TY - THES A1 - Yin, Fan T1 - Mathematic approaches for the calibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements T1 - Mathematische Ansätze für die Kalibrierung des Satelliten CHAMP Magnetfeldmessungen N2 - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) is a German small satellite mission to study the earth's gravity field, magnetic field and upper atmosphere. Thanks to the good condition of the satellite so far, the planned 5 years mission is extended to year 2009. The satellite provides continuously a large quantity of measurement data for the purpose of Earth study. The measurements of the magnetic field are undertaken by two Fluxgate Magnetometers (vector magnetometer) and one Overhauser Magnetometer (scalar magnetometer) flown on CHAMP. In order to ensure the quality of the data during the whole mission, the calibration of the magnetometers has to be performed routinely in orbit. The scalar magnetometer serves as the magnetic reference and its readings are compared with the readings of the vector magnetometer. The readings of the vector magnetometer are corrected by the parameters that are derived from this comparison, which is called the scalar calibration. In the routine processing, these calibration parameters are updated every 15 days by means of scalar calibration. There are also magnetic effects coming from the satellite which disturb the measurements. Most of them have been characterized during tests before launch. Among them are the remanent magnetization of the spacecraft and fields generated by currents. They are all considered to be constant over the mission life. The 8 years of operation experience allow us to investigate the long-term behaviors of the magnetometers and the satellite systems. According to the investigation, it was found that for example the scale factors of the FGM show obvious long-term changes which can be described by logarithmic functions. The other parameters (offsets and angles between the three components) can be considered constant. If these continuous parameters are applied for the FGM data processing, the disagreement between the OVM and the FGM readings is limited to \pm1nT over the whole mission. This demonstrates, the magnetometers on CHAMP exhibit a very good stability. However, the daily correction of the parameter Z component offset of the FGM improves the agreement between the magnetometers markedly. The Z component offset plays a very important role for the data quality. It exhibits a linear relationship with the standard deviation of the disagreement between the OVM and the FGM readings. After Z offset correction, the errors are limited to \pm0.5nT (equivalent to a standard deviation of 0.2nT). We improved the corrections of the spacecraft field which are not taken into account in the routine processing. Such disturbance field, e.g. from the power supply system of the satellite, show some systematic errors in the FGM data and are misinterpreted in 9-parameter calibration, which brings false local time related variation of the calibration parameters. These corrections are made by applying a mathematical model to the measured currents. This non-linear model is derived from an inversion technique. If the disturbance field of the satellite body are fully corrected, the standard deviation of scalar error \triangle B remains about 0.1nT. Additionally, in order to keep the OVM readings a reliable standard, the imperfect coefficients of the torquer current correction for the OVM are redetermined by solving a minimization problem. The temporal variation of the spacecraft remanent field is investigated. It was found that the average magnetic moment of the magneto-torquers reflects well the moment of the satellite. This allows for a continuous correction of the spacecraft field. The reasons for the possible unknown systemic error are discussed in this thesis. Particularly, both temperature uncertainties and time errors have influence on the FGM data. Based on the results of this thesis the data processing of future magnetic missions can be designed in an improved way. In particular, the upcoming ESA mission Swarm can take advantage of our findings and provide all the auxiliary measurements needed for a proper recovery of the ambient magnetic field. N2 - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) ist eine deutsche Kleinsatellitenmission für die Forschung und Anwendung in Bereich der Geowissenschaften und Atmosphärenphysik. Das Projekt wird vom GFZ geleitet. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) liefert CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (seit Mitte 2000). Dank des bisherigen guten Zustandes des Satelliten ist die auf 5 Jahre ausgelegte Mission bis 2009 verlängert geworden. An Board befinden sich ein skalares Overhauser-Magnetometer(OVM) für Kalibrierungszwecke sowie zwei Fluxgate-Magnetometer(FGM) zur Messung des magnetischen Feldvektors. Die Messungen vom FGM werden immer verglichen mit denen vom OVM und korregiert im Fall von Widersprüche, das ist die sog. Skalar-Kalibrierung. Um eine zuverlässige Datenqualität während der 8 jährigen Mission zu garantieren, ist die Nachkalibrierung implementiert. Im Rahmen der standard mäßigen Datenverarbeitung werden die Instrumentenparameter des FGM alle 15 Tage neu bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Vektormagnetfelddaten zu erzielen durch eine neue Methode der Kalibrierung, die die Eigenschaften der Sensoren und Störung vom Raumfahrzeug mit berücksichtigt. Die Erfahrung aus den zurückliegenden Jahren hat gezeigt, dass sich die Skalenfaktoren des FGM stark mit der Zeit ändern. Dieser Verlauf lässt sich gut durch eine Logarithmuskurve anpassen. Andere Parameter wie die Winkel und die Offsets scheinen stabil zu sein. Eine Ausnahme macht der Offset der Z-Komponent. Dieser bedarf einer regelmäßigen Korrektur. Während die Standardverarbeitung eine undifferenzierte Bestimmung aller 9 FGM Parameter durch nicht-lineare Inversion der skalar Daten vornimmt, beziehen wir jetzt die langzeitlichen Eigenschaften der Parameter in die Bestimmung mit ein. Eine weitere Verbesserung der CHAMP-Magnetfelddaten konnte erreicht werden durch geeignete Berücksichtigung von Störung vom Raumfahrzeug. Die verbleibenden Unsicherheiten konnten durch diese Maßnahmen auf eine Standardabweichung von 0.1nT reduziert werden. KW - Magnetische Feldmessungen KW - Magnetometer-Kalibrierung KW - Magnetfeld-Satellit KW - Magnetic field measurements KW - magnetometer calibration KW - magnetic field satellites Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41201 ER - TY - THES A1 - Schattauer, Sylvia T1 - Hybride Dünnschicht-Solarzellen aus mesoporösem Titandioxid und konjugierten Polymeren T1 - Hybrid thin solar cells comprising mesoporous titanium dioxide and conjugated polymers N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der aktiven Komponenten und ihrer Wechselwirkungen in teilorganischen Hybrid-Solarzellen. Diese bestehen aus einer dünnen Titandioxidschicht, kombiniert mit einer dünnen Polymerschicht. Die Effizienz der Hybrid-Solarzellen wird durch die Lichtabsorption im Polymer, die Dissoziation der gebildeten Exzitonen an der aktiven Grenzfläche zwischen TiO2 und Polymer, sowie durch Generation und Extraktion freier Ladungsträger bestimmt. Zur Optimierung der Solarzellen wurden grundlegende physikalische Wechselwirkungen zwischen den verwendeten Materialen sowie der Einfluss verschiedener Herstellungsparameter untersucht. Unter anderem wurden Fragen zum optimalen Materialeinsatz und Präparationsbedingungen beantwortet sowie grundlegende Einflüsse wie Schichtmorphologie und Polymerinfiltration näher betrachtet. Zunächst wurde aus unterschiedlich hergestelltem Titandioxid (Akzeptor-Schicht) eine Auswahl für den Einsatz in Hybrid-Solarzellen getroffen. Kriterium war hierbei die unterschiedliche Morphologie aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit, der Film-Struktur, der Kristallinität und die daraus resultierenden Solarzelleneigenschaften. Für die anschließenden Untersuchungen wurden mesoporöse TiO2–Filme aus einer neuen Nanopartikel-Synthese, welche es erlaubt, kristalline Partikel schon während der Synthese herzustellen, als Elektronenakzeptor und konjugierte Polymere auf Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV)- bzw. Thiophenbasis als Donatormaterial verwendet. Bei der thermischen Behandlung der TiO2-Schichten erfolgt eine temperaturabhängige Änderung der Morphologie, jedoch nicht der Kristallstruktur. Die Auswirkungen auf die Solarzelleneigenschaften wurden dokumentiert und diskutiert. Um die Vorteile der Nanopartikel-Synthese, die Bildung kristalliner TiO2-Partikel bei tiefen Temperaturen, nutzen zu können, wurden erste Versuche zur UV-Vernetzung durchgeführt. Neben der Beschaffenheit der Oxidschicht wurde auch der Einfluss der Polymermorphologie, bedingt durch Lösungsmittelvariation und Tempertemperatur, untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass u.a. die Viskosität der Polymerlösung die Infiltration in die TiO2-Schicht und dadurch die Effizienz der Solarzelle beeinflusst. Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz ist die Entwicklung neuer lochleitender Polymere, welche möglichst über einen weiten spektralen Bereich Licht absorbieren und an die Bandlücke des TiO2 angepasst sind. Hierzu wurden einige neuartige Konzepte, z.B. die Kombination von Thiophen- und Phenyl-Einheiten näher untersucht. Auch wurde die Sensibilisierung der Titandioxidschicht in Anlehnung an die höheren Effizienzen der Farbstoffzellen in Betracht gezogen. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit wichtige Einflussparameter auf die Funktion hybrider Solarzellen identifiziert und z.T. näher diskutiert werden. Für einige limitierende Faktoren wurden Konzepte zur Verbesserung bzw. Vermeidung vorgestellt. N2 - The main objective of this thesis is to study the active components and their interactions in so called organic hybrid solar cells. These consist of a thin inorganic titanium dioxide layer, combined with a polymer layer. In general, the efficiency of these hybrid solar cells is determined by the light absorption in the donor polymer, the dissociation of excitons at the heterojunction between TiO2 and polymer, as well as the generation and extraction of free charge carriers. To optimize the solar cells, the physical interactions between the materials are modified and the influences of various preparation parameters are systematically investigated. Among others, important findings regarding the optimal use of materials and preparation conditions