TY - THES A1 - Werhahn, Maria T1 - Simulating galaxy evolution with cosmic rays: the multi-frequency view T1 - Galaxienentwicklung in Simulationen mit komischer Strahlung und deren Strahlungsprozessen N2 - Cosmic rays (CRs) constitute an important component of the interstellar medium (ISM) of galaxies and are thought to play an essential role in governing their evolution. In particular, they are able to impact the dynamics of a galaxy by driving galactic outflows or heating the ISM and thereby affecting the efficiency of star-formation. Hence, in order to understand galaxy formation and evolution, we need to accurately model this non-thermal constituent of the ISM. But except in our local environment within the Milky Way, we do not have the ability to measure CRs directly in other galaxies. However, there are many ways to indirectly observe CRs via the radiation they emit due to their interaction with magnetic and interstellar radiation fields as well as with the ISM. In this work, I develop a numerical framework to calculate the spectral distribution of CRs in simulations of isolated galaxies where a steady-state between injection and cooling is assumed. Furthermore, I calculate the non-thermal emission processes arising from the modelled CR proton and electron spectra ranging from radio wavelengths up to the very high-energy gamma-ray regime. I apply this code to a number of high-resolution magneto-hydrodynamical (MHD) simulations of isolated galaxies, where CRs are included. This allows me to study their CR spectra and compare them to observations of the CR proton and electron spectra by the Voyager-1 satellite and the AMS-02 instrument in order to reveal the origin of the measured spectral features. Furthermore, I provide detailed emission maps, luminosities and spectra of the non-thermal emission from our simulated galaxies that range from dwarfs to Milk-Way analogues to starburst galaxies at different evolutionary stages. I successfully reproduce the observed relations between the radio and gamma-ray luminosities with the far-infrared (FIR) emission of star-forming (SF) galaxies, respectively, where the latter is a good tracer of the star-formation rate. I find that highly SF galaxies are close to the limit where their CR population would lose all of their energy due to the emission of radiation, whereas CRs tend to escape low SF galaxies more quickly. On top of that, I investigate the properties of CR transport that are needed in order to match the observed gamma-ray spectra. Furthermore, I uncover the underlying processes that enable the FIR-radio correlation (FRC) to be maintained even in starburst galaxies and find that thermal free-free-emission naturally explains the observed radio spectra in SF galaxies like M82 and NGC 253 thus solving the riddle of flat radio spectra that have been proposed to contradict the observed tight FRC. Lastly, I scrutinise the steady-state modelling of the CR proton component by investigating for the first time the influence of spectrally resolved CR transport in MHD simulations on the hadronic gamma-ray emission of SF galaxies revealing new insights into the observational signatures of CR transport both spectrally and spatially. N2 - Kosmische Strahlung (CR) ist ein essentieller Bestandteil des interstellaren Mediums (ISM) von Galaxien und spielt eine wichtige Rolle in deren Entwicklung. Insbesondere ist sie in der Lage, die Dynamik einer Galaxie zu beeinflussen, indem sie galaktische Ausflüsse treibt oder das ISM aufheizt und sich dadurch auf die Effizienz der Sternentstehung auswirkt. Um Galaxienentstehung zu verstehen ist es daher notwendig, diesen nicht-thermischen Bestandteil des ISM genau zu modellieren. Aber außerhalb unserer lokalen Umgebung innerhalb der Milchstraße haben wir keine Möglichkeit, um CRs in anderen Galaxien direkt zu messen. Allerdings gibt es viele Möglichkeiten, CRs indirekt über die Strahlung zu beobachten, die sie auf Grund ihrer Interaktion mit Magnetfeldern und interstellarer Strahlung sowie mit dem ISM emittieren. In dieser Arbeit habe ich einen numerischen Code entwickelt, der die spektrale Verteilung der CRs in Simulationen von isolierten Galaxien berechnet, wobei ein stationäres Verhältnis zwischen Injektion und Kühlen angenommen wird. Des Weiteren berechnet er die nicht-thermischen Strahlungsprozesse, die aus den modellierten CR Protonen- und Elektronenspektren hervorgehen. Diese reichen von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung. Ich wende diesen Code auf eine Vielzahl von hoch aufgelösten, magneto-hydrodynamischen Simulationen von isolierten Galaxien an, die CRs beinhalten. Das ermöglicht es mir, ihre CR Spektren zu untersuchen und mit Beobachtungen des Voyager-1 Satelliten sowie des AMS-02 Instruments von CR Protonen- und Elektronenspektren zu vergleichen, um dem Ursprung von den gemessenen spektralen Besonderheiten nachzugehen. Außerdem lege ich detaillierte Emissionskarten, Leuchtkräfte und Spektren der nicht-thermischen Strahlung unserer simulierten Galaxien vor, die von Zwerggalaxien über Milchstraßen-ähnliche Galaxien bis hin zu Starburst-Galaxien bei verschiedensten Entwicklungsstadien reichen. Damit kann ich erfolgreich die beobachteten Zusammenhänge zwischen jeweils der Radio- und Gammastrahlungsleuchtkraft mit der Ferninfrarot (FIR) Strahlung der sternbildenden Galaxien reproduzieren, wobei die FIR Strahlung ein guter Indikator für die Rate der Sternentstehung ist. Dabei finde ich heraus, dass Galaxien mit einer hohen Rate an Sternentstehung sehr nah an dem Limit sind, in dem ihre CR Population all ihre Energie an die Produktion von Strahlung verlieren würde, während CRs dazu tendieren, Galaxien mit einer niedrigen Sternentstehungsrate schneller zu verlassen. Zusätzlich untersuche ich die Eigenschaften des Transports von CRs, die benötigt werden, um die beobachteten Spektren der Gammastrahlung zu reproduzieren. Außerdem decke ich die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse auf, durch die die Korrelation zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft auch in Starburst-Galaxien aufrecht erhalten werden kann und finde heraus, dass die thermische Emission natürlicherweise die beobachteten Radiospektren in Galaxien wie M82 und NGC 253 erklärt, wodurch sich das Rätsel der flachen Radiospektren löst, die scheinbar im Widerspruch zum beobachteten engen Zusammenhang zwischen der FIR- und Radioleuchtkraft standen. Zuletzt hinterfrage ich die Annahme eines stationären Zustandes bei der Modellierung der CR Protonenspektren, indem ich zum ersten Mal den Einfluss von spektral aufgelöstem Transport von CR Protonen in magneto-hydrodynamischen Simulationen auf die hadronische Gammastrahlung von sternbildenden Galaxien untersuche, was neue Einblicke in beobachtbare Signaturen, sowohl spektral als auch räumlich, von CR-Transport ermöglicht. KW - galaxies KW - cosmic rays KW - numerical astrophysics KW - kosmische Strahlung KW - Galaxien KW - numerische Astrophysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572851 ER - TY - THES A1 - Brauer, Dorothée T1 - Chemo-kinematic constraints on Milky Way models from the spectroscopic surveys SEGUE & RAVE T1 - Beschränkungen von Modellen der Milchstraße auf Basis der chemisch-kinematischen Analyse von Beobachtungsdaten der spektroskopischen Himmelsdurchmusterungen SEGUE und RAVE N2 - The Milky Way is only one out of billions of galaxies in the universe. However, it is a special galaxy because it allows to explore the main mechanisms involved in its evolution and formation history by unpicking the system star-by-star. Especially, the chemical fingerprints of its stars provide clues and evidence of past events in the Galaxy’s lifetime. These information help not only to decipher the current structure and building blocks of the Milky Way, but to learn more about the general formation process of galaxies. In the past decade a multitude of stellar spectroscopic Galactic surveys have scanned millions of stars far beyond the rim of the solar neighbourhood. The obtained spectroscopic information provide unprecedented insights to the chemo-dynamics of the Milky Way. In addition analytic models and numerical simulations of the Milky Way provide necessary descriptions and predictions suited for comparison with observations in order to decode the physical properties that underlie the complex system of the Galaxy. In the thesis various approaches are taken to connect modern theoretical modelling of galaxy formation and evolution with observations from Galactic stellar surveys. With its focus on the chemo-kinematics of the Galactic disk this work aims to determine new observational constraints on the formation of the Milky Way providing also proper comparisons with two different models. These are the population synthesis model TRILEGAL based on analytical distribution functions, which aims to simulate the number and distribution of stars in the Milky Way and its different components, and a hybrid model (MCM) that combines an N-body simulation of a Milky Way like galaxy in the