy of the emitted electrons is measured in a magnetic bottle spectrometer. The spectra of the measured photo and Auger electrons are used to derive a picture of the changes in the geometrical and electronic configurations. The results allow us to look at the dynamical processes from a new perspective, thanks to the element- and site- sensitivity of x-rays. The custom-built URSA-PQ apparatus used in the experiment is described. It has been commissioned and used at the FL24 beamline of the FLASH2 FEL, showing an electron kinetic energy resolution of ∆E/E ~ 40 and a pump-probe timing resolution of 190 f s. X-ray only photoelectron and Auger spectra of 2-thiouracil are extracted from the data and used as reference. Photoelectrons following the formation a 2p core hole are identified, as well as resonant and non-resonant Auger electrons. At the L 1 edge, Coster-Kronig decay is observed from the 2s core hole. The UV-induced changes in the 2p photoline allow the study the electronic-state dynamics. With the use of an Excited-State Chemical Shift (ESCS) model, we observe a ultrafast ground-state relaxation within 250 f s. Furthermore, an oscillation with a 250 f s period is observed in the 2p binding energy, showing a coherent population exchange between electronic states. Auger electrons from the 2p core hole are analyzed and used to deduce a ultrafast C −S bond expansion on a sub 100 f s scale. A simple Coulomb-model, coupled to quantum chemical calculations, can be used to infer the geometrical changes in the molecular structure. N2 - Das Verständnis von lichtinduzierten, molekularen Prozessen ist über die Physik hinaus in einem breiten Kondext für Medizin und Biochemie relevant. Die ultraschnellen, photophysikalischen Reaktionen mancher Moleküle können die chemische Struktur von DNA verändern und somit genetischen Code schädigen. So führt zum Beispiel die UV-Anregung von Thionukleobasen zu Läsionen der DNA in den Zellen. Dementsprechend zeigen Patienten ein erhöhtes Hautkrebsrisiko, wenn sie im Rahmen einer immunsuppressiven Therapie mit Thiouracil behandelt werden. In dieser Dissertation stelle ich vier Forschungsarbeiten vor, in denen die ultraschnellen, intramolekularen Dynamiken von 2-Thiouracil mittels ultraschneller Anregungs-Abfrage(Pump-Probe)-Röntgenelektronenspektroskopie untersucht werden. Die relevanten molekularen Dynamiken werden stark durch das Schwefelatom des Thiouracils beeinflusst. Die Element- und Ortsempfindlichkeit der verwendeten Röntgenstrahlung erlauben es, diese Prozesse experimentell zu untersuchen. Dafür werden 2-Thiouracil-Moleküle thermisch in einem Molekularstrahl in die Gasphase freigesetzt. Nachdem die Moleküle mit einem UV-Puls angeregt wurden, erfolgt zeitversetzt die Abfrage mit einem Röntgenpuls, der die Moleküle ionisiert. Die kinetische Energie der emittierten Photo- und Augerelektronen wird mit einem Elektronenspektrometer vom Typ ‘Magnetische Flasche’ gemessen. Die Energiespektren dieser Elektronen werden verwendet, um ein Modell von den UV-lichtinduzierten Veränderungen der geometrischen und elektronischen Konfigurationen der Moleküle zu erhalten. Für diese Experimente wird erstmalig eine speziell angefertigte Apparatur namens URSA-PQ verwendet und beschrieben. Sie wurde an der Beamline FL24 des Freie Elektronenlaser (FEL) FLASH2 in Betrieb genommen und verwendet. Aus den Daten werden reine Röntgenphoto- und Augerelektronenspektren des Schwefelatoms von 2-Thiouracil extrahiert und als Referenz verwendet. Die 2p- Photoelektronen werden identifiziert, ebenso wie resonante und nicht-resonante Augerelektronen, die bei dem Zerfall des 2p-Kernlochs entstehen. Die UV-induzierten Veränderungen der 2p-Photolinie ermöglichen es, die Dynamik des elektronischen Zustands zu untersuchen. Unter Verwendung eines ESCS-Modells (Excited-State Chemical Shift) beobachten wir eine ultraschnelle Grundzustandsrelaxation innerhalb von 250 f s. Auger-Elektronen aus dem Zerfall des 2p-Kernlochs im UV-angeregten 2-Thiouracil werden ebenfalls analysiert. Die Änderung ihrer kinetischen Energie deutet auf eine ultraschnelle C − S-Bindungsexpansion auf einer Skala von unter 100 f s hin. Ein einfaches Coulomb-Modell, gekoppelt mit quantenchemischen Berechnungen, kann die geometrischen Veränderungen in der Molekülstruktur erklären. KW - Quantum KW - x-ray KW - photoelectron spectroscopy KW - thiouracil KW - nucleobases KW - Free Electron Laser KW - ultrafast KW - conical intersection KW - molecular dynamics KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Quantum KW - konische Kreuzung KW - Molekulardynamik KW - Nukleobasen KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Thiouracil KW - ultraschnell KW - Röntgenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555230 ER - TY - THES A1 - Perdigón-Toro, Lorena T1 - On the Generation and Fate of Free Carriers in Non-Fullerene Acceptor Organic Solar Cells N2 - Organic solar cells offer an efficient and cost-effective alternative for solar energy harvesting. This type of photovoltaic cell typically consists of a blend of two organic semiconductors, an electron donating polymer and a low molecular weight electron acceptor to create what is known as a bulk heterojunction (BHJ) morphology. Traditionally, fullerene-based acceptors have been used for this purpose. In recent years, the development of new acceptor molecules, so-called non-fullerene acceptors (NFA), has breathed new life into organic solar cell research, enabling record efficiencies close to 19%. Today, NFA-based solar cells are approaching their inorganic competitors in terms of photocurrent generation, but lag in terms of open circuit voltage (V_OC). Interestingly, the V_OC of these cells benefits from small offsets of orbital energies at the donor-NFA interface, although previous knowledge considered large energy offsets to be critical for efficient charge carrier generation. In addition, there are several other electronic and structural features that distinguish NFAs from fullerenes. My thesis focuses on understanding the interplay between the unique attributes of NFAs and the physical processes occurring in solar cells. By combining various experimental techniques with drift-diffusion simulations, the generation of free charge carriers as well as their recombination in state-of-the-art NFA-based solar cells is characterized. For this purpose, solar cells based on the donor polymer PM6 and the NFA Y6 have been investigated. The generation of free charge carriers in PM6:Y6 is efficient and independent of electric field and excitation energy. Temperature-dependent measurements show a very low activation energy for photocurrent generation (about 6 meV), indicating barrierless charge carrier separation. Theoretical modeling suggests that Y6 molecules have large quadrupole moments, leading to band bending at the donor-acceptor interface and thereby reducing the electrostatic Coulomb dissociation barrier. In this regard, this work identifies poor extraction of free charges in competition with nongeminate recombination as a dominant loss process in PM6:Y6 devices. Subsequently, the spectral characteristics of PM6:Y6 solar cells were investigated with respect to the dominant process of charge carrier recombination. It was found that the photon emission under open-circuit conditions can be almost entirely attributed to the occupation and recombination of Y6 singlet excitons. Nevertheless, the recombination pathway via the singlet state contributes only 1% to the total recombination, which is dominated by the charge transfer state (CT-state) at the donor-acceptor interface. Further V_OC gains can therefore only be expected if the density and/or recombination rate of these CT-states can be significantly reduced. Finally, the role of energetic disorder in NFA solar cells is investigated by comparing Y6 with a structurally related derivative, named N4. Layer morphology studies combined with temperature-dependent charge transport experiments show significantly lower structural and energetic disorder in the case of the PM6:Y6 blend. For both PM6:Y6 and PM6:N4, disorder determines the maximum achievable V_OC, with PM6:Y6 benefiting from improved morphological order. Overall, the obtained findings point to avenues for the realization of NFA-based solar cells with even smaller V_OC losses. Further reduction of nongeminate recombination and energetic disorder should result in organic solar cells with efficiencies above 20% in the future. N2 - Organische Solarzellen bieten eine effiziente und kostengünstige Alternative für die Nutzung von Sonnenenergie. Bei dieser Art von Photovoltaikzellen werden in der Regel zwei organische Halbleiter, ein elektronenspendendes Polymer und ein niedermolekularer Elektronenakzeptor gemischt, um eine sogenannte „Bulk-Heterojunction“ (BHJ)-Morphologie zu erzeugen. Traditionell wurden hierfür Fulleren-basierte Akzeptoren verwendet. In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Akzeptor-Moleküle, so genannter Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA), der organischen Solarzellenforschung neues Leben eingehaucht und damit Rekordwirkungsgrade >19 % ermöglicht. Heutzutage nähern sich NFA-basierte Solarzellen ihren anorganischen Konkurrenten bezüglich der Photostromerzeugung an, nicht jedoch im Hinblick auf die Leerlaufspannung (V_OC). Interessanterweise profitiert der V_OC dieser Zellen von kleinen Offsets der Orbitalenergien an der Donor-NFA-Grenzfläche, obwohl nach bisherigem Wissen große Energieoffsets als entscheidend für die effiziente Ladungsträgergenerierung an der Heterogrenzfläche galten. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer elektronischer und struktureller Merkmale, die NFAs von Fullerenen unterscheiden. Meine Dissertation konzentriert sich auf ein tiefgreifendes Verständnis des Zusammenspiels der einzigartigen Eigenschaften von NFAs und den physikalischen Prozessen in daraus hergestellten Solarzellen. Durch die Kombination verschiedener experimenteller Techniken mit Drift-Diffusions-Simulationen wird die Erzeugung freier Ladungsträger sowie deren Rekombination in modernen NFA-basierten Solarzellen charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Solarzellen auf Basis des Donor-Polymers PM6 und des NFA Y6 untersucht. Die Erzeugung freier Ladungsträger in PM6:Y6 erweist sich dabei als effizient und unabhängig von elektrischem Feld und Anregungsenergie. Temperaturabhängige Messungen zeigen eine sehr geringe Aktivierungsenergie für die Photostromerzeugung (ca. 6 meV), was auf eine barrierefreie Ladungsträgertrennung hinweist. Theoretische Modellierungen legen nahe, dass Y6-Moleküle große Quadrupolmomente aufweisen, was zu einer Bandverbiegung an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche führt und dabei die elektrostatische Coulombsch-Dissoziationsbarriere reduziert. In dieser Hinsicht identifiziert diese Arbeit die schlechte Extraktion freier Ladungen in Konkurrenz zur „nongeminalen“ Rekombination als einen dominanten Verlustprozess in PM6:Y6 Zellen. In weiterer Folge wurden die spektralen Eigenschaften von PM6:Y6-Solarzellen im Hinblick auf den dominanten Prozess der Ladungsträgergenerierung und rekombination untersucht. Es zeigte sich, dass die Photonenemission unter Leerlaufbedingungen fast vollständig auf die Besetzung und Rekombination von Y6-Singlet-Exzitonen zurückgeführt werden kann. Trotzdem trägt der Rekombinationspfad über den Singlett-Zustand nur zu 1 % zur gesamten Rekombination bei, die über den Ladungstransfer-Zustand (CT-state) an der Donor-Akzeptor-Grenzfläche dominiert wird. Weitere V_OC Gewinne sind daher nur zu erwarten, wenn die Dichte und/oder die Rekombinationsrate dieser CT-Zustände erheblich reduziert werden kann. Schließlich wird die Rolle der energetischen Unordnung in NFA-Solarzellen durch den Vergleich von Y6 mit einem strukturverwandten Derivat, genannt N4, untersucht. Untersuchungen zur Schichtmorphologie in Kombination mit Experimenten zum temperaturabhängigen Ladungstransport zeigen eine deutlich geringere strukturelle und energetische Unordnung im Fall des PM6:Y6 Blends. Sowohl für PM6:Y6 als auch für PM6:N4 bestimmt die Unordnung den maximal erreichbaren V_OC, wobei PM6:Y6 von der verbesserten morphologischen Ordnung profitiert. Insgesamt weisen die gewonnenen Erkenntnisse Wege für die Realisierung von NFA-basierten Solarzellen mit noch kleineren V_OC-Verlusten auf. Durch die weitere Reduzierung der „nongeminaten“ Rekombination als auch der energetischen Unordnung sollten in Zukunft organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 20 % möglich werden. T2 - Über die Photogenerierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen mit Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organic solar cells KW - non-fullerene acceptors KW - free charge generation KW - free charge recombination KW - energetic disorder KW - organic semiconductors KW - energetische Unordnung KW - Generierung freier Ladungsträger KW - freie Ladungsträger Rekombination KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - organische Halbleiter KW - organische Solarzellen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558072 ER - TY - THES A1 - Kuhla, Kilian T1 - Impact, distribution, and adaptation T1 - Auswirkung, Verteilung und Anpassung BT - how weather extremes threaten the economic network BT - wie Wetterextreme das ökonomische Netzwerk bedrohen N2 - Weather extremes pose a persistent threat to society on multiple layers. Besides an average of ~37,000 deaths per year, climate-related disasters cause destroyed properties and impaired economic activities, eroding people's livelihoods and prosperity. While global temperature rises – caused by anthropogenic greenhouse gas emissions – the direct impacts of climatic extreme events increase and will further intensify without proper adaptation measures. Additionally, weather extremes do not only have local direct effects. Resulting economic repercussions can propagate either upstream or downstream along trade chains causing indirect effects. One approach to analyze these indirect effects within the complex global supply network is the agent-based model Acclimate. Using and extending this loss-propagation model, I focus in this thesis on three aspects of the relation between weather extremes and economic repercussions. First, extreme weather events cause direct impacts on local economic performance. I compute daily local direct output loss time series of heat stress, river floods, tropical cyclones, and their consecutive occurrence using (near-future) climate projection ensembles. These regional impacts are estimated based on physical drivers and local productivity distribution. Direct effects of the aforementioned disaster categories are widely heterogeneous concerning regional and temporal distribution. As well, their intensity changes differently under future warming. Focusing on the hurricane-impacted capital, I find that long-term growth losses increase with higher heterogeneity of a shock ensemble. Second, repercussions are sectorally and regionally distributed via economic ripples within the trading network, causing higher-order effects. I use Acclimate to identify three phases of those economic ripples. Furthermore, I compute indirect impacts and analyze overall regional and global production and consumption changes. Regarding heat stress, global consumer losses double while direct output losses increase by a factor 1.5 between 2000 – 2039. In my research I identify the effect of economic ripple resonance and introduce it to climate impact research. This effect occurs if economic ripples of consecutive disasters overlap, which increases economic responses such as an enhancement of consumption losses. These loss enhancements can even be more amplified with increasing direct output losses, e.g. caused by climate crises. Transport disruptions can cause economic repercussions as well. For this, I extend the model Acclimate with a geographical transportation route and expand the decision horizon of economic agents. Using this, I show that policy-induced sudden trade restrictions (e.g. a no-deal Brexit) can significantly reduce the longer-term economic prosperity of affected regions. Analyses of transportation disruptions in typhoon seasons indicate that severely affected regions must reduce production as demand falls during a storm. Substituting suppliers may compensate for fluctuations at the beginning of the storm, which fails for prolonged disruptions. Third, possible coping mechanisms and adaptation strategies arise from direct and indirect economic responses to weather extremes. Analyzing annual trade changes due to typhoon-induced transport disruptions depict that overall exports rise. This trade resilience increases with higher network node diversification. Further, my research shows that a basic insurance scheme may diminish hurricane-induced long-term growth losses due to faster reconstruction in disasters aftermaths. I find that insurance coverage could be an economically reasonable coping scheme towards higher losses caused by the climate crisis. Indirect effects within the global economic network from weather extremes indicate further adaptation possibilities. For one, diversifying linkages reduce the hazard of sharp price increases. Next to this, close economic interconnections with regions that do not share the same extreme weather season can be economically beneficial in the medium run. Furthermore, economic ripple resonance effects should be considered while computing costs. Overall, an increase in local adaptation measures reduces economic ripples within the trade network and possible losses elsewhere. In conclusion, adaptation measures are necessary and potential present, but it seems rather not possible to avoid all direct or indirect losses. As I show in this thesis, dynamical modeling gives valuable insights into how direct and indirect economic impacts arise from different categories of weather extremes. Further, it highlights the importance of resolving individual extremes and reflecting amplifying effects caused by incomplete recovery or consecutive disasters. N2 - Wetterextreme stellen für die Gesellschaft eine anhaltende Bedrohung auf mehreren Ebenen dar. Neben durchschnittlich ~37.000 Todesfällen pro Jahr verursachen meteorologische Katastrophen Eigentumsschäden und Wirtschaftsbeeinträchtigungen, wodurch die Lebensgrundlagen und der Wohlstand der Menschen untergraben werden. Während die globale Temperatur – verursacht durch anthropogene Treibhausgasemissionen – ansteigt, nehmen die direkten Auswirkungen klimatischer Extremereignisse zu und werden sich ohne geeignete Anpassungsmaßnahmen weiter verstärken. Hinzu kommt, dass Wetterextreme nicht nur lokal direkte Schäden anrichten, sondern sich wetterbedingte wirtschaftliche Auswirkungen auch entlang der Handelsketten ausbreiten und so indirekte Effekte nach sich ziehen. Ein Ansatz zur Analyse dieser indirekten Auswirkungen innerhalb des komplexen globalen Versorgungsnetzes ist das agentenbasierte Modell Acclimate. In meiner Dissertation verwende und erweitere ich dieses Schadenspropagationsmodell, um drei Aspekte der Beziehung zwischen Wetterextremen und wirtschaftlichen Auswirkungen zu untersuchen. Erstens verursachen extreme Wetterereignisse direkte Schäden in lokaler Wirtschaftsleistung. Die regionalen Auswirkungen werden auf der Grundlage von physikalischen Faktoren und lokalen Produktivitätsverteilungen kalkuliert. Ich berechne tägliche Zeitreihen lokaler Produktionsverluste durch Hitzestress, Überschwemmungen, tropische Wirbelstürme und deren konsekutives Auftreten unter Verwendung von Klimaprojektionsensembles. Die direkten Auswirkungen der oben genannten Katastrophenkategorien sind sehr heterogen in Bezug auf die regionale und zeitliche Verteilung. Ebenso ändert sich ihre Stärke unterschiedlich unter zukünftiger Erwärmung. Meine Forschungsergebnisse zeigen, dass Kapitalstock, welcher von Wirbelstürmen beschädigt ist, langfristige Wachstumsverluste verursacht. Dabei nehmen die Verluste zu, wenn die Heterogenität der Schocks steigt. Zweitens werden die wetterbedingten Auswirkungen durch wirtschaftliche Wellen innerhalb des Handelsnetzes auf verschiedene Wirtschaftssektoren und Regionen verteilt. In meiner Dissertation, untersuche ich die wirtschaftlichen Wellen mittels Acclimate und mache dabei drei Wellenphasen aus. Darüber hinaus berechne ich indirekte Auswirkungen und analysiere die regionalen und globalen Produktionsveränderungen sowie die Auswirkungen auf Konsumierende. Für letztere verdoppeln sich zwischen 2000 und 2039 die weltweiten Verluste durch Hitzestress, während im selben Zeitraum die direkten Produktionsverluste nur um den Faktor 1.5 steigen. Im Zuge meiner Forschung identifiziere ich den Effekt der ökonomischen Wellenresonanz und führe ihn in die Klimafolgenforschung ein. Dieser Effekt tritt auf, wenn sich die ökonomischen Wellen aufeinanderfolgender Katastrophen überlagern, was wirtschaftliche Reaktionen intensiviert wie beispielsweise eine Steigerung der Konsumverluste. Diese Dynamik der Verluste kann durch zunehmende direkte Produktionsverluste, hervorgerufen etwa durch den Klimawandel, noch verstärkt werden. Auch Handelsunterbrechungen können wirtschaftliche Auswirkungen haben. Um diese zu berechnen, erweitere ich das Modell Acclimate um ein geografisches Transportnetzwerk und weite den Entscheidungshorizont der Wirtschaftsakteure aus. Politisch bedingte plötzliche Handelsbeschränkungen (z. B. ein No-Deal-Brexit) können den längerfristigen wirtschaftlichen Wohlstand der betroffenen Regionen erheblich verringern. Analysen von Transportunterbrechungen in der Taifunsaison zeigen, dass stark betroffene Regionen ihre Produktionen reduzieren müssen, wenn die Nachfrage während eines Sturms sinkt. Zu Beginn eines Sturms können Handelsschwankungen durch alternative Lieferanten ausgeglichen werden, was jedoch bei längeren Unterbrechungen nicht mehr gelingt. Drittens ergeben sich mögliche Anpassungsmechanismen und -strategien aus direkten und indirekten wirtschaftlichen Reaktionen auf Wetterextreme. Die Analyse der jährlichen Handelsveränderungen in der Taifunsaison zeigt, dass Exporte insgesamt zunehmen. Diese Widerstandsfähigkeit des Handels wächst mit einer höheren Diversifizierung der Handelspartner. Weiterhin zeigt meine Forschung an Wirtschaftswachstumsmodellen, dass ein Versicherungssystem langfristige Wachstumsverluste, verursacht durch Tropenstürme, durch schnelleren Wiederaufbau verringern kann. Ich komme zu dem Schluss, dass ein Versicherungsschutz eine wirtschaftlich sinnvolle Anpassungsstrategie gegenüber höheren Schäden durch die Klimakrise sein kann. Ebenso weisen indirekte Auswirkungen von Wetterextremen innerhalb des globalen Wirtschaftsnetzes auf weitere Anpassungsmöglichkeiten hin. Zunächst vermindert eine diversifizierte Vernetzung die Gefahr eines starken Preisanstiegs. Ebenso kann eine enge wirtschaftliche Verflechtung von Regionen, die nicht dieselbe Unwettersaison haben, mittelfristig wirtschaftlich vorteilhaft sein. Weiterhin sollten bei der Berechnung der Kosten wirtschaftliche Resonanzeffekte berücksichtigt werden. Eine Verstärkung der lokalen Anpassungsmaßnahmen verringert die Amplitude ökonomischer Wellen und damit auch potentielle Verluste in anderen Regionen. Insgesamt sind Anpassungsmaßnahmen notwendig, aber es scheint trotz dieser nicht möglich zu sein, alle direkten oder indirekten Verluste zu vermeiden. Wie ich in meiner Arbeit darlege, gibt die dynamische Modellierung wertvolle Einblicke in die Art und Weise, wie direkte und indirekte wirtschaftliche Auswirkungen durch verschiedene Wetterextreme entstehen. Darüber hinaus wird deutlich, wie wichtig es ist, einzelne Extremereignisse aufzulösen und Verstärkungseffekte zu berücksichtigen, die durch unvollständigen Wiederaufbau oder aufeinanderfolgende Katastrophen verursacht werden. KW - climate change KW - weather extremes KW - macro-economic modelling KW - network theory KW - economic network KW - Klimawandel KW - Wetterextreme KW - Makroökonomische Modellierung KW - Netzwerktheorie KW - Ökonomisches Netzwerk Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552668 ER - TY - THES A1 - Büchner, Robby T1 - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules T1 - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen N2 - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes. N2 - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik. Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen. Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen. Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden. KW - NEXAFS KW - RIXS KW - X-ray spectroscopy KW - Aromaticity KW - Porphyrins KW - Pyridones KW - Röntgenspektroskopie KW - Aromatizität KW - Porphyrine KW - Pyridone KW - NEXAFS KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192 ER - TY - THES A1 - Förste, Stefanie T1 - Assemblierung von Proteinkomplexen in vitro und in vivo T1 - Assembly of protein complexes in vitro and in vivo N2 - Proteine sind an praktisch allen Prozessen in lebenden Zellen maßgeblich beteiligt. Auch in der Biotechnologie werden Proteine in vielfältiger Weise eingesetzt. Ein Protein besteht aus einer Kette von Aminosäuren. Häufig lagern sich mehrere dieser Ketten zu größeren Strukturen und Funktionseinheiten, sogenannten Proteinkomplexen, zusammen. Kürzlich wurde gezeigt, dass eine Proteinkomplexbildung bereits während der Biosynthese der Proteine (co-translational) stattfinden kann und nicht stets erst danach (post-translational) erfolgt. Da Fehlassemblierungen von Proteinen zu Funktionsverlusten und adversen Effekten führen, ist eine präzise und verlässliche Proteinkomplexbildung sowohl für zelluläre Prozesse als auch für biotechnologische Anwendungen essenziell. Mit experimentellen Methoden lassen sich zwar u.a. die Stöchiometrie und die Struktur von Proteinkomplexen bestimmen, jedoch bisher nicht die Dynamik der Komplexbildung auf unterschiedlichen Zeitskalen. Daher sind grundlegende Mechanismen der Proteinkomplexbildung noch nicht vollständig verstanden. Die hier vorgestellte, auf experimentellen Erkenntnissen aufbauende, computergestützte Modellierung der Proteinkomplexbildung erlaubt eine umfassende Analyse des Einflusses physikalisch-chemischer Parameter auf den Assemblierungsprozess. Die Modelle bilden möglichst realistisch die experimentellen Systeme der Kooperationspartner (Bar-Ziv, Weizmann-Institut, Israel; Bukau und Kramer, Universität Heidelberg) ab, um damit die Assemblierung von Proteinkomplexen einerseits in einem quasi-zweidimensionalen synthetischen Expressionssystem (in vitro) und andererseits im Bakterium Escherichia coli (in vivo) untersuchen zu können. Mit Hilfe eines vereinfachten Expressionssystems, in dem die Proteine nur an die Chip-Oberfläche, aber nicht aneinander binden können, wird das theoretische Modell parametrisiert. In diesem vereinfachten in-vitro-System durchläuft die Effizienz der Komplexbildung drei Regime – ein bindedominiertes Regime, ein Mischregime und ein produktionsdominiertes Regime. Ihr Maximum erreicht die Effizienz dabei kurz nach dem Übergang vom bindedominierten ins Mischregime und fällt anschließend monoton ab. Sowohl im nicht-vereinfachten in-vitro- als auch im in-vivo-System koexistieren je zwei konkurrierende Assemblierungspfade: Im in-vitro-System erfolgt die Komplexbildung entweder spontan in wässriger Lösung (Lösungsassemblierung) oder aber in einer definierten Schrittfolge an der Chip-Oberfläche (Oberflächenassemblierung); Im in-vivo-System konkurrieren hingegen die co- und die post-translationale Komplexbildung. Es zeigt sich, dass die Dominanz der Assemblierungspfade im in-vitro-System zeitabhängig ist und u.a. durch die Limitierung und Stärke der Bindestellen auf der Chip-Oberfläche beeinflusst werden kann. Im in-vivo-System hat der räumliche Abstand zwischen den Syntheseorten der beiden Proteinkomponenten nur dann einen Einfluss auf die Komplexbildung, wenn die Untereinheiten schnell degradieren. In diesem Fall dominiert die co-translationale Assemblierung auch auf kurzen Zeitskalen deutlich, wohingegen es bei stabilen Untereinheiten zu einem Wechsel von der Dominanz der post- hin zu einer geringen Dominanz der co-translationalen Assemblierung kommt. Mit den in-silico-Modellen lässt sich neben der Dynamik u.a. auch die Lokalisierung der Komplexbildung und -bindung darstellen, was einen Vergleich der theoretischen Vorhersagen mit experimentellen Daten und somit eine Validierung der Modelle ermöglicht. Der hier präsentierte in-silico Ansatz ergänzt die experimentellen Methoden, und erlaubt so, deren Ergebnisse zu interpretieren und neue Erkenntnisse davon abzuleiten. KW - Assemblierung KW - Proteine KW - Multiproteinkomplexbildung KW - co-translationale Assemblierung KW - post-translationale Assemblierung KW - Lösung KW - Oberfläche KW - Lösungsassemblierung KW - Oberflächenassemblierung KW - co-translational KW - post-translational KW - assembly KW - proteins KW - multi protein complex formation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550742 ER - TY - THES A1 - Raman Venkatesan, Thulasinath T1 - Tailoring applications-relevant properties in poly(vinylidene fluoride)-based homo-, co- and ter-polymers through modification of their three-phase structure T1 - Maßgeschneiderte anwendungsrelevante Eigenschaften in Homo-, Ko- und Ter-Polymeren auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) durch Modifikation ihrer Dreiphasenstruktur N2 - Poly(vinylidene fluoride) (PVDF)-based homo-, co- and ter-polymers are well-known for their ferroelectric and relaxor-ferroelectric properties. Their semi-crystalline morphology consists of crystalline and amorphous phases, plus interface regions in between, and governs the relevant electro-active properties. In this work, the influence of chemical, thermal and mechanical treatments on the structure and morphology of PVDF-based polymers and on the related ferroelectric/relaxor-ferroelectric properties is investigated. Polymer films were prepared in different ways and subjected to various treatments such as annealing, quenching and stretching. The resulting changes in the transitions and relaxations of the polymer samples were studied by means of dielectric, thermal, mechanical and optical techniques. In particular, the origin(s) behind the mysterious mid-temperature transition (T_{mid}) that is observed in all PVDF-based polymers was assessed. A new hypothesis is proposed to describe the T_{mid} transition as a result of multiple processes taking place within the temperature range of the transition. The contribution of the individual processes to the observed overall transition depends on both the chemical structure of the monomer units and the processing conditions which also affect the melting transition. Quenching results in a decrease of the overall crystallinity and in smaller crystallites. On samples quenched after annealing, notable differences in the fractions of different crystalline phases have been observed when compared to samples that had been slowly cooled. Stretching of poly(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) (P(VDF-TFE)) films causes an increase in the fraction of the ferroelectric β-phase with simultaneous increments in the melting point (T_m) and the crystallinity (\chi_c) of the copolymer. While an increase in the stretching temperature does not have a profound effect on the amount of the ferroelectric phase, its stability appears to improve. Measurements of the non-linear dielectric permittivity \varepsilon_2^\prime in a poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE- CFE)) relaxor-ferroelectric (R-F) terpolymer reveal peaks at 30 and 80 °C that cannot be identified in conventional dielectric spectroscopy. The former peak is associated with T_{mid}\ and may help to understand the non-zero \varepsilon_2^\prime values that are found for the paraelectric terpolymer phase. The latter peak can also be observed during cooling of P(VDF-TrFE) copolymer samples at 100 °C and is due to conduction processes and space-charge polarization as a result of the accumulation of real charges at the electrode-sample interface. Annealing lowers the Curie-transition temperature of the terpolymer as a consequence of its smaller ferroelectric-phase fraction, which by default exists even in terpolymers with relatively high CFE content. Changes in the transition temperatures are in turn related to the behavior of the hysteresis curves observed on differently heat-treated samples. Upon heating, the hysteresis curves evolve from those known for a ferroelectric to those of a typical relaxor-ferroelectric material. Comparing dielectric-hysteresis loops obtained at various temperatures, we find that annealed terpolymer films show higher electric-displacement values and lower coercive fields than the non-annealed samples − irrespective of the measurement temperature − and also exhibit ideal relaxor-ferroelectric behavior at ambient temperatures, which makes them excellent candidates for related applications at or near room temperature. However, non-annealed films − by virtue of their higher ferroelectric activity − show a larger and more stable remanent polarization at room temperature, while annealed samples need to be poled below 0 °C to induce a well-defined polarization. Overall, by modifying the three phases in PVDF-based polymers, it has been demonstrated how the preparation steps and processing conditions can be tailored to achieve the desired properties that are optimal for specific applications. N2 - Homo-, Ko- und Terpolymere auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) sind für ihre ferroelektrischen und relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften bekannt. Die teilkristalline Morphologie dieser Fluorpolymere, bestehend aus kristallinen und amorphen sowie den dazwischen liegenden Grenzflächen, bestimmt die relevanten elektroaktiven Eigenschaften. In dieser Arbeit wird der Einfluss chemischer, thermischer und mechanischer Behandlungen auf die Struktur und Morphologie von Polymeren der PVDF-Familie untersucht, die wiederum direkt mit den ferroelektrischen/relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften zusammenhängen. Daher wurden Polymerfilme mit verschiedenen Methoden hergestellt und vielfältigen Prozessschritten wie z.B. Tempern, Abschrecken und Recken unterzogen. Die sich daraus ergebenden Veränderungen bei Phasenübergängen und Relaxationen in den Proben wurden mit dielektrischen, thermischen, mechanischen und optischen Verfahren untersucht. Insbesondere wurden die Ursachen für den mysteriösen Übergang bei mittleren Temperaturen (T_{mid}) untersucht, der an allen PVDF-basierten Polymeren beobachtet werden kann. Es wurde eine neue Hypothese aufgestellt, die den T_{mid}-Übergang als Ergebnis mehrerer Prozesse beschreibt, die innerhalb eines Temperaturbereichs mehr oder weniger gleichzeitig ablaufen. Der Beitrag dieser einzelnen Übergänge zum Gesamtübergang hängt sowohl von der chemischen Struktur der Monomereinheiten als auch von den Verarbeitungsbedingungen ab. Die verschiedenen Verarbeitungsbedingungen wirken sich auch auf den Schmelzübergang der Polymere aus. Der Prozess des Abschreckens führt zu einer Abnahme der Gesamtkristallinität mit einer geringeren Kristallitgröße. Bei Proben, die nach dem Tempern abgeschreckt wurden, werden im Vergleich zu Proben, die langsam aus dem getemperten Zustand abgekühlt wurden, bemerkenswerte Unterschiede im Anteil der verschiedenen kristallinen Phasen festgestellt. Das Recken von Poly(vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen) (P(VDF-TFE))-Filmen führt zu einem Anstieg des Anteils der ferroelektrischen β-Phase bei gleichzeitiger Erhöhung von Schmelzpunkt (T_m) und Kristallinität (\chi_c) des Kopolymers. Während eine Erhöhung der Strecktemperatur keinen tiefgreifenden Einfluss auf die Menge der ferroelektrischen Phase hat, scheint sich die Stabilität der ferroelektrischen Phase zu verbessern. Messungen der nichtlinearen dielektrischen Dielektrizitätskonstante \varepsilon_2^\prime zeigen in einem relaxor-ferroelektrischen (R-F) Terpolymer aus Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen-chlorfluorethylen) (P(VDF-TrFE- CFE)) Maxima bei 30 und 80 °C, die in der herkömmlichen dielektrischen Spektroskopie nicht identifiziert werden können. Das erste Maximum hängt mit T_{mid}\ zusammen und kann dabei helfen, die von Null verschiedenen \varepsilon_2^\prime-Werte zu verstehen, die an der paraelektrischen Phase des Terpolymers beobachtet werden. Das zweite Maximum kann auch während des Abkühlens von P(VDF-TrFE)-Kopolymerproben bei 100 °C beobachtet werden und ist auf elektrische Leitungsprozesse und Raumladungspolarisationen infolge der Ansammlung von realen Ladungen an den Grenzflächen der Elektroden zum Polymermaterial zurückzuführen. Das Tempern verringert die Curie-Übergangstemperatur des Terpolymers als Folge der Verringerung des ferroelektrischen Phasenanteils, der standardmäßig sogar in Terpolymeren mit relativ hohem CFE-Gehalt vorhanden ist. Die Änderungen der Übergangstemperaturen stehen wiederum im Zusammenhang mit dem Verhalten der Hysteresekurven bei unterschiedlich wärmebehandelten Proben. Während der Erwärmung kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Hysteresekurven von einem typisch ferroelektrischen Verhalten hin zu relaxor-ferroelektrischem Verhalten. Vergleicht man die bei verschiedenen Temperaturen beobachteten dielektrischen Hystereseschleifen, so stellt man fest, dass getemperte Terpolymerfilme - unabhängig von der Messtemperatur - höhere dielektrische Verschiebungen und niedrigere Koerzitivfelder aufweisen als nicht getemperte Proben und dass sie auch bei Raumtemperatur ein ideales relaxor-ferroelektrisches Verhalten zeigen, was sie zu ausgezeichneten Kandidaten für Anwendungen in der Nähe der Raumtemperatur macht. Allerdings zeigen nicht getemperte Filme aufgrund ihrer höheren Ferroelektrizität einen höheren und stabilen Wert der remanenten Polarisation bei Raumtemperatur, während getemperte Proben unter 0 °C gepolt werden müssen, um eine eindeutige Polarisation aufzuweisen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der drei Phasen in PVDF-basierten Polymeren die Präparationsschritte und Verarbeitungsbedingungen so angepasst werden können, dass die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen optimal sind. KW - PVDF-based polymers KW - structure-property relationships KW - ferroelectric polymers KW - relaxor-ferroelectric polymers KW - mid-temperature transition KW - Polymere auf PVDF-Basis KW - ferroelektrische Polymere KW - Mitteltemperaturübergang KW - Relaxor-ferroelektrische Polymere KW - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549667 ER - TY - THES A1 - Steppa, Constantin Beverly T1 - Modelling the galactic population of very-high-energy gamma-ray sources T1 - Modellierung der Population galaktischer Quellen von sehr hochenergetischer Gammastrahlung N2 - The current generation of ground-based instruments has rapidly extended the limits of the range accessible to us with very-high-energy (VHE) gamma-rays, and more than a hundred sources have now been detected in the Milky Way. These sources represent only the tip of the iceberg, but their number has reached a level that allows population studies. In this work, a model of the global population of VHE gamma-ray sources based on the most comprehensive census of Galactic sources in this energy regime, the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), will be presented. A population synthesis approach was followed in the construction of the model. Particular attention was paid to correcting for the strong observational bias inherent in the sample of detected sources. The methods developed for estimating the model parameters have been validated with extensive Monte Carlo simulations and will be shown to provide unbiased estimates of the model parameters. With these methods, five models for different spatial distributions of sources have been constructed. To test the validity of these models, their predictions for the composition of sources within the sensitivity range of the HGPS are compared with the observed sample. With one exception, similar results are obtained for all spatial distributions, showing that the observed longitude profile and the source distribution over photon flux are in fair agreement with observation. Regarding the latitude profile and the source distribution over angular extent, it becomes apparent that the model needs to be further adjusted to bring its predictions in agreement with observation. Based on the model, predictions of the global properties of the Galactic population of VHE gamma-ray sources and the prospects of the Cherenkov Telescope Array (CTA) will be presented. CTA will significantly increase our knowledge of VHE gamma-ray sources by lowering the threshold for source detection, primarily through a larger detection area compared to current-generation instruments. In ground-based gamma-ray astronomy, the sensitivity of an instrument depends strongly, in addition to the detection area, on the ability to distinguish images of air showers produced by gamma-rays from those produced by cosmic rays, which are a strong background. This means that the number of detectable sources depends on the background rejection algorithm used and therefore may also be increased by improving the performance of such algorithms. In this context, in addition to the population model, this work presents a study on the application of deep-learning techniques to the task of gamma-hadron separation in the analysis of data from ground-based gamma-ray instruments. Based on a systematic survey of different neural-network architectures, it is shown that robust classifiers can be constructed with competitive performance compared to the best existing algorithms. Despite the broad coverage of neural-network architectures discussed, only part of the potential offered by the application of deep-learning techniques to the analysis of gamma-ray data is exploited in the context of this study. Nevertheless, it provides an important basis for further research on this topic. N2 - Die aktuelle Generation bodengestützter Instrumente hat die Grenzen des uns mit sehr hoch-energetischer (very-high-energy, VHE) Gammastrahlung zugänglichen Bereichs rasch erweitert, so dass inzwischen bereits mehr als hundert Quellen in der Milchstraße entdeckt wurden. Diese Quellen repräsentieren zwar nur die Spitze des Eisbergs, doch ihre Anzahl hat ein Niveau erreicht, das Populationsstudien ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Modell der globalen Population von VHE Gammastrahlungsquellen vorgestellt, das auf den umfassendsten Zensus galaktischer Quellen in diesem Energiebereich, dem H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), beruht. Bei der Erstellung des Modells wurde ein Populationssynthese-Ansatz verfolgt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Korrektur der starken Beobachtungsverzerrung gelegt, die der Stichprobe detektierter Quellen innewohnt. Die für die Schätzung der Modellparameter entwickelten Methoden wurden mit umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen validiert und es wird gezeigt, dass sie akkurate Schätzungen der Modelparameter ermöglichen. Mit diesen Methoden wurden fünf Modelle für verschiedene räumliche Verteilungen von Quellen erstellt. Um die Gültigkeit dieser Modelle zu prüfen, werden ihre Vorhersagen für die Zusammensetzung der Quellen innerhalb des Sensitivitätsbereichs des HGPS mit der beobachteten Stichprobe verglichen. Mit einer Ausnahme werden für alle räumlichen Verteilungen ähnliche Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass das beobachtete Longitudenprofil und die Quellenverteilung über den Photonenfluss gut mit der Beobachtung übereinstimmen. Bezüglich des Latitudenprofils und der Quellenverteilung über die Winkelausdehnung zeigt sich, dass das Modell weiter angepasst werden muss, um dessen Vorhersagen mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Auf der Grundlage des Modells werden Vorhersagen über die globalen Eigenschaften der galaktischen Population von VHE Gammastrahlungsquellen und die Perspektiven des Cherenkov Telescope Array (CTA) vorgestellt. CTA wird unser Wissen über VHE Gammastrahlungsquellen erheblich erweitern, indem es die Detektionsschwelle für die Quellen senkt, vor allem durch einer im Vergleich zu Instrumenten der aktuellen Generation größeren Detektionsfläche. In der bodengebundenen Gammastrahlenastronomie hängt die Empfindlichkeit eines Instruments neben der Detektionsfläche jedoch auch stark von der Fähigkeit ab, Bilder von Luftschauern, die durch Gammastrahlen erzeugt werden, von denen zu unterscheiden, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden und einen starken Hintergrund darstellen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der detektierbaren Quellen von dem verwendeten Algorithmus zur Hintergrundunterdrückung abhängt und daher möglicherweise auch durch eine Verbesserung der Leistung solcher Algorithmen erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit zusätzlich zum Populationsmodell eine Studie über die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Aufgabe der Gamma-Hadron-Trennung bei der Analyse von Daten von bodengestützten Gammastrahleninstrumenten vorgestellt. Auf der Grundlage einer systematischen Untersuchung verschiedener neuronaler Netzwerkarchitekturen wird gezeigt, dass robuste Klassifikatoren konstruiert werden können, die im Vergleich zu den besten bestehenden Algorithmen eine konkurrenzfähige Leistung aufweisen. Trotz des Umfangs der diskutierten neuronalen Netzwerkarchitekturen wird im Rahmen dieser Studie nur ein Teil des Potenzials ausgeschöpft, das die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Analyse von Daten in der Gammaastronomie bietet. Dennoch bietet sie eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen zu diesem Thema. KW - gamma astronomy KW - galactic population KW - very-high energy KW - Gammaastronomie KW - galaktische Population KW - sehr hohe Energien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549478 ER - TY - THES A1 - Canil, Laura T1 - Tuning Interfacial Properties in Perovskite Solar Cells through Defined Molecular Assemblies T1 - Anpassung von Grenzflächeneigenschaften von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von molekularen Schichten N2 - In the frame of a world fighting a dramatic global warming caused by human-related activities, research towards the development of renewable energies plays a crucial role. Solar energy is one of the most important clean energy sources and its role in the satisfaction of the global energy demand is set to increase. In this context, a particular class of materials captured the attention of the scientific community for its attractive properties: halide perovskites. Devices with perovskite as light-absorber saw an impressive development within the last decade, reaching nowadays efficiencies comparable to mature photovoltaic technologies like silicon solar cells. Yet, there are still several roadblocks to overcome before a wide-spread commercialization of this kind of devices is enabled. One of the critical points lies at the interfaces: perovskite solar cells (PSCs) are made of several layers with different chemical and physical features. In order for the device to function properly, these properties have to be well-matched. This dissertation deals with some of the challenges related to interfaces in PSCs, with a focus on the interface between the perovskite material itself and the subsequent charge transport layer. In particular, molecular assemblies with specific properties are deposited on the perovskite surface to functionalize it. The functionalization results in energy level alignment adjustment, interfacial losses reduction, and stability improvement. First, a strategy to tune the perovskite’s energy levels is introduced: self-assembled monolayers of dipolar molecules are used to functionalize the surface, obtaining simultaneously a shift in the vacuum level position and a saturation of the dangling bonds at the surface. A shift in the vacuum level corresponds to an equal change in work function, ionization energy, and electron affinity. The direction of the shift depends on the direction of the collective interfacial dipole. The magnitude of the shift can be tailored by controlling the deposition parameters, such as the concentration of the solution used for the deposition. The shift for different molecules is characterized by several non-invasive techniques, including in particular Kelvin probe. Overall, it is shown that it is possible to shift the perovskite energy levels in both directions by several hundreds of meV. Moreover, interesting insights on the molecules deposition dynamics are revealed. Secondly, the application of this strategy in perovskite solar cells is explored. Devices with different perovskite compositions (“triple cation perovskite” and MAPbBr3) are prepared. The two resulting model systems present different energetic offsets at the perovskite/hole-transport layer interface. Upon tailored perovskite surface functionalization, the devices show a stabilized open circuit voltage (Voc) enhancement of approximately 60 meV on average for devices with MAPbBr3, while the impact is limited on triple-cation solar cells. This suggests that the proposed energy level tuning method is valid, but its effectiveness depends on factors such as the significance of the energetic offset compared to the other losses in the devices. Finally, the above presented method is further developed by incorporating the ability to interact with the perovskite surface directly into a novel hole-transport material (HTM), named PFI. The HTM can anchor to the perovskite halide ions via halogen bonding (XB). Its behaviour is compared to that of another HTM (PF) with same chemical structure and properties, except for the ability of forming XB. The interaction of perovskite with PFI and PF is characterized through UV-Vis, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements combined with simulations. Compared to PF, PFI exhibits enhanced resilience against solvent exposure and improved energy level alignment with the perovskite layer. As a consequence, devices comprising PFI show enhanced Voc and operational stability during maximum-power-point tracking, in addition to hysteresis reduction. XB promotes the formation of a high-quality interface by anchoring to the halide ions and forming a stable and ordered interfacial layer, showing to be a particularly interesting candidate for the development of tailored charge transport materials in PSCs. Overall, the results exposed in this dissertation introduce and discuss a versatile tool to functionalize the perovskite surface and tune its energy levels. The application of this method in devices is explored and insights on its challenges and advantages are given. Within this frame, the results shed light on XB as ideal interaction for enhancing stability and efficiency in perovskite-based devices. N2 - Im Kampf gegen den menschengemachten Klimawandel spielt die Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien eine tragende Rolle. Solarenergie ist eine der wichtigsten grünen Energiequellen und von steigender Bedeutung für die Deckung des globalen Energiebedarfs. In diesem Kontext hat eine bestimme Materialklasse aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt: Halogenid-Perowskit. Perowskit-Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine beeindruckende Entwicklung durchgemacht und erreichen heutzutage Effizienzen, die mit weit entwickelten Photovoltaik-Technologien wie Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Jedoch existieren immer noch mehrere Hürden, die einer marktweiten Kommerzialisierung dieser jungen Technologie im Wege stehen. Eines der kritischen Probleme befindet sich an den Grenzflächen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Damit die Solarzelle bestmöglich funktioniert, müssen diese Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein. Diese Dissertation beschäftigt sich mit einigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen, dabei liegt der Fokus auf der Grenzfläche zwischen Perowskit-Absorber und der angrenzenden Ladungstransportschicht. Insbesondere werden organische Moleküle mit spezifischen Eigenschaften verwendet um die Oberfläche des Perowskiten zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Bandanpassung erreicht, Grenzflächenverluste reduziert und die Stabilität der Solarzellen erhöht. Zunächst wird eine Strategie zum Anpassen der Bandenergien vorgestellt: Selbst-organisierende Monoschichten dipolarer Moleküle werden auf die Perowskit-Oberfläche abgeschieden, um diese zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Anpassung des Energie-Levels im Perowskiten und die Sättigung von ungebundenen Elektronenbindungen (engl. dangling bonds) an der Oberfläche erreicht. Die Richtung der Energielevel-Verschiebung hängt von der Richtung des kollektiven Grenzflächen-Dipols ab. Der Betrag der Energielevel-Verschiebung kann über die Depositionsparameter während der Schichtherstellung eingestellt werden. Die Energielevel-Verschiebung bei der Verwendung verschiedener Moleküle wird mit Hilfe verschiedener non-invasiver Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere mit der Hilfe von Kelvin-Sonde Messungen. Diese Messungen ermöglichen interessante Erkenntnisse über die Dynamik der Deposition der Moleküle. Es ist möglich die Energielevel in beide Richtungen um mehrere hundert meV zu verschieben. Als Zweites wird die Anwendung dieser Stategie in Perowskit-Solarzellen erforscht. Solarzellen mit Perowskit-Absorbern unterschiedlicher Zusammensetzung (“Dreifach-Kationen-Perowskit” und MAPbBr3) werden präpariert; die beiden Modellsysteme besitzen dann unterschiedliche energetische Offsets an der Perowskit-Lochleiter Grenzfläche. Mit einer maßgeschneiderter Funktionalisierung der Perowskit-Oberfläche zeigen die MAPbBr3 Solarzellen eine permanente Verbesserung der offene-Klemmen-Spannung (engl. open circuit voltage, Voc) um durchschnittlich 60 meV, während der Einfluss auf die Solarzellen mit Dreifach-Kationen-Perowskit gering ist. Dies zeigt, dass die vorgestellte Methode zur Bandanpassung funktioniert, aber ihre Effektivität zudem von weiteren Faktoren abhängt: Die Relevanz des energetischen Offsets im Vergleich zu anderen Verlustmechanismen beeinflusst unter anderem die Effektivität der Funktionalisierung. Abschließend wird beschrieben, wie die präsentierte Methode zur Bandanpassung weiterentwickelt wird, indem das Vermögen, mit der Perowskit-Oberfläche zu interagieren, direkt in einen neuartigen Lochleiter („PFI“) integriert wird. Der Lochleiter kann sich über Halogenbindungen an den Perowskiten anlagern. Das Verhalten von PFI wird verglichen mit dem eines anderen Lochleiters („PF“), welcher die fast gleiche chemische Struktur und sehr ähnliche Eigenschaften aufweist, ausgenommen der Fähigkeit eine Halogenbindung zu formen. Die PFI-Perowskit und PF-Perowskit Interaktion wird durch UV-Vis Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde Messungen, kombiniert mit Simulationen, charakterisiert. Beim direkten Vergleich von PFI und PF zeigt sich die Bildung der Halogenbindung in einer bei PFI verbesserten Widerstandskraft gegen Lösungsmittel und Bandanpassung zum Perowskiten. Beim Folgerichtig zeigen Solarzellen mit PFI zusätzlich zu einer verringerten Hysterese einen höheren Voc und eine erhöhte Stabilität während des Betriebs unter Maximum-Power-Point Tracking Zusammenfassend stellt diese Dissertation somit ein vielseitiges Werkzeug zur Funktionalisierung von Perowskit-Oberflächen und der dadurch erreichten Bandanpassung vor. Die Anwendung dieses Werkzeugs an Solarzellen wird erprobt und Einsichten in seine Vorteile und Nachteile erlangt. Die Halogenbindung wird als spezifische Interaktion identifiziert, die sich ideal zur Steigerung von Effizienz und Stabilität von Perowskit-basierten optoelektronischen Bauteilen erweisen könnte. KW - photovoltaic KW - perovskite solar cells KW - interfaces KW - energy levels KW - halogen bonding KW - Grenzflächen KW - Perowskit Solarzellen KW - Photovoltaik KW - Bandenenergien KW - Halogenbindung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-546333 ER - TY - THES A1 - Hosseini, Seyed Mehrdad T1 - Non-Langevin Recombination in Fullerene and Non-Fullerene Acceptor Solar Cells T1 - Nicht-Langevin-Rekombination in Fulleren- und Nicht-Fulleren-Akzeptor-Solarzellen N2 - Organic solar cells (OSCs), in recent years, have shown high efficiencies through the development of novel non-fullerene acceptors (NFAs). Fullerene derivatives have been the centerpiece of the accepting materials used throughout organic photovoltaic (OPV) research. However, since 2015 novel NFAs have been a game-changer and have overtaken fullerenes. However, the current understanding of the properties of NFAs for OPV is still relatively limited and critical mechanisms defining the performance of OPVs are still topics of debate. In this thesis, attention is paid to understanding reduced-Langevin recombination with respect to the device physics properties of fullerene and non-fullerene systems. The work is comprised of four closely linked studies. The first is a detailed exploration of the fill factor (FF) expressed in terms of transport and recombination properties in a comparison of fullerene and non-fullerene acceptors. We investigated the key reason behind the reduced FF in the NFA (ITIC-based) devices which is faster non-geminate recombination relative to the fullerene (PCBM[70]-based) devices. This is then followed by a consideration of a newly synthesized NFA Y-series derivative which exhibits the highest power conversion efficiency for OSC at the time. Such that in the second study, we illustrated the role of disorder on the non-geminate recombination and charge extraction of thick NFA (Y6-based) devices. As a result, we enhanced the FF of thick PM6:Y6 by reducing the disorder which leads to suppressing the non-geminate recombination toward non-Langevin system. In the third work, we revealed the reason behind thickness independence of the short circuit current of PM6:Y6 devices, caused by the extraordinarily long diffusion length of Y6. The fourth study entails a broad comparison of a selection of fullerene and non-fullerene blends with respect to charge generation efficiency and recombination to unveil the importance of efficient charge generation for achieving reduced recombination. I employed transient measurements such as Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV), and steady-state techniques such as Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV), and Photo-Induce Absorption (PIA), to analyze the OSCs. The outcomes in this thesis together draw a complex picture of multiple factors that affect reduced-Langevin recombination and thereby the FF and overall performance. This provides a suitable platform for identifying important parameters when designing new blend systems. As a result, we succeeded to improve the overall performance through enhancing the FF of thick NFA device by adjustment of the amount of the solvent additive in the active blend solution. It also highlights potentially critical gaps in the current experimental understanding of fundamental charge interaction and recombination dynamics. N2 - Organische Solarzellen (OSZ) haben in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuartiger Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) hohe Wirkungsgrade erzielt. Fulleren-Derivate waren das Herzstück der Akzeptor-Materialien, die in der Forschung zur organischen Photovoltaik (OPV) verwendet wurden. Doch seit 2015 haben neuartige NFAs den Fullerenen den Rang abgelaufen. Allerdings ist das derzeitige Verständnis der Eigenschaften von NFA für OPV noch relativ begrenzt und kritische Mechanismen, die die Leistung von OPV bestimmen, sind immer noch Gegenstand von Diskussionen. In dieser Arbeit geht es um das Verständnis der Reduced-Langevin-Rekombination in Hinblick auf die bauteilphysikalischen Eigenschaften von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Systemen. Die Arbeit besteht aus vier eng miteinander verbundenen Studien. Die erste ist eine detaillierte Untersuchung des Füllfaktors (FF), ausgedrückt als Transport- und Rekombinationseigenschaften in einem Vergleich von Fulleren und Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Wir untersuchten den Hauptgrund für die geringere FF im NFA-Bauelement (auf ITIC-Basis), nämlich die schnellere nicht-geminate Rekombination im Vergleich zum Fulleren-Bauelement (auf PCBM[70]-Basis). Anschließend wird ein neu synthetisiertes NFA-Derivat der Y-Serie betrachtet, das derzeit die höchste Leistungsumwandlungseffizienz für OSZ aufweist. In der zweiten Studie veranschaulichten wir die Rolle der Unordnung bei der nicht-geminaten Rekombination und der Ladungsextraktion von dicken NFA-Bauelementen (auf Y6-Basis). Infolgedessen haben wir die FF von dickem PM6:Y6 verbessert, indem wir die Unordnung reduziert haben, was zur Unterdrückung der nicht-geminaten Rekombination in Richtung Nicht-Langevin-System führt. In der dritten Arbeit haben wir den Grund für die Dickenunabhängigkeit des Kurzschlussstroms von NFA-Bauelementen aufgedeckt, die durch die außerordentlich lange Diffusionslänge von Y6 verursacht wird. Die vierte Studie umfasst einen umfassenden Vergleich einer Auswahl von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Mischungen in Hinblick auf die Effizienz der Ladungserzeugung und Rekombination, um die Bedeutung einer effizienten Ladungserzeugung zum Erzielen einer geringeren Rekombination aufzuzeigen. Zur Analyse der OSCs habe ich transiente Messungen wie das Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV) sowie stationäre Techniken wie die Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV) und Photo-Induce Absorption (PIA) eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeichnen ein komplexes Bild zahlreicher Faktoren, die die Rekombination nach dem Prinzip des reduzierten Langèvins und damit die FF und die Gesamtleistung beeinflussen. Dies bietet eine geeignete Plattform zum Identifizieren wichtiger Parameter bei der Entwicklung neuer Mischsysteme. So ist es uns gelungen, die Gesamtleistung zu verbessern, indem wir die FF der dicken NFA-Vorrichtung durch Anpassung der Menge des Lösungsmittelzusatzes in der aktiven Mischungslösung erhöht haben. Außerdem werden potenziell kritische Lücken im derzeitigen experimentellen Verständnis der grundlegenden Ladungswechselwirkung und Rekombinationsdynamik aufgezeigt. KW - Organic solar cells KW - Non-fullerene acceptors KW - Charge recombination KW - Non-Langevin systems KW - Structural and energetic disorder KW - Ladungsrekombination KW - Nicht-Langevin-Systeme KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - Organische Solarzellen KW - Strukturelle und energetische Unordnung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-547831 ER - TY - THES A1 - Laquai, René T1 - Extending synchrotron X-ray refraction techniques to the quantitative analysis of metallic materials N2 - In this work, two X-ray refraction based imaging methods, namely, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT), are applied to analyze quantitatively cracks and porosity in metallic materials. SXRR and SXRCT make use of the refraction of X-rays at inner surfaces of the material, e.g., the surfaces of cracks and pores, for image contrast. Both methods are, therefore, sensitive to smaller defects than their absorption based counterparts X-ray radiography and computed tomography. They can detect defects of nanometric size. So far the methods have been applied to the analysis of ceramic materials and fiber reinforced plastics. The analysis of metallic materials requires higher photon energies to achieve sufficient X-ray transmission due to their higher density. This causes smaller refraction angles and, thus, lower image contrast because the refraction index depends on the photon energy. Here, for the first time, a conclusive study is presented exploring the possibility to apply SXRR and SXRCT to metallic materials. It is shown that both methods can be optimized to overcome the reduced contrast due to smaller refraction angles. Hence, the only remaining limitation is the achievable X-ray transmission which is common to all X-ray imaging methods. Further, a model for the quantitative analysis of the inner surfaces is presented and verified. For this purpose four case studies are conducted each posing a specific challenge to the imaging task. Case study A investigates cracks in a coupon taken from an aluminum weld seam. This case study primarily serves to verify the model for quantitative analysis and prove the sensitivity to sub-resolution features. In case study B, the damage evolution in an aluminum-based particle reinforced metal-matrix composite is analyzed. Here, the accuracy and repeatability of subsequent SXRR measurements is investigated showing that measurement errors of less than 3 % can be achieved. Further, case study B marks the fist application of SXRR in combination with in-situ tensile loading. Case study C is out of the highly topical field of additive manufacturing. Here, porosity in additively manufactured Ti-Al6-V4 is analyzed with a special interest in the pore morphology. A classification scheme based on SXRR measurements is devised which allows to distinguish binding defects from keyhole pores even if the defects cannot be spatially resolved. In case study D, SXRCT is applied to the analysis of hydrogen assisted cracking in steel. Due to the high X-ray attenuation of steel a comparatively high photonenergy of 50 keV is required here. This causes increased noise and lower contrast in the data compared to the other case studies. However, despite the lower data quality a quantitative analysis of the occurance of cracks in dependence of hydrogen content and applied mechanical load is possible. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die zwei, auf Refraktion basierende, Röntgenbildgebungsverfahren Synchrotron Röntgen-Refraktions Radiographie (engl.: SXRR) und Synchrotron Röntgen-Refraktions Computertomographie (engl.: SXRCT) für die quantitative Analyse von Rissen und Porosität in metallischenWerkstoffen angewandt. SXRR und SXRCT nutzen die Refraktion von Röntgenstrahlen an inneren Oberflächen des Materials, z.B. die Oberflächen von Rissen und Poren, zur Bildgebung. Beide Methoden sind daher empfindlich gegenüber kleineren Defekten als ihre auf Röntgenabsorption basierenden Gegenstücke, Röntgenradiographie und Röntgen-Computertomographie. Sie sind in der Lage Defekte von nanometrischer Größe zu detektieren. Bislang wurden die Methoden für die Analyse von keramischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Die Analyse von metallischenWerkstoffen benötigt höhere Photonenenergien benötigt werden um eine ausreichende Transmission zu erreichen. Dies hat kleinere Refraktionswinkel, und damit geringeren Bildkontrast, zur Folge, da der Brechungsindex von der Photonenenergie abhängt. Hier wird erstmals eine umfassende Studie vorgelegt, welche die Möglichkeiten zur Untersuchung metallischer Werkstoffe mittels SXRR und SXRCT untersucht. Es wird gezeigt, dass der geringere Kontrast, verursacht durch die kleineren Refraktionswinkel, überwunden werden kann. Somit ist die einzig verbleibende Beschränkung die erreichbare Transmission, die alle Röntgenbildgebungsverfahren gemeinsam haben. Darüber hinaus wird ein Modell für die quantitative Auswertung der inneren Oberflächen präsentiert und verifiziert. Zu diesem Zweck werden vier Fallstudien durchgeführt, wobei jede eine spezifische Herausforderung darstellt. In Fallstudie A werden Risse in einer Probe aus einer Aluminiumschweißnaht untersucht. Diese Fallstudie dient hauptsächlich dazu das Modell für die quantitative Analyse zu verifizieren und die Empfindlichkeit gegenüber Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens zu beweisen. In Fallstudie B wird die Entwicklung der Schädigung in einem aluminiumbasierten partikelverstärktem Metall-Matrix Komposit untersucht. Dabei wird die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der SXRR Messungen analysiert und es wird gezeigt das Messfehler kleiner 3% erreicht werden können. Darüber hinaus wird in Fallstudie B erstmals SXRR in Kombination mit in-situ Zugbelastung eingesetzt. Fallstudie C ist aus dem hochaktuellen Bereich der additive Fertigung. Hier wird Porosität in additiv gefertigtem Ti-Al6-V4 analysiert mit besonderem Augenmerk auf der Morphologie der Poren. Es wurde ein Verfahren zur Klassifizierung, basierend auf SXRR Messungen, erfunden, welches Bindefehler und Poren voneinander unterscheiden kann auch wenn die Defekte nicht räumlich aufgelöst werden können. In Fallstudie D wird SXRCT zur Analyse von wasserstoffunterstützter Rissbildung in Stahl angewandt. Wegen der hohen Röntgenschwächung des Stahls muss hier mit 50 keV eine vergleichsweise hohe Photonenenergie genutzt werden. Dadurch zeigen die Daten ein erhöhtes Rauschen und geringeren Kontrast verglichen mit den anderen Fallstudien. Allerdings ist es, trotz der geringeren Datenqualität, möglich das Auftreten von Rissen in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration und mechanischen Belastung zu untersuchen. T2 - Erweiterung von Röntgenrefraktions-Bildgebungsmethoden auf die quantitative Analyse von metallischen Werkstoffen KW - X-ray refraction imaging KW - non-destructive evaluation KW - computed tomography KW - porosity analysis KW - crack detection KW - Röntgen-Refraktions Bildgebung KW - zerstörungfreie Prüfung KW - Computertomography KW - Porositätsanalyse KW - Risserkennung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541835 ER - TY - THES A1 - Diab, Momen T1 - Enabling astrophotonics: adaptive optics and photonic lanterns for coupling starlight into the single-mode regime T1 - Astrophotonik ermöglichen: Adaptive Optik und photonische Laternen zur Einkopplung von Sternenlicht in den Single-Mode-Bereich N2 - Ground-based astronomy is set to employ next-generation telescopes with apertures larger than 25 m in diameter before this decade is out. Such giant telescopes observe their targets through a larger patch of turbulent atmosphere, demanding that most of the instruments behind them must also grow larger to make full use of the collected stellar flux. This linear scaling in size greatly complicates the design of astronomical instrumentation, inflating their cost quadratically. Adaptive optics (AO) is one approach to circumvent this scaling law, but it can only be done to an extent before the cost of the corrective system itself overwhelms that of the instrument or even that of the telescope. One promising technique for miniaturizing the instruments and thus driving down their cost is to replace some, or all, of the free space bulk optics in the optical train with integrated photonic components. Photonic devices, however, do their work primarily in single-mode waveguides, and the atmospherically-distorted starlight must first be efficiently coupled into them if they are to outperform their bulk optic counterparts. This is doable by two means: AO systems can again help control the angular size and motion of seeing disks to the point where they will couple efficiently into astrophotonic components, but this is only feasible for the brightest of objects and over limited fields of view. Alternatively, tapered fiber devices known as photonic lanterns — with their ability to convert multimode into single-mode optical fields — can be used to feed speckle patterns into single-mode integrated optics. They, nonetheless, must conserve the degrees of freedom, and the number of output waveguides will quickly grow out of control for uncorrected large telescopes. An AO-assisted photonic lantern fed by a partially corrected wavefront presents a compromise that can have a manageable size if the trade-off between the two methods is chosen carefully. This requires end-to-end simulations that take into account all the subsystems upstream of the astrophotonic instrument, i.e., the atmospheric layers, the telescope, the AO system, and the photonic lantern, before a decision can be made on sizing the multiplexed integrated instrument. The numerical models that simulate atmospheric turbulence and AO correction are presented in this work. The physics and models for optical fibers, arrays of waveguides, and photonic lanterns are also provided. The models are on their own useful in understanding the behavior of the individual subsystems involved and are also used together to compute the optimum sizing of photonic lanterns for feeding astrophotonic instruments. Additionally, since photonic lanterns are a relatively new concept, two novel applications are discussed for them later in this thesis: the use of mode-selective photonic lanterns (MSPLs) to reduce the multiplicity of multiplexed integrated instruments and the combination of photonic lanterns with discrete beam combiners (DBCs) to retrieve the modal content in an optical waveguide. N2 - In der erdbasierten Astronomie sollen noch in diesem Jahrzehnt Teleskope der nächsten Generation mit Öffnungen von mehr als 25 Metern in Betrieb genommen werden. Mit derart riesigen Aperturen werden die Zielobjekte durch einen größeren Ausschnitt turbulenter Atmosphäre beobachtet, weswegen die meisten die dahinterliegenden Instrumente entsprechend größer werden müssen, um die aufgefangene Strahlungsleistung vollständig nutzen zu können. Die lineare Skalierung der Größe erschwert das Design astronomischer Instrumente erheblich und führt zu einem quadratischen Anstieg der Kosten. Die adaptive Optik (AO) ist ein Ansatz, diese Skalierung zu umgehen. Allerdings ist dies nur bis zu einem gewissen Grad möglich, bevor die Kosten des Korrektursystems die des Instruments oder sogar des Teleskopes übersteigen. Eine vielversprechende Methode, das Instrument zu miniaturisieren und damit die Kosten zu reduzieren besteht darin, einige oder sogar alle der voluminösen Freistrahloptiken im Strahlengang durch photonische Komponenten zu ersetzen. Photonische Bauteile arbeiten jedoch in erster Linie mit Einzelmoden-Wellenleitern. Damit sie eine bessere Leistung erbringen als die entsprechenden Freistrahloptiken muss das durch die atmosphärischen Störungen verformte Sternenlicht zunächst effizient in die Wellenleiter eingekoppelt werden. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden: AO Systeme können Winkelausdehnung und Bewegung der Bildunschärfe der Sternscheibchen stark genug korrigieren, um diese effizient in astrophotonische Komponenten einzukoppeln. Dies ist aber nur für die hellsten Objekte und über ein begrenztes Sichtfeld möglich. Alternativ können photonische Laternen genutzt werden, um Multimoden des optischen Feldes in Einzelmoden umzuwandeln und somit die Specklemustern in die Einzelmoden-Wellenleiter der integrierten Optiken zu injizieren. Da hierbei die Anzahl der Freiheitsgrade trotzdem erhalten bleiben muss, wird die Zahl der Ausgangswellenleiter für nicht-korrigierte große Teleskope schnell unkontrollierbar anwachsen. Durch sorgfältiges Abwägen kann ein Kompromiss zwischen diesen beiden Methoden gewählt werden, bei dem man eine AO-assistierte photonische Laterne mit überschaubarer Größe erhält, in die eine partiell korrigierte Wellenfront gespeist wird. Dieser Prozess erfordert durchgehende Simulationen unter Einbeziehung aller Subsysteme vor dem astrophotonischen Instrument -Atmosphäre, Teleskop, AO System und photonische Laterne- bevor eine Entscheidung über die Dimensionierung des integrierten Multiplex-Instruments getroffen vii werden kann. Die numerischen Modelle, die die atmosphärischen Störungen und AO Korrekturen simulieren, werden in dieser Arbeit präsentiert. Die Physik und Modelle für optische Fasern, Wellenleiter-Arrays und photonische Laternen werden ebenfalls dargestellt. Jedes Modell für sich ist nützlich, um die Auswirkung des jeweiligen Subsystems nachzuvollziehen. In Kombination werden die Modelle verwendet, um die optimale Konfiguration und Größe der photonischen Laterne für die Einspeisung astrophotonischer Instrumente zu berechnen. Da photonische Laternen ein relativ neues Konzept sind, werden im weiteren Verlauf der Arbeit zusätzlich zwei neuartige Anwendungen erörtert: der Einsatz modenselektiver photonischer Laternen (MSPLs) zur Verringerung der Anzahl von Multiplex-Instrumenten sowie die Kombination photonischer Laternen mit diskreten Strahlkombinierern („Discrete Beam Combiners“: DBCs), um die Moden in einem Lichtwellenleiter zu erfassen. KW - adaptive optics KW - photonic lanterns KW - astrophotonics KW - integrated optics KW - astronomical instrumentation KW - spectrographs KW - interferometers KW - atmospheric effects KW - single-mode fiber KW - fiber coupling KW - optical fibers KW - adaptive Optik KW - astronomische Instrumente KW - Astrophotonik KW - atmosphärische Effekte KW - Faserkopplung KW - integrierten Optik KW - Interferometer KW - optische Fasern KW - photonische Laternen KW - Single-mode-Faser KW - Spektrographen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-539012 ER - TY - THES A1 - Krämer, Kai Hauke T1 - Towards a robust framework for recurrence analysis BT - automated state space reconstruction, optimal parameter selection and correction schemes N2 - In our daily life, recurrence plays an important role on many spatial and temporal scales and in different contexts. It is the foundation of learning, be it in an evolutionary or in a neural context. It therefore seems natural that recurrence is also a fundamental concept in theoretical dynamical systems science. The way in which states of a system recur or develop in a similar way from similar initial states makes it possible to infer information about the underlying dynamics of the system. The mathematical space in which we define the state of a system (state space) is often high dimensional, especially in complex systems that can also exhibit chaotic dynamics. The recurrence plot (RP) enables us to visualize the recurrences of any high-dimensional systems in a two-dimensional, binary representation. Certain patterns in RPs can be related to physical properties of the underlying system, making the qualitative and quantitative analysis of RPs an integral part of nonlinear systems science. The presented work has a methodological focus and further develops recurrence analysis (RA) by addressing current research questions related to an increasing amount of available data and advances in machine learning techniques. By automatizing a central step in RA, namely the reconstruction of the state space from measured experimental time series, and by investigating the impact of important free parameters this thesis aims to make RA more accessible to researchers outside of physics. The first part of this dissertation is concerned with the reconstruction of the state space from time series. To this end, a novel idea is proposed which automates the reconstruction problem in the sense that there is no need to preprocesse the data or estimate parameters a priori. The key idea is that the goodness of a reconstruction can be evaluated by a suitable objective function and that this function is minimized in the embedding process. In