as well as detailed investigations of fundamental factors such as film morphology and polymer infiltration are presented in more detail. First, a variety of titanium dioxide layer were produced, from which a selection for use in hybrid solar cells was made. The obtained films show differences in surface structure, film morphology and crystallinity, depending on the way how the TiO2 layer has been prepared. All these properties of the TiO2 films may strongly affect the performance of the hybrid solar cells, by influencing e.g. the exciton diffusion length, the efficiency of exciton dissociation at the hybrid interface, and the carrier transport properties. Detailed investigations were made for mesoporous TiO2 layer following a new nanoparticle synthesis route, which allows to produce crystalline particles during the synthesis. As donor component, conjugated polymers, either derivatives of cyclohexylamino-poly(p-phenylene vinylene) (PPV) or a thiophene are used. The preparation routine also includes a thermal treatment of the TiO2 layers, revealing a temperature-dependent change in morphology, but not of the crystal structure. The effects on the solar cell properties have been documented and discussed. To take advantage of the nanoparticle synthesis, the formation of crystalline TiO2 particles by UV crosslinking and first solar cell measurements are presented. In addition to the nature of the TiO2 layer, the influence of polymer morphology is investigated. Different morphologies are realized by solvent variation and thermal annealing. It is shown that, among other factors, the viscosity of the polymer solution and the infiltration into the TiO2 layer mainly affects the efficiency of the solar cell. Another approach to increase the efficiency is the development of new hole-conducting polymers that absorb over a wide spectral range and which are adjusted to the energy levels of TiO2. Also new concepts, for example, the combination of thiophene- and phenyl-units into a copolymer are investigated in more detail. In summary, important parameters influencing the properties of hybrid solar cells are identified and discussed in more detail. For some limiting factors concepts to overcome these limitations are presented. KW - hybride Solarzellen KW - Titandioxid KW - Sintern KW - Polymer KW - hybrid thin solar cells KW - titanium dioxide KW - thermal treatment KW - polymers Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52619 ER - TY - THES A1 - Bleßmann, Daniela T1 - Der Einfluss der Dynamik auf die stratosphärische Ozonvariabilität über der Arktis im Frühwinter T1 - Dynamical influence on stratospheric ozone variability over the Arctic in early winter N2 - Der frühwinterliche Ozongehalt ist ein Indikator für den Ozongehalt im Spätwinter/Frühjahr. Jedoch weist dieser aufgrund von Absinkprozessen, chemisch bedingten Ozonabbau und Wellenaktivität von Jahr zu Jahr starke Schwankungen auf. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Variabilität weitestgehend auf dynamische Prozesse während der Wirbelbildungsphase des arktischen Polarwirbels zurückgeht. Ferner wird der bisher noch ausstehende Zusammenhang zwischen dem früh- und spätwinterlichen Ozongehalt bezüglich Dynamik und Chemie aufgezeigt. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der im Polarwirbel eingeschlossenen Luftmassenzusammensetzung und Ozonmenge wurden Beobachtungsdaten von Satellitenmessinstrumenten und Ozonsonden sowie Modellsimulationen des Lagrangschen Chemie/Transportmodells ATLAS verwandt. Die über die Fläche (45–75°N) und Zeit (August-November) gemittelte Vertikalkomponente des Eliassen-Palm-Flussvektors durch die 100hPa-Fläche zeigt eine Verbindung zwischen der frühwinterlichen wirbelinneren Luftmassenzusammensetzung und der Wirbelbildungsphase auf. Diese ist jedoch nur für die untere Stratosphäre gültig, da die Vertikalkomponente die sich innerhalb der Stratosphäre ändernden Wellenausbreitungsbedingungen nicht erfasst. Für eine verbesserte Höhendarstellung des Signals wurde eine neue integrale auf der Wellenamplitude und dem Charney-Drazin-Kriterium basierende Größe deﬁniert. Diese neue Größe verbindet die Wellenaktivität während der Wirbelbildungsphase sowohl mit der Luftmassenzusammensetzung im Polarwirbel als auch mit der Ozonverteilung über die Breite. Eine verstärkte Wellenaktivität führt zu mehr Luft aus niedrigeren ozonreichen Breiten im Polarwirbel. Aber im Herbst und Frühwinter zerstören chemische Prozesse, die das Ozon ins Gleichgewicht bringen, die interannuale wirbelinnere Ozonvariablität, die durch dynamische Prozesse während der arktischen Polarwirbelbildungsphase hervorgerufen wird. Eine Analyse in Hinblick auf den Fortbestand einer dynamisch induzierten Ozonanomalie bis in den Mittwinter ermöglicht eine Abschätzung des Einﬂusses dieser dynamischen Prozesse auf den arktischen Ozongehalt. Zu diesem Zweck wurden für den Winter 1999–2000 Modellläufe mit dem Lagrangesche Chemie/Transportmodell ATLAS gerechnet, die detaillierte Informationen über den Erhalt der künstlichen Ozonvariabilität hinsichtlich Zeit, Höhe und Breite liefern. Zusammengefasst, besteht die dynamisch induzierte Ozonvariabilität während der Wirbelbildungsphase länger im Inneren als im Äußeren des Polarwirbels und verliert oberhalb von 750K potentieller