cosmological framework with a semi-analytic chemical evolution model for the Milky Way. The major observational data sets in use come from two surveys, namely the “Radial Velocity Experiment” (RAVE) and the “Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration” (SEGUE). In the first approach the chemo-kinematic properties of the thin and thick disk of the Galaxy as traced by a selection of about 20000 SEGUE G-dwarf stars are directly compared to the predictions by the MCM model. As a necessary condition for this, SEGUE's selection function and its survey volume are evaluated in detail to correct the spectroscopic observations for their survey specific selection biases. Also, based on a Bayesian method spectro-photometric distances with uncertainties below 15% are computed for the selection of SEGUE G-dwarfs that are studied up to a distance of 3 kpc from the Sun. For the second approach two synthetic versions of the SEGUE survey are generated based on the above models. The obtained synthetic stellar catalogues are then used to create mock samples best resembling the compiled sample of observed SEGUE G-dwarfs. Generally, mock samples are not only ideal to compare predictions from various models. They also allow validation of the models' quality and improvement as with this work could be especially achieved for TRILEGAL. While TRILEGAL reproduces the statistical properties of the thin and thick disk as seen in the observations, the MCM model has shown to be more suitable in reproducing many chemo-kinematic correlations as revealed by the SEGUE stars. However, evidence has been found that the MCM model may be missing a stellar component with the properties of the thick disk that the observations clearly show. While the SEGUE stars do indicate a thin-thick dichotomy of the stellar Galactic disk in agreement with other spectroscopic stellar studies, no sign for a distinct metal-poor disk is seen in the MCM model. Usually stellar spectroscopic surveys are limited to a certain volume around the Sun covering different regions of the Galaxy’s disk. This often prevents to obtain a global view on the chemo-dynamics of the Galactic disk. Hence, a suitable combination of stellar samples from independent surveys is not only useful for the verification of results but it also helps to complete the picture of the Milky Way. Therefore, the thesis closes with a comparison of the SEGUE G-dwarfs and a sample of RAVE giants. The comparison reveals that the chemo-kinematic relations agree in disk regions where the samples of both surveys show a similar number of stars. For those parts of the survey volumes where one of the surveys lacks statistics they beautifully complement each other. This demonstrates that the comparison of theoretical models on the one side, and the combined observational data gathered by multiple surveys on the other side, are key ingredients to understand and disentangle the structure and formation history of the Milky Way. N2 - Die Milchstraße ist nur eine unter Milliarden von Galaxien im Universum, dennoch ist sie besonders. Sie bietet die einzigartige Möglichkeit anhand ihrer einzeln auflösbaren Sterne und deren im Detail beobachtbaren Eigenschaften die Mechanismen ihrer Evolutions- und Entstehungsgeschichte genau zu studieren und damit Rückschlüsse auf die Entwicklungsprozesse von Galaxien im Allgemeinen zu ziehen. Insbesondere der chemische Fingerabdruck ihrer Sterne liefert dabei Indizien und Beweise für Ereignisse im Leben der Galaxie. In den letzten 15 Jahren wurden daher in einer Vielzahl von Himmeldurchmusterungen Millionen von Sternen in der Milchstraße spektroskopisch beobachtet. Die so gewonnenen Informationen bieten detaillierte Einblicke in die Substrukturen unserer Galaxie und deren chemisch-kinematische Struktur. Ergänzend dazu liefern analytische Modelle und numerische Simulationen der Milchstraße wichtige Beschreibungen, die sich zum Vergleich mit Beobachtungen eignen, um die dem komplexen System der Galaxie zugrunde liegenden exakten physikalischen Eigenschaften entschlüsseln zu können. Die vorliegende Arbeit nutzt verschiedene Ansätze, um moderne theoretische Modelle der Galaxienentstehung und -evolution mit Daten aus stellaren Beobachtungskampagnen zu vergleichen. Die dazu analysierten Beobachtungsdatensätze stammen aus zwei großen Himmelsdurchmusterungen, dem „Radial Velocity Experiment“ (RAVE) und dem „Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration“ (SEGUE). Mit dem Fokus auf der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe geht es im Wesentlichen darum, zwei Modelle der Milchstraße zu testen, nämlich ein Populationssynthesemodell (TRILEGAL) und ein Hybridmodell (MCM). Während TRILEGAL auf analytischen Verteilungsfunktionen basiert und zum Ziel hat, die Anzahl und Verteilung der Sterne innerhalb der Galaxie und ihrer unterschiedlichen Komponenten zu simulieren, verbindet das MCM Modell eine kosmologische N-Körper Simulation einer der Milchstraße ähnlichen Galaxie mit einem semi-analytischen Modell zur Beschreibung der chemischen Evolution der Milchstraße. Auf Grundlage einer Auswahl von etwa 20000 SEGUE G-Zwergsternen werden in einem ersten Ansatz die aus den Messdaten gewonnenen chemisch-kinematischen Eigenschaften der dünnen und dicken Scheibe der Milchstraße mit den direkten Vorhersagen des MCM Modells verglichen. Eine notwendige Bedingung dafür ist die Korrektur der Beobachtungsdaten für systematische Fehler bei der Objektauswahl der Beobachtungskampagne. Zudem werden mittels einer Bayesischen Methode spektro-photometrische Distanzen mit Fehlern kleiner als 15% für die Auswahl an SEGUE Sternen berechnet, die sich in einer Entfernung von bis zu 3 kpc von der Sonne befinden. Für den zweiten Ansatz werden basierend auf den oben genannten Modellen zwei synthetische Versionen der SEGUE Himmelsdurchmusterung generiert. Diese künstlichen stellaren Kataloge werden dann verwendet, um Vergleichspseudodatensätze für die verwendeten Zwergsterndaten anzufertigen. Solche synthetischen Testdatensätze eignen sich nicht nur, um die Vorhersagen verschiedener Modelle zu vergleichen, sie können auch zur Validierung der Qualität einzelner Modelle herangezogen werden. Während sich in der Analyse zeigt, dass TRILEGAL sich besonders gut eignet, statistische Eigenschaften der dünnen und dicken galaktischen Scheibe zu reproduzieren, spiegelt das MCM Modell viele der in der Milchstraße beobachtbaren chemisch-kinematischen Korrelationen gut wieder. Trotzdem finden sich Beweise dafür, dass dem MCM Modell eine stellare Komponente fehlt, deren Eigenschaften der in den Beobachtungen sichtbaren dicken Scheibe ähnlich sind. Meist sind spektroskopische Beobachtungskampagnen auf ein bestimmtes Volumen um die Sonne beschränkt. Oftmals verhindert dies die Möglichkeit einen globalen Blick auf die chemisch-kinematischen Eigenschaften der galaktischen Scheibe zu erlangen. Die Kombination von stellaren Daten unabhängiger Kampagnen ist daher nicht nur nützlich für die Verifikation von Ergebnissen, es hilft auch ein ganzheitlicheres Bild der Galaxie zu erlangen. Die vorliegende Arbeit schließt daher mit einem Vergleich der SEGUE G-Zwergsterne und einer Auswahl von RAVE Riesensternen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung bzgl. der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe besonders in denjenigen Regionen, die von einer Vielzahl von SEGUE und RAVE Objekten abgedeckt werden. Für Regionen des Beobachtungsvolumens, in dem die eine oder die andere der beiden Beobachtungskampagnen eine geringere Statistik von beobachteten Sternen aufweist, ergänzen sich RAVE und SEGUE gut. Dies zeigt, dass nicht nur der Vergleich von Beobachtungen und theoretischen Modellen, sondern auch die Kombination von Messdaten aus verschiedenen Himmelsdurchmusterungen wichtig ist, um die Struktur und die Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu verstehen und zu entschlüsseln. KW - galaktische Astronomie KW - galactic astronomy KW - Entstehung der Milchstraße KW - Milky Way formation KW - Evolution der Milchstraße KW - Milky Way evolution KW - Milky Way chemo-kinematics KW - Chemokinematik der Milchstraße KW - SEGUE survey KW - SEGUE Beobachtungskampagne KW - RAVE survey KW - RAVE Beobachtungskampagne KW - mock data catalogues KW - Pseudodatensätze Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403968 ER - TY - THES A1 - Kruse, Marlen T1 - Characterization of biomolecules and their interactions using electrically controllable DNA nanolevers N2 - In this work, binding interactions between biomolecules were analyzed by a technique that is based on electrically controllable DNA nanolevers. The technique was applied to virus-receptor interactions for the first time. As receptors, primarily peptides on DNA nanostructures and antibodies were utilized. The DNA nanostructures were integrated into the measurement technique and enabled the presentation of the peptides in a controllable geometrical order. The number of peptides could be varied to be compatible to the binding sites of the viral surface proteins. Influenza