TY - THES A1 - Zheng, Chunming T1 - Bursting and synchronization in noisy oscillatory systems T1 - Bursting und Synchronisation in verrauschten, oszillierenden Systemen N2 - Noise is ubiquitous in nature and usually results in rich dynamics in stochastic systems such as oscillatory systems, which exist in such various fields as physics, biology and complex networks. The correlation and synchronization of two or many oscillators are widely studied topics in recent years. In this thesis, we mainly investigate two problems, i.e., the stochastic bursting phenomenon in noisy excitable systems and synchronization in a three-dimensional Kuramoto model with noise. Stochastic bursting here refers to a sequence of coherent spike train, where each spike has random number of followers due to the combined effects of both time delay and noise. Synchronization, as a universal phenomenon in nonlinear dynamical systems, is well illustrated in the Kuramoto model, a prominent model in the description of collective motion. In the first part of this thesis, an idealized point process, valid if the characteristic timescales in the problem are well separated, is used to describe statistical properties such as the power spectral density and the interspike interval distribution. We show how the main parameters of the point process, the spontaneous excitation rate, and the probability to induce a spike during the delay action can be calculated from the solutions of a stationary and a forced Fokker-Planck equation. We extend it to the delay-coupled case and derive analytically the statistics of the spikes in each neuron, the pairwise correlations between any two neurons, and the spectrum of the total output from the network. In the second part, we investigate the three-dimensional noisy Kuramoto model, which can be used to describe the synchronization in a swarming model with helical trajectory. In the case without natural frequency, the Kuramoto model can be connected with the Vicsek model, which is widely studied in collective motion and swarming of active matter. We analyze the linear stability of the incoherent state and derive the critical coupling strength above which the incoherent state loses stability. In the limit of no natural frequency, an exact self-consistent equation of the mean field is derived and extended straightforward to any high-dimensional case. N2 - Rauschen ist in der Natur allgegenwärtig und führt zu einer reichen Dynamik in stochastischen Systemen von gekoppelten Oszillatoren, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Physik, Biologie und in komplexen Netzwerken existieren. Korrelation und Synchronisation von zwei oder vielen Oszillatoren ist in den letzten Jahren ein aktives Forschungsfeld. In dieser Arbeit untersuchen wir hauptsächlich zwei Probleme, d.h. das stochastische Burst-Phänomen in verrauschten anregbaren Systemen und die Synchronisation in einem dreidimensionalen Kuramoto-Modell mit Rauschen. Stochastisches Bursting bezieht sich hier auf eine Folge von kohärenten Spike-Zügen, bei denen jeder Spike aufgrund der kombinierten Effekte von Zeitverzögerung und Rauschen eine zufällige Anzahl von Folge Spikes aufweist. Die Synchronisation als universelles Phänomen in nichtlinearen dynamischen Systemen kann anhand des Kuramoto-Modells, einem grundlegenden Modell bei der gekoppelter Oszillatoren und kollektiver Bewegung, gut demonstriert und analysiert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein idealisierter Punktprozess betrachtet, der gültig ist, wenn die charakteristischen Zeitskalen im Problem gut voneinander getrennt sind,um statistische Eigenschaften wie die spektrale Leistungsdichte und die Intervallverteilung zwischen Neuronen Impulsen zu beschreiben. Wir zeigen, wie die Hauptparameter des Punktprozesses, die spontane Anregungsrate und die Wahrscheinlichkeit, während der Verzögerungsaktion einen Impuls zu induzieren, aus den Lösungen einer stationären und einer getriebenen Fokker-Planck-Gleichung berechnet werden können. Wir erweitern dieses Ergebnis auf den verzögerungsgekoppelten Fall und leiten analytisch die Statistiken der Impulse in jedem Neuron, die paarweisen Korrelationen zwischen zwei beliebigen Neuronen und das Spektrum der Zeitreihe alle Impulse aus dem Netzwerk ab. Im zweiten Teil untersuchen wir das dreidimensionale verrauschte Kuramoto-Modell, mit dem die Synchronisation eines Schwarmmodells mit schraubenförmigen Flugbahnen beschrieben werden kann. Im Fall ohne Eigenfrequenz jedes Teilchensist das System äquivalent zum Vicsek Modell, welches in der Beschreibung der kollektiven Bewegung von Schwärmen und aktiver Materie eine breite Anwendung findet. Wir analysieren die lineare Stabilität des inkohärenten Zustands und leiten die kritische Kopplungsstärke ab, oberhalb derer der inkohärente Zustand an Stabilität verliert. Im Fall