Temperatur ihre signifikante Wirkung auf die mittwinterliche Ozonvariabilität. In darunterliegenden Höhenbereichen ist der Anteil an der ursprünglichen Störung groß, bis zu 90% auf der 450K. Innerhalb dieses Höhenbereiches üben die dynamischen Prozesse während der Wirbelbildungsphase einen entscheidenden Einﬂuss auf den Ozongehalt im Mittwinter aus. N2 - The ozone amount in early winter provides an indication of the ozone amount in late winter/early spring. The early winter amount is highly variable from year to year due to modification by subsidence, chemical loss and wave activity. This thesis shows that this variability is mainly caused by the dynamics during the Arctic polar vortex formation. Furthermore, it explains the still missing link between early and late winter ozone amount due to dynamics and chemistry. Observational ozone data from satellite based instruments, ozone probes and simulations are used for the investigation of the connection between the composition of the air and the ozone enclosed in the polar vortex. The simulations are calculated with the Lagrangian chemistry/transport model ATLAS. The over area (45–75°N) and time (August-November) averaged vertical component of the Eliassen-Palm flux at 100hPa points to a link between the early winter composition of the air enclosed in the polar vortex and the vortex formation phase. This is only valid for the lower stratosphere, because the component does not satisfy changing conditions for wave propagation throughout the stratosphere by itself. Due to this deficit a new integral quantity based on wave amplitude and properties of the Charney-Drazin criterion is defined to achieve an improvement with height. This new quantity connects the wave activity during vortex formation to the composition of air inside the vortex as well as the distribution of ozone over latitude. An enhanced wave activity leads to a higher proportion of ozone rich air from lower latitudes inside the polar vortex. But chemistry in autumn and early winter removes the interannual variability in the amount of ozone enclosed in the vortex induced by dynamical processes during the formation phase of the Artic polar vortex because ozone relaxes towards equilibrium. An estimation of how relevant these variable dynamical processes are for the Arctic winter ozone abundances is obtained by analysing which fraction of dynamically induced anomalies in ozone persists until mid winter. Model runs with the Lagrangian Chemistry-Transport-Model ATLAS for the winter 1999–2000 are used to assess the fate of ozone anomalies artificially introduced during the vortex formation phase. These runs provide detailed information about the persistence of the induced ozone variability over time, height and latitude. Overall, dynamically induced ozone variability from the vortex formation phase survives longer inside the polar vortex compared to outside and can not significantly contribute to mid-winter variability at levels above 750K potential temperature level. At lower levels increasingly larger fractions of the initial perturbation survive, reaching 90% at 450K potential temperature level. In this vertical range dynamical processes during the vortex formation phase are crucial for the ozone abundance in mid-winter. KW - Stratosphäre KW - Ozon KW - Variabilität KW - Dynamik KW - Chemie-Transport-Modell KW - stratosphere KW - ozone KW - variability KW - dynamics KW - chemistry-transport-model Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51394 ER - TY - THES A1 - Schwabedal, Justus Tilmann Caspar T1 - Phase dynamics of irregular oscillations N2 - In der vorliegenden Dissertation wird eine Beschreibung der Phasendynamik irregulärer Oszillationen und deren Wechselwirkungen vorgestellt. Hierbei werden chaotische und stochastische Oszillationen autonomer dissipativer Systeme betrachtet. Für eine Phasenbeschreibung stochastischer Oszillationen müssen zum einen unterschiedliche Werte der Phase zueinander in Beziehung gesetzt werden, um ihre Dynamik unabhängig von der gewählten Parametrisierung der Oszillation beschreiben zu können. Zum anderen müssen für stochastische und chaotische Oszillationen diejenigen Systemzustände identifiziert werden, die sich in der gleichen Phase befinden. Im Rahmen dieser Dissertation werden die Werte der Phase über eine gemittelte Phasengeschwindigkeitsfunktion miteinander in Beziehung gesetzt. Für stochastische Oszillationen sind jedoch verschiedene Definitionen der mittleren Geschwindigkeit möglich. Um die Unterschiede der Geschwindigkeitsdefinitionen besser zu verstehen, werden auf ihrer Basis effektive deterministische Modelle der Oszillationen konstruiert. Hierbei zeigt sich, dass die Modelle unterschiedliche Oszillationseigenschaften, wie z. B. die mittlere Frequenz oder die invariante Wahrscheinlichkeitsverteilung, nachahmen. Je nach Anwendung stellt die effektive Phasengeschwindigkeitsfunktion eines speziellen Modells eine zweckmäßige Phasenbeziehung her. Wie anhand einfacher Beispiele erklärt wird, kann so die Theorie der effektiven Phasendynamik auch kontinuierlich und pulsartig wechselwirkende stochastische Oszillationen beschreiben. Weiterhin wird ein Kriterium für die invariante Identifikation von Zuständen gleicher Phase irregulärer Oszillationen zu sogenannten