A virus served as a model system, on which the general measurability was demonstrated. Variations of the receptor peptide, the surface ligand density, the measurement temperature and the virus subtypes showed the sensitivity and applicability of the technology. Additionally, the immobilization of virus particles enabled the measurement of differences in oligovalent binding of DNA-peptide nanostructures to the viral proteins in their native environment. When the coronavirus pandemic broke out in 2020, work on binding interactions of a peptide from the hACE2 receptor and the spike protein of the SARS-CoV-2 virus revealed that oligovalent binding can be quantified in the switchSENSE technology. It could also be shown that small changes in the amino acid sequence of the spike protein resulted in complete loss of binding. Interactions of the peptide and inactivated virus material as well as pseudo virus particles could be measured. Additionally, the switchSENSE technology was utilized to rank six antibodies for their binding affinity towards the nucleocapsid protein of SARS-CoV-2 for the development of a rapid antigen test device. The technique was furthermore employed to show binding of a non-enveloped virus (adenovirus) and a virus-like particle (norovirus-like particle) to antibodies. Apart from binding interactions, the use of DNA origami levers with a length of around 50 nm enabled the switching of virus material. This proved that the technology is also able to size objects with a hydrodynamic diameter larger than 14 nm. A theoretical work on diffusion and reaction-limited binding interactions revealed that the technique and the chosen parameters enable the determination of binding rate constants in the reaction-limited regime. Overall, the applicability of the switchSENSE technique to virus-receptor binding interactions could be demonstrated on multiple examples. While there are challenges that remain, the setup enables the determination of affinities between viruses and receptors in their native environment. Especially the possibilities regarding the quantification of oligo- and multivalent binding interactions could be presented. N2 - In dieser Arbeit wurden Bindungsinteraktionen zwischen biologischen Molekülen mit Hilfe von elektrisch kontrollierbaren DNA-Nanohebeln untersucht. Die Technologie wurde zum ersten Mal auf Virus-Rezeptor Interaktionen angewendet. Als Rezeptoren wurden überwiegend Peptide und Antikörper untersucht. Die Peptide wurden auf vierarmigen DNA-Nanohebeln angeordnet. Ihre geometrische Anordnung entsprach der Anordnung der Rezeptorbindungsstellen der Proteine auf der Virusoberfläche. An Influenza A Viren wurde die Machbarkeit der Bindungsmessung zuerst demonstriert. Dabei konnte die Anwendbarkeit und Sensitivität der Technologie durch Variation der Peptide, der Ligandendichte auf der Sensoroberfläche, der Messtemperatur und der Virussubtypen gezeigt werden. Weiterhin wurde Virusmaterial auf der Sensoroberfläche immobilisiert und anschließend wurden quantitative Bindungsmessungen mit den oligovalenten DNA-Peptid-Strukturen durchgeführt. Dieser Versuchsaufbau ermöglichte die Messung der Bindungsstärke in Abhängigkeit der Anzahl der pro DNA-Struktur gekoppelten Peptide. Im Zuge des Ausbruchs der Coronavirus-Pandemie im Jahr 2020 wurden Bindungsinteraktionsmessungen zwischen einem Peptid aus dem hACE2-Rezeptor und SARS-CoV-2 Spike Proteinen durchgeführt. Auch hier konnten oligovalente Bindungseffekte quantifiziert werden. Außerdem wurde festgestellt, dass Veränderungen an der Aminosäuresequenz des SARS-CoV-2 Proteins starke Auswirkungen auf das Bindungsverhalten hatten. Auch Interaktionen zwischen dem Peptid und sowohl inaktiviertem Virusmaterial als auch Pseudoviruspartikeln wurden gemessen. Für die Entwicklung eines Antigenschnelltests wurden die Affinitäten von sechs Antikörpern an das Nucleocapsidprotein des SARS-CoV-2 bestimmt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit der Technologie auch die Bindung von unbehüllten Viren (am Beispiel von Adenoviren) und Virus-ähnlichen Partikeln (am Beispiel von Norovirus-ähnlichen Partikeln) an Antikörper vermessen werden kann. Neben Bindungsinteraktionen, wurden auch Größenbestimmungen mit Hilfe von DNA Origamis durchgeführt. Die Hebellänge von ca. 50 nm ermöglichte die elektrische Bewegung ("switching") von Virusmaterial. Es konnte so gezeigt werden, dass die Technologie es ermöglicht, Objekte mit einem hydrodynamischen Durchmesser von mehr als 14 nm zu bewegen. In einer theoretischen Betrachtung der Experimente konnte gezeigt werden, dass der Sensoraufbau und die verwendeten Parameter die Messung von Bindungsratenkonstanten in einem Reaktions-limitierten Bereich ermöglichen. Insgesamt konnte die Arbeit an vielen Beispielen zeigen, dass die switch-SENSE Technologie für die Messung von Virus-Rezeptor Interaktionen geeignet ist. Während es weiterhin Herausforderungen gibt, so ermöglicht der Aufbau doch die Bestimmung von Affinitäten zwischen Viren und Rezeptoren. Insbesondere die Möglichkeiten zur Quantifizierung von oligo- und multivalenten Bindungsinteraktionen konnten aufgezeigt werden. T2 - Charakterisierung von Biomolekülen und deren Interaktionen mittels elektrisch kontrollierbarer DNA Nanohebel KW - biomolecule KW - binding interactions KW - switchSENSE KW - virus KW - receptor KW - Biomoleküle KW - Bindungsinteraktion KW - switchSENSE Technologie KW - Virus KW - Rezeptor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577384 ER - TY - THES A1 - Kerutt, Josephine Victoria T1 - The high-redshift voyage of Lyman alpha and Lyman continuum emission as told by MUSE T1 - Die Reise der Lyman alpha- und Lyman Kontinuumsemission bei hoher Rotverschiebung erzählt von MUSE N2 - Most of the matter in the universe consists of hydrogen. The hydrogen in the intergalactic medium (IGM), the matter between the galaxies, underwent a change of its ionisation state at the epoch of reionisation, at a redshift roughly between 6>z>10, or ~10^8 years after the Big Bang. At this time, the mostly neutral hydrogen in the IGM was ionised but the source of the responsible hydrogen ionising emission remains unclear. In this thesis I discuss the most likely candidates for the emission of this ionising radiation, which are a type of galaxy called Lyman alpha emitters (LAEs). As implied by their name, they emit Lyman alpha radiation, produced after a hydrogen atom has been ionised and recombines with a free electron. The ionising radiation itself (also called Lyman continuum emission) which is needed for this process inside the LAEs could also be responsible for ionising the IGM around those galaxies at the epoch of reionisation, given that enough Lyman continuum escapes. Through this mechanism, Lyman alpha and Lyman continuum radiation are closely linked and are both studied to better understand the properties of high redshift galaxies and the reionisation state of the universe. Before I can analyse their Lyman alpha emission lines and the escape of Lyman continuum emission from them, the first step is the detection and correct classification of LAEs in integral field spectroscopic data, specifically taken with the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE). After detecting emission line objects in the MUSE data, the task of classifying them and determining their redshift is performed with the graphical user interface QtClassify, which I developed during the work on this thesis. It uses the strength of the combination of spectroscopic and photometric information that integral field spectroscopy offers to enable the user to quickly identify the nature of the detected emission lines. The reliable classification of LAEs and determination of their redshifts is a crucial first step towards an analysis of their properties. Through radiative transfer processes, the properties of the neutral hydrogen clouds in and around LAEs are imprinted on the shape of the Lyman alpha line. Thus after identifying the LAEs in the MUSE data, I analyse the properties of the Lyman alpha emission line, such as the equivalent width (EW) distribution, the asymmetry and width of the line as well as the double peak fraction. I challenge the common method of displaying EW distributions as histograms without taking the limits of the survey into account and construct a more independent EW distribution function that better reflects the properties of the underlying population of galaxies. I illustrate this by comparing the fraction of high EW objects between the two surveys MUSE-Wide and MUSE-Deep, both consisting of MUSE pointings (each with the size of one square arcminute) of different depths. In the 60 MUSE-Wide fields of one hour exposure time I find a fraction of objects with extreme EWs above EW_0>240A of ~20%, while in the MUSE-Deep fields (9 fields with an exposure time of 10 hours and one with an exposure time of 31 hours) I find a fraction of only ~1%, which is due to the differences in the limiting line flux of the surveys. The highest EW I measure is EW_0 = 600.63 +- 110A, which