ohne Eigenfrequenz wird eine exakte selbstkonsistente Gleichung für das mittlere Feld abgeleitet und direkt für höherdimensionale Bewegungen verallgemeinert. KW - Synchronization KW - Kuramoto model KW - Oscillation KW - stochastic bursting KW - Synchronisation KW - Kuramoto-Modell KW - Oszillatoren KW - Stochastisches Bursting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500199 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - Lypova, Iryna T1 - The galactic plane in gamma-rays above 10 TeV as seen with H.E.S.S. N2 - The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. operates in a wide energy range from several tens of GeV to several tens of TeV, reaching the best sensitivity around 1 TeV or at lower energies. However, there are many important topics – such as the search for Galactic PeVatrons, the study of gamma-ray production scenarios for sources (hadronic vs. leptonic), EBL absorption studies – which require good sensitivity at energies above 10 TeV. This work aims at improving the sensitivity of H.E.S.S. and increasing the gamma-ray statistics at high energies. The study investigates an enlargement of the H.E.S.S. effective field of view using events with larger offset angles in the analysis. The greatest challenges in the analysis of large-offset events are a degradation of the reconstruction accuracy and a rise of the background rate as the offset angle increases. The more sophisticated direction reconstruction method (DISP) and improvements to the standard background rejection technique, which by themselves are effective ways to increase the gamma-ray statistics and improve the sensitivity of the analysis, are implemented to overcome the above-mentioned issues. As a result, the angular resolution at the preselection level is improved by 5 - 10% for events at 0.5◦ offset angle and by 20 - 30% for events at 2◦ offset angle. The background rate at large offset angles is decreased nearly to a level typical for offset angles below 2.5◦. Thereby, sensitivity improvements of 10 - 20% are achieved for the proposed analysis compared to the standard analysis at small offset angles. Developed analysis also allows for the usage of events at large offset angles up to approximately 4◦, which was not possible before. This analysis method is applied to the analysis of the Galactic plane data above 10 TeV. As a result, 40 sources out of the 78 presented in the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS) are detected above 10 TeV. Among them are representatives of all source classes that are present in the HGPS catalogue; namely, binary systems, supernova remnants, pulsar wind nebulae and composite objects. The potential of the improved analysis method is demonstrated by investigating the more than 10 TeV emission for two objects: the region associated with the shell-type SNR HESS J1731−347 and the PWN candidate associated with PSR J0855−4644 that is coincident with Vela Junior (HESS J0852−463). N2 - H.E.S.S. ist eine System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov Teleskopen im Khomas-Hochland von Namibia. H.E.S.S. arbeitet in einem weiten Energiebereich von einigen zehn GeV bis zu einigen zehn TeV und erreicht die beste Sensitivität um 1TeV oder bei niedrigeren Energien. Es gibt jedoch viele wichtige Themen – wie die Suche nach galaktischen PeVatrons, die Untersuchung von Gammastrahlen-Produktionsszenarien für Quellen (hadronische vs. leptonische), EBL-Absorptionsstudien – die eine gute Sensitivität bei Energien oberhalb von 10TeV erfordern. Diese Arbeit zielt darauf ab die Sensitivität von H.E.S.S. zu verbessern und die Gammastrahlenstatistik bei Energien über 10TeV zu erhöhen. Untersucht diese Studie das effektive Gesichtsfeld von H.E.S.S. durch die Verwendung von Ereignissen mit größeren Versatzwinkeln in der Analyse (insbesondere bis zu 4° anstelle von 2.5°) zu vergrößern. Die größten Herausforderungen bei der Analyse von Ereignissen mit großem Versatzwinkeln sind eine Verschlechterung der Rekonstruktionsgenauigkeit und ein Anstieg der Hintergrundrate mit zunehmendem Versatzwinkeln. Die ausgefeiltere Richtungsrekonstruktionsmethode (DISP) und Verbesserungen der Standard-Hintergrundunterdrückungstechnik (die selbst auch wirksame Methode zur Erhöhung der Gammastrahlenstatistik und zur Verbesserung der Sensitivität der Analyse sind) sind zur Überwindung der oben genannten Probleme eingesetzt. Infolgedessen wird die Winkelauflösung auf der Vorselektionsebene um 5 - 10% für 0.5° und um 20 - 30% für 2° Versatzwinkeln verbessert. Die Hintergrundrate bei großen Versatzwinkeln wird fast auf ein Niveau gesenkt, das bei Versatzwinkeln unter 2.5° typisch ist. Letztendlich erreicht die hierentwickelte Analysis eine ein um 10 - 20% verbesserte Sensitivität bei kleinen Versatzwinkeln und erlaubt die Verwendung von Ereignissen bei großen Versatzwinkeln