generalisierten Isophasen beschrieben: Die Zustände einer solchen Isophase sollen in ihrer dynamischen Entwicklung ununterscheidbar werden. Für stochastische Oszillationen wird dieses Kriterium in einem mittleren Sinne interpretiert. Wie anhand von Beispielen demonstriert wird, lassen sich so verschiedene Typen stochastischer Oszillationen in einheitlicher Weise auf eine stochastische Phasendynamik reduzieren. Mit Hilfe eines numerischen Algorithmus zur Schätzung der Isophasen aus Daten wird die Anwendbarkeit der Theorie anhand eines Signals regelmäßiger Atmung gezeigt. Weiterhin zeigt sich, dass das Kriterium der Phasenidentifikation für chaotische Oszillationen nur approximativ erfüllt werden kann. Anhand des Rössleroszillators wird der tiefgreifende Zusammenhang zwischen approximativen Isophasen, chaotischer Phasendiffusion und instabilen periodischen Orbits dargelegt. Gemeinsam ermöglichen die Theorien der effektiven Phasendynamik und der generalisierten Isophasen eine umfassende und einheitliche Phasenbeschreibung irregulärer Oszillationen. N2 - Many natural systems embedded in a complex surrounding show irregular oscillatory dynamics. The oscillations can be parameterized by a phase variable in order to obtain a simplified theoretical description of the dynamics. Importantly, a phase description can be easily extended to describe the interactions of the system with its surrounding. It is desirable to define an invariant phase that is independent of the observable or the arbitrary parameterization, in order to make, for example, the phase characteristics obtained from different experiments comparable. In this thesis, we present an invariant phase description of irregular oscillations and their interactions with the surrounding. The description is applicable to stochastic and chaotic irregular oscillations of autonomous dissipative systems. For this it is necessary to interrelate different phase values in order to allow for a parameterization-independent phase definition. On the other hand, a criterion is needed, that invariantly identifies the system states that are in the same phase. To allow for a parameterization-independent definition of phase, we interrelate different phase values by the phase velocity. However, the treatment of stochastic oscillations is complicated by the fact that different definitions of average velocity are possible. For a better understanding of their differences, we analyse effective deterministic phase models of the oscillations based upon the different velocity definitions. Dependent on the application, a certain effective velocity is suitable for a parameterization-independent phase description. In this way, continuous as well pulse-like interactions of stochastic oscillations can be described, as it is demonstrated with simple examples. On the other hand, an invariant criterion of identification is proposed that generalizes the concept of standard (Winfree) isophases. System states of the same phase are identified to belong to the same generalized isophase using the following invariant criterion: All states of an isophase shall become indistinguishable in the course of time. The criterion is interpreted in an average sense for stochastic oscillations. It allows for a unified treatment of different types of stochastic oscillations. Using a numerical estimation algorithm of isophases, the applicability of the theory is demonstrated by a signal of regular human respiration. For chaotic oscillations, generalized isophases can only be obtained up to a certain approximation. The intimate relationship between these approximate isophase, chaotic phase diffusion, and unstable periodic orbits is explained with the example of the chaotic \roes oscillator. Together, the concept of generalized isophases and the effective phase theory allow for a unified, and invariant phase description of stochastic and chaotic irregular oscillations. T2 - Phasendynamik irregulärer Oszillationen KW - Phasendynamik KW - Stochastische Oszillationen KW - Chaotische Oszillationen KW - Phasenkopplung KW - Zeitreihenanalyse KW - phase dynamics KW - stochastic oscillations KW - chaotic oscillations KW - phase coupling KW - time series analysis Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50115 ER - TY - THES A1 - Stock, Maria T1 - Charakterisierung der troposphärischen Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis T1 - Characterization of tropospheric aerosol variability in the european Arctic N2 - Auf der Grundlage von Sonnenphotometermessungen an drei Messstationen (AWIPEV/ Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °O) 1995–2008, 35. Nordpol Driftstation – NP-35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °O) März/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °O) 2004–2007) wird die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis und deren Ursachen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Frage des Zusammenhanges zwischen den an den Stationen gemessenen Aerosolparametern (Aerosol optische Dicke, Angström Koeffizient, usw.) und dem Transport des Aerosols sowohl auf kurzen Zeitskalen (Tagen) als auch auf langen Zeitskalen (Monate, Jahre). Um diesen Zusammenhang herzustellen, werden für die kurzen Zeitskalen mit dem Trajektorienmodell PEP-Tracer 5-Tage