hints at an unusual underlying stellar population, possibly with a very low metallicity. With the knowledge of the redshifts and positions of the LAEs detected in the MUSE-Wide survey, I also look for Lyman continuum emission coming from these galaxies and analyse the connection between Lyman continuum emission and Lyman alpha emission. I use ancillary Hubble Space Telescope (HST) broadband photometry in the bands that contain the Lyman continuum and find six Lyman continuum leaker candidates. To test whether the Lyman continuum emission of LAEs is coming only from those individual objects or the whole population, I select LAEs that are most promising for the detection of Lyman continuum emission, based on their rest-frame UV continuum and Lyman alpha line shape properties. After this selection, I stack the broadband data of the resulting sample and detect a signal in Lyman continuum with a significance of S/N = 5.5, pointing towards a Lyman continuum escape fraction of ~80%. If the signal is reliable, it strongly favours LAEs as the providers of the hydrogen ionising emission at the epoch of reionisation and beyond. N2 - Die Materie zwischen den Galaxien im Universum, das sogenannte intergalaktische Medium, besteht zum größten Teil aus Wasserstoff, welcher sich zusammensetzt aus einem Proton und einem Elektron. Etwa ~10^8 Jahre nach dem Urknall änderte sich der Ionisationszustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium. Durch Strahlung wurden Proton und Elektronen getrennt, der Wasserstoff wurde ionisiert. Die Strahlung mit der nötigen Energie um Wasserstoff zu ionisieren nennt man Lyman Kontinuum Strahlung. Woher diese stammt ist bis heute eine offene Frage. In der vorliegenden Arbeit diskutiere ich die wahrscheinlichsten Kandidaten für die Emission dieser ionisierenden Strahlung: die Lyman alpha Emitter (LAE), eine Gruppe von Galaxien die man im frühen Universum antrifft. Hat nämlich ein Lyman Kontinuum Photon ein Wasserstoffatom ionisiert, kommt es häufig vor, dass sich Proton und Elektron wieder zu einem neutralen Wasserstoffatom verbinden. Bei diesem Prozess wird dann ein Lyman alpha Photon freigesetzt, was den LAE ihren Namen gibt. Da wir in den Spektren dieser Galaxien die Lyman alpha Photonen beobachten können, deren Voraussetzung die Existenz von Lyman Kontinuum Emission in der Galaxie ist, liegt es nahe anzunehmen, dass die Lyman Kontinuum Emission auch in das intergalaktische Medium vordringen kann um den Wasserstoff dort ebenfalls zu ionisieren. Durch diesen Mechanismus sind Lyman alpha und Lyman-Kontinuumsstrahlung eng miteinander verbunden und werden in dieser Arbeit beide untersucht, um die Eigenschaften von Galaxien im frühen Universum und den Zustand des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium besser zu verstehen. Der erste Schritt ist jedoch die Detektion und korrekte Klassifizierung von LAE. Dafür benutze ich Daten des Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), ein Instrument mit dem Beobachtungen möglich sind, die zwei räumliche Dimensionen mit einer spektralen Dimension verbinden. Somit ist in jedem Pixel der Daten ein Spektrum zur Verfügung, in dem nach Emissionslinien gesucht werden kann. Nach der Detektion von Emissionslinien in den MUSE-Daten wird die Aufgabe der Klassifizierung von der grafischen Benutzeroberfläche QtClassify unterstützt, die ich in dieser Arbeit entwickelt habe. Sie bietet dem Benutzer eine schnelle und übersichtliche Identifizierung der gefundenen Emissionslinien, was einen entscheidenden ersten Schritt zur Analyse der Eigenschaften der LAE darstellt. Da Lyman alpha Photonen in neutralem Wasserstoff, der im Inneren von Galaxien in Gaswolken vorkommt, gestreut wird, verändert sich die Form der Lyman alpha Emissionslinie im Spektrum. Nachdem also die LAE mit Hilfe von QtClassify identifiziert werden konnten, analysiere ich die Lyman alpha Linie hinsichtlich ihrer Breite, ihrer Symmetrie und ihrer Stärke und suche nach Doppellinien, die Hinweise auf die Kinematik der Wasserstoff Gaswolken geben. Besonders wichtig dabei ist die Stärke der Linie im Vergleich zum restlichen Spektrum, die sogenannte Äquivalentbreite. Dabei zeige ich, dass die übliche Methode die Verteilung der Äquivalentbreiten als Histogramme darzustellen ohne die Detektionsgrenzen der Beobachtungen miteinzubeziehen keine Aussage über die Eigenschaften der LAE, sondern lediglich über die Grenzen der Beobachtungen treffen. Daher konstruiere ich eine unabhängigere Verteilungsfunktion, die diese Grenzen mit einbezieht. Ich verdeutliche dies durch einen Vergleich des Anteils von Objekten mit hoher Äquivalentbreite in zwei verschiedenen Datensätzen, die auf Beobachtungen mit unterschiedlicher Belichtungszeit beruhen. Dabei finde ich in dem Datensatz mit der kürzeren Belichtungszeit einen Anteil von ~20% an Objekten mit hohen Äquivalentbreiten (über >240A) und nur ~1% im Datensatz mit der zehnfach längeren Belichtungszeit obwohl die Eigenschaften der LAE gleich sind. Zudem finde ich eine Galaxie mit einer Äquivalentbreite der Lyman alpha Linie von 600 +- 110A, was auf eine ungewöhnliche Sternpopulation hindeutet. Als letzten Schritt suche ich in den klassifizierten LAE nach Lyman Kontinuum, was für die Ionisierung des Wasserstoffs im intergalaktischen Medium verantwortlich ist, und untersuche den Zusammenhang zwischen der Lyman alpha und der Lyman Kontinuumsstrahlung. Um das Lyman Kontinuum detektieren zu können benutze ich Daten des Hubble-Weltraumteleskops (HST) und finde sechs Lyman Kontinuum Kandidaten unter den LAE. Um zu testen ob die Lyman Kontinuumsstrahlung lediglich von diesen Objekten ausgeht oder auch im der Gesamtheit der LAE zu finden ist, addiere ich die Daten des HST und finde ein Signal, was darauf hindeutet, dass ~80% der Lyman Kontinuumsstrahlung aus den Galaxien entkommen und in das intergalaktische Medium vordringen kann. Wenn das gefundene Signal zuverlässig ist deutet es darauf hin, dass in der Tat LAE für die Ionisierung des Wasserstoffs im Universum verantwortlich sein könnten. KW - astronomy KW - LAEs KW - reionization KW - Lyman alpha KW - Lyman continuum KW - VLT/MUSE KW - emission line classification KW - QtClassify KW - LAEs KW - Lyman alpha KW - Lyman Kontinuum KW - QtClassify KW - VLT/MUSE KW - Astronomie KW - Emissionslinienklassifikation KW - Reionisierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478816 ER - TY - INPR A1 - Demircan, Ayhan A1 - Scheel, Stefan A1 - Seehafer, Norbert T1 - Heteroclinic behavior in rotating Rayleigh-Bénard convection N2 - We investigate numerically the appearance of heteroclinic behavior in a three-dimensional, buoyancy-driven fluid layer with stress-free top and bottom boundaries, a square horizontal periodicity with a small aspect ratio, and rotation at low to moderate rates about a vertical axis. The Prandtl number is 6.8. If the rotation is not too slow, the skewed-varicose instability leads from stationary rolls to a stationary mixed-mode solution, which in turn loses stability to a heteroclinic cycle formed by unstable roll states and connections between them. The unstable eigenvectors of these roll states are also of the skewed-varicose or mixed-mode type and in some parameter regions skewed-varicose like shearing oscillations as well as square patterns are involved in the cycle. Always present weak noise leads to irregular horizontal translations of the convection pattern and makes the dynamics chaotic, which is verified by calculating Lyapunov exponents. In the nonrotating case, the primary rolls lose, depending on the aspect ratio, stability to traveling waves or a stationary square pattern. We also study the symmetries of the solutions at the intermittent fixed points in the heteroclinic cycle. T3 - NLD Preprints - 55 Y1 - 1999 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14914 ER - TY - INPR A1 - Schumacher, Jörg A1 - Seehafer, Norbert T1 - Bifurcation analysis of the plane sheet pinch N2 - A numerical bifurcation analysis of the electrically driven plane sheet pinch is presented. The electrical conductivity varies across the sheet such as to allow instability of the quiescent basic state at some critical Hartmann number. The most unstable perturbation is the two-dimensional tearing mode. Restricting the whole problem to two spatial dimensions, this mode is followed up to a time-asymptotic steady state, which proves to be sensitive to three-dimensional perturbations even close to the point where the primary instability sets in. A comprehensive three-dimensional stability analysis of the two-dimensional steady tearing-mode state is performed by varying parameters of the sheet pinch. The instability with respect to three-dimensional perturbations is suppressed by a sufficiently strong magnetic field in the invariant direction of the equilibrium. For a special choice of the system parameters, the unstably perturbed state is followed up in its nonlinear evolution and is found to approach a three-dimensional steady state. T3 - NLD Preprints - 56 Y1 - 1999 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14926 