bis zu etwa 4°, was vorher nicht möglich war. Diese Analysemethode wird bei der Analyse der Daten der Galaktischen Ebene oberhalb von 10TeV angewandt. Als Ergebnis werden 40 der 78 Quellen, die in der H.E.S.S. Durchmusterung der Galaktischen Ebene (HGPS) vorgestellt wurden, oberhalb von 10TeV detektiert und charakterisiert. Darunter befinden sich Vertreter aller Quellklassen, die im HGPS-Katalog etabliert sind. Das Potenzial der verbesserten Analysemethode wird auch durch die Untersuchung der Emission oberhalb von 10TeV für zwei Objekte demonstriert: die Region, die mit dem Schalenüberrest SNR HESS J1731-347 assoziiert ist, und der PWN-Kandidat, der mit PSR J0855-4644 assoziiert ist und mit HESS J0852-463 zusammenfällt. KW - gamma-ray astronomy KW - H.E.S.S. KW - astroparticle physics KW - Galactic plane data analysis KW - Datenanalyse der Galaktischen Ebene KW - H.E.S.S KW - Astroteilchenphysik KW - Gammastrahlungsastronomie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509317 ER - TY - THES A1 - Lepro, Valentino T1 - Experimental and theoretical study on amoeboid cell-cargo active motion BT - a physical analysis of cell-mediated particle transport N2 - As society paves its way towards device miniaturization and precision medicine, micro-scale actuation and guided transport become increasingly prominent research fields, with high potential impact in both technological and clinical contexts. In order to accomplish directed motion of micron-sized objects, as biosensors and drug-releasing microparticles, towards specific target sites, a promising strategy is the use of living cells as smart biochemically-powered carriers, building the so-called bio-hybrid systems. Inspired by leukocytes, native cells of living organisms efficiently migrating to critical targets as tumor tissue, an emerging concept is to exploit the amoeboid crawling motility of such cells as mean of transport for drug delivery applications. In the research work described in this thesis, I synergistically applied experimental, computational and theoretical modeling approaches to investigate the behaviour and transport mechanism of a novel kind of bio-hybrid system for active transport at the micro-scale, referred to as cellular truck. This system consists of an amoeboid crawling cell, the carrier, attached to a microparticle, the cargo, which may ideally be drug-loaded for specific therapeutic treatments. For the purposes of experimental investigation, I employed the amoeba Dictyostelium discoideum as crawling cellular carrier, being a renowned model organism for leukocyte migration and, in general, for eukaryotic cell motility. The performed experiments revealed a complex recurrent cell-cargo relative motion, together with an intermittent motility of the cellular truck as a whole. The evidence suggests the presence of cargoes on amoeboid cells to act as mechanical stimulus leading cell polarization, thus promoting cell motility and giving rise to the observed intermittent dynamics of the truck. Particularly, bursts in cytoskeletal polarity along the cell-cargo axis have been found to occur in time with a rate dependent on cargo geometrical features, as particle diameter. Overall, the collected experimental evidence pointed out a pivotal role of cell-cargo interactions in the emergent cellular truck motion dynamics. Especially, they can determine the transport capabilities of amoeboid cells, as the cargo size significantly impacts the cytoskeletal activity and repolarization dynamics along the cell-cargo axis, the latter responsible for truck displacement and reorientation. Furthermore, I developed a modeling framework, built upon the experimental evidence on cellular truck behaviour, that connects the relative dynamics and interactions arising at the truck scale with the actual particle transport dynamics. In fact, numerical simulations of the proposed model successfully reproduced the phenomenology of the cell-cargo system, while enabling the prediction of the transport properties of cellular trucks over larger spatial and temporal scales. The theoretical analysis provided a deeper understanding of the role of cell-cargo interaction on mass transport, unveiling in particular how the long-time transport efficiency is governed by the interplay between the persistence time of cell polarity and time scales of the relative dynamics stemming from cell-cargo interaction. Interestingly, the model predicts the existence of an optimal cargo size, enhancing the diffusivity of cellular trucks; this is in line with previous independent experimental data, which appeared rather counterintuitive and had no explanation prior to this study. In conclusion, my research work shed light on the importance of cargo-carrier interactions in the context of crawling cell-mediated particle transport, and provides a prototypical, multifaceted