addition, the new method can process multivariate time series input data. This is particularly important because multi-channel sensor-based observations are ubiquitous in many research areas and continue to increase. Building on this, the described minimization problem of the objective function is then processed using a machine learning approach. In the second part technical and methodological aspects of RA are discussed. First, we mathematically justify the idea of setting the most influential free parameter in RA, the recurrence threshold ε, in relation to the distribution of all pairwise distances in the data. This is especially important when comparing different RPs and their quantification statistics and is fundamental to any comparative study. Second, some aspects of recurrence quantification analysis (RQA) are examined. As correction schemes for biased RQA statistics, which are based on diagonal lines, we propose a simple method for dealing with border effects of an RP in RQA and a skeletonization algorithm for RPs. This results in less biased (diagonal line based) RQA statistics for flow-like data. Third, a novel type of RQA characteristic is developed, which can be viewed as a generalized non-linear powerspectrum of high dimensional systems. The spike powerspectrum transforms a spike-train like signal into its frequency domain. When transforming the diagonal line-dependent recurrence rate (τ-RR) of a RP in this way, characteristic periods, which can be seen in the state space representation of the system can be unraveled. This is not the case, when Fourier transforming τ-RR. Finally, RA and RQA are applied to climate science in the third part and neuroscience in the fourth part. To the best of our knowledge, this is the first time RPs and RQA have been used to analyze lake sediment data in a paleoclimate context. Therefore, we first elaborate on the basic formalism and the interpretation of visually visible patterns in RPs in relation to the underlying proxy data. We show that these patterns can be used to classify certain types of variability and transitions in the Potassium record from six short (< 17m) sediment cores collected during the Chew Bahir Drilling Project. Building on this, the long core (∼ m composite) from the same site is analyzed and two types of variability and transitions are identified and compared with ODP Site  wetness index from the eastern Mediterranean. Type  variability likely reflects the influence of precessional forcing in the lower latitudes at times of maximum values of the long eccentricity cycle ( kyr) of the earth’s orbit around the sun, with a tendency towards extreme events. Type  variability appears to be related to the minimum values of this cycle and corresponds to fairly rapid transitions between relatively dry and relatively wet conditions. In contrast, RQA has been applied in the neuroscientific context for almost two decades. In the final part, RQA statistics are used to quantify the complexity in a specific frequency band of multivariate EEG (electroencephalography) data. By analyzing experimental data, it can be shown that the complexity of the signal measured in this way across the sensorimotor cortex decreases as motor tasks are performed. The results are consistent with and comple- ment the well known concepts of motor-related brain processes. We assume that the thus discovered features of neuronal dynamics in the sensorimotor cortex together with the robust RQA methods for identifying and classifying these contribute to the non-invasive EEG-based development of brain-computer interfaces (BCI) for motor control and rehabilitation. The present work is an important step towards a robust analysis of complex systems based on recurrence. N2 - In unserem täglichen Leben spielt die Rekurrenz auf vielen räumlichen und zeitlichen Skalen und in verschiedenen Kontexten eine bedeutende Rolle. Es ist die Grundlage des Lernens, sei es in einem evolutionären oder in einem neuronalen Kontext. Es erscheint daher selbstverständ- lich, dass Rekurrenz auch ein grundlegendes Konzept in der dynamischen Systemwissenschaft ist. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Art und Weise, wie sich Zustände eines Systems wiederholen oder sich auf ähnliche Weise aus ähnlichen Anfangszuständen entwickeln, Infor- mationen über die zugrunde liegende Dynamik des Systems abzuleiten. Der mathematische Raum, in dem wir den Zustand eines Systems definieren (Zustandsraum), ist häufig hoch- dimensional, insbesondere in komplexen Systemen, die darüberhinaus auch eine chaotische Dynamik aufweisen können. Der Rekurrenzplot (RP) ermöglicht es uns, die Rekurrenzen beliebiger hochdimensionaler Systeme in einer zweidimensionalen, binären Darstellung zu visualisieren. Bestimmte Muster in RPs können mit physikalischen Eigenschaften des zugrunde liegenden Systems in Beziehung gesetzt werden, wodurch die qualitative und quantitative Analyse von RPs ein integraler Bestandteil der nichtlinearen Systemwissenschaft wird. Die vorgestellte Arbeit hat einen methodischen Schwerpunkt und entwickelt die Rekurrenzsana- lyse (RA) weiter, indem sie sich mit aktuellen Forschungsfragen befasst, die sich auf eine zunehmende Menge verfügbarer Daten und Fortschritte beim maschinellen Lernen beziehen. Durch die Automatisierung eines zentralen Schritts in der RA, nämlich der Rekonstruktion des Zustandsraums aus gemessenen experimentellen Zeitreihen, und durch die Untersuchung der Auswirkungen wichtiger freier Parameter soll die RA für Forscher außerhalb der Physik zugänglicher gemacht werden. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Rekonstruktion des Zustandsraums aus Zeitreihen. Hierzu wird eine neue Idee vorgeschlagen, die das Rekonstruktionsproblem so automatisiert, dass weder die Daten vorverarbeitet noch a priori Parameter geschätzt werden müssen. Die Schlüsselidee ist, dass die Güte einer Rekonstruktion durch eine geeignete Kostenfunktion evaluiert werden kann und diese Funktion im Einbettungsprozess minimiert wird. Darüber hinaus kann die neue Methode multivariate Zeitreihen-Eingabedaten verarbei- ten. Das ist insbesondere deshalb von großer Bedeutung, da mehrkanalige sensorgestützte Beobachtungen in vielen Forschungsbereichen allgegenwärtig sind und weiterhin zunehmen. Darauf aufbauend wird dann das beschriebene Minimierungsproblem der Kostenfunktion mit einem Ansatz des maschinellen Lernens bearbeitet. Im zweiten Teil werden einige technische und methodische Aspekte der RA erörtert. Zu- nächst begründen wir mathematisch die Idee, den einflussreichsten freien Parameter in der RA, den Rekurrenzgrenzwert ε, in Bezug auf die Verteilung aller paarweisen Abstände in den Daten festzulegen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn verschiedene RPs und ihre Quantifizierungsstatistiken verglichen werden, und ist für jede vergleichende Studie von grundlegender Bedeutung. Zweitens werden einige Aspekte der Rekurrenzquantifizierungs- analyse (RQA) untersucht. Als Korrekturschemata für verzerrte RQA-Statistiken, welche auf diagonalen Linien basierenden, schlagen wir eine einfache Methode zum Umgang mit Randeffekten von RPs in der RQA und einen Skeletonisierungsalgorithmus für RPs vor. Dies sorgt in der Folge zu weniger verzerrten (auf diagonalen Linien basierenden) RQA-Statistiken für hoch abgetastete Daten. Drittens wird eine neuartige RQA-Charakteristik entwickelt, die als verallgemeinertes, nichtlineares Leistungsspektrum hochdimensionaler Systeme angesehen werden kann. Das Spike-Powerspectrum transformiert ein Spike-train-ähnliches Signal in seinen Frequenzbereich. Wenn die diagonallinienabhängige Rekurrenzsrate (τ-RR) eines RP auf diese Weise transformiert wird, können charakteristische Perioden, die in der Zustands- raumdarstellung des Systems erkennbar sind, entschlüsselt werden. Dies ist nicht der Fall, wenn die τ-RR Fourier-transformiert wird. ix x Schließlich werden RA und RQA im dritten Teil auf Paläoklima-Seesedimentdaten und im vierten Teil auf EEG-Daten (Elektroenzephalographie) angewendet. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal, dass RPs und RQA für die Analyse von Seesedimentdaten in einem Paläoklima-Kontext verwendet wurden. Daher wird zunächst an dem grundlegenden Formalismus und der Interpretation visuell sichtbarer Muster in RPs in Bezug auf die zugrunde liegenden Proxy-Daten gearbeitet. Wir zeigen, dass diese Muster verwendet werden können, um bestimmte Arten von Variabilität und Übergängen im Kaliumdatensatz von sechs kurzen (< 17m) Sedimentkernen zu klassifizieren, die während des Chew Bahir-Bohrprojekts gesammelt wurden. Darauf aufbauend wird der lange Kern (∼ m composite) desselben Standorts analysiert und zwei Arten von Variabilität und Übergängen werden identifiziert und mit dem Feuchtigkeitsindex des ODP-Standorts  aus dem östlichen Mittelmeerraum verglichen. Die Variabilität vom Typ  spiegelt wahrscheinlich den Einfluss des Präzessionsantriebs in den unteren Breiten zu Zeiten mit Maximalwerten des langen Exzentrizitätszyklus ( kyr) der Erdumlaufbahn um die Sonne wider, wobei die Tendenz zu extremen Ereignissen besteht. Die Variabilität vom Typ  scheint mit den lokalen Minima dieses Zyklus verbunden zu sein und entspricht ziemlich schnellen Übergängen zwischen relativ trockenen und relativ nassen Bedingungen. Im Gegensatz dazu wird RQA seit fast zwei Jahrzehnten im neurowissenschaftlichen Kontext angewendet. Im letzten Teil werden RQA-Statistiken zur Quantifizierung der Komplexität in einem bestimmten Frequenzband multivariater EEG-Daten verwendet. Durch die Analyse experimenteller Daten kann gezeigt werden, dass die Komplexität des auf diese Weise über den sensomotorischen Kortex gemessenen Signals abnimmt, wenn motorische Aufgaben ausgeführt werden. Die Ergebnisse stimmen mit den bekannten Konzepten motorischer Gehirnprozesse überein und ergänzen diese. Wir nehmen an, dass die so entdeckten Merkmale der neuronalen Dynamik im sensomotorischen Kortex zusammen mit den robusten RQA-Methoden zur Identifizierung und Klassifizierung dieser zu der nicht-invasiven EEG-basierten Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) und zur motorischen Steuerung und Rehabilitation beitragen werden. Die vorliegende Arbeit ist ein wichtiger Schritt zu einer robusten Analyse komplexer Systeme basierend auf Rekurrenz. KW - recurrence KW - state space reconstruction KW - embedding KW - recurrence analysis KW - recurrence quantification analysis KW - Einbettung KW - Rekurrenz KW - Rekurrenzanalyse KW - quantifizierende Rekurrenzanalyse KW - Zustandsraumrekonstruktion/Phasenraumrekonstruktion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538743 ER - TY - THES A1 - Reppert, Alexander von T1 - Magnetic strain contributions in laser-excited metals studied by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung magnetischer Beiträge zur Ausdehnung laserangeregter Metalle mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugungsexperimente N2 - In this work I explore the impact of magnetic order on the laser-induced ultrafast strain response of metals. Few experiments with femto- or picosecond time-resolution have so far investigated magnetic stresses. This is contrasted by the industrial usage of magnetic invar materials or magnetostrictive transducers for ultrasound generation, which already utilize magnetostrictive stresses in the low frequency regime. In the reported experiments I investigate how the energy deposition by the absorption of femtosecond laser pulses in thin metal films leads to an ultrafast stress generation. I utilize that this stress drives an expansion that emits nanoscopic strain pulses, so called hypersound, into adjacent layers. Both the expansion and the strain pulses change the average inter-atomic distance in the sample, which can be tracked with sub-picosecond time resolution using an X-ray diffraction setup at a laser-driven Plasma X-ray source. Ultrafast X-ray diffraction can also be applied to buried layers within heterostructures that cannot be accessed by optical methods, which exhibit a limited penetration into metals. The reconstruction of the initial energy transfer processes from the shape of the strain pulse in buried detection layers represents a contribution of this work to the field of picosecond ultrasonics. A central point for the analysis of the experiments is the direct link between the deposited energy density in the nano-structures and the resulting stress on the crystal lattice. The underlying thermodynamical concept of a Grüneisen parameter provides the theoretical framework for my work. I demonstrate how the Grüneisen principle can be used for the interpretation of the strain response on ultrafast timescales in various materials and that it can be extended to describe magnetic stresses. The class of heavy rare-earth elements exhibits especially large magnetostriction effects, which can even lead to an unconventional contraction of the laser-excited transducer material. Such a dominant contribution of the magnetic stress to the motion of atoms has not been demonstrated previously. The observed rise time of the magnetic stress contribution in Dysprosium is identical to the decrease in the helical spin-order, that has been found previously using time-resolved resonant X-ray diffraction. This indicates that the strength of the magnetic stress can be used as a proxy of the underlying magnetic order. Such magnetostriction measurements are applicable even in case of antiparallel or non-collinear alignment of the magnetic moments and a vanishing magnetization. The strain response of metal films is usually determined by the pressure of electrons and lattice vibrations. I have developed a versatile two-pulse excitation routine that can be used to extract the magnetic contribution to the strain response even if systematic measurements above and below the magnetic ordering temperature are not feasible. A first laser pulse leads to a partial ultrafast demagnetization so that the amplitude and shape of the strain response triggered by the second pulse depends on the remaining magnetic order. With this method I could identify a strongly anisotropic magnetic stress contribution in the magnetic data storage material iron-platinum and identify the recovery of the magnetic order by the variation of the pulse-to-pulse delay. The stark contrast of the expansion of iron-platinum nanograins and thin films shows that the different constraints for the in-plane expansion have a strong influence on the out-of-plane expansion, due to the Poisson effect. I show how such transverse strain contributions need to be accounted for when interpreting the ultrafast out-of-plane strain response using thermal expansion coefficients obtained in near equilibrium conditions. This work contributes an investigation of magnetostriction on ultrafast timescales to the literature of magnetic effects in materials. It develops a method to extract spatial and temporal varying stress contributions based on a model for the amplitude and shape of the emitted strain pulses. Energy transfer processes result in a change of the stress profile with respect to the initial absorption of the laser pulses. One interesting example occurs in nanoscopic gold-nickel heterostructures, where excited electrons rapidly transport energy into a distant nickel layer, that takes up much more energy and expands faster and stronger than the laser-excited gold capping layer. Magnetic excitations in rare earth materials represent a large energy reservoir that delays the energy transfer into adjacent layers. Such magneto-caloric effects are known in thermodynamics but not extensively covered on ultrafast timescales. The combination of ultrafast X-ray diffraction and time-resolved techniques with direct access to the magnetization has a large potential to uncover and quantify such energy transfer processes. N2 - In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss magnetischer Ordnung auf die laser-induzierte, ultraschnelle Ausdehnung von Metallen. In Experimenten mit Femto- oder Pikosekunden Zeitauflösung sind magnetische Drücke bisher kaum erforscht. Dies steht im Kontrast zur industriellen Verwendung von magnetischen Invar Materialien oder magnetostriktiven Ultraschallgebern, in denen magnetische Drücke bereits in niedrigeren Frequenzbereichen Anwendung finden. In meinen Experimenten untersuche ich, wie der Energieeintrag durch die Absorption von Femtosekunden-Laserpulsen in dünnen Metallschichten zu einem ultraschnellen Druckanstieg führt. Dabei nutze ich, dass der Druckanstieg zu einer Ausdehnung führt, welche Deformationswellen auf der Nanometerskala, sogenannte Hyperschallpulse, in angrenzende Schichten aussendet. Sowohl die Ausdehnung als auch die Deformationspulse ändern den mittleren Abstand zwischen den Atomen in der Probe, welcher mittels Röntgenbeugung an einer Laser-getriebenen Plasma-Röntgenquelle mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert wird. Das Verfahren der ultraschnellen Röntgenbeugung gelingt auch in Heterostrukturen mit vergrabenen Detektionsschichten, zu denen optische Methoden aufgrund ihrer limitierter Eindringtiefe in Metallen keinen Zugang haben. Ein Beitrag dieser Arbeit zum Feld der Pikosekunden-Akustik ist es, aus der Ausdehnung einer solchen Detektionsschicht Rückschlüsse auf die initialen Energietransferprozesse zu ziehen. Der direkte Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte in die Nanostrukturen und dem resultierenden Druck auf das Atomgitter ist ein zentraler Punkt in meiner Analyse der Experimente. Das zu Grunde liegende thermodynamische Konzept des Grüneisen-Parameters bildet den theoretischen Kontext meiner Publikationen. Anhand verschiedener Materialien demonstriere ich, wie dieses Prinzip auch zur Analyse der Ausdehnung auf ultraschnellen Zeitskalen verwendet werden kann und sich auch auf magnetische Drücke übertragen lässt. Insbesondere in der Materialklasse der schweren, seltenen Erdelemente sind Magnetostriktionseffekte sehr groß und führen dort sogar zu einem ungewöhnlichen Zusammenziehen des Materials nach der Laseranregung. Solch ein bestimmender Einfluss des magnetischen Drucks auf die Atombewegung ist bisher nicht gezeigt worden. Die Zeitskala des magnetischen Druckanstiegs entspricht dabei der beobachteten Abnahme der helikalen Spin-Ordnung, welche zuvor mittels zeitaufgelöster, resonanter Röntgenbeugung ermittelt wurde. Dies zeigt, dass die Stärke des magnetischen Drucks als Maß für magnetische Ordnung dienen kann, insbesondere auch im Fall von antiparalleler oder nicht-kollinearer Ordnung der magnetischen Momente in Proben mit verschwindender Magnetisierung. In Metallfilmen ist die Dehnung des Atomgitters in der Regel durch Druck von Elektronen und Gitterschwingungen geprägt. Um den magnetischen Druckbeitrag auch in solchen Fällen zu extrahieren, in denen systematische Experimente oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur nicht praktikabel sind, habe ich ein neuartiges Doppelpuls-Anregungsverfahren entwickelt, welches allgemein für die Untersuchung von Phasenübergängen nützlich ist. Der Energieeintrag durch den ersten Laserpuls führt dabei zu einer partiellen, ultraschnellen Demagnetisierung, sodass die Amplitude und Form der Gitterausdehnung nach dem zweiten Puls von der Stärke des verbliebenen magnetischen Drucks und somit von der verbliebenen magnetischen Ordnung abhängt. Mit dieser Methode ist es möglich geworden, einen stark richtungsabhängigen, magnetischen Druckbeitrag im Speichermedium Eisen-Platin zu identifizieren und mittels Variation des Puls-zu-Puls Abstands auch die Rückkehr der magnetischen Ordnung zu zeigen. Die unterschiedliche Ausdehnung von Eisen-Platin Nanopartikeln und dünnen Filmen zeigt dabei, dass die verschiedenen Zwangsbedingungen für die Ausdehnung entlang der Probenoberfläche aufgrund des Poisson-Effekts einen entscheidenden Einfluss auf die ultraschnelle Ausdehnung senkrecht zur Probenoberfläche hat. Ich analysiere, wie die zugrunde liegende Querkontraktion bei der Interpretation der ultraschnellen Ausdehnung auf der Basis von thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Quasi-Gleichgewicht berücksichtigt werden kann. Meine Arbeit erweitert die Literatur um einen Beitrag zur ultraschnellen Magnetostriktion und entwickelt eine Methodik mittels derer räumlich und zeitlich variierende Druckbeiträge anhand einer Modellierung der Form der Deformationswellen extrahiert werden können. Energietransferprozesse spiegeln sich dabei durch eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem Absorptionsprofil der Laserpulse wider. KW - lattice dynamics KW - magnetism KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - Gitterdynamik KW - Magnetismus KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535582 ER - TY - THES A1 - Brugger, Julia T1 - Modeling changes in climate during past mass extinctions T1 - Modellierung von Klimaveränderungen während vergangener Massenaussterben N2 - The evolution of life on Earth has been driven by disturbances of different types and magnitudes over the 4.6 million years of Earth’s history (Raup, 1994, Alroy, 2008). One example for such disturbances are mass extinctions which are characterized by an exceptional increase in the extinction rate affecting a great number of taxa in a short interval of geologic time (Sepkoski, 1986). During the 541 million years of the Phanerozoic, life on Earth suffered five exceptionally severe mass extinctions named the “Big Five Extinctions”. Many mass extinctions are linked to changes in climate (Feulner, 2009). Hence, the study of past mass extinctions is not only intriguing, but can also provide insights into the complex nature of the Earth system. This thesis aims at deepening our understanding of the triggers of mass extinctions and how they affected life. To accomplish this, I investigate changes in climate during two of the Big Five extinctions using a coupled climate model. During the Devonian (419.2–358.9 million years ago) the first vascular plants and vertebrates evolved on land while extinction events occurred in the ocean (Algeo et al., 1995). The causes of these formative changes, their interactions and their links to changes in climate are still poorly understood. Therefore, we explore the sensitivity of the Devonian climate to various boundary conditions using an intermediate-complexity climate model (Brugger et al., 2019). In contrast to Le Hir et al. (2011), we find only a minor biogeophysical effect of changes in vegetation cover due to unrealistically high soil albedo values used in the earlier study. In addition, our results cannot support the strong influence of orbital parameters on the Devonian climate, as simulated with a climate model with a strongly simplified ocean model (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017). We can only reproduce the changes in Devonian climate suggested by proxy data by decreasing atmospheric CO2. Still, finding agreement between the evolution of sea surface temperatures reconstructed from proxy data (Joachimski et al., 2009) and our simulations remains challenging and suggests a lower δ18O ratio of Devonian seawater. Furthermore, our study of the sensitivity of the Devonian climate reveals a prevailing mode of climate variability on a timescale of decades to centuries. The quasi-periodic ocean temperature fluctuations are linked to a physical mechanism of changing sea-ice cover, ocean convection and overturning in high northern latitudes. In the second study of this thesis (Dahl et al., under review) a new reconstruction of atmospheric CO2 for the Devonian, which is based on CO2-sensitive carbon isotope fractionation in the earliest vascular plant fossils, suggests a much earlier drop of atmo- spheric CO2 concentration than previously reconstructed, followed by nearly constant CO2 concentrations during the Middle and Late Devonian. Our simulations for the Early Devonian with identical boundary conditions as in our Devonian sensitivity study (Brugger et al., 2019), but with a low atmospheric CO2 concentration of 500 ppm, show no direct conflict with available proxy and paleobotanical data and confirm that under the simulated climatic conditions carbon isotope fractionation represents a robust proxy for atmospheric CO2. To explain the earlier CO2 drop we suggest that early forms of vascular land plants have already strongly influenced weathering. This new perspective on the Devonian questions previous ideas about the climatic conditions and earlier explanations for the Devonian mass extinctions. The second mass extinction investigated in this thesis is the end-Cretaceous mass extinction (66 million years ago) which differs from the Devonian mass extinctions in terms of the processes involved and the timescale on which the extinctions occurred. In the two studies presented here (Brugger et al., 2017, 2021), we model the climatic effects of the Chicxulub impact, one of the proposed causes of the end-Cretaceous extinction, for the first millennium after the impact. The light-dimming effect of stratospheric sulfate aerosols causes severe cooling, with a decrease of global annual mean surface air temperature of at least 26◦C and a recovery to pre-impact temperatures after more than 30 years. The sudden surface cooling of the ocean induces deep convection which brings nutrients from the deep ocean via upwelling to the surface ocean. Using an ocean biogeochemistry model we explore the combined effect of ocean mixing and iron-rich dust originating from the impactor on the marine biosphere. As soon as light levels have recovered, we find a short, but prominent peak in marine net primary productivity. This newly discovered mechanism could result in toxic effects for marine near-surface ecosystems. Comparison of our model results to proxy data (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) suggests that carbon release from the terrestrial biosphere is required in addition to the carbon dioxide which can be attributed to the target material. Surface ocean acidification caused by the addition of carbon dioxide and sulfur is only moderate. Taken together, the results indicate a significant contribution of the Chicxulub impact to the end-Cretaceous mass extinction by triggering multiple stressors for the Earth system. Although the sixth extinction we face today is characterized by human intervention in nature, this thesis shows that we can gain many insights into future extinctions from studying past mass extinctions, such as the importance of the rate of change (Rothman, 2017), the interplay of multiple stressors (Gunderson et al., 2016), and changes in the carbon cycle (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020). N2 - In den 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte wurde die Entwicklung des Lebens durch Störungen unterschiedlichster Art geprägt (Raup, 1994, Alroy, 2008). Ein Beispiel für solche Störungen sind Massenaussterben. Diese sind durch einen außergewöhnlichen Anstieg der Aussterberate einer großen Anzahl von Taxa in einem kurzen geologischen Zeitintervall gekennzeichnet (Sepkoski, 1986). Während der 541 Millionen Jahre des Phanerozoikums traten fünf außergewöhnlich schwere Massenaussterben auf. Viele Massenaussterben stehen mit Klimaveränderungen im Zusammenhang (Feulner, 2009). Die Untersuchung vergangener Massenaussterben ist daher nicht nur faszinierend, sondern gibt auch Einblicke in die komplexen Prozesse des Erdsystems. Diese Dissertation möchte unser Verständnis für die Auslöser von Massenaussterben sowie deren Auswirkungen auf das Leben erweitern. Dazu untersuche ich die Klimaveränderungen während zwei der fünf großen Aussterbeereignisse mit Hilfe eines gekoppelten Klimamodells. Während des Devons (vor 419,2-358,9 Millionen Jahren) entwickelten sich die ersten Gefäßpflanzen und Wirbeltiere an Land, während im Ozean Massenaussterben statt- fanden (Algeo et al., 1995). Die Ursachen dieser tiefgreifenden Veränderungen, ihre Wechselwirkungen und ihre Zusammenhänge mit Klimaveränderungen sind noch wenig verstanden. Daher untersuchen wir die Sensitivität des Klimas des Devons bezüglich verschiedener Randbedingungen mit einem Klimamodell mittlerer Komplexität (Brugger et al., 2019). Im Gegensatz zu Le Hir et al. (2011), die unrealistisch hohe Albedo Werte für den Boden verwenden, finden wir nur einen geringen biogeophysikalischen Einfluss von Änderungen der Vegetationsbedeckung. Außerdem können unsere Simulationen den starken Einfluss von Orbitalparametern, der mit einem Klimamodell mit stark vereinfachtem Ozeanmodell (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017) simuliert wurde, nicht reproduzieren. Die in Proxydaten gefundenen klimatischen Veränderungen im Devon können wir nur durch eine Verringerung des atmosphärischen CO2 simulieren. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, eine Übereinstimmung zwischen der aus Proxydaten (Joachimski et al., 2009) rekonstruierten Entwicklung der Meeresoberflächentemperatu- ren und unseren Simulationen zu finden. Dies deutet auf ein niedrigeres δ18O-Verhältnis des Meerwassers im Devon hin. Außerdem finden wir im Rahmen unserer Sensitivitäts- studien eine Klimavariabilität auf einer Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrhunderten. Die quasi-periodischen Schwankungen der Ozeantemperatur werden durch einen physikalischen Mechanismus aus sich verändernder Meereisbedeckung, Konvektion und Umwälzbewegung in den hohen nördlichen Breiten des Ozeans angetrieben. In der zweiten Studie dieser Dissertation (Dahl et al., under review) präsentieren wir eine neue Rekonstruktion des atmosphärischen CO2 für das Devon, die auf CO2-sensitiver Kohlenstoffisotopenfraktionierung in den frühesten Gefäßpflanzenfossilien basiert. Diese zeigt einen viel früheren Abfall der atmosphärischen CO2-Konzentration als bisherige Rekonstruktionen, gefolgt von nahezu konstanten CO2-Konzentrationen während des Mittel- und Spätdevon. Unsere Simulationen für das frühe Devon mit identischen Rand- bedingungen wie in unserer Sensitivitätsstudie (Brugger et al., 2019), jedoch mit einer niedrigen atmosphärischen CO2-Konzentration von 500ppm, zeigen keinen direkten Konflikt mit verfügbaren Proxy- und paläobotanischen Daten. Zusätzlich bestätigen die Simulationen, dass unter den simulierten klimatischen Bedingungen die Kohlenstoff- Isotopenfraktionierung einen robusten Proxy für atmosphärisches CO2 darstellt. Um den früheren CO2-Abfall zu erklären, schlagen wir vor, dass frühe Formen von vaskulären Landpflanzen die Verwitterung bereits stark beeinflusst haben. Diese neue Sichtweise auf das Devon stellt bisherige Vorstellungen über die klimatischen Bedingungen und frühere Erklärungen für die devonischen Massenaussterben in Frage. Das zweite in dieser Arbeit untersuchte Massenaussterben ist das Massenaussterben der späten Kreidezeit (vor 66 Millionen Jahren), das sich von denen im Devon in Bezug auf die beteiligten Prozesse und die Zeitskala der Aussterben unterscheidet. Eine der diskutierten Ursachen dieses Massenaussterbens ist der Chicxulub-Meteoriten-Einschlag. In den beiden hier vorgestellten Studien (Brugger et al., 2017, 2021) modellieren wir die klimatischen Auswirkungen des Chicxulub Einschlags für das erste Jahrtausend nach dem Einschlag. Die durch die stratosphärischen Sulfataerosole verringerte Son- neneinstrahlung verursacht eine starke Abkühlung: die global und jährlich gemittelte Oberflächenlufttemperatur nimmt um mindestens 26◦C ab und erholt sich erst nach mehr als 30 Jahren. Die plötzliche Abkühlung der Ozeanoberfläche löst bis in große Tiefen reichende Konvektion aus, die zum Nährstofftransport aus dem tiefen Ozean an die Ozea- noberfläche führt. Mit Hilfe eines biogeochemischen Modells des Ozeans untersuchen wir die kombinierte Wirkung dieser Durchmischung des Ozeans und eisenreichen Staubs aus dem Meteoriten auf die marine Biosphäre. Sobald wieder genügend Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, erreicht die marine Nettoprimärproduktion ein kurzes, aber markantes Maximum. Dieser neu entdeckte Mechanismus könnte toxische Folgen für oberflächennahe Ökosysteme des Ozeans haben. Der Vergleich unserer Modellergebnisse mit Proxydaten (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) deutet darauf hin, dass zusätzlich zum CO2 aus dem Gestein des Einschlagortes Kohlenstoff aus der terrest- rischen Biosphäre freigesetzt wird. Die Versauerung des Oberflächenozeans durch die Zugabe von CO2 und Schwefel ist nur moderat. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Chicxulub Einschlag einen wesentlichen Beitrag zum Massenaussterben der späten Kreidezeit leistete, indem er das Erdsystem multiplen Stressoren aussetzte. Auch wenn das heutige sechste Aussterben durch menschliche Eingriffe in die Natur geprägt ist, zeigt diese Dissertation, dass wir aus dem Studium vergangener Massenaussterben viele Erkenntnisse über zukünftige Massenaussterben gewinnen können, wie z. B. die Bedeutung der Änderungsrate (Rothman, 2017), ein besseres Verständnis des Zusammenspiels multipler Stressoren (Gunderson et al., 2016) und die Rolle von Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020). KW - earth system modeling KW - mass extinctions KW - paleoclimatology KW - climate change KW - Erdsystem Modellierung KW - Klimawandel KW - Massenaussterben KW - Paleoklimatologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532468 ER - TY - THES A1 - Teichmann, Erik T1 - Partial synchronization in coupled systems with repulsive and attractive interaction T1 - Partielle Synchronisation in Gekoppelten System mit Abstoßender und Anziehender Wechselwirkung N2 - Partial synchronous states exist in systems of coupled oscillators between full synchrony and asynchrony. They are an important research topic because of their variety of different dynamical states. Frequently, they are studied using phase dynamics. This is a caveat, as phase dynamics are generally obtained in the weak coupling limit of a first-order approximation in the coupling strength. The generalization to higher orders in the coupling strength is an open problem. Of particular interest in the research of partial synchrony are systems containing both attractive and repulsive coupling between the units. Such a mix of coupling yields very specific dynamical states that may help understand the transition between full synchrony and asynchrony. This thesis investigates partial synchronous states in mixed-coupling systems. First, a method for higher-order phase reduction is introduced to observe interactions beyond the pairwise one in the first-order phase description, hoping that these may apply to mixed-coupling systems. This new method for coupled systems with known phase dynamics of the units gives correct results but, like most comparable methods, is computationally expensive. It is applied to three Stuart-Landau oscillators coupled in a line with a uniform coupling strength. A numerical method is derived to verify the analytical results. These results are interesting but give importance to simpler phase models that still exhibit exotic states. Such simple models that are rarely considered are Kuramoto oscillators with attractive and repulsive interactions. Depending on how the units are coupled and the frequency difference between the units, it is possible to achieve many different states. Rich synchronization dynamics, such as a Bellerophon state, are observed when considering a Kuramoto model with attractive interaction in two subpopulations (groups) and repulsive interactions between groups. In two groups, one attractive and one repulsive, of identical oscillators with a frequency difference, an interesting solitary state appears directly between full and partial synchrony. This system can be described very well analytically. N2 - Partiell synchronisierte Zustände existieren zwischen voller Synchronisation und Asynchronie, in Systemen von gekoppelten Oszillatoren. Das Verständnis von partieller Synchronisation ist ein wichtiger Forschungszweig, da sie viele dynamische Zustände enthalten. Sie werden oft mithilfe von Phasendynamiken untersucht. Das ist jedoch ein Nachteil, da Phasendynamiken für gewöhnlich nur im Grenzfall von schwacher Kopplung, also einer Näherung in erster Ordnung der Kopplungsstärke, betrachtet werden. Die Verallgemeinerung zu höheren Ordnungen ist weiterhin ein offenes Problem. Systeme mit anziehender und abstoßender Kopplung zwischen den einzelnen Oszillatoren sind von speziellem Interesse in der Erforschung von partieller Synchronisation. Solch eine Mischung aus Kopplungsstärken führt zu bestimmten dynamischen Zuständen, die den Übergang von Synchronisation zu Asynchronie erklären könnten. Diese Arbeit untersucht solche Zustände in Systemen mit gemischten Kopplungsstärken. Zuerst wird eine neue Methode zur Bestimmung von Phasendynamiken in höheren Ordnungen eingeführt. Sie betrachtet mehr Kopplungsterme, als die einfachen paarweisen Interaktionen die in der ersten Ordnung der Kopplungsstärke auftreten, in der Hoffnung, dass diese Methode auch auf Systeme mit gemischter Kopplung anwendbar ist. Die neue Methode für Oszillatoren mit einer bekannten Phasendynamik, führt zu den richtigen Ergebnissen, ist aber aufwendig zu berechnen. Die Methode wird auf drei, in einer Linie gekoppelten, Stuart-Landau Oszillatoren angewendet. Eine numerische Methode wird abgeleitet, um die analytischen Ergebnisse zu verifizieren. Diese Ergebnisse sind interessant, aber durch die benötigte hohe Rechenleistung ist es weiterhin vorteilhaft einfachere Phasenmodelle zu untersuchen, die exotischere Zustände erreichen. Solch ein einfaches Model, das eher selten Beachtung findet, ist das Kuramoto Model mit anziehender und abstoßender Kopplung. Abhängig davon, wie die Oszillatoren gekoppelt und wie die Frequenzunterschiede zwischen den einzelnen Oszillatoren sind, ist es möglich viele verschiedene Zustände zu erreichen. Interessante Synchronisierungsdynamiken werden erreicht, wie zum Beispiel der Bellerophon Zustand, wenn ein Kuramoto Model mit zwei Gruppen, mit anziehender Kopplung innerhalb der Gruppen und abstoßender Kopplung zwischen den Gruppen, untersucht wird. Bei zwei Gruppen, eine anziehend und eine abstoßend, von identischen Oszillatoren mit einem Frequenzunterschied zwischen den Gruppen, wird ein interessanter solitärer Zustand beobachtet. Er befindet sich direkt am Übergang zwischen Synchronisation und partieller Synchronisation. Solch ein System ist sehr gut analytisch beschreibbar. KW - Synchronization KW - Dynamical Systems KW - Coupled Systems KW - gekoppelte System KW - dynamische Systeme KW - Synchronisation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528943 ER - TY - THES A1 - Fritzewski, Dario Jasper T1 - From fast to slow rotation in the open clusters NGC 2516 and NGC 3532 T1 - Der Übergang von schneller zu langsamer Rotation in den offenen Sternhaufen NGC 2516 und NGC 3532 N2 - Angular momentum is a particularly sensitive probe into stellar evolution because it changes significantly over the main sequence life of a star. In this thesis, I focus on young main sequence stars of which some feature a rapid evolution in their rotation rates. This transition from fast to slow rotation is inadequately explored observationally and this work aims to provide insights into the properties and time scales but also investigates stellar rotation in young open clusters in general. I focus on the two open clusters NGC 2516 and NGC 3532 which are ~150 Myr (zero-age main sequence age) and ~300 Myr old, respectively. From 42 d-long time series photometry obtained at the Cerro Tololo Inter-American Observatory, I determine stellar rotation periods in both clusters. With accompanying low resolution spectroscopy, I measure radial velocities and chromospheric emission for NGC 3532, the former to establish a clean membership and the latter to probe the rotation-activity connection. The rotation period distribution derived for NGC 2516 is identical to that of four other coeval open clusters, including the Pleiades, which shows the universality of stellar rotation at the zero-age main sequence. Among the similarities (with the Pleiades) the "extended slow rotator sequence" is a new, universal, yet sparse, feature in the colour-period diagrams of open clusters. From a membership study, I find NGC 3532 to be one of the richest nearby open clusters with 660 confirmed radial velocity members and to be slightly sub-solar in metallicity. The stellar rotation periods for NGC 3532 are the first published for a 300 Myr-old open cluster, a key age to understand the transition from fast to slow rotation. The fast rotators at this age have significantly evolved beyond what is observed in NGC 2516 which allows to estimate the spin-down timescale and to explore the issues that angular momentum models have in describing this transition. The transitional sequence is also clearly identified in a colour-activity diagram of stars in NGC 3532. The synergies of the chromospheric activity and the rotation periods allow to understand the colour-activity-rotation connection for NGC 3532 in unprecedented detail and to estimate additional rotation periods for members of NGC 3532, including stars on the "extended slow rotator sequence". In conclusion, this thesis probes the transition from fast to slow rotation but has also more general implications for the angular momentum evolution of young open clusters. N2 - Entgegen anderer Parameter ändert sich der Drehimpuls von kühlen Hauptreihensternen stark und eignet sich daher gut zur Untersuchung der Sternentwicklung. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf junge Hauptreihensterne, von denen einige einen ausgeprägten Übergang in ihren Rotationsperioden aufweisen. Dieser Übergang von schneller zu langsamer Rotation ist empirisch nur unzureichend erforscht und diese Arbeit zielt darauf ab, Einblicke in seine Eigenschaften und Zeitskalen zu geben, sie untersucht aber auch die stellare Rotation in jungen offenen Sternhaufen im Allgemeinen. Ich konzentriere mich auf die beiden offenen Sternhaufen NGC 2516 und NGC 3532, die ~150 Myr (Nullalter-Hauptreihe) bzw. ~300 Myr alt sind. Aus einer 42 Tage langen photometrischen Zeitreihe, die am Cerro Tololo Inter-American Observatory gewonnen wurde, bestimme ich Rotationsperioden in beiden Sternhaufen. Darüber hinaus messe ich mit niedrig auflösender Spektroskopie Radialgeschwindigkeiten und die chromosphärische Emission für Sterne in NGC 3532, erstere um eine sichere Mitgliedschaft zu etablieren und letztere um den Zusammenhang zwischen Rotation und Aktivität zu untersuchen. Die für NGC 2516 abgeleitete Rotationsperiodenverteilung ist identisch mit der von vier anderen gleichaltrigen offenen Sternhaufen, einschließlich der Plejaden, was die Gleichheit und Grundsätzlichkeit der Sternrotation auf der Nullalter-Hauptreihe zeigt. Neben den Ähnlichkeiten (mit den Plejaden) ist die "extended slow rotator sequence" ein neues, universelles, aber seltenes Merkmal in den Farben-Perioden-Diagrammen offener Sternhaufen. Aus einer Mitgliedschaftsstudie geht hervor, dass NGC 3532 mit 660 bestätigten Radialgeschwindigkeitsmitgliedern einer der größten nahen offenen Sternhaufen ist. Zudem weist er eine leicht sub-solare Metallizität auf. Die Rotationsperioden für NGC 3532 sind die ersten, die für einen 300 Myr alten offenen Sternhaufen veröffentlicht wurden, ein wichtiges Alter, um den Übergang von schneller zu langsamer Rotation zu verstehen. Die schnellen Rotatoren in diesem Alter sind deutlich weiter entwickelt als in NGC 2516 beobachtet, was es erlaubt, die Zeitskala für den Drehimpulsverlust abzuschätzen und die Probleme zu untersuchen, die Drehimpulsmodelle bei der Beschreibung dieses Übergangs haben. Die Übergangssequenz ist auch in einem Farben-Aktivitäts-Diagramm von Sternen in NGC 3532 deutlich zu erkennen. Die Synergien zwischen der chromosphärischen Aktivität und den Rotationsperioden erlauben es, den Zusammenhang zwischen intrinsischer Farbe, Aktivität und Rotation für NGC 3532 in einzigartigem Detail zu verstehen und zusätzliche Rotationsperioden für Mitglieder von NGC 3532 abzuschätzen, einschließlich der Sterne auf der "extended slow rotator sequence". Zusammenfassend untersucht diese Arbeit den Übergang von schneller zu langsamer Rotation, hat aber auch allgemeinere Implikationen für die Drehimpulsentwicklung von jungen offenen Sternhaufen. KW - Astronomy KW - Astrophysics KW - cool stars KW - angular momentum loss KW - stellar rotation KW - photometry KW - spectroscopy KW - gyrochronology KW - chromospheric activity KW - stellar activity KW - open cluster KW - NGC 2516 KW - NGC 3532 KW - Astronomie KW - Astrophysik KW - NGC 2516 KW - NGC 3532 KW - Drehimpulsverlust KW - chromospherische Aktivität KW - kühle Sterne KW - Gyrochronologie KW - offener Sternhaufen KW - Photometrie KW - Spektroskopie KW - stellare Aktivität KW - stellare Rotation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-531356 ER - TY - THES A1 - Nakoudi, Konstantina T1 - Properties and radiative effect of aerosol and cirrus clouds over the European Arctic T1 - Eigenschaften und Strahlungseffekt von Aerosol und Zirruswolken über der europäischen Arktis N2 - Over the last decades, the rate of near-surface warming in the Arctic is at least double than elsewhere on our planet (Arctic amplification). However, the relative contribution of different feedback processes to Arctic amplification is a topic of ongoing research, including the role of aerosol and clouds. Lidar systems are well-suited for the investigation of aerosol and optically-thin clouds as they provide vertically-resolved information on fine temporal scales. Global aerosol models fail to converge on the sign of the Arctic aerosol radiative effect (ARE). In the first part of this work, the optical and microphysical properties of Arctic aerosol were characterized at case study level in order to assess the short-wave (SW) ARE. A long-range transport episode was first investigated. Geometrically similar aerosol layers were captured over three locations. Although the aerosol size distribution was different between Fram Strait(bi-modal) and Ny-Ålesund (fine mono-modal), the atmospheric column ARE was similar. The latter was related to the domination of accumulation mode aerosol. Over both locations top of the atmosphere (TOA) warming was accompanied by surface cooling. Subsequently, the sensitivity of ARE was investigated with respect to different aerosol and spring-time ambient conditions. A 10% change in the single-scattering albedo (SSA) induced higher ARE perturbations compared to a 30% change in the aerosol extinction coefficient. With respect to ambient conditions, the ARETOA was more sensitive to solar elevation changes compared to AREsur f ace. Over dark surfaces the ARE profile was exclusively negative, while over bright surfaces a negative to positive shift occurred above the aerosol layers. Consequently, the sign of ARE can be highly sensitive in spring since this season is characterized by transitional surface albedo conditions. As the inversion of the aerosol microphysics is an ill-posed problem, the inferred aerosol size distribution of a low-tropospheric event was compared to the in-situ measured distribution. Both techniques revealed a bi-modal distribution, with good agreement in the total volume concentration. However, in terms of SSA a disagreement was found, with the lidar inversion indicating highly scattering particles and the in-situ measurements pointing to absorbing particles. The discrepancies could stem from assumptions in the inversion (e.g. wavelength-independent refractive index) and errors in the conversion of the in-situ measured light attenuation into absorption. Another source of discrepancy might be related to an incomplete capture of fine particles in the in-situ sensors. The disagreement in the most critical parameter for the Arctic ARE necessitates further exploration in the frame of aerosol closure experiments. Care must be taken in ARE modelling studies, which may use either the in-situ or lidar-derived SSA as input. Reliable characterization of cirrus geometrical and optical properties is necessary for improving their radiative estimates. In this respect, the detection of sub-visible cirrus is of special importance. The total cloud radiative effect (CRE) can be negatively biased, should only the optically-thin and opaque cirrus contributions are considered. To this end, a cirrus retrieval scheme was developed aiming at increased sensitivity to thin clouds. The cirrus detection was based on the wavelet covariance transform (WCT) method, extended by dynamic thresholds. The dynamic WCT exhibited high sensitivity to faint and thin cirrus layers (less than 200 m) that were partly or completely undetected by the existing static method. The optical characterization scheme extended the Klett–Fernald retrieval by an iterative lidar ratio (LR) determination (constrained Klett). The iterative process was constrained by a reference value, which indicated the aerosol concentration beneath the cirrus cloud. Contrary to existing approaches, the aerosol-free assumption was not adopted, but the aerosol conditions were approximated by an initial guess. The inherent uncertainties of the constrained Klett were higher for optically-thinner cirrus, but an overall good agreement was found with two established retrievals. Additionally, existing approaches, which rely on aerosol-free assumptions, presented increased accuracy when the proposed reference value was adopted. The constrained Klett retrieved reliably the optical properties in all cirrus regimes, including upper sub-visible cirrus with COD down to 0.02. Cirrus is the only cloud type capable of inducing TOA cooling or heating at daytime. Over the Arctic, however, the properties and CRE of cirrus are under-explored. In the final part of this work, long-term cirrus geometrical and optical properties were investigated for the first time over an Arctic site (Ny-Ålesund). To this end, the newly developed retrieval scheme was employed. Cirrus layers over Ny-Ålesund seemed to be more absorbing in the visible spectral region compared to lower latitudes and comprise relatively more spherical ice particles. Such meridional differences could be related to discrepancies in absolute humidity and ice nucleation mechanisms. The COD tended to decline for less spherical and smaller ice particles probably due to reduced water vapor deposition on the particle surface. The cirrus optical properties presented weak dependence on ambient temperature and wind conditions. Over the 10 years of the analysis, no clear temporal trend was found and the seasonal cycle was not pronounced. However, winter cirrus appeared under colder conditions and stronger winds. Moreover, they were optically-thicker, less absorbing and consisted of relatively more spherical ice particles. A positive CREnet was primarily revealed for a broad range of representative cloud properties and ambient conditions. Only for high COD (above 10) and over tundra a negative CREnet was estimated, which did not hold true over snow/ice surfaces. Consequently, the COD in combination with the surface albedo seem to play the most critical role in determining the CRE sign over the high European Arctic. N2 - Seit den letzten Jahrzehnten erwärmt sich die arktische, oberflächennahe Luft mindestens doppelt so schnell, wie anderswo auf unserem Planeten (arktische Verstärkung). Der relative Beitrag verschiedener Rückkopplungsprozesse zu dieser arktischen Verstärkung ist ein Thema laufender Forschung, einschließlich der Rolle von Aerosol und Wolken. Lidarsysteme eignen sich gut zur Untersuchung von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, da sie vertikal aufgelöste Informationen auf kurzen Zeitskalen liefern. Globale Aerosolmodelle können das Vorzeichen des Aerosolstrahlungseffekts (ARE) in der Arktis nicht erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurden die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften des arktischen Aerosols auf Fallstudienebene charakterisiert, um das kurzwellige ARE zu bestimmen. Ein Ferntransportereignis von Aerosol wurde zuerst untersucht. An drei Standorten wurden geometrisch ähnliche Aerosolschichten erfasst. Obwohl die Aerosolgrößenverteilung zwischen der Framstraße (bimodal) und Ny-Ålesund (monomodal im Akkumulationsmode) unterschiedlich war, ergaben sich ähnliche Werte für das ARE in der atmosphärische Säule. Letzteres hängt mit der Dominanz des Akkumulationsmodus-Aerosols zusammen. Über beiden Standorten ergab sich am Oberrand der Atmosphäre (TOA) eine Erwärmung; diese wurde von einer Oberflächenkühlung begleitet. Anschließend wurde die Abhängigkeit der ARE in Bezug auf verschiedene Aerosole und Umgebungsbedingungen im Frühling untersucht. Eine Änderung der Einfachstreualbedo (SSA) um 10% induzierte höhere ARE-Änderungen im Vergleich zu einer 30%igen Änderung des Aerosol-Extinktionskoeffizienten. In Bezug auf die Umgebungsbedingungen war die TOAARE im Vergleich zur Oberflächen-ARE empfindlicher gegenüber Änderungen der Sonnenhöhe. Über dunklen Oberflächen war das ARE-Profil ausschließlich negativ, während über hellen Oberflächen oberhalb der Aerosolschichten eine Verschiebung von negativen zu positiven Werten auftrat. Entsprechend ist das Vorzeichen der ARE im Frühjahr hochempfindlich, da diese Jahreszeit durch starke Änderung der Oberflächenalbedo gekennzeichnet ist. Da die Inversion der Aerosolmikrophysik aus optischen Daten ein schlecht-gestelltes Problem ist, wurde die abgeleitete Aerosolgrößenverteilung eines Aerosol-Ereignisses in der niederen Troposphäre mit der einer aus in situ Verfahren abgeleiteten Verteilung verglichen. Beide Techniken ergaben zwei Aerosolmodi mit guter Übereinstimmung in Bezug auf die Gesamtvolumenkonzentration. In Bezug auf die SSA wurde jedoch ein Unterscied festgestellt, wobei die Lidarinversion auf stark streuende Partikel und die in-situ Messungen auf absorbierende Partikel hinwiesen. Die Abweichungen könnten auf Annahmen bei der Inversion (z.B. wellenlängenunabhängiger Brechungsindex) und auf Fehler bei der Umrechnung der in-situ gemessenen Lichtdämpfung in Absorption zurückzuführen sein. Eine weitere Ursache der Diskrepanz könnte auf eine unvollständige Erfassung von Feinpartikeln in den insitu-Sensoren zurückzuführen sein. Die Unstimmigkeit über diesen wichtigsten Parameter für die arktische ARE macht weitere Untersuchungen im Rahmen von Aerosolschließungsexperimenten erforderlich. Vorsicht ist bei der ARE-aus Modellierungsstudien geboten, bei denen entweder in-situ- oder lidar-abgeleitete SSA als Input verwendet werden. Eine zuverlässige Charakterisierung von Zirruswolken ist erforderlich, um die Abschätzung ihrer Strahlungswirkung zu verbessern. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Nachweis von sub-visible Zirrus. Der Wolkenstrahlungseffekt (CRE) fällt zu negativ aus, wenn nur der optisch dünne und opake Zirrus berücksichtigt werden. Daher wurde ein ZirrusErkennungsschema basierend auf Lidardaten entwickelt. Das Schema verwendet die Wavelet– Kovarianz–Transformation (WCT), erweitert um dynamische Schwellenwerte. Die dynamische WCT zeigte eine hohe Empfindlichkeit gegenüber schwachen und dünnen Zirrusschichten von weniger als 200 m Mächtigkeit. Das optische Charakterisierungsschema erweiterte die Klett–Fernald–Retrieval durch iterative Lidar-Ratio (LR) Bestimmung (constrained Klett). Der iterative Prozess wurde durch einen Referenzwert eingeschränkt, der die Aerosolkonzentration unterhalb der Zirruswolke angab. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen brauchte keine Aerosolfreiheit angenommen zu werden. Stattdessen wurden realistischere Annahmen unter der Wolke verwendet. Die inhärenten Unsicherheiten des eingeschränkten Kletts waren bei optisch dünneren Zirren höher, aber insgesamt wurde eine gute Übereinstimmung mit zwei etablierten Retrievals gefunden. Darüber hinaus konnten die bestehenden Ansätze, die auf aerosolfreien Annahmen beruhen, ebenfalls verbessert werden, wenn der vorgeschlagene Referenzwert verwendet wurde. Der constrained Klett konnte die optischen Eigenschaften in allen Zirrusregimen zuverlässig abrufen, einschliesslich der oberen sub-visible Zirren mit COD bis hinunter zu 0,02. Zirrus ist die einzige Wolkengattung, die tagsüber am Atmosphärenoberrand entweder eine Kühlung oder eine Erwärmung hervorrufen kann. Über der Arktis sind die Eigenschaften und das CRE von Zirrus bislang nur wenig erforscht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden erstmals mit dem neuentwickelten Retrieval-Schema deren langfristige geometrische und optische Eigenschaften an einem arktischen Standort untersucht. Zirruswolken über Ny-Ålesund schienen im sichtbaren Spektralbereich absorbierender zu sein als in den niedrigen Breiten und mehr kugelförmige Eispartikel zu enthalten. Solche meridididialen Unterschiede könnten mit Diskrepanzen der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Eiskeimbildung zusammenhängen. Tendenziell sank die COD bei weniger kugelförmigen und kleineren Eispartikeln, was wahrscheinlich auf eine geringere Wasserdampfablagerung an der Partikeloberfläche zurückzuführen ist. Die optischen Eigenschaften des Zirrus zeigten eine geringe Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Windbedingungen. In den 10 Jahren der Analyse konnte kein eindeutiger zeitlicher Trend und kein ausgeprägter saisonaler Zyklus festgestellt werden. Ein positives netto-CRE wurde für ein breites Spektrum von repräsentative Wolkeneigenschaften und Umgebungsbedingungen festgestellt. Für hohe COD (über 10) wurde jedoch ein negatives netto-CRE über der Tundra ermittelt, im Gegensatz zu Schnee- / Eisoberflächen. Folglich scheint die COD in Verbindung mit der Oberflächenalbedo die kritischste Rolle bei der Bestimmung des CRE über der hohen europäischen Arktis zu spielen. KW - aerosol KW - clouds KW - cirrus clouds KW - European Arctic KW - lidar KW - radiative transfer modeling KW - Europäische Arktis KW - Aerosol KW - Zirruswolken KW - Wolken KW - Lidar KW - Strahlungtransportmodellierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530366 ER - TY - THES A1 - Wunderling, Nico T1 - Nichtlineare Dynamiken und Interaktionen von Kippelementen im Erdsystem T1 - Nonlinear dynamics and interactions of tipping elements in the Earth system N2 - With ongoing anthropogenic global warming, some of the most vulnerable components of the Earth system might become unstable and undergo a critical transition. These subsystems are the so-called tipping elements. They are believed to exhibit threshold behaviour and would, if triggered, result in severe consequences for the biosphere and human societies. Furthermore, it has been shown that climate tipping elements are not isolated entities, but interact across the entire Earth system. Therefore, this thesis aims at mapping out the potential for tipping events and feedbacks in the Earth system mainly by the use of complex dynamical systems and network science approaches, but partially also by more detailed process-based models of the Earth system. In the first part of this thesis, the theoretical foundations are laid by the investigation of networks of interacting tipping elements. For this purpose, the conditions for the emergence of global cascades are analysed against the structure of paradigmatic network types such as Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz and explicitly spatially embedded networks. Furthermore, micro-scale structures are detected that are decisive for the transition of local to global cascades. These so-called motifs link the micro- to the macro-scale in the network of tipping elements. Alongside a model description paper, all these results are entered into the Python software package PyCascades, which is publicly available on github. In the second part of this dissertation, the tipping element framework is first applied to components of the Earth system such as the cryosphere and to parts of the biosphere. Afterwards it is applied to a set of interacting climate tipping elements on a global scale. Using the Earth system Model of Intermediate Complexity (EMIC) CLIMBER-2, the temperature feedbacks are quantified, which would arise if some of the large cryosphere elements disintegrate over a long span of time. The cryosphere components that are investigated are the Arctic summer sea ice, the mountain glaciers, the Greenland and the West Antarctic Ice Sheets. The committed temperature increase, in case the ice masses disintegrate, is on the order of an additional half a degree on a global average (0.39-0.46 °C), while local to regional additional temperature increases can exceed 5 °C. This means that, once tipping has begun, additional reinforcing feedbacks are able to increase global warming and with that the risk of further tipping events. This is also the case in the Amazon rainforest, whose parts are dependent on each other via the so-called moisture-recycling feedback. In this thesis, the importance of drought-induced tipping events in the Amazon rainforest is investigated in detail. Despite the Amazon rainforest is assumed to be adapted to past environmental conditions, it is found that tipping events sharply increase if the drought conditions become too intense in a too short amount of time, outpacing the adaptive capacity of the Amazon rainforest. In these cases, the frequency of tipping cascades also increases to 50% (or above) of all tipping events. In the model that was developed in this study, the southeastern region of the Amazon basin is hit hardest by the simulated drought patterns. This is also the region that already nowadays suffers a lot from extensive human-induced changes due to large-scale deforestation, cattle ranching or infrastructure projects. Moreover, on the larger Earth system wide scale, a network of conceptualised climate tipping elements is constructed in this dissertation making use of a large literature review, expert knowledge and topological properties of the tipping elements. In global warming scenarios, tipping cascades are detected even under modest scenarios of climate change, limiting global warming to 2 °C above pre-industrial levels. In addition, the structural roles of the climate tipping elements in the network are revealed. While the large ice sheets on Greenland and Antarctica are the initiators of tipping cascades, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) acts as the transmitter of cascades. Furthermore, in our conceptual climate tipping element model, it is found that the ice sheets are of particular importance for the stability of the entire system of investigated climate tipping elements. In the last part of this thesis, the results from the temperature feedback study with the EMIC CLIMBER-2 are combined with the conceptual model of climate tipping elements. There, it is observed that the likelihood of further tipping events slightly increases due to the temperature feedbacks even if no further CO$_2$ would be added to the atmosphere. Although the developed network model is of conceptual nature, it is possible with this work for the first time to quantify the risk of tipping events between interacting components of the Earth system under global warming scenarios, by allowing for dynamic temperature feedbacks at the same time. N2 - Bei fortdauerndem anthropogenem Klimawandel, könnten einige der vulnerabelsten Komponenten des Erdsystem instabil werden und in einen anderen Zustand übergehen. Diese Komponenten des Erdsystems sind die sogenannten Kippelemente. Bei ihnen wird angenommen, dass sie einen Kipppunkt besitzen ab dem sie in einen qualitativ anderen Zustand übergehen können. Sollte das passieren, hätte das schwerwiegende Konsequenzen für die Biosphäre und menschliche Gesellschaften. Des Weiteren ist gezeigt worden, dass Kippelemente keine isolierte Reigionen oder Prozesse sind, sondern über das gesamte Erdsystem hinweg interagieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Wahrscheinlichkeit für Kippereignisse sowie deren Feedbacks im Erdsystem zu quantifizieren. Zu diesem Zweck kommen vor allem Frameworks aus der Wissenschaft komplexer Systeme und Netzwerke zum Einsatz. Für einige Teilaspekte dieser Arbeit wird aber auch ein detaillierteres und prozessbasierteres Erdsystemmodell verwendet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen gelegt, indem komplexe Netzwerke bestehend aus interagierenden Kippelementen untersucht werden. Hier werden Voraussetzungen für das Auftreten globaler Kippkaskaden anhand der Struktur paradigmatischer Netzwerktypen analysiert. Diese Typen sind Netzwerke wie Erdös-Rényi, Barabási-Albert, Watts-Strogatz Netzwerke oder auch explizit räumlich eingebettete Netzwerke. Darüber hinaus sind bestimmte Mikrostrukturen in Netzwerken dafür entscheidend, ob sich eine lokale Kaskaden auf das globale Netzwerk ausbreiten kann. Diese Strukturen sind das Bindeglied zwischen der Mikro- und der Makroebene des Netzwerks und werden Motive genannt. Zusammen mit einer Publikation zur Modellbeschreibung, werden alle diese Ergebnisse im Python-Softwarepaket PyCascades veröffentlicht, das auf github öffentlich verfügbar ist. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird das Kippelementframework zunächst auf Kompenenten des Erdsystems angewendet wie der Kryosphäre und Teilen der Biosphäre, und danach auf globaler Skala für interagierende Klimakippelemente. In einem ersten Schritt werden mit dem Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-2 die Temperaturfeedbacks ermittelt, die entstehen würden, wenn große Gebiete der Kryosphäre auf lange Sicht eisfrei werden. In dieser Berechnung werden das arktische Sommermeereis, die Gebirgsgletscher, der grönländische und der westantarktische Eisschild berücksichtigt. Die quantifizierte Temperaturerhöhung liegt in der Größenordnung von einem halben Grad zusätzlicher globaler Erwärmung (0.39--0.46°C). Lokale bis regionale Temperaturerhöhungen können allerdings 5°C übersteigen. Wenn also das Kippen einiger Elemente begonnen hat, bedeutet dieses Ergebnis, dass Temperaturfeedbacks in der Lage sind, das Risiko weiterer Kippereignisse zu erhöhen. Dies ist auch der Fall im Amazonasregenwald, dessen Unterregionen über den sogenannten Feuchtig-keits-Recycling-Feedback miteinander in Beziehung stehen und voneinander abhängen. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Kippereignissen im Detail untersucht, die aufgrund von Dürreperioden zustande kommen. Obwohl man davon ausgehen kann, dass der Regenwald sich an zurückliegende und gegenwärtige Klimabedingungen angepasst hat, kann festgestellt werden, dass die Häu-figkeit von Kippereignissen stark zunimmt, wenn die jeweilige Trockenperiode eine gewisse Intensität übersteigt und damit die Anpassungsfähigkeit des Amazonasregenwalds überschritten wird. In solchen Fällen steigt auch die Häufigkeit von Kippkaskaden unter allen Kippereignissen auf 50% (und mehr) an. In dem Modell, das in dieser Studie entwickelt wurde, zeigt sich, dass der Südosten des Amazonasbeckens am stärksten von den simulierten Trockenheitsmustern betroffen ist. Das ist gleichzeitig die Region, die bereits heute stark unter anthropogener Veränderung leidet, unter anderem aufgrund von großflächiger Abholzung, Viehzucht oder Infrastrukturprojekten. Zudem wird in dieser Dissertation auf der größeren, erdsystemweiten Skala ein Netzwerk konzeptionalisierter Klimakippelemente aufgebaut. Zu diesem Zweck wird eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die zusammen mit Expertenwissen und den topologischen Eigenschaften der Kippelemente in die Studien mit einfließt. In Klimawandelszenarien können dann Kippkaskaden beobachtet werden, selbst wenn die globale Erderwärmung auf 2°C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt werden kann. Außerdem werden die strukturellen Rollen der Klimakippelemente im Netzwerk ermittelt. Während die großen Eisschilde auf Grönland und der Westantarktis viele Kippkaskaden initiieren, ist die Atlantische Umwälzzirkulation für die Weitergabe vieler dieser Kaskaden verantwortlich. In unserem konzeptionellen Modell für Klimakippelemente wird darüber hinaus festgestellt, dass die Eisschilde von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Gesamtsystems sind. Im letzen Teil dieser Dissertation werden die Ergebnisse der Feedbackstudie (CLIMBER-2-Studie) zusammengebracht mit dem konzeptionellen Klimakippelementmodell. Dabei zeigt sich, dass die Wahrscheinlichkeit zusätzlicher Kippereignisse aufgrund der berücksichtigten Temperaturfeedbacks auch ohne das Zuführen eines zusätzlichen CO2-Eintrags in die Atmosphäre leicht ansteigt. Trotz der konzeptionellen Natur des entwickelten Netzwerkmodells, ist es mit dieser Arbeit erstmals möglich eine Risikoabschätzung über das Auftreten von Kippkaskaden im Erdsystem vorzunehmen. Darüber hinaus können, unter der Annahme globaler Erwärmungsszenarien, auch dynamische Temperaturfeedbacks berücksichtigt werden. KW - tipping element KW - nonlinear dynamics KW - tipping cascade KW - climate change KW - complex networks KW - Klimawandel KW - komplexe Netzwerke KW - nichtlineare Dynamiken KW - Kippkaskade KW - Kippelement Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525140 ER - TY - THES A1 - Bouma, Sietske T1 - The circum- and intergalactic medium and its connection to the large scale structure in the nearby universe T1 - Das zirkum- und intergalaktisches Medium und sein Zusammenhang mit der großräumigen Struktur im dem nahen Universum N2 - The majority of baryons in the Universe is believed to reside in the intergalactic medium (IGM). This makes the IGM an important component in understanding cosmological structure formation. It is expected to trace the same dark matter distribution as galaxies, forming structures like filaments and clusters. However, whereas galaxies can be observed to be arranged along these large-scale structures, the spatial distribution of the diffuse IGM is not as easily unveiled. Absorption line studies of quasar (QSO) spectra can help with mapping the IGM, as well as the boundary layer between IGM and galaxies: the circumgalactic medium (CGM). By studying gas in the Local Group, as well as in the IGM, this study aims to get a better understanding of how the gas is linked to the large-scale structure of the local Universe and the galaxies residing in that structure. Chapter 1 gives an introduction to the CGM and IGM, while the methods used in this study are explained in Chapter 2. Chapter 3 starts on a relatively small cosmological scale, namely that of our Local Group, which includes i.a. the Milky Way (MW) and the M31. Within the CGM of the MW, there exist denser clouds, some of which are infalling while others are moving away from the Galactic disc. To study these clouds, 29 QSO spectra obtained with the Cosmic Origins Spectrograph (COS) aboard the Hubble Space Telescope (HST) were analysed. Abundances of Si II, Si III, Si IV, C II, and C IV were measured for 69 HVCs belonging to two samples: one in the direction of the LG’s barycentre and the other in the anti-barycentre direction. Their velocities range from -100 ≥ vLSR ≥ -400 km/s for the barycentre sample and between +100 ≤ vLSR ≤ +300 km/s for the anti-barycentre sample. By using Cloudy models, these data could then be used to derive gas volume densities for the HVCs. Because of the relationship between density and pressure of the ambient medium, which is in turn determined by the Galactic radiation field, the distances of the HVCs could be estimated. From this, a subsample of absorbers located in the direction of M31 was found to exist outside of the MW’s virial radius, their low densities (log nH ≤ -3.54) making it likely for them to be part of the gas in between the MW and M31. No such low-density absorbers were found in the anti-barycentre sample. Our results thus hint at gas following the dark matter potential, which would be deeper between the MW and M31 as they are by far the most massive members of the LG. From this bridge of gas in the LG, this study zooms out to the large-scale structure of the local Universe (z ~ 0) in Chapter 4. Galaxy data from the V8k catalogue and QSO spectra from COS were used to study the relation between the galaxies tracing large-scale filaments and the gas existing outside of those galaxies. This study used the filaments defined in Courtois et al. (2013). A total of 587 Lyman α (Lyα) absorbers were found in the 302 QSO spectra in the velocity range 1070 - 6700 km/s. After selecting sightlines passing through or close to these filaments, model spectra were made for 91 sightlines and 215 (227) Lyα absorbers (components) were measured in this sample. The velocity gradient along each filament was calculated and 74 absorbers were found within 1000 km/s of the nearest filament segment. In order to find whether the absorbers are more tied to galaxies or to the large-scale structure, equivalent widths of the Lyα absorbers were plotted against both galaxy and filament impact parameters. While stronger absorbers do tend to be closer to either galaxies or filaments, there is a large scatter in this relation. Despite this large scatter, this study found that the absorbers do not follow a random distribution either. They cluster less strongly around filaments than galaxies, but stronger than random distributions, as confirmed by a Kolmogorov-Smirnov test. Furthermore, the column density distribution function found in this study has a slope of -β = 1.63±0.12 for the total sample and -β =1.47±0.24 for the absorbers within 1000 km/s of a filament. The shallower slope for the latter subsample could indicate an excess of denser absorbers within the filament, but they are consistent within errors. These values are in agreement with values found in e.g. Lehner et al. (2007); Danforth et al. (2016). The picture that emerges from this study regarding the relation between the IGM and the large-scale structure in the local Universe fits with what is found in other studies: while at least part of the gas traces the same filamentary structure as galaxies, the relation is complex. This study has shown that by taking a large sample of sightlines and comparing the data gathered from those with galaxy data, it is possible to study the gaseous large-scale structure. This approach can be used in the future together with simulations to get a better understanding of structure formation and evolution in the Universe. N2 - Sterne und Galaxien, die das Universum füllen, haben sich alle aus Gas gebildet. Bis heute bleibt der Großteil der baryonischen Materie im Universum im gasförmigen Zustand, und nur ein geringer Anteil davon ist kollabiert, um Sterne und Galaxien entstehen zu lassen. Der Gravitationskollaps folgt den Potentialtöpfen der Dunklen Materie, wodurch sich die großräumige Struktur (large-scale structures, LSS) des Universums formt. Die Galaxien innerhalb dieser Struktur ordnen sich entlang der Schichten, Filamenten und um die Knotenpunkte, wobei die Regionen niedriger Dichte (Voids) dazwischen liegen. Das diffuse Gas füllt diese Strukturen ebenfalls und stellt somit ein Reservoir der baryonischen Materie den Galaxien für die weitere Sternbildung zur Verfügung. Galaxien wiederum reichen das umgebende diffuse Gas an. Darum spielt das Gas um und zwischen Galaxien, das zirkum- bzw. intergalaktisches Medium (circum-/intergalactic medium, CGM/IGM), eine wichtige Rolle in der Entstehung und Entwicklung der Galaxien und LSS im Universum. Ziel dieses Promotionsprojektes ist es, ein besseres Verständnis über die Zusammenhänge zwischen demintergalaktischen Gas und LSS mit darin befindlichen Galaxien im lokalen Universum zu erhalten. Die Verteilung de Gases im IGM ist aufgrund der diffusen Beschaffenheit schwer nachzuweisen. Eine der Möglichkeiten es zu untersuchen, ist die Betrachtung der Absorptionsmerkmale in den Spektren der weitentfernten Quasare (QSOs). IGM, das vom Licht dieser QSOs auf dem Weg zum Beobachter durchquert wird, hinterlässt im Spektrum die charakteristischen Absoprtionslinien. Wir analysieren in diesem Promotionsprojekt eine große Anzahl von QSO-Spektren, die vom Cosmic Origin Spectrograph an Bord des Hubble-Weltraumteleskop stammen, um den physikalischen Zustand des intervenierenden intergalaktischen und zirkumgalaktischen Gas im nahen Universumzu untersuchen. Im ersten Teil dieser Dissertation untersuchen wir anhand der sogenannten Hochgeschwindigkeitswolken (high-velocity clouds, HVCs) das CGM um die Milchstraße in Richtung des Baryzentrums und Anti-Baryzentrums der Galaxien der Lokalen Gruppe (LG). Die HVCs haben Radialgeschwindigkeiten von über 80 kms¡1 und können sehr unterschiedliche Herkunft haben. Wir vermessen die Häufigkeiten verschiedener Ionen von Si und C für 69 HVCs sowie deren Kinematik. Daraus werden physikalische Eigenschaften der Wolken abgeleitet, die auf eine Teilstichprobe besonders interessanter Absorber in Richtung des Baryzentrums hinweisen. Diese Teilstichprobe besteht aus HVCs mit sehr geringen Gasdichten (log n(H) < -3.54), was darauf hindeutet, dass diese Wolken sich höchstwahrscheinlich außerhalb des Virialradius der Milchstraße in der gasförmigen Brücke befinden, die die Milchstraße und die Nachbargalaxie M31 verbindet. Ausgehend von dieser gasförmigen Brücke in unserer LG zoomen wir im zweiten Teil des Dissertation heraus, um einen Überblick über die Gasverteilung im lokalen Universum auf größeren Skalen zu erhalten. Wir analysieren die Lyman-α (Lyα) -Absorption des neutralen Wasserstoffs (H I) in 302 QSO-Spektren aus allen Himmelsrichtungen und kombinieren diese Daten mit denen von Galaxiefilamenten, die im V8k Katalog von Courtois et al. (2013) identifiziert wurden. Von den 587 HI Lyα-Absorptionssystemen befinden sich 215 in der Nähe von Galaxiefilamenten. Die stärkeren Absorber befinden sich häufig in der Nähe von Galaxien oder näher an den Mittelachsen der Filamente, aber diese Beziehung zeigt eine große Streuung. Die Lyα-Absorber neigen dazu, sich stärker um die Filamentachsen zu gruppieren im Vergleich zu einer zufälligen Population von Absorbern, wenn auch nicht so stark wie Galaxien. Dies weist darauf hin, dass die Lyα-Absorber zwar der großräumigen Struktur folgen, jedoch auf ihre eigene Weise. Schließlich zeigt eine statistische Analyse der Absorberstärken, dass sich die Verteilung der HI-Säulendichten von Region außerhalb zu Regionen innerhalb der Filamente ändert, was die grundsätzlich höhere Dichte der Materie in letzteren widerspiegelt. DasGesamtergebnis dieser Dissertation stimmt gut mit den Ergebnissen anderer Studien überein: auch wenn ein Teil des intergalaktischen Gases denselben kosmologischen Filamentstrukturen wie Galaxien folgt, bleibt die Beziehung zwischen Gas, Galaxien und großräumigen Struktur komplex. Die hochauflösende kosmologische Simulationen zusammen mit den zukünftigen Beobachtungen werden helfen diesen Zusammenhang besser zu verstehen. KW - Astrophysics KW - Spectroscopy KW - Circumgalactic Medium KW - Intergalactic Medium KW - Large-scale Structure KW - Astrophysik KW - zirkumgalaktisches Medium KW - intergalaktisches Medium KW - großräumige Struktur KW - Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520852 ER - TY - THES A1 - Cervantes Villa, Juan Sebastian T1 - Understanding the dynamics of radiation belt electrons by means of data assimilation T1 - Verständnis der Dynamik von Strahlungsgürtel-Elektronen durch Datenassimilation