ER - TY - GEN A1 - Allefeld, Carsten A1 - Frisch, Stefan A1 - Schlesewsky, Matthias T1 - Detection of early cognitive processing by event-related phase synchronization analysis N2 - In order to investigate the temporal characteristics of cognitive processing, we apply multivariate phase synchronization analysis to event-related potentials. The experimental design combines a semantic incongruity in a sentence context with a physical mismatch (color change). In the ERP average, these result in an N400 component and a P300-like positivity, respectively. The synchronization analysis shows an effect of global desynchronization in the theta band around 288ms after stimulus presentation for the semantic incongruity, while the physical mismatch elicits an increase of global synchronization in the alpha band around 204ms. Both of these effects clearly precede those in the ERP average. Moreover, the delay between synchronization effect and ERP component correlates with the complexity of the cognitive processes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 074 KW - phase synchronization KW - coherence KW - semantic incongruity KW - color change KW - N400 KW - P300 KW - theta KW - alpha Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20126 ER - TY - THES A1 - Gressel, Oliver T1 - Supernova-driven turbulence and magnetic field amplification in disk galaxies T1 - Supernovagetriebene Turbulenz und Magnetfeldverstärkung in Scheibengalaxien N2 - Supernovae are known to be the dominant energy source for driving turbulence in the interstellar medium. Yet, their effect on magnetic field amplification in spiral galaxies is still poorly understood. Analytical models based on the uncorrelated-ensemble approach predicted that any created field will be expelled from the disk before a significant amplification can occur. By means of direct simulations of supernova-driven turbulence, we demonstrate that this is not the case. Accounting for vertical stratification and galactic differential rotation, we find an exponential amplification of the mean field on timescales of 100Myr. The self-consistent numerical verification of such a “fast dynamo” is highly beneficial in explaining the observed strong magnetic fields in young galaxies. We, furthermore, highlight the importance of rotation in the generation of helicity by showing that a similar mechanism based on Cartesian shear does not lead to a sustained amplification of the mean magnetic field. This finding impressively confirms the classical picture of a dynamo based on cyclonic turbulence. N2 - Supernovae sind bekanntermaßen die dominante treibende Energiequelle für Turbulenz im interstellaren Medium. Dennoch ist ihre Auswirkung auf die Verstärkung von Magnetfeldern in Spiralgalaxien weitestgehend unverstanden. Analytische Modelle, die auf der Annahme eines unkorrelierten Ensembles beruhen, sagen voraus, dass das erzeugte Feld aus der galaktischen Scheibe herausgedrängt wird bevor eine substantielle Verstärkung erfolgen kann. Mithilfe numerischer Simulationen supernovagetriebener Turbulenz zeigen wir, dass dies nicht der Fall ist. Unter Berücksichtigung einer vertikalen Schichtung und differentieller galaktischer Rotation beobachten wir eine exponentielle Verstärkung des mittleren Magnetfeldes auf einer Zeitskala von 100 Mio. Jahren. Diese selbstkonsistente numerische Bestätigung eines “schnellen Dynamos” erlaubt es, die beobachteten starken Magnetfelder in jungen Galaxien zu erklären. Darüberhinaus stellen wir die Wichtigkeit der Rotation bei der Erzeugung von Helizität heraus, indem wir zeigen, dass ein ähnlicher Effekt basierend auf kartesischer Scherung nicht zu einer Verstärkung des mittleren Magnetfeldes führt. Dies bestätigt eindrucksvoll das klassische Bild zyklonischer Turbulenz. KW - Turbulenz KW - Magnetfelder KW - Magnetohydrodynamik KW - Supernovaüberreste KW - Galaxien KW - turbulence KW - magnetic fields KW - magnetohydrodynamics KW - supernova remnants KW - galaxies Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29094 ER - TY - THES A1 - Münch, Thomas T1 - Interpretation of temperature signals from ice cores T1 - Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen BT - insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica BT - Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten N2 - Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales. N2 - Das Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. Jedoch stellen die Daten dieses Temperaturproxys keine perfekte Aufzeichnung früherer Klimaschwankungen dar – was im Übrigen für alle Proxydaten gilt –, da neben der Temperatur eine Fülle anderer Effekte Mittelwert und Varianz der Proxyschwankungen beeinflussen und damit die direkte Interpretation der Daten in Bezug auf klimatische Veränderungen beeinträchtigen. Insbesondere trifft dies auf Gebiete mit geringen jährlichen Schneefallmengen zu, wie z.B. das Polarplateau des antarktischen Kontinents. Diese Gebiete erlauben zwar prinzipiell die Gewinnung von Proxydatensätzen, die weit in die Vergangenheit zurückreichen, allerdings erwartet man im Allgemeinen auch eine starke Beeinträchtigung des ursprünglichen, in der isotopischen Zusammensetzung des Schnees eingeprägten Temperatursignals. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten aus der Antarktis – hauptsächlich aus dem Niedrigakkumulationsgebiet von Dronning Maud Land in Ostantarktika, in dem auch die Kohnen-Station liegt –, sowie durch Anwendung statistischer und physikalischer Methoden, trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Isotopendaten über einen weiten Skalenbereich bei. Damit verbessert die vorliegende Arbeit die Anwendbarkeit dieses Temperaturproxys in Bezug auf die Rekonstruktion natürlicher Klimavariabilität. Im Speziellen wird aus den Beobachtungsdaten ein statistisches Modell abgeleitet, welches quantitativ die lokale räumliche (1–500 m-Skala) Variabilität erklärt; des Weiteren wird gezeigt, dass die zeitliche Variabilität hauptsächlich bedingt wird durch die Kombination zweier Effekte: einen klimatischen Jahreszyklus angetrieben durch den Jahresgang der Temperatur, und die Wirkung des Diffusionsprozesses auf einen zeitlich unkorrelierten Rauschterm. Diese Resultate führen zum einen zu einer wesentlich eingegrenzten Abschätzung der Repräsentativität einzelner, isotopenbasierter Proxyzeitreihen in Bezug auf lokale Temperaturveränderungen. Zum anderen beeinflussen sie erheblich die Interpretation scheinbarer Periodizitäten im Isotopensignal. Es wird darüber hinaus vermutet, dass die Gesamtstärke des Rauschens im Isotopensignal nicht nur durch die örtliche Akkumulationsrate bestimmt wird, sondern auch durch andere Parameter wie die lokale mittlere Windstärke und die räumliche und zeitliche Kohärenz der Niederschlagswichtung. Schließlich erlaubt die Erweiterung der Analyse auf größere räumliche und zeitliche Skalen die Untersuchung, inwieweit die Variabilität isotopenbasierter Proxyzeitreihen aus dem Holozän von der Zeitskala abhängt. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Proxyvariabilität erzielt, welches grundlegend dafür ist, die tatsächliche, in den Daten einzelner Zeitreihen verdeckt vorhandene Temperaturvariabilität, über einen weiten Zeitskalenbereich zu entschlüsseln. KW - climate physics KW - temperature variability KW - temperature proxy KW - proxy understanding KW - proxy uncertainty KW - stable isotopes KW - isotope variations KW - ice core KW - firn KW - noise KW - post-depositional KW - two-dimensional KW - Antarctica KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen KW - Klimaphysik KW - Klimavariabilität KW - Temperaturproxy KW - Proxyverständnis KW - Proxyunsicherheit KW - stabile Isotope KW - Eisbohrkern KW - Antarktis KW - Dronning Maud Land KW - Kohnen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963 ER - TY - THES A1 - Codutti, Agnese T1 - Behavior of magnetic microswimmers T1 - Verhalten magnetischer Microschwimmer BT - simulations for natural swimmers and synthetic propellers BT - Simulationen von natürlichen Schwimmern und synthetischen Propellern N2 - Microswimmers, i.e. swimmers of micron size experiencing low Reynolds numbers, have received a great deal of attention in the last years, since many applications are envisioned in medicine and bioremediation. A promising field is the one of magnetic swimmers, since magnetism is biocom-patible and could be used to direct or actuate the swimmers. This thesis studies two examples of magnetic microswimmers from a physics point of view. The first system to be studied are magnetic cells, which can be magnetic biohybrids (a swimming cell coupled with a magnetic synthetic component) or magnetotactic bacteria (naturally occurring bacteria that produce an intracellular chain of magnetic crystals). A magnetic cell can passively interact with external magnetic fields, which can be used for direction. The aim of the thesis is to understand how magnetic cells couple this magnetic interaction to their swimming strategies, mainly how they combine it with chemotaxis (the