framework for the analysis and modelling of such complex bio-hybrid systems and their perspective optimization. N2 - Im Zuge der fortschreitenden gesellschaftlichen Entwicklung hin zur Miniaturisierung und Präzisionsmedizin, gewinnen Fragen zu Antrieb und zielgerichtetem Transport auf der Mikrometerskala zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt wegen ihres kaum zu unterschätzendem Potentials für Medizin und Technik. Eine vielversprechende Strategie, um den zielgerichteten Transport von Objekten auf der Mikrometerskala, wie zum Beispiel Biosensoren oder mit Medikamenten beladene Mikropartikel, zu bewerkstelligen, ist die Verwendung von lebenden Zellen als intelligenten, biochemisch angetriebenen Transportern. Zellen und Mikroobjekte bilden dabei gemeinsam sogenannte Bio-Hybridsysteme. Inspiriert von Leukozyten - nativen Zellen lebender Organismen, welche sich effizient zu kritischen Zielen, wie Tumorgewebe, bewegen - besteht ein neues Konzept darin, die amöboide Fortbewegung solcher Zellen für den Medikamententransport zu nutzen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit kamen experimentelle, numerische und theoretische Modellierungsansätze zum Einsatz, um die Eigenschaften und Transportmechanismen eines neuen Bio-Hybridsystems für den aktiven Transport von Objekten auf der Mikrometerskala zu untersuchen. Dieses Bio-Hybridsystem wird im Folgenden als Zelltransporter bezeichnet. Ein Zelltransporter besteht aus einer sich amöboid fortbewegenden Zelle, dem Transporter, und einem Mikropartikel, der Fracht, welche idealerweise mit Medikamenten für therapeutische Zwecke beladen sein kann. Für die experimentellen Untersuchungen wurde die Amöbe Dictyostelium discoideum als Transporter verwendet. Sie ist ein bekannter Modellorganismus für die Leukozytenmigration und für die Motilität eukaryotischer Zellen im Allgemeinem. Die durchgeführten Experimente zeigten eine komplexe, periodische Zell-Fracht-Relativbewegung, zusammen mit einer intermittierenden Motilität des gesamten Zelltransporters. Die experimentellen Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Anwesenheit der Fracht als mechanischer Stimulus auf die amöboide Zelle wirkt und zur Zellpolarisation führt, was wiederum die Zellmotilität fördert und die intermittierende Dynamik des Zelltransportes begründet. So wurde festgestellt, dass das Auftreten der Polarisation des Zytoskeletts entlang der Zell-Fracht-Achse von den geometrischen Merkmalen der Fracht, wie zum Beispiel des Partikeldurchmessers, abhängt. Insgesamt wiesen die gesammelten experimentellen Daten auf eine zentrale Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkungen in der Bewegungsdynamik von Zelltransportern hin. Insbesondere kann die Zell-Fracht-Wechselwirkung die Transportfähigkeiten von amöboiden Zellen erheblich beeinflussen, da die Größe der Fracht die Aktivität des Zytoskeletts und die Repolarisationsdynamik entlang der Zell-Fracht-Achse modelliert, wobei letzteres für die Verlagerung und Neuorientierung des Zelltransportes verantwortlich ist. Darüber hinaus wurde eine Modellierung entwickelt, welche auf den experimentellen Erkenntnissen zum Verhalten der Zelltransporter aufbaut und die relative Dynamik auf Zelltranporterebene, mit der tatsächlichen Partikeltransportdynamik verbindet. Tatsächlich reproduzierten numerische Simulationen des vorgeschlagenen Modells erfolgreich die Phänomenologie des Zell-Fracht-Systems und ermöglichten gleichzeitig die Vorhersage der Transporteigenschaften von Zelltransportern über größere räumliche und zeitliche Skalen. Des Weiteren liefert die theoretische Analyse ein tieferes Verständnis der Rolle der Zell-Fracht-Wechselwirkung beim Massentransport und zeigte insbesondere, wie die Langzeittransporteffizienz durch das Zusammenspiel von Persistenzzeit der Zellpolarität und den Zeitskalen der relativen Dynamik, welche sich aus der Zell-Fracht-Interaktion ergeben, bestimmt wird. Interessanterweise sagt das Modell die Existenz einer optimalen Frachtgröße voraus, wodurch die Diffusivität von Zelltransportern maximiert wird. Dies steht im Einklang mit früheren, unabhängigen experimentellen Daten, für die es vor dieser Studie keine Erklärung gab. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Forschungsarbeit Licht auf die Bedeutung von Transporter-Fracht-Wechselwirkungen, beim Partikeltransports mittels amöboider Zellen, wirft und eine breite Grundlage für die Analyse und Modellierung komplexer Bio-Hybridsysteme und deren perspektivische Optimierung schafft. KW - biophysics KW - bio-hybrid system KW - particle transport KW - active transport KW - amoeboid motion KW - Biophysik KW - Bio-Hybridsystem KW - Partikeltransport KW - aktiven Transport KW - amöboide Bewegung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490890 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 -