N2 - The Earth's electron radiation belts exhibit a two-zone structure, with the outer belt being highly dynamic due to the constant competition between a number of physical processes, including acceleration, loss, and transport. The flux of electrons in the outer belt can vary over several orders of magnitude, reaching levels that may disrupt satellite operations. Therefore, understanding the mechanisms that drive these variations is of high interest to the scientific community. In particular, the important role played by loss mechanisms in controlling relativistic electron dynamics has become increasingly clear in recent years. It is now widely accepted that radiation belt electrons can be lost either by precipitation into the atmosphere or by transport across the magnetopause, called magnetopause shadowing. Precipitation of electrons occurs due to pitch-angle scattering by resonant interaction with various types of waves, including whistler mode chorus, plasmaspheric hiss, and electromagnetic ion cyclotron waves. In addition, the compression of the magnetopause due to increases in solar wind dynamic pressure can substantially deplete electrons at high L shells where they find themselves in open drift paths, whereas electrons at low L shells can be lost through outward radial diffusion. Nevertheless, the role played by each physical process during electron flux dropouts still remains a fundamental puzzle. Differentiation between these processes and quantification of their relative contributions to the evolution of radiation belt electrons requires high-resolution profiles of phase space density (PSD). However, such profiles of PSD are difficult to obtain due to restrictions of spacecraft observations to a single measurement in space and time, which is also compounded by the inaccuracy of instruments. Data assimilation techniques aim to blend incomplete and inaccurate spaceborne data with physics-based models in an optimal way. In the Earth's radiation belts, it is used to reconstruct the entire radial profile of electron PSD, and it has become an increasingly important tool in validating our current understanding of radiation belt dynamics, identifying new physical processes, and predicting the near-Earth hazardous radiation environment. In this study, sparse measurements from Van Allen Probes A and B and Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) 13 and 15 are assimilated into the three-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-3D) diffusion model, by means of a split-operator Kalman filter over a four-year period from 01 October 2012 to 01 October 2016. In comparison to previous works, the 3D model accounts for more physical processes, namely mixed pitch angle-energy diffusion, scattering by EMIC waves, and magnetopause shadowing. It is shown how data assimilation, by means of the innovation vector (the residual between observations and model forecast), can be used to account for missing physics in the model. This method is used to identify the radial distances from the Earth and the geomagnetic conditions where the model is inconsistent with the measured PSD for different values of the adiabatic invariants mu and K. As a result, the Kalman filter adjusts the predictions in order to match the observations, and this is interpreted as evidence of where and when additional source or loss processes are active. Furthermore, two distinct loss mechanisms responsible for the rapid dropouts of radiation belt electrons are investigated: EMIC wave-induced scattering and magnetopause shadowing. The innovation vector is inspected for values of the invariant mu ranging from 300 to 3000 MeV/G, and a statistical analysis is performed to quantitatively assess the effect of both processes as a function of various geomagnetic indices, solar wind parameters, and radial distance from the Earth. The results of this work are in agreement with previous studies that demonstrated the energy dependence of these two mechanisms. EMIC wave scattering dominates loss at lower L shells and it may amount to between 10%/hr to 30%/hr of the maximum value of PSD over all L shells for fixed first and second adiabatic invariants. On the other hand, magnetopause shadowing is found to deplete electrons across all energies, mostly at higher L shells, resulting in loss from 50%/hr to 70%/hr of the maximum PSD. Nevertheless, during times of enhanced geomagnetic activity, both processes can operate beyond such location and encompass the entire outer radiation belt. The results of this study are two-fold. Firstly, it demonstrates that the 3D data assimilative code provides a comprehensive picture of the radiation belts and is an important step toward performing reanalysis using observations from current and future missions. Secondly, it achieves a better understanding and provides critical clues of the dominant loss mechanisms responsible for the rapid dropouts of electrons at different locations over the outer radiation belt. N2 - Die Elektronenstrahlungsgürtel der Erde weisen eine Zwei-Zonen-Struktur auf, wobei der äußere Gürtel aufgrund des ständigen Zusammenspiels zwischen einer Reihe von physikalischen Prozessen, einschließlich Beschleunigung, Verlust und Transport, eine hohe Dynamik aufweist. Der Elektronenfluss im äußeren Gürtel kann über mehrere Größenordnungen variieren und Werte erreichen, die den Satellitenbetrieb stören können. Daher ist das Verständnis der Mechanismen, die diese Variabilität bewirken, von hohem Interesse für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Insbesondere die wichtige Rolle die Verlustmechanismen bei der Kontrolle der relativistischen Elektronendynamik spielen ist in den letzten Jahren immer deutlicher geworden. Es ist inzwischen weithin anerkannt, dass Strahlungsgürtelelektronen entweder durch Interaktion mit der Atmosphäre oder durch Transport über die Magnetopause, das so genannte Magnetopauseshadowing, verloren gehen können. Der Verlust von Elektronen in der Atmosphäre erfolgt aufgrund von Pitchwinkelstreuung durch resonante Wechselwirkung mit verschiedenen Arten von magnetosphärischen Wellen, einschließlich plasmasphärischem Hiss, Whistler-Mode-Chorus, und elektromagnetischen Ionenzyklotron-Wellen (EMIC). Darüber hinaus kann die Komprimierung der Magnetopause aufgrund der Erhöhungen des dynamischen Drucks des Sonnenwindes dazu führen, dass Elektronen an hohen L-Shells, wo sie sich in offenen Driftpfaden befinden, erheblich in ihrer Dichte reduziert werden, während Elektronen an niedrigen L-Shells durch radiale Diffusion nach außen verloren gehen können. Nichtsdestotrotz bleibt die Rolle, die jeder physikalische Prozess bei der schnellen Reduktion des Elektronenflusses spielt, nach wie vor ein grundlegendes Rätsel. Die Unterscheidung zwischen diesen Prozessen und die Quantifizierung ihrer relativen Beiträge zur Entwicklung der Strahlungsgürtelelektronen erfordert hochauflösende Profile der Phasenraumdichte (PSD). Solche Profile der PSD sind jedoch schwierig zu bestimmen, da die Beobachtungen von Raumfahrzeugen auf eine einzige Messung in Raum und Zeit beschränkt sind, was auch durch die Ungenauigkeit der Instrumente erschwert wird. Datenassimilationstechniken zielen darauf ab, unvollständige und ungenaue raumgestützte Daten mit physikalisch basierten Modellen auf optimale Weise zu kombinieren. In den Strahlungsgürteln der Erde werden sie verwendet, um das gesamte radiale Profil der Elektronen-PSD zu rekonstruieren, und sie sind zu einem immer wichtigeren Werkzeug geworden, um unser derzeitiges Verständnis der Dynamik der Strahlungsgürtel zu validieren, neue physikalische Prozesse zu identifizieren und die erdnahe gefährliche Strahlungsumgebung vorherzusagen. In dieser Studie werden Messungen der Van-Allen-Probes A und B und der Geostationary-Operational-Environmental-Satellites (GOES) 13 und 15 mit Hilfe eines Split-Operator-Kalman-Filters über einen Zeitraum von vier Jahren vom 01. Oktober 2012 bis zum 01. Oktober 2016 in das dreidimensionale Versatile Electron Radiation Belt-3D-Diffusionsmodell (VERB-3D) integriert. Im Vergleich zu früheren Arbeiten berücksichtigt das 3D-Modell mehr physikalische Prozesse, nämlich gemischte Diffusion, Streuung durch EMIC-Wellen und Magnetopausenverluste. Es wird gezeigt, wie die Datenassimilation mit Hilfe des Innovationsvektors (des Residuums zwischen Beobachtungen und Modellprognose), genutzt werden kann, um fehlende physikalische Prozesse im Modell zu berücksichtigen. Diese Methode wird verwendet, um die radialen Entfernungen von der Erde und die geomagnetischen Bedingungen zu identifizieren, bei denen unser Modell für verschiedene Werte der adiabatischen Invarianten mu und K nicht mit der gemessenen PSD übereinstimmt. Infolgedessen passt der Kalman-Filter die Vorhersagen an die Beobachtungen an, und dies wird als Nachweis dafür interpretiert, wo und wann zusätzliche Quellen- oder Verlustprozesse aktiv sind. Darüber hinaus werden zwei unterschiedliche Verlustmechanismen untersucht, die für die schnellen Verluste von Strahlungsgürtelelektronen verantwortlich sind: EMIC-Wellen-induzierte Streuung und Magnetopausenverluste. Der Innovationsvektor wird bei Werten der Invariante mu im Bereich von 300 bis 3000 MeV/G untersucht, und es wird eine statistische Analyse durchgeführt, um die Wirkung beider Prozesse in Abhängigkeit von verschiedenen geomagnetischen Indizes, Sonnenwindparametern und der radialen Entfernung von der Erde quantitativ zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Arbeit stehen in Übereinstimmung mit früheren Studien, die die Energieabhängigkeit dieser beiden Mechanismen nachgewiesen haben. Die EMIC-Wellenstreuung dominiert den Verlust bei niedrigen L-Shells und kann zwi-schen 10%/hr bis 30%/hr des Maximalwertes der PSD über alle L-Shells für feste Werte der ersten und zweiten adiabatische Invarianten betragen. Andererseits wird festgestellt, dass bei den Magnetopausenverlusten über alle Energien hinweg, meist bei höheren L-Shells, Elektronen Verluste zeigen, was zu einer Verstärkung des Verlustes von 50%/hr auf 70%/hr der maximalen PSD führt. Nichtsdestotrotz können beide Prozesse in Zeiten erhöhter geomagnetischer Aktivität über diese L-Shells hinaus wirken und den gesamten äußeren Strahlungsgürtel umfassen. Die Ergebnisse dieser Studie sind zweifacher Art. Erstens zeigt sie, dass der 3D-Daten-Assimilationscode ein umfassendes Bild der Strahlungsgürtel liefert und ein wichtiger Schritt zur Durchführung einer Reanalyse unter Verwendung von Beobachtungen aus aktuellen und zukünftigen Missionen ist. Zweitens erreicht er ein besseres Verständnis und liefert entscheidende Hinweise auf die vorherrschenden Verlustmechanismen, die für die schnellen Verluste von Elektronen an verschiedenen Orten im äußeren Strahlungsgürtel verantwortlich sind. KW - radiation belts KW - Strahlungsgürtel KW - data assimilation KW - Datenassimilation KW - phase space density KW - Phasenraumdichte KW - magnetospheric waves KW - magnetosphärischen Wellen KW - Kalman filter KW - Kalman-Filter Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519827 ER - TY - THES A1 - Geraili Daronkola, Hosein T1 - The role of acidic amino acids in the hydration and stabilization of halophilic proteins T1 - Die Rolle Saurer Amino Säuren bei der Hydratation und Stabilisierung von Halophilen Proteinen N2 - Proteins of halophilic organisms that accumulate molar concentrations of KCl in their cytoplasm have much higher content in acidic amino acids than proteins of mesophilic organisms. It has been proposed that this excess is necessary to maintain proteins hydrated in an environment with low water activity: either via direct interactions between water and the carboxylate groups of acidic amino acids or via cooperative interactions between acidic amino acids and hydrated cations, which would stabilize the folded protein. In the course of this Ph.D. study, we investigated these possibilities using atomistic molecular dynamics simulations and classical force fields. High quality parameters describing the interaction between K+ and carboxylate groups present in acidic amino acids are indispensable for this study. We first evaluated the quality of the default parameters for these ions within the widely used AMBER ff14SB force field for proteins and found that they perform poorly. We propose new parameters, which reproduce solution activity derivatives of potassium acetate solutions up to 2 mol/kg and the distances between potassium ions and carboxylate groups observed in x-ray structures of proteins. To understand the role of acidic amino acids in protein hydration, we investigated this aspect for 5 halophilic proteins in comparison with 5 mesophilic ones. Our results do not support the necessity of acidic amino acids to keep folded proteins hydrated. Proteins with a larger fraction of acidic amino acids indeed have higher hydration levels. However, the hydration level of each protein is identical at low (b_KCl = 0.15 mol/kg) and high (b_KCl = 2 mol/kg) KCl concentration. It has also been proposed that cooperative interactions between acidic amino acids with nearby hydrated cations stabilize the folded protein and slow down its solvation shell; according to this theory, the cations would be preferentially excluded from the unfolded structure. We investigate this possibility through extensive free energy calculation simulations. We find that cooperative interactions between neighboring acidic amino acids exist and are mediated by the ions in solution but are present in both folded and unfolded structures of halophilic proteins. The translational dynamics of the solvation shell is barely distinguishable between halophilic and mesophilic proteins; therefore, such a cooperative effect does not result in unusually slow solvent dynamics as has been suggested. N2 - Die Hydratation von Proteinen ist entscheidend für die Funktion von Proteinen. Die meisten Proteine typischer Organismen existieren in Umgebungen, in denen die Elektrolytkonzentration deutlich unter 1 molar bleibt; in Medien mit höherer Konzentration stellen diese Proteine oft ihre Funktion ein. Im Gegensatz dazu existieren Proteine von halophilen Organismen in Umgebungen mit multimolaren Konzentrationen von KCl-Salz und verlieren oft ihre Funktion bei niedriger KCl-Konzentration. Das Verständnis der Mechanismen, durch die halophile Proteine in der Lage sind, bei hoher KCl-Konzentration zu funktionieren, ist wichtig, sowohl aus fundamentaler Sicht als auch wegen der Auswirkungen, die dieses Verständnis auf die Suche nach Enzymen haben wird, die in anderen Umgebungen mit hoher Salzkonzentration funktionieren (z.B. für die H2-Produktion in NaCl-reichem Wasser, wodurch Süßwasserressourcen geschont werden, oder um enzymatische Katalyse in Mischungen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser durchzuführen, was von Interesse ist, wenn Substrate oder Produkte schlecht wasserlöslich sind). Halophile Proteine haben einen außergewöhnlich hohen Gehalt an negativ geladenen Aminosäuren (saure Aminosäuren) und diese Aminosäuren, Bausteine der Proteine, sind wesentlich stärker hydratisiert als andere natürliche Aminosäuren. Eine intuitive Erklärung für den hohen Gehalt an sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist, dass sie zur Aufrechterhaltung der Proteinhydratation bei hohen KCl-Konzentrationen notwendig sind. Diese Erklärung wurde noch nicht getestet, zum Teil, weil die Quantifizierung der Proteinhydratation in einem breiten Bereich von KCl-Konzentrationen im Experiment eine Herausforderung darstellt. In dieser Arbeit überwinden wir diese Schwierigkeit durch den Einsatz von Molekularsimulationen. Wir untersuchen 10 Proteine mit unterschiedlichem Gehalt an sauren Aminosäuren, Nettoladung und Proteingröße, um allgemeine Schlussfolgerungen ziehen zu können. Wir zeigen, dass der Hydratationsgrad aller untersuchten Proteine unempfindlich gegenüber Änderungen der KCl-Konzentration ist. Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass die Aufrechterhaltung der Proteinhydratation nicht die evolutionär treibende Kraft hinter der Häufigkeit von sauren Aminosäuren in halophilen Proteinen ist. Die Robustheit der Proteinhydratation hängt mit der Tatsache zusammen, dass positiv geladene Salzionen nicht mit dem Protein um verfügbares Wasser konkurrieren, sondern die Hydratation der Proteine mit ihrer eigenen Hydratation integrieren. Es wurde auch vorgeschlagen, dass diese Integration die Wassermoleküle in der Nähe des Proteins verlangsamt. Unsere Studie zeigt eine kaum unterscheidbare Wasserdynamik zwischen halophilen und mesophilen Proteinen. KW - Halophilic proteins KW - Molecular Dynamics Simulation KW - Force Field Optimization KW - Kraftfeld Optimierung KW - Halophile Proteine KW - Molekulardynamische Simulation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516713 ER - TY - THES A1 - Petsiuk, Andrei T1 - Investigation of charge carrier transport in metal halide perovskites by THz Spectroscopy T1 - Untersuchung des Ladungstransportes in den Metal Halogenid Perowskiten durch THz Spektroskopie N2 - Halide perovskites are a class of novel photovoltaic materials that have recently attracted much attention in the photovoltaics research community due to their highly promising optoelectronic properties, including large absorption coefficients and long carrier lifetimes. The charge carrier mobility of halide perovskites is investigated in this thesis by THz spectroscopy, which is a contact-free technique that yields the intra-grain sum mobility of electrons and holes in a thin film. The polycrystalline halide perovskite thin films, provided from Potsdam University, show moderate mobilities in the range from 21.5 to 33.5 cm2V-1s-1. It is shown in this work that the room temperature mobility is limited by charge carrier scattering at polar optical phonons. The mobility at low temperature is likely to be limited by scattering at charged and neutral impurities at impurity concentration N=1017-1018 cm-3. Furthermore, it is shown that exciton formation may decrease the mobility at low temperatures. Scattering at acoustic phonons can be neglected at both low and room temperatures. The analysis of mobility spectra over a broad range of temperatures for perovskites with various cation compounds shows that cations have a minor impact on charge carrier mobility. The low-dimensional thin films of quasi-2D perovskite with different numbers of [PbI6]4−sheets (n=2-4) alternating with long organic spacer molecules were provided by S. Zhang from Potsdam University. They exhibit mobilities in the range from 3.7 to 8 cm2V-1s-1. A clear decrease of mobility is observed with decrease in number of metal-halide sheets n, which likely arises from charge carrier confinement within metal-halide layers. Modelling the measured THz mobility with the modified Drude-Smith model yields localization length from 0.9 to 3.7 nm, which agrees well on the thicknesses of the metal-halide layers. Additionally, the mobilities are found to be dependent on the orientation of the layers. The charge carrier dynamics is also dependent on the number of metal-halide sheets n. For the thin films with n =3-4 the dynamics is similar to the 3D MHPs. However, the thin film with n = 2 shows clearly different dynamics, where the signs of exciton formation are observed within 390 fs timeframe after photoexcitation. Also, the charge carrier dynamics of CsPbI3 perovskite nanocrystals was investigated, in particular the effect of post treatments on the charge carrier transport. N2 - Metall-Halogenid Perowskite sind eine Klasse von photovoltaischen Materialien, welche in letzter Zeit sehr viel Aufmerksamkeit von Forschern bekommen haben. Der Grund dafür liegt in ihren vielversprechenden optoelektronischen Eigenschaften, wie beispielsweise hohe Absorptionskoeffizienten, lange Lebenszeiten der Ladungsträger und moderate Beweglichkeiten. Die Beweglichkeit der Ladungsträger und deren Kinetik wurde in dieser Dissertation mit Hilfe von Teraherzspektroskopie in verschiedenen Metall-Halogenide Perowskiten untersucht. Die polykristallinen Halogenide Perowskit-Dünnschichten, bereitgestellt von Dr. M. Stolterfoht von der Universität Potsdam, haben bei Raumtemperatur moderate Ladungsträgerbeweglichkeiten in einem Bereich von 21.5 bis 33.5 cm²V-1s-1. Die Analyse dieser Beweglichkeiten in Abhängigkeit der Temperatur zeigt, dass die Beweglichkeit bei Raumtemperatur durch die Interaktion mit polaren optischen Phononen limitiert wird. Bei niedrigeren Temperaturen sind die Beweglichkeiten durch Streuung an geladenen und neutralen Störstellen limitiert, wobei die Störstellenkonzentration bei ca. N =1017-1018 cm-3 liegt. Weiterhin wird es gezeigt, dass die Reduktion der Anzahl beweglicher Ladungsträger durch Exzitonenbildung ebenfalls bei niedrigen Temperaturen berücksichtigt werden muss. Streuung an akustischen Phononen kann sowohl bei Raum- als auch bei niedrigen Temperaturen vernachlässigt werden. Die Analyse der Beweglichkeitsspektren von Perowskiten mit unterschiedlichen Kationen und bei verschiedenen Temperaturspannen zeigt, dass diese Kationen einen sehr geringen Einfluss auf die Ladungsträgerbeweglichkeit haben. Niederdimensionale Perowskit-Dünnschichten aus alternierenden quasi-2D [PbI6]4− Schichten n (n=3-4) und organischen Trennschichten wurde von S. Zhang von der Universität Potsdam bereitgestellt. Diese zeigen Beweglichkeiten zwischen 3.7 und 8 cm²V-1s-1. Der signifikante Rückgang der beobachteten Beweglichkeit lässt sich auf die Anzahl der Metall-Halogeniden Schichten n zurückführen, in welcher die Ladungsträger räumlich eingeschränkt sind. Die Lokalisationslänge reicht von 0.9 bis 3.7 nm und ist vergleichbar mit der Dicke der einzelnen quasi-2D-Schichten. Ebenfalls ist die Beweglichkeit abhängig von der Schichtenorientierung. Zusätzlich ist die Ladungsträgerdynamik abhängig von der Anzahl der Metall-Halogeniden [PbI6]4−Schichten n. Dicke quasi-2D-Schichten (n = 3-4) zeigen ähnliche Dynamik wie drei dimensionale Perowskite, wogegen die dünnen quasi-2D-Schichten (n = 2) schnelle Exzitonbildung innerhalb 390 fs nach der Ladungsträgeranregung zeigen. Des weiteren wurde die Ladungsträgerdynamik von CsPbI3 Perovskite-Nanokristallen untersucht, insbesondere die Auswirkung von Ligandenaustausch und Temperierung auf die Ladungsträgerbeweglichkeit. KW - Photovoltaics KW - THz Spectroscopy KW - Metal Halide Perovskites KW - Metal Halogenid Perowskiten KW - Photovoltaik KW - THz Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515441 ER - TY - THES A1 - Wilhelm, Alina T1 - Stochastic re-acceleration of particles in supernova remnants T1 - Stochastische Nachbeschleunigung von Teilchen in Supernovaüberresten N2 - Supernova remnants (SNRs) are discussed as the most promising sources of galactic cosmic rays (CR). The diffusive shock acceleration (DSA) theory predicts particle spectra in a rough agreement with observations. Upon closer inspection, however, the photon spectra of observed SNRs indicate that the particle spectra produced at SNRs shocks deviate from the standard expectation. This work suggests a viable explanation for a softening of the particle spectra in SNRs. The basic idea is the re-acceleration of particles in the turbulent region immediately downstream of the shock. This thesis shows that at the re-acceleration of particles by the fast-mode waves in the downstream region can be efficient enough to impact particle spectra over several decades in energy. To demonstrate this, a generic SNR model is presented, where the evolution of particles is described by the reduced transport equation for CR. It is shown that the resulting particle and the corresponding synchrotron spectra are significantly softer compared to the standard case. Next, this work outlines RATPaC, a code developed to model particle acceleration and corresponding photon emissions in SNRs. RATPaC solves the particle transport equation in test-particle mode using hydrodynamic simulations of the SNR plasma flow. The background magnetic field can be either computed from the induction equation or follows analytic profiles. This work presents an extended version of RATPaC that accounts for stochastic re-acceleration by fast-mode waves that provide diffusion of particles in momentum space. This version is then applied to model the young historical SNR Tycho. According to radio observations, Tycho’s SNR features the radio spectral index of approximately −0.65. In previous modeling approaches, this fact has been attributed to the strongly distinctive Alfvénic drift, which is assumed to operate in the shock vicinity. In this work, the problems and inconsistencies of this scenario are discussed. Instead, stochastic re-acceleration of electrons in the immediate downstream region of Tycho’s SNR is suggested as a cause for the soft radio spectrum. Furthermore, this work investigates two different scenarios for magnetic-field distributions inside Tycho’s SNR. It is concluded that magnetic-field damping is needed to account for the observed filaments in the radio range. Two models are presented for Tycho’s SNR, both of them feature strong hadronic contribution. Thus, a purely leptonic model is considered as very unlikely. Additionally, to the detailed modeling of Tycho’s SNR, this dissertation presents a relatively simple one-zone model for the young SNR Cassiopeia A and an interpretation for the recently analyzed VERITAS and Fermi-LAT data. It shows that the γ-ray emission of Cassiopeia A cannot be explained without a hadronic contribution and that the remnant accelerates protons up to TeV energies. Thus, Cassiopeia A is found to be unlikely a PeVatron. N2 - Supernovaüberreste werden als meistversprechende Quellen für die galaktische kosmische Strahlung angesehen. Die Theorie der diffusen Schockbeschleunigung prognostiziert ein Teilchenspektrum, das grob mit den Beobachtungen übereinstimmt. Dennoch weisen die Emissionsspektren von mehreren Supernovaüberresten bei näherer Betrachtung darauf hin, dass die an der Schockwelle erzeugten Teilchenspektren von der üblichen Erwartung abweichen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine tragfähige Erklärung für die weicheren Teilchenspektren in Supernovaüberresten vorgestellt. Die Grundidee ist dabei eine Nachbeschleunigung von Teilchen in einem turbulenten Bereich stromabwärts unmittelbar hinter der Stoßfront. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Nachbeschleunigung von Teilchen mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen direkt hinter dem Shock das Teilchenspektrum signifikant beeinflussen kann. Um dies zu zeigen, wird ein generisches Modell für Supernovaüberreste benutzt, bei dem die Zeitentwicklung der Teilchen durch die reduzierte Transportgleichung der kosmischen Strahlung beschrieben wird. Es zeigt sich, dass die resultierenden Teilchen- sowie dazugehörigen Synchrotronspektren im Vergleich zum Standardfall deutlich weicher sind. Als Nächstes beschreibt diese Dissertation einen Code namens RATPaC, der zur Modellierung der Teilchenbeschleunigung und entsprechenden Photonenemissionen in Supernovaüberresten entwickelt wurde. RATPaC löst die Transportgleichung der kosmischen Strahlung im Test-Teilchen-Regime unter Verwendung hydrodynamischer Simulationen für den Plasmastrom eines Supernovaüberrestes. Das Magnetfeld kann entweder mithilfe der Induktionsgleichung berechnet werden oder folgt einer analytischen Verteilung. Diese Arbeit präsentiert eine erweiterte Version von RATPaC, die unter anderem die stochastische Nachbeschleunigung mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen und damit die Teilchendiffusion im Impulsraum enthält. Diese Version wird angewendet, um den jungen historischen Supernovaüberrest Tycho zu modellieren. Gemäß den Beobachtungen im Radiobereich weist Tycho einen spektralen Index von ungefähr -0.65 auf. In den früheren Modellierungsansätzen wurde diese Tatsache dem stark ausgeprägten Alfvénischen Drift in der Schockumgebung zugeschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit werden Probleme und Inkonsistenzen dieses Szenarios erläutert und diskutiert. Die Nachbeschleunigung von Elektronen unmittelbar stromabwärts hinter dem Schock wird stattdessen als mögliche Ursache für das weiche Photonenspektrum im Radiobereich vorgeschlagen. Darüber hinaus werden in dieser Dissertation zwei unterschiedliche Szenarien für die Magnetfeldverteilung in Tychos Supernovaüberrest untersucht. Es wird festgestellt, dass die Dämpfung des Magnetfeldes erforderlich ist, um die beobachteten Filamente im Radiobereich zu erklären. Insgesamt werden zwei Modelle für Tychos Supernovaüberrest vorgestellt, die beide einen ausgeprägten hadronischen Beitrag aufweisen. Daraus wird festgestellt, dass ein rein leptonishes Model äußerst unwahrscheinlich ist. Zusätzlich zur detaillierten Modellierung von Tycho präsentiert diese Dissertation ein relativ einfaches Ein-Zonen-Modell für den jungen Supernovaüberrest Cassiopeia A und eine Interpretation für seine vor Kurzem analysierten VERITAS- und Fermi-LAT-Daten. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die -Strahlung von Cassiopeia A ohne einen hadronischen Beitrag nicht erklärt werden kann. Der Überrest soll dabei Protonen bis auf TeV-Energielevel beschleunigen. Somit ist es sehr unwahrscheinlich, dass es sich bei Cassiopeia A um ein PeVatron handelt. KW - supernova remnants KW - particle acceleration KW - Cassiopeia A KW - SN 1572 KW - cosmic rays KW - Supernovaüberreste KW - kosmische Strahlung KW - Teilchenbeschleunigung KW - Cassiopeia A KW - SN 1572 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512915 ER - TY - THES A1 - Diercke, Andrea T1 - Physical environment of large-scale high-latitude and polar crown filaments T1 - Die Physik von polaren Filamenten N2 - Filaments are omnipresent features in the solar chromosphere, one of the atmospheric layers of the Sun, which is located above the photosphere, the visible surface of the Sun. They are clouds of plasma reaching from the photosphere to the chromosphere, and even to the outer-most atmospheric layer, the corona. They are stabalized by the magnetic field. If the magnetic field is disturbed, filaments can erupt as coronal mass ejections (CME), releasing plasma into space, which can also hit the Earth. A special type of filaments are polar crown filaments, which form at the interface of the unipolar field of the poles and flux of opposite magnetic polarity, which was transported towards the poles. This flux transport is related to the global dynamo of the Sun and can therefore be analyzed indirectly with polar crown filaments. The main objective of this thesis is to better understand the physical properties and environment of high-latitude and polar crown filaments, which can be approached from two perspectives: (1) analyzing the large-scale properties of high-latitude and polar crown filaments with full-disk Hα observations from the Chromospheric Telescope (ChroTel) and (2) determining the relation of polar crown and high-latitude filaments from the chromosphere to the lower-lying photosphere with high-spatial resolution observations of the Vacuum Tower Telescope (VTT), which reveal the smallest details. The Chromospheric Telescope (ChroTel) is a small 10-cm robotic telescope at Observatorio del Teide on Tenerife (Spain), which observes the entire Sun in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. We present a new calibration method that includes limb-darkening correction, removal of non-uniform filter transmission, and determination of He I Doppler velocities. Chromospheric full-disk filtergrams are often obtained with Lyot filters, which may display non-uniform transmission causing large-scale intensity variations across the solar disk. Removal of a 2D symmetric limb-darkening function from full-disk images results in a flat background. However, transmission artifacts remain and are even more distinct in these contrast-enhanced images. Zernike polynomials are uniquely appropriate to fit these large-scale intensity variations of the background. The Zernike coefficients show a distinct temporal evolution for ChroTel data, which is likely related to the telescope’s alt-azimuth mount that introduces image rotation. In addition, applying this calibration to sets of seven filtergrams that cover the He I triplet facilitates determining chromospheric Doppler velocities. To validate the method, we use three datasets with varying levels of solar activity. The Doppler velocities are benchmarked with respect to co-temporal high-resolution spectroscopic data of the GREGOR Infrared Spectrograph (GRIS). Furthermore, this technique can be applied to ChroTel Hα and Ca IIK data. The calibration method for ChroTel filtergrams can be easily adapted to other full-disk data exhibiting unwanted large-scale variations. The spectral region of the He I triplet is a primary choice for high-resolution near-infrared spectropolarimetry. Here, the improved calibration of ChroTel data will provide valuable context data. Polar crown filaments form above the polarity inversion line between the old magnetic flux of the previous cycle and the new magnetic flux of the current cycle. Studying their appearance and their properties can lead to a better understanding of the solar cycle. We use full-disk data of the ChroTel at Observatorio del Teide, Tenerife, Spain, which were taken in three different chromospheric absorption lines (Hα 6563 Å, Ca IIK 3933 Å, and He I 10830 Å), and we create synoptic maps. In addition, the spectroscopic He I data allow us to compute Doppler velocities and to create synoptic Doppler maps. ChroTel data cover the rising and decaying phase of Solar Cycle 24 on about 1000 days between 2012 and 2018. Based on these data, we automatically extract polar crown filaments with image-processing tools and study their properties. We compare contrast maps of polar crown filaments with those of quiet-Sun filaments. Furthermore, we present a super-synoptic map summarizing the entire ChroTel database. In summary, we provide statistical properties, i.e. number and location of filaments, area, and tilt angle for both the maximum and declining phase of Solar Cycle 24. This demonstrates that ChroTel provides a promising dataset to study the solar cycle. The cyclic behavior of polar crown filaments can be monitored by regular full-disk Hα observations. ChroTel provides such regular observations of the Sun in three chromospheric wavelengths. To analyze the cyclic behavior and the statistical properties of polar crown filaments, we have to extract the filaments from the images. Manual extraction is tedious, and extraction with morphological image processing tools produces a large number of false positive detections and the manual extraction of these takes too much time. Automatic object detection and extraction in a reliable manner allows us to process more data in a shorter time. We will present an overview of the ChroTel database and a proof of concept of a machine learning application, which allows us a unified extraction of, for example, filaments from ChroTel data. The chromospheric Hα spectral line dominates the spectrum of the Sun and other stars. In the stellar regime, this spectral line is already used as a powerful tracer of magnetic activity. For the Sun, other tracers are typically used to monitor solar activity. Nonetheless, the Sun is observed constantly in Hα with globally distributed ground-based full-disk imagers. The aim of this study is to introduce Hα as a tracer of solar activity and compare it to other established indicators. We discuss the newly created imaging Hα excess in the perspective of possible application for modelling of stellar atmospheres. In particular, we try to determine how constant is the mean intensity of the Hα excess and number density of low-activity regions between solar maximum and minimum. Furthermore, we investigate whether the active region coverage fraction or the changing emission strength in the active regions dominates time variability in solar Hα observations. We use ChroTel observations of full-disk Hα filtergrams and morphological image processing techniques to extract the positive and negative imaging Hα excess, for bright features (plage regions) and dark absorption features (filaments and sunspots), respectively. We describe the evolution of the Hα excess during Solar Cycle 24 and compare it to other well established tracers: the relative sunspot number, the F10.7 cm radio flux, and the Mg II index. Moreover, we discuss possible applications of the Hα excess for stellar activity diagnostics and the contamination of exoplanet transmission spectra. The positive and negative Hα excess follow the behavior of the solar activity over the course of the cycle. Thereby, positive Hα excess is closely correlated to the chromospheric Mg II index. On the other hand, the negative Hα excess, created from dark features like filaments and sunspots, is introduced as a tracer of solar activity for the first time. We investigated the mean intensity distribution for active regions for solar minimum and maximum and found that the shape of both distributions is very similar but with different amplitudes. This might be related with the relatively stable coronal temperature component during the solar cycle. Furthermore, we found that the coverage fraction of Hα excess and the Hα excess of bright features are strongly correlated, which will influence modelling of stellar and exoplanet atmospheres. High-resolution observations of polar crown and high-latitude filaments are scarce. We present a unique sample of such filaments observed in high-resolution Hα narrow-band filtergrams and broad-band images, which were obtained with a new fast camera system at the VTT. ChroTel provided full-disk context observations in Hα, Ca IIK, and He I 10830 Å. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) and the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) on board the Solar Dynamics Observatory (SDO) provided line-of-sight magnetograms and ultraviolet (UV) 1700 Å filtergrams, respectively. We study filigree in the vicinity of polar crown and high-latitude filaments and relate their locations to magnetic concentrations at the filaments’ footpoints. Bright points are a well studied phenomenon in the photosphere at low latitudes, but they were not yet studied in the quiet network close to the poles. We examine size, area, and eccentricity of bright points and find that their morphology is very similar to their counterparts at lower latitudes, but their sizes and areas are larger. Bright points at the footpoints of polar crown filaments are preferentially located at stronger magnetic flux concentrations, which are related to bright regions at the border of supergranules as observed in UV filtergrams. Examining the evolution of bright points on three consecutive days reveals that their amount increases while the filament decays, which indicates they impact the equilibrium of the cool plasma contained in filaments. N2 - Filamente sind omnipräsente Strukturen in der Chromosphäre der Sonne. Diese Schicht befindet sich über der Photosphäre, welche die sichtbare Oberfläche der Sonne darstellt. Filamente sind Plasmagebilde, welche in der Photosphäre verankert sind und von der Chromosphäre in die Korona reichen, der äußersten Atmosphärenschicht der Sonne. Diese Strukturen werden durch das Magnetfeld der Sonne stabilisiert. Durch Störungen des Magnetfelds, destabilisiert sich das Filament und das dort enthaltene Plasma kann als Sonneneruption, ein sogenannter koronaler Massenauswurf, ins Weltall geschleudert werden, welcher auch die Erde treffen könnte. Das Verständnis von Filamenten, deren Stabilität und Verbindung zum Magnetfeld sind ungemein wichtig, um Sonneneruptionen besser verstehen und vorhersagen zu können. Ein spezieller Typ von Filamenten, sind polare Filamente, (engl. polar crown filaments). Diese bilden sich an der Grenzfläche des unipolaren Magnetfelds an den Polen und dem Magnetfeld von gemischten Polaritäten in den Aktivitätsgürteln der Sonne. In letzteren werden Reste von bipolaren und zerfallenen Sonnenfleckengruppen zum Pol transportiert. Dieser Transport wird durch den Sonnendynamo initialisiert, so dass die Untersuchung polarer Filamente indirekt Rückschlüsse auf den Sonnendynamo zulässt. Die vorliegende Arbeit untersucht die polaren Filamente aus zwei Perspektiven. Zum einen aus der globalen Perspektive, bei der wir synoptische Beobachtungen der gesamten Sonnenscheibe nutzen, um das zyklische Verhalten der Filamente zu untersuchen. Zum anderen aus einer detailorientierten Perspektive, wobei wir hochaufgelöste Beobachtungen der Filamente auswerten, um mehr über die Verbindung von kühlem chromosphärischem Plasma zum Magnetfeld zu erfahren. Für die Untersuchung des zyklischen Verhaltens von polaren Filamenten nutzen wir Daten des Chromospheric Telescope (ChroTel), welches alle drei Minuten Aufnahmen der Chromosphäre in drei verschiedenen Wellenlängen macht. Die Wasserstofflinie der Balmerserie Hα ist dabei die beste Möglichkeit Filamente in der Chromosphäre abzubilden. Eine während dieser Arbeit entwickelte Methode, zum Korrigieren von Intensitätsungleichmäßigkeiten in Sonnenbildern, legt den Grundstein für alle weiteren Studien mit diesen Daten. Die Filamente können somit aus den Bildern heraus extrahiert werden und damit kann der aktuelle Sonnenzyklus zwischen Maximum und Minimum untersucht werden. Wir konnten die Wanderung der polaren Filamente für den Sonnenzyklus 24 in den Daten lokalisieren und die polwärtsgerichtete Geschwindigkeit bestimmen, welche wir mit vorherigen Ergebnissen verglichen haben. Da die morphologischen Bildbearbeitungsmethode, welche wir zur Extraktion der Filamente benutzt haben, auch andere Strukturen, wie Sonnenflecken nicht ausschließen konnte, haben wir neue Methoden entwickelt, die auf Maschinellem Lernen mit tiefen neuronalen Netzwerken beruhen. Die vorläufigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und auch auf Hα Bildern von anderen Teleskopen leicht übertragbar. Für die Untersuchung der polaren Filamente mit hochaufgelösten Bildern verwenden wir Beobachtungen vom Vakuumturmteleskop (VTT) auf Teneriffa, Spanien. Die Bilder wurden mit Hα Schmal- und Breitbandfiltern aufgenommen und zeigen sowohl die Chromosphäre als auch die Photosphäre. Wir untersuchen dabei die kleinsten auflösbaren Aufhellungen, (engl. bright points), welche in Verbindung mit dem Magnetfeld stehen. Diese kleinskaligen Aufhellungen finden wir vor allem an den Fußpunktregionen der Filamente, die mit starken Konzentrationen vom Magnetfeld korrelieren. Solche hellen Punkte in der Nähe von polaren Filamenten wurden bisher nie mit hochaufgelösten Beobachtungen untersucht. Die statistische Auswertung dieser Strukturen zeigt, dass sie sich kaum von ihren äquatornahen Gegenstücken unterscheiden, mit Ausnahme einer tendenziell größeren Fläche. KW - Solar Physics KW - Sonnenphysik KW - Filaments KW - Filamente KW - Chromosphere KW - Chromosphäre Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511301 ER - TY - THES A1 - Cotesta, Roberto T1 - Multipolar gravitational waveforms for spinning binary black holes and their impact on source characterization T1 - Multipolare Gravitationswellenformen für binäre Schwarze Löcher mit Spin und deren Einfluss auf die Quellencharakterisierung N2 - In the last five years, gravitational-wave astronomy has gone from a purerly theoretical field into a thriving experimental science. Several gravitational- wave signals, emitted by stellar-mass binary black holes and binary neutron stars, have been detected, and many more are expected in the future as consequence of the planned upgrades in the gravitational-wave detectors. The observation of the gravitational-wave signals from these systems, and the characterization of their sources, heavily relies on the precise models for the emitted gravitational waveforms. To take full advantage of the increased detector sensitivity, it is then necessary to also improve the accuracy of the gravitational-waveform models. In this work, I present an updated version of the waveform models for spinning binary black holes within the effective-one-body formalism. This formalism is based on the notion that the solution to the relativistic two- body problem varies smoothly with the mass ratio of the binary system, from the equal-mass regime to the test-particle limit. For this reason, it provides an elegant method to combine, under a unique framework, the solution to the relativistic two-body problem in different regimes. The main two regimes that are combined under the effective-one-body formalism are the slow-motion, weak field limit (accessible through the post-Newtonian theory), and the extreme mass-ratio regime (described using the black-hole- perturbation theory). This formalism is nevertheless flexible enough to integrate information about the solution to the relativistic two-body problem obtained using other techniques, such as numerical relativity. The novelty of the waveform models presented in this work is the inclusion of beyond-quadupolar terms in the waveforms emitted by spinning binary black holes. In fact, while the time variation of the source quadupole moment is the leading contribution to the waveforms emitted by binary black holes observable by LIGO and Virgo detectors, beyond-quadupolar terms can be important for binary systems with asymmetric masses, large total mass, or observed with large inclination angle with respect to the orbital angular momentum of the binary. For this purpose, I combine the approximate analytic expressions of these beyond-quadupolar terms, with their calculations from numerical relativity, to develop an accurate waveform model including inspiral, merger and ringdown for spinning binary black holes. I first construct this model in the simplified case of black holes with spins aligned with the orbital angular momentum of the binary, then I extend it to the case of generic spin orientations. Finally, I test the accuracy of both these models against a large number of waveforms obtained from numerical relativity. The waveform models I present in this work are the state of the art for spinning binary black holes, without restrictions in the allowed values for the masses and the spins of the system. The measurement of the source properties of a binary system emitting gravitational waves requires to compute O(107 − 109) different waveforms. Since the waveform models mentioned before can require O(1 − 10)s to generate a single waveform, they can be difficult to use in data-analysis studies given the increasing number of sources observed by the LIGO and Virgo detectors. To overcome this obstacle, I use the reduced-order-modeling technique to develop a faster version of the waveform model for black holes with spins aligned to the orbital angular momentum of the binary. This version of the model is as accurate as the original and reduces the time for evaluating a waveform by two orders of magnitude. The waveform models developed in this thesis have been used by the LIGO and Virgo collaborations in the inference of the source parameters of the gravitational-wave signals detected during the second observing run (O2), and first half of the third observing run (O3a) of LIGO and Virgo detectors. Here, I present a study on the source properties of the signals GW170729 and GW190412, for which I have been directly involved in the analysis. In addition, these models have been used by the LIGO and Virgo collaborations to perform tests on General Relativity employing the gravitational-wave signals detected during O3a, and to analyze the population of the observed binary black holes. N2 - Das Feld der Gravitationswellenastronomie hat sich in den letzten fünf Jahren von einem ausschließlich theoretischen Forschungsgebiet zu einer aufstrebenden experimentellen Wissenschaft entwickelt. Gravitationswellendetektoren haben bereits mehrere Signale gemessen die von binären Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Sonnenmassenbereich entstanden sind. Viele weitere solcher Signale werden erwartet sobald die geplanten Aufrüstungen der Detektoren vollzogen wurden. Sowohl der Messung dieser Signale als auch der Charakterisierung ihrer astronomischen Quellen liegen größtenteils Modelle der erwarteten Gravitationswellenformen zugrunde. Um die steigende Sensibilität der Gravitationswellendetektoren voll ausschöpfen zu können ist es daher auch notwendig die Genauigkeit der Gravitationswellenmodelle zu steigern. In dieser Arbeit stelle ich aktualisierte Gravitationswellenmodelle für binäre Schwarze Löcher mit Spin vor die auf dem "effective-onebody" Formalismus beruhen. Dieser Formalismus basiert auf der Annahme, dass die Lösung des relativistischen Zweikörperproblems glatt mit dem Massenverhältnis des Binärsystems variiert, welches sich vom Regime gleicher Massen bis zum Testteilchenlimit erstreckt. Damit stellt der Formalismus eine elegante Methode dar die Lösungen des relativistischen Zweikörperproblems in verschiedenen Regimen zu verbinden. Er findet größtenteils Anwendung um das Regime langsamer Bewegung in schwacher Gravitation (beschrieben durch postnewtonische Theorie) mit dem Regime extremer Massenverhältnisse (beschrieben durch Störungstheorie) zu verbinden. Der Formalismus ist jedoch ebenso anwendbar um Informationen zur Lösung des relativistischen Zweikörperproblems von anderen Methoden zu integrieren, wie beispielsweise Ergebnisse der Numerischen Relativität. Die Neuheiten die diese Arbeit präsentiert umfassen zuvorderst die Einbindung von multipolaren Beiträgen in den Gravitationswellenformen von binären Schwarzen Löchern mit Spin die über den quadrupolaren Beitrag hinausgehen. Während die Zeitentwicklung des Quadrupolmoments typischerweise die Wellenformen von binären Schwarzen Löchern dominiert, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden können, werden Beiträge höherer Multipolmomente insbesondere für Binärsysteme wichtig die asymmetrischen Massen, eine hohe Gesamtmasse oder einen Beobachtungswinkel der stark von der Drehimpulsachse des Orbits abweicht aufweisen. Für diesen Anwendungsbereich kombiniere ich Näherungen der analytischen Ausdrücke dieser höheren Multipolbeiträge mit Ergebnissen aus der Numerischen Relativität um ein Gravitationswellenmodell zu entwickeln welches die Phasen der Einspiralung, der Verschmelzung und des Abklingens von binären Schwarzen Löchern mit Spin mit hoher Genauigkeit beschreibt. Zunächst konstruiere ich das Modell für den einfacheren Fall von Schwarzen Löchern, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind, und verallgemeinere das Modell anschließend für beliebige Orientierungen der Spins. Abschließend teste ich die Genauigkeit dieser beider Modelle anhand einer großen Zahl von Wellenformen aus der Numerischen Relativität. Die Wellenformen, die ich in dieser Arbeit präsentiere, entsprechen dem aktuellen Forschungsstand für binäre Schwarze Löcher mit Spin und enthalten keine Beschränkungen der Massen oder Spins. Um von einem gemessenen Gravitationswellensignal auf Eigenschaften des Binärsystems, welches das Signal produziert hat, schließen zu können ist es notwendig O(107 - 109) verschiedene Wellenformen zu berechnen. Da die oben beschriebenen Modelle jedoch O(1 - 10)s benötigen können um eine einzige Wellenform zu berechnen sind sie in dieser Form für die Datenanalyse der steigenden Zahl von Signalen, die von den LIGO und Virgo Detektoren gemessen werden, nur eingeschränkt brauchbar. Um diese Hürde zu überwinden entwickele ich mithilfe der "reduced-order-modeling" Methode eine schnellere Version der Wellenformmodelle für binäre Schwarze Löcher, deren Spins entlang des Drehimpulses ihres Orbits orientiert sind. Diese Version der Modelle ist ebenso genau wie das Original, reduziert jedoch die Evaluationszeit einer Wellenform um zwei Größenordnungen. Die in dieser Arbeit entwickelten Wellenformmodelle wurden bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Gravitationswellensignale zu analysieren die während des zweiten Beobachtungslaufs (O2) und der ersten Hälfte des dritten Beobachtungslaufs (O3a) der LIGO und Virgo Detektoren gemessen wurden. Hier präsentiere ich eine Studie der Quellencharakterisierung der Signale GW170729 und GW190412, bei denen ich direkt an der Analyse beteiligt war. Die Modelle wurden außerdem bereits von den LIGO und Virgo Kollaborationen verwendet um Test der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von Gravitationswellensignalen des O3a durchzuführen, und um die Population der gemessenen binären Schwarzen Löcher. KW - gravitational waves KW - binary black holes KW - binäre Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - gravitational-wave astronomy KW - Gravitationswellenastronomie KW - LIGO KW - LIGO KW - Virgo KW - Virgo KW - multipolar gravitational waves KW - Multipolare Gravitationswellenformen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508236 ER -