Rückwärtstrajektorien in drei Starthöhen (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) für die Uhrzeiten 00, 06, 12 und 18 Uhr berechnet. Mit Hilfe der nicht-hierarchischen Clustermethode k-means werden die berechneten Rückwärtstrajektorien dann zu Gruppen zusammengefasst und bestimmten Quellgebieten und den gemessenen Aerosol optischen Dicken zugeordnet. Die Zuordnung von Aerosol optischer Dicke und Quellregion ergibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Transport verschmutzter Luftmassen aus Europa oder Russland bzw. Asien und erhöhter Aerosol optischer Dicke. Dennoch ist für einen konkreten Einzelfall (März 2008) ein direkter Zusammenhang von Aerosoltransport und hohen Aerosol optischen Dicken nachweisbar. In diesem Fall gelangte Waldbrandaerosol aus Südwestrussland in die Arktis und konnte sowohl auf der NP-35 als auch in Ny-Ålesund beobachtet werden. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe der EOF-Analyse untersucht, inwieweit großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster für die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis verantwortlich sind. Ähnlich wie bei der Trajektorienanalyse ist auch die Verbindung der atmosphärischen Zirkulation zu den Photometermessungen an den Stationen in der Regel nur schwach ausgeprägt. Eine Ausnahme findet sich bei der Betrachtung des Jahresganges des Bodendruckes und der Aerosol optischen Dicke. Hohe Aerosol optische Dicken treten im Frühjahr zum einen dann auf, wenn durch das Islandtief und das sibirische Hochdruckgebiet Luftmassen aus Europa oder Russland/Asien in die Arktis gelangen, und zum anderen, wenn sich ein kräftiges Hochdruckgebiet über Grönland und weiten Teilen der Arktis befindet. Ebenso zeigt sich, dass der Übergang zwischen Frühjahr und Sommer zumindest teilweise bedingt ist durch denWechsel vom stabilen Polarhoch im Winter und Frühjahr zu einer stärker von Tiefdruckgebieten bestimmten arktischen Atmosphäre im Sommer. Die geringere Aerosolkonzentration im Sommer kann zum Teil mit einer Zunahme der nassen Deposition als Aerosolsenke begründet werden. Für Ny-Ålesund wird neben den Transportmustern auch die chemische Zusammensetzung des Aerosols mit Hilfe von Impaktormessungen an der Zeppelinstation auf dem Zeppelinberg (474m ü.NN) nahe Ny-Ålesund abgeleitet. Dabei ist die positive Korrelation der Aerosoloptischen Dicke mit der Konzentration von Sulfationen und Ruß sehr deutlich. Beide Stoffe gelangen zu einem Großteil durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre. Die damit nachweisbar anthropogen geprägte Zusammensetzung des arktischen Aerosols steht im Widerspruch zum nicht eindeutig herstellbaren Zusammenhang mit dem Transport des Aerosols aus Industrieregionen. Dies kann nur durch einen oder mehrere gleichzeitig stattfindende Transformationsprozesse (z. B. Nukleation von Schwefelsäurepartikeln) während des Transportes aus den Quellregionen (Europa, Russland) erklärt werden. N2 - On the base of sun photometer measurements conducted at three different research stations (AWIPEV/Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °E) 1995-2008, 35. Northpole Drifting Station – NP-35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °E) March/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °E) 2004-2007) the aerosol variability in the european Arctic and their cause is analyzed. The main focus is to quantify the correlation between the measured aerosol parameters (aerosol optical depth, Angström coefficient, etc.) and the transport of aerosol from Europe and Russia on short timescales (days) as well as on long timescales (months, years). For the short timescales 5-day backward trajectories were calculated with the trajectory model PEP-Tracer at three different starting heights (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) four times the day (00:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC). Afterwards the non-hierarchical cluster method k-means is used to group the backward trajectories in differend aerosol source regions and allocate to the respective sun photometer measurements. This allocation of aerosol source region and sun photometer measurements does not show a correlation between polluted air mass of european or russian/asian origin and enhanced aerosol optical depth. However, in one case (March 2008) a clear influence of anthropogenic aerosol on the photometer measurements occurs. In March 2008, aerosol originating at forest fires in southeast Russia was transported into the Arctic and detected over NP-35 as well as Ny-Ålesund. Furthermore, the EOF method is used to verify if large-scale atmospheric circulation patterns determine the arctic aerosol variability. However, the connection to the sun photometer measurements is very weak except for seasonal variability. It is shown, that in spring-time due to the Iclandic low and the Siberian high, air masses from Europe and Russia as well as a strong high pressure system at Greenland and most parts of the Arctic cause higher aerosol optical depths in Ny-Ålesund. The transition from spring to summer aerosol concentration can at least partially be assigned to the replacement of the stable polar high in winter and spring by low pressure systems in summer. In addition to the transport pattern, chemical composition