ability to sense external gradient of chemical species and to bias their walk on these gradients). In particular, one open question addresses the advantage given by these magnetic interactions for the magnetotactic bacteria in a natural environment, such as porous sediments. In the thesis, a modified Active Brownian Particle model is used to perform simulations and to reproduce experimental data for different systems such as bacteria swimming in the bulk, in a capillary or in confined geometries. I will show that magnetic fields speed up chemotaxis under special conditions, depending on parameters such as their swimming strategy (run-and-tumble or run-and-reverse), aerotactic strategy (axial or polar), and magnetic fields (intensities and orientations), but it can also hinder bacterial chemotaxis depending on the system. The second example of magnetic microswimmer are rigid magnetic propellers such as helices or random-shaped propellers. These propellers are actuated and directed by an external rotating magnetic field. One open question is how shape and magnetic properties influence the propeller behavior; the goal of this research field is to design the best propeller for a given situation. The aim of the thesis is to propose a simulation method to reproduce the behavior of experimentally-realized propellers and to determine their magnetic properties. The hydrodynamic simulations are based on the use of the mobility matrix. As main result, I propose a method to match the experimental data, while showing that not only shape but also the magnetic properties influence the propellers swimming characteristics. N2 - Die Forschung an Mikroschwimmern oder genauer gesagt an aktiv schwimmenden Mikroorganismen oder Objekten mit niedrigen Reynolds Zahlen, hat in den letzten Jahren wegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der Medizin und Bioremediation stark an Bedeutung gewonnen. Besonders vielversprechend ist die Arbeit mit magnetischen Mikroschwimmern, da deren biokompatibler Magnetismus genutzt werden kann um die Schwimmer gezielt zu steuern. In dieser Arbeit werden zwei Beispiele von magnetischen Mikroschwimmern aus physikalischer Sicht untersucht. Das erste Modellsystem hierfür sind magnetische Zellen. Diese können entweder magnetische Biohybride (eine schwimm-Zelle gekoppelt mit einer synthetischen magnetischen Komponente) oder magnetotaktische Bakterien (natürlich vorkommende Bakterien die eine intrazelluläre Kette von magnetischen Kristallen produzieren) sein. Die passive Wechselwirkung der magnetischen Zelle mit einem externen Magnetfeld kann zu deren Steuerung genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu verstehen wie magnetische Zellen die magnetische Wechselwirkung mit ihre Schwimmstrategie verknüpfen, oder genauer gesagt, wie sie sie zur Chemotaxis (die Fähigkeit externe chemische Gradienten wahrzunehmen und die Fortbewegungsrichtung daran anzupassen) zu nutzen. Es ist immer noch nicht restlos geklärt worin in der natürlichen Umgebung der magnetischen Bakterien, wie beispielsweise in porösem Sediment, der Vorteil der Wechselwirkung mit dem externen magnetischen Feld liegt. In dieser Arbeit wurde ein modifiziertes „Active Brownian Particle model“ verwendet um mittels Computersimulationen experimentelle Ergebnisse an Bakterien zu reproduzieren, die sich frei, in einer Glaskapillare, oder in anders begrenzten Geometrien bewegen. Ich werde zeigen, dass abhängig von der Schwimmstrategie („run-and-tumble“ oder „runand-reverse“), aerotaktische Strategie (axial oder polar), und der Feldintensität und Orientierung, das magnetische Feld Chemotaxis beschleunigen kann. Abhängig von dem gewählten Modellsystem kann es jedoch auch zu einer Behinderung der Chemotaxis kommen. Das zweite Beispiel für magnetische Mikroschwimmer sind starre (z.B. Helices) oder zufällig geformte magnetische Propeller. Sie werden durch ein externes magnetisches Feld angetrieben und gelenkt. Hierbei stellt sich die Frage wie die Form der Propeller deren Verhalten beeinflusst und wie sie für eine bestimmte Anwendung optimiert werden können. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit Simulationsmethoden vorzuschlagen um das experimentell beobachtete Verhalten zu reproduzieren und die magnetischen Eigenschaften der Propeller zu beschreiben. Hierfür wird die Mobilitätsmatrix verwendet um die hydrodynamischen Simulationen zu realisieren. Ein Hauptresultat meiner Arbeit ist eine neue Methode, welche die Simulationen in Einklang mit den experimentellen Resultaten bringt. Hierbei zeigt sich, dass nicht nur die Form sondern insbesondere auch die magnetischen Eigenschaften die Schwimmcharakteristik der Propeller entscheidend beeinflussen. KW - microswimmers KW - magnetism KW - bacteria KW - propellers KW - simulation KW - Microschwimmer KW - Magnetismus KW - Bakterien KW - Propeller KW - Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422976 ER - TY - JOUR A1 - Rosenblum, Michael A1 - Pikovskij, Arkadij A1 - Kühn, Andrea A. A1 - Busch, Johannes Leon T1 - Real-time estimation of phase and amplitude with application to neural data JF - Scientific reports N2 - Computation of the instantaneous phase and amplitude via the Hilbert Transform is a powerful tool of data analysis. This approach finds many applications in various science and engineering branches but is not proper for causal estimation because it requires knowledge of the signal’s past and future. However, several problems require real-time estimation of phase and amplitude; an illustrative example is phase-locked or amplitude-dependent stimulation in neuroscience. In this paper, we discuss and compare three causal algorithms that do not rely on the Hilbert Transform but exploit well-known physical phenomena, the synchronization and the resonance. After testing the algorithms on a synthetic data set, we illustrate their performance computing phase and amplitude for the accelerometer tremor measurements and a Parkinsonian patient’s beta-band brain activity. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-021-97560-5 SN - 2045-2322 VL - 11 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb T1 - Distribution of first-reaction times with target regions on boundaries of shell-like domains JF - New Journal of Physics (NJP) N2 - We study the probability density function (PDF) of the first-reaction times between a diffusive ligand and a membrane-bound, immobile imperfect target region in a restricted 'onion-shell' geometry bounded by two nested membranes of arbitrary shapes. For such a setting, encountered in diverse molecular signal transduction pathways or in the narrow escape problem with additional steric constraints, we derive an exact spectral form of the PDF, as well as present its approximate form calculated by help of the so-called self-consistent approximation. For a particular case when the nested domains are concentric spheres, we get a fully explicit form of the approximated PDF, assess the accuracy of this approximation, and discuss various facets of the obtained distributions. Our results can be straightforwardly applied to describe the PDF of the terminal reaction event in multi-stage signal transduction processes. KW - diffusion KW - first-passage time KW - first-reaction time KW - shell-like geometries KW - approximate methods Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac4282 SN - 1367-2630 VL - 2021 SP - 1 EP - 23 PB - IOP Publishing CY - London ET - 23 ER - TY - THES A1 - Eggers, Nele T1 - Properties of Arctic aerosol in the transition between Arctic haze to summer season derived by lidar N2 - During the Arctic haze period, the Arctic troposphere consists of larger, yet fewer, aerosol particles than during the summer (Tunved et al., 2013; Quinn et al., 2007). Interannual variability (Graßl and Ritter, 2019; Rinke et al., 2004), as well as unknown origins (Stock et al., 2014) and properties of aerosol complicate modeling these annual aerosol cycles. This thesis investigates the modification of the microphysical properties of Arctic aerosols in the transition from Arctic haze to the summer season. Therefore, lidar measurements of Ny-Ålesund from April 2021 to the end of July 2021 are evaluated based on the aerosols’ optical properties. An overview of those properties will be provided. Furthermore, parallel radiosonde data is considered for indication of hygroscopic growth. The annual aerosol cycle in 2021 differs from expectations based on previous studies from Tunved et al. (2013) and Quinn et al. (2007). Developments of backscatter, extinction, aerosol depolarisation, lidar ratio and color ratio show a return of the Arctic haze in May. The haze had already reduced in April, but regrew afterwards. The average Arctic aerosol displays hygroscopic behaviour, meaning growth due to water uptake. To determine such a behaviour is generally laborious because various meteorological circumstances need to be considered. Two case studies provide further information on these possible events. In particular, a day with a rare ice cloud and with highly variable water cloud layers is observed. N2 - Während der Arctic haze Periode sind größere, jedoch auch weniger, Aerosole in der arktischen Troposphäre vorhanden als im Sommer (Tunved et al., 2013; Quinn et al., 2007). Interannuale Variabilität (Graßl and Ritter, 2019; Rinke et al., 2004), sowie unbekannte Herkunft (Stock et al., 2014) und Eigenschaften der Aerosole erschweren die Modellierung der Aerosol-Jahresgänge. Diese Arbeit untersucht, wie sich die mikrophysikalischen Eigenschaften der Aerosole beim Übergang vom Arctic haze zur Sommerzeit ändern. Dafür werden Lidar Messungen aus Ny-Ålesund von April 2021 bis Ende Juli 2021 hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Aerosole untersucht. Ein Überblick über diese Eigenschaften wird gegeben. Zusätzlich werden parallele Radiosondendaten mit einbezogen, um Hinweise auf hygroskopisches Wachstum zu erhalten. Der Jahresgang der Aerosole in 2021 unterscheidet sich von Erwartungen, gebildet aus früheren Studien von Tunved et al. (2013) und Quinn et al. (2007). Die zeitliche Entwicklung des Rückstreuungskoeffizienten, Extinktionskoeffizienten, der Aerosol Depolarisation, des Lidarverhältnisses und des Farbverhältnisses zeigen, dass der Arctic haze im Mai zurückkehrt. Im April hatte der haze bereits abgenommen, stieg in Mai jedoch wieder an. In der Arktis zeigt ein Aerosol typischerweise hygroskopisches Verhalten - mit anderen Worten, es wächst durch Aufnahme von Wasser. Ein solches alleine aus Fernerkundungsdaten zu bestimmen ist jedoch in der Regel aufwendig, weil unterschiedliche meteorologische Bedingungen zu berücksichtigen sind. Zwei Fallstudien geben mehr Informationen über die möglichen hygroskopischen Verhaltensweisen der Aerosole. Insbesondere wird auch ein Tag mit einer Eiswolke und stark fluktuierenden Wasserwolken beobachtet. KW - remote sensing KW - Lidar KW - Arctic aerosol KW - aerosol: optical properties KW - aerosol: hygroscopic growth KW - Arctic haze KW - arktischer Dunst KW - aerosol: hygroskopisches Wachstum KW - aerosol: optische Eigenschaften KW - arktisches Aerosol KW - Fernerkundung KW - Lidar Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619438 ER - TY - THES A1 - Gruner, David T1 - New frontiers in gyrochronology T1 - Neue Horizonte in Gyrochronologie BT - exploring the evolution of stellar rotation in open clusters and wide binaries BT - eine Untersuchung der Entwicklung von Sternrotation in offenen Sternhaufen und weiten Doppelsternsystemen N2 - Late-type stars are by far the most frequent stars in the universe and of fundamental interest to various fields of astronomy – most notably to Galactic archaeology and exoplanet research. However, such stars barely change during their main sequence lifetime; their temperature, luminosity, or chemical composition evolve only very slowly over the course of billions of years. As such, it is difficult to obtain the age of such a star, especially when it is isolated and no other indications (like cluster association) can be used. Gyrochronology offers a way to overcome this problem. Stars, just like all other objects in the universe, rotate and the rate at which stars rotate impacts many aspects of their appearance and evolution. Gyrochronology leverages the observed rotation rate of a late-type main sequence star and its systematic evolution to estimate their ages. Unlike the above-mentioned parameters, the rotation rate of a main sequence star changes drastically throughout its main sequence lifetime; stars spin down. The youngest stars rotate every few hours, whereas much older stars rotate only about once a month, or – in the case of some late M-stars – once in a hundred days. Given that this spindown is systematic (with an additional mass dependence), it gave rise to the idea of using the observed rotation rate of a star (and its mass or a suitable proxy thereof) to estimate a star’s age. This has been explored widely in young stellar open clusters but remains essentially unconstrained for stars older than the sun, and K and M stars older than 1 Gyr. This thesis focuses on the continued exploration of the spindown behavior to assess, whether gyrochronology remains applicable for stars of old ages, whether it is universal for late-type main sequence stars (including field stars), and to provide calibration mileposts for spindown models. To accomplish this, I have analyzed data from Kepler space telescope for the open clusters Ruprecht 147 (2.7 Gyr old) and M 67 (4 Gyr). Time series photometry data (light curves) were obtained for both clusters during Kepler’s K2 mission. However, due to technical limitations and telescope malfunctions, extracting usable data from the K2 mission to identify (especially long) rotation periods requires extensive data preparation. For Ruprecht 147, I have compiled a list of about 300 cluster members from the literature and adopted preprocessed light curves from the Kepler archive where available. They have been cleaned of the gravest of data artifacts but still contained systematics. After correcting them for said artifacts, I was able to identify rotation periods in 31 of them. For M 67 more effort was taken. My work on Ruprecht 147 has shown the limitations imposed by the preselection of Kepler targets. Therefore, I adopted the time series full frame image directly and performed photometry on a much higher spatial resolution to be able to obtain data for as many stars as possible. This also means that I had to deal with the ubiquitous artifacts in Kepler data. For that, I devised a method that correlates the artificial flux variations with the ongoing drift of the telescope pointing in order to remove it. This process was a large success and I was able to create light curves whose quality match and even exceede those that were created by the Kepler mission – all while operating on higher spatial resolution and processing fainter stars. Ultimately, I was able to identify signs of periodic variability in the (created) light curves for 31 and 47 stars in Ruprecht 147 and M 67, respectively. My data connect well to bluer stars of cluster of the same age and extend for the first time to stars redder than early-K and older than 1 Gyr. The cluster data show a clear flattening in the distribution of Ruprecht 147 and even a downturn for M 67, resulting in a somewhat sinusoidal shape. With that, I have shown that the systematic spindown of stars continues at least until 4 Gyr and stars continue to live on a single surface in age-rotation periods-mass space which allows gyrochronology to be used at least up to that age. However, the shape of the spindown – as exemplified by the newly discovered sinusoidal shape of the cluster sequence – deviates strongly from the expectations. I then compiled an extensive sample of rotation data in open clusters – very much including my own work – and used the resulting cluster skeleton (with each cluster forming a rip in color-rotation period-mass space) to investigate if field stars follow the same spindown as cluster stars. For the field stars, I used wide binaries, which – with their shared origin and coevality – are in a sense the smallest possible open clusters. I devised an empirical method to evaluate the consistency between the rotation rates of the wide binary components and found that the vast majority of them are in fact consistent with what is observed in open clusters. This leads me to conclude that gyrochronology – calibrated on open clusters – can be applied to determine the ages of field stars. N2 - Sterne mit späten Spektraltypen sind mit Abstand die Häufigsten im Universum und von großem Interesse für verschiedene Bereiche der Astronomie. Dabei sind insbesondere galaktische Archäologie und die Erforschung von Exoplanten zu nennen. Das Problem ist jedoch, dass sich diese Sterne nur sehr langsam entwickeln; ihre Temperatur, Helligkeit und chemische Zusammensetzung ändern kaum während ihrer langen Hauptreihenphase. Daher ist es schwierig für solche Sterne ein Alter zu bestimmen – vorallem wenn sie isoliert sind und es keine anderne Indikatoren (z.B. die Zugehörigkeit zu einem Sternhaufen) gibt. Eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen ist Gyrochronologie. Sterne, wie alle anderen Objekte im Universum, rotieren und die Rate, mit der sie rotieren, beeinflusst viele Aspekte ihrer Evolution. Gyrochronologie nutzt die beobachtete Rotation und ihre Änderung mit der Zeit als ein Mittel zur Altersbestimmung. Anders als zuvor genannte Parameter ändert sich die Rate, mit der Sterne rotieren, deutlich im Laufe ihrer Hauptreihenentwicklung. Sie verlangsamt sich. Junge Sterne rotieren in wenigen Stunden einmal um sich selbst – ältere brauchen dafür schon einen Monat oder gar bis zu über hundert Tage. Die Tatsache, dass das Abbremsen systematischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt, gebar die Idee dies zu nutzen um das Alter eines Sternes zu bestimmen. Das Verhalten junger Sterne wurde ausführlich erfoscht, jedoch für die meisten Sterne älter als 1 Gyr nicht bekannt, wie sich die Rotationsraten entwickeln. Diese Arbeit fokussiert sich auf die fortgesetzte Erforschung des Abbremsens; insbesondere ob Gyrochronologie auch für ältere Sterne nutzbar ist, ob es universell für alle Sterne (inklusive Feldsterne) ist und darauf weitere Kalibrationspunkte für Abbrems-Modelle bereitzustellen. Dafür habe ich, basierend auf photometrischen Zeitserien (Lichtkurven) von Keplers K2 Programm, die offenen Sternhaufen Ruprecht 147 (2.7 Gyr alt) and M 67 (4 Gyr) untersucht. Es sind jedoch umfangreiche Schritte in der Datenverarbeitung notwendig um Fehlfunktionen und technischen Limitationen des Teleskops zu begegnen. Für Ruprecht 147 habe ich aus Literaturdaten eine Liste von 300 Haufen-zugehörigen Sternen erstellt und mit fertigreduzierte Lichtkurven aus dem Kepler Archiv kombiniert. Die gröbsten Datensystematiken wurden in diesen bereinigt, denoch sind problematische Artefakte weiterhin vorhanden. Die Arbeit an Ruprecht 147 hat die Limitationen von archivierten Kepler Daten gezeigt. Daher wurde für M 67 mehr Aufwand betrieben. Direkt basierend auf den photometrischen Auffnahmen habe ich eigene Lichtkurven erzeugt, was eine deutlich höhere räumliche Auflösung erlaubt hat. Das hieß jedoch auch, dass ich mich mit all Systematiken in Kepler Daten befassen musste. Dafür habe ich eine Methodik konzipiert, die die künstlichen Variation im aufgezeichneten Fluss mit der Position eines Sterns auf dem Detektor korreliert und daraus eine Korrektur bestimmt. Dieser Prozess war so erfolgreich, dass ich Lichtkurven kreiert habe, die in ihrer Qualität an die archivierten Daten heran kommen oder sie gar übersteigen. Nach entsprechender Korrektur der Artefakte konnte ich Rotationsperioden für 31 (in Ruprecht 147) und 47 (in M 67) Sterne identifizieren. Genau wie zuvor in jüngeren Sternhaufen gesehen, folgen auch die äelteren Sternhaufen einer klaren Sequenz im Farb-Rotations-Raum. Meine Daten schließen direkt an Ergebnisse gleichaltriger Haufen an und erweitern diese zum ersten Mal zu Sternen älter als 1 Gyr und röter als frühe K-Sterne. Meine Ergebnisse zeigen eine deutliche Abweichung von der erwarteten Entwicklung, verkörpert durch eine klare Abflachung der Sequenz für Ruprecht 147, die für M 67 eine sinusförmige Struktur annimmt. Dennoch konnte ich damit zeigen, dass sich das systematische Abbremsen der Rotation von Sterne auch bis 4 Gyr fortsetzt und Sterne sich weiterhin auf eine wohldefinierten Ebene im Farb-Rotations-Alters-Raum befinden. Das heißt auch, Gyrochronologie kann mindestens für bis zu 4 Gyr alte Sterne genutzt werden. Basierend auf meinen eigenen Ergebnissen und Literaturdaten für jüngere Sternhaufen habe ich einen Vergleich mit Feldsternen durchgeführt. Die Feldsterne für diesen Vergleich entstammen weiten Doppelsternsystemen. Deren gemeinsamer Ursprung erlaubt eine Evaluierung der inneren Konsistenz beider Sterne. Mein Vergleich hat gezeigt, dass Doppelsternsysteme mit sich selbst aber auch mit den Sternhaufen konsistent sind. Ich habe damit erstmalig gezeigt, dass sich die Rotation von Feldsternen und Haufensternen gleich entwickelt. In Konsequenz bedeutet dies auch, dass Gyrochronologie angewandt werden kann, um das Alter von Feldsternen zu bestimmen. KW - Gyrochronologie KW - gyrochronology KW - spindown KW - rotation KW - Rotation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615268 ER - TY - JOUR A1 - Wang, Wei A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf A1 - Sokolov, Igor M. T1 - Restoring ergodicity of stochastically reset anomalous-diffusion processes JF - Physical Review Research N2 - How do different reset protocols affect ergodicity of a diffusion process in single-particle-tracking experiments? We here address the problem of resetting of an arbitrary stochastic anomalous-diffusion process (ADP) from the general mathematical points of view and assess ergodicity of such reset ADPs for an arbitrary resetting protocol. The process of stochastic resetting describes the events of the instantaneous restart of a particle’s motion via randomly distributed returns to a preset initial position (or a set of those). The waiting times of such resetting events obey the Poissonian, Gamma, or more generic distributions with specified conditions regarding the existence of moments. Within these general approaches, we derive general analytical results and support them by computer simulations for the behavior of the reset mean-squared displacement (MSD), the new reset increment-MSD (iMSD), and the mean reset time-averaged MSD (TAMSD). For parental nonreset ADPs with the MSD(t)∝ tμ we find a generic behavior and a switch of the short-time growth of the reset iMSD and mean reset TAMSDs from ∝ _μ for subdiffusive to ∝ _1 for superdiffusive reset ADPs. The critical condition for a reset ADP that recovers its ergodicity is found to be more general than that for the nonequilibrium stationary state, where obviously the iMSD and the mean TAMSD are equal. The consideration of the new statistical quantifier, the iMSD—as compared to the standard MSD—restores the ergodicity of an arbitrary reset ADP in all situations when the μth moment of the waiting-time distribution of resetting events is finite. Potential applications of these new resetting results are, inter alia, in the area of biophysical and soft-matter systems. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.013161 SN - 2643-1564 VL - 4 SP - 013161-1 EP - 013161-13 PB - American Physical Society CY - College Park, Maryland, United States ET - 1 ER - TY - JOUR A1 - Xu, Pengbo A1 - Zhou, Tian A1 - Metzler, Ralf A1 - Deng, Weihua T1 - Stochastic harmonic trapping of a Lévy walk BT - transport and first-passage dynamics under soft resetting strategies JF - New journal of physics : the open-access journal for physics / Deutsche Physikalische Gesellschaft ; IOP, Institute of Physics N2 - We introduce and study a Lévy walk (LW) model of particle spreading with a finite propagation speed combined with soft resets, stochastically occurring periods in which an harmonic external potential is switched on and forces the particle towards a specific position. Soft resets avoid instantaneous relocation of particles that in certain physical settings may be considered unphysical. Moreover, soft resets do not have a specific resetting point but lead the particle towards a resetting point by a restoring Hookean force. Depending on the exact choice for the LW waiting time density and the probability density of the periods when the harmonic potential is switched on, we demonstrate a rich emerging response behaviour including ballistic motion and superdiffusion. When the confinement periods of the soft-reset events are dominant, we observe a particle localisation with an associated non-equilibrium steady state. In this case the stationary particle probability density function turns out to acquire multimodal states. Our derivations are based on Markov chain ideas and LWs with multiple internal states, an approach that may be useful and flexible for the investigation of other generalised random walks with soft and hard resets. The spreading efficiency of soft-rest LWs is characterised by the first-passage time statistic. KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - stochastic resetting KW - Levy walks Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac5282 SN - 1367-2630 VL - 24 IS - 3 SP - 1 EP - 28 PB - Deutsche Physikalische Gesellschaft CY - Bad Honnef ER - TY - BOOK A1 - Mientus, Lukas A1 - Klempin, Christiane A1 - Nowak, Anna A1 - Wyss, Corinne A1 - Aufschnaiter, Claudia von A1 - Faix, Ann-Christin A1 - te Poel, Kathrin A1 - Wahbe, Nadia A1 - Pieper, Martin A1 - Höller, Katharina A1 - Kallenbach, Lea A1 - Förster, Magdalena A1 - Redecker, Anke A1 - Dick, Mirjam A1 - Holle, Jörg A1 - Schneider, Edina A1 - Rehfeldt, Daniel A1 - Brauns, Sarah A1 - Abels, Simone A1 - Ferencik-Lehmkuhl, Daria A1 - Fränkel, Silvia A1 - Frohn, Julia A1 - Liebsch, Ann-Catherine A1 - Pech, Detlef A1 - Schreier, Pascal A1 - Jessen, Moiken A1 - Großmann, Uta A1 - Skintey, Lesya A1 - Voerkel, Paul A1 - Vaz Ferreira, Mergenfel A. A1 - Zimmermann, Jan-Simon A1 - Buddeberg, Magdalena A1 - Henke, Vanessa A1 - Hornberg, Sabine A1 - Völschow, Yvette A1 - Warrelmann, Julia-Nadine A1 - Malek, Jennifer A1 - Tinnefeld, Anja A1 - Schmidt, Peggy A1 - Bauer, Tobias A1 - Jänisch, Christopher A1 - Spitzer, Lisa A1 - Franken, Nadine A1 - Degeling, Maria A1 - Preisfeld, Angelika A1 - Meier, Jana A1 - Küth, Simon A1 - Scholl, Daniel A1 - Vogelsang, Christoph A1 - Watson, Christina A1 - Weißbach, Anna A1 - Kulgemeyer, Christoph A1 - Oetken, Mandy A1 - Gorski, Sebastian A1 - Kubsch, Marcus A1 - Sorge, Stefan A1 - Wulff, Peter A1 - Fellenz, Carolin D. A1 - Schnell, Susanne A1 - Larisch, Cathleen A1 - Kaiser, Franz A1 - Knott, Christina A1 - Reimer, Stefanie A1 - Stegmüller, Nathalie A1 - Boukrayâa Trabelsi, Kathrin A1 - Schißlbauer, Franziska A1 - Lemberger, Lukas A1 - Barth, Ulrike A1 - Wiehl, Angelika A1 - Rogge, Tim A1 - Böhnke, Anja A1 - Dietz, Dennis A1 - Großmann, Leroy A1 - Wienmeister, Annett A1 - Zoppke, Till A1 - Jiang, Lisa A1