of the scattering aerosol in Ny-Ålesund was deduced from measurements by the Zeppelin station at the Zeppelin mountain (474m above sea level) near Ny-Ålesund. A clear positive correlation between sulfate and black carbon concentration was found. Both chemicals are mostly emitted through anthropogenic processes (e.g. combustion). The verifiable anthropogenic influence on the composition of arctic aerosols disagree with the missing linkage of transport from industrial regions to aerosol optical depth. It can only be explained by one or more transformation processes (e.g. nucleation of sulfuric acid) during the transport from the source regions (Europe, Russia) to the Arctic. KW - Aerosol KW - Arktis KW - Trajektorien KW - EOF KW - Luftmassentransport KW - aerosol KW - Arctic KW - trajectories KW - EOF KW - air mass transport Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49203 ER - TY - THES A1 - Ksianzou, Viachaslau T1 - Second-order nonlinear optical interactions and cascading effects in thinorganic films T1 - Nichtlineare optische Wechselwirkung zweiter Ordnung und Cascading in dünnen organischen Schichten N2 - The presented work describes new concepts of fast switching elements based on principles of photonics. The waveguides working in visible and infra-red ranges are put in a basis of these elements. And as materials for manufacturing of waveguides the transparent polymers, dopped by molecules of the dyes possessing second order nonlinear-optical properties are proposed. The work shows how nonlinear-optical processes in such structures can be implemented by electro-optical and opto-optical control circuit signals. In this paper we consider the complete cycle of fabrication of several types of integral photonic elements. The theoretical analysis of high-intensity beam propagation in media with second-order optical nonlinearity is performed. Quantitative estimations of necessary conditions of occurrence of the nonlinear-optical phenomena of the second order taking into account properties of used materials are made. The paper describes the various stages of manufacture of the basic structure of the integrated photonics: a planar waveguide. Using the finite element method the structure of the electromagnetic field inside the waveguide in different modes was analysed. A separate part of the work deals with the creation of composite organic materials with high optical nonlinearity. Using the methods of quantum chemistry, the dependence of nonlinear properties of dye molecules from its structure were investigated in details. In addition, the paper discusses various methods of inducing of an optical nonlinearity in dye-doping of polymer films. In the work, for the first time is proposed the use of spatial modulation of nonlinear properties of waveguide according Fibonacci law. This allows involving several different nonlinear optical processes simultaneously. The final part of the work describes various designs of integrated optical modulators and switches constructed of organic nonlinear optical waveguides. A practical design of the optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer made by a photolithography on polymer film is presented. N2 - Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Konzepte für schnelle photonische Schaltelemente. Diese Elemente basieren auf optischer Wellenleitung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Arbeit ist auf organische Wellenleiter aus transparenten, farbstoffdotierten Polymeren fokussiert, welche Chromophore mit besonders großen optischen Nichtlinearitäten zweiter Ordnung enthalten. Insbesondere wird dargestellt, wie nichtlineare optische Prozesse in derartigen Bauelementen genutzt werden können, wenn man elektrische oder optische Steuersignale einsetzt. Es wird der gesamte Her-stellungszyklus verschiedener integrierter photonischer Bauelemente betrachtet. Die Arbeit umfasst weiterhin eine detaillierte theoretische Analyse der Wellenausbreitung in Medien mit großer nichtlinearer optischer Suszeptibilität zweiter Ordnung bei hoher Lichtintensität. Unter Annahme optischer Materialkonstanten, welche den experimentell ermittelten Werten entsprechen, erfolgte eine quantitative Abschätzung für das Auftreten von Szenarien, bei denen messbare Abwei-chungen der Strahlausbreitung vom linearen Regime auftreten, z:B. das Auftreten von zeitlichen, räumlichen und spektralen Satteliten zu den im Material propagierenden Laserpulsen. Es gelang, we-sentliche Aspekte der Strahlpropagationsprozesse durch Anwendung von Jacobi-Integralfunktionen in geschlossener mathematischer Form darzustellen. Darüber hinausgehende theoretische Untersuchungen nutzten die Finite-Elemente-Methode, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Inneren optischer Wellenleiter für verschiedene Pro-pagationsmoden zu analysieren. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit organischen Kompositmaterialen, welche große opti-sche Nichtlinearitäten aufweisen. Mittels quantenchemischer Verfahren erfolgte eine detaillierte Un-tersuchung der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und den linearen sowie den nichtlinearen optischen Eigenschaften der untersuchten Farbstoffmoleküle und Polymere. In Bezug auf die Probenpräparation sind unterschiedliche Verfahren zur Schichtbildung und zur molekularen Orientierung miteinander verglichen und bewertet worden, da letztere eine Voraussetzung für das Auftreten nichtlinearer optischer Prozesse zweiter Ordnung bildet. Die Untersuchungen erstreckten sich auf Vakuumaufdampfschichten aus niedermolekularen Chromophoren und auf Polymerschich-ten, welche durch Vakuumabscheidung sowie durch Spincoating oder andere Flüssigphasenabschei-dungsverfahren hergestellt worden sind. Auf orientierenden Substraten (z.B. geriebene Schichten aus Polytetrafluoräthylen) konnte eine spontane Orientierung der deponierten Chromophore nachgewie-sen werden. Die Chromophore in Polymerschichten wurden durch Coronapolung orientiert. In der Arbeit ist zum ersten Mal vorgeschlagen worden, eine räumliche Modulation der nichtlinearen optischen Eigenschaften durch gezielte lokale Coronapolung oder andere Orientierungstechniken derart zu generieren, dass die Abfolge gepolter Domänen dem Bildungsgesetz einer modifizierten Fibonacci-Reihe mit gebrochen rationalen Zahlen gehorcht. Der Vorteil von optischen Wellenleitern mit dieser Struktur darin, dass diese mehrere unterschiedli-che nichtlineare optische Prozesse gleichzeitig unterstützen und somit eine Vielzahl neuartiger Phä-nomene auftreten kann, welche man in neuartigen photonischen Bauelementen, z.B. für die optische Informations- und Kommunikationstechnik nutzen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau verschiedener integrierter optischer Modulatoren und Schalter, die sich mit Hilfe das neu entwickelten Verfahrens herstellen lassen. Zukünftige Entwicklungen in der Photonik, insbesondere der optischen Informations- und Kommuni-kationstechnik werden im abschließenden Teil der Arbeit diskutiert. KW - NLO KW - SHG KW - QPM KW - Cascading KW - NLO KW - SHG KW - QPM KW - Cascading Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49186 ER - TY - JOUR A1 - Shklyaev, Sergey A1 - Straube, Arthur V. T1 - Superexponential droplet fractalization as a hierarchical formation of dissipative compactons N2 - We study the dynamics of a thin film over a substrate heated from below in a framework of a strongly nonlinear one-dimensional Cahn-Hilliard equation. The evolution leads to a fractalization into smaller and smaller scales. We demonstrate that a primitive element in the appearing hierarchical structure is a dissipative compacton. Both direct simulations and the analysis of a self-similar solution show that the compactons appear at superexponentially decreasing scales, which means vanishing dimension of the fractal. Y1 - 2010 UR - http://pre.aps.org/ U6 - http://dx.doi.org/10.1103/Physreve.82.020601 SN - 1539-3755 ER - TY - JOUR A1 - Schwabedal, Justus T. C. A1 - Pikovsky, Arkady S. T1 - Effective phase dynamics of noise-induced oscillations in excitable systems N2 - We develop an effective description of noise-induced oscillations based on deterministic phase dynamics. The phase equation is constructed to exhibit correct frequency and distribution density of noise-induced oscillations. In the simplest one-dimensional case the effective phase equation is obtained analytically, whereas for more complex situations a simple method of data processing is suggested. As an application an effective coupling function is constructed that quantitatively describes periodically forced noise-induced oscillations. Y1 - 2010 UR - http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.81.046218 U6 - http://dx.doi.org/10.1103/Physreve.81.046218 SN - 1539-3755 ER - TY - JOUR A1 - Schwabedal, Justus T. C. A1 - Pikovsky, Arkady S. T1 - Effective phase description of noise-perturbed and noise-induced oscillations N2 - An effective dynamical description of a general class of stochastic phase oscillators is presented. For this, the effective phase velocity is defined either by the stochastic phase oscillators invariant probability density or its first passage times. Using the first approach the effective phase exhibits the correct frequency and invariant distribution density, whereas the second approach models the proper phase resetting curve. The discrepancy of the effective models is most pronounced for noise-induced oscillations and is related to non-monotonicity of the stochastic phase variable due to fluctuations. Y1 - 2010 U6 - http://dx.doi.org/10.1140/epjst/e2010-01271-6 SN - 1951-6355 ER - TY - JOUR A1 - Schulz, Burkhard A1 - Orgzall, Ingo A1 - Diez, Isabel A1 - Dietzel, Birgit A1 - Tauer, Klaus T1 - Template mediated formation of shaped polypyrrole particles N2 - The formation of different micro- and nanostructures during the chemical synthesis of polypyrrole is reviewed shortly based on the conceptions of hard- and soft-templating models. Contrary to other models that emphasize the role of micelles it is found here that during the oxidative polymerization of pyrole using sulfonic acid dopants a crystalline hard template is found in the first steps of the reaction before the addition of the oxidant. This template is formed by a complex consisting of 2,5-bis(pyrrole-2-yl)pyrrolidine and the sulfonic acid anion. The acid catalyzed formation of this specific tripyrrole is discussed. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved. Y1 - 2010 U6 - http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.11.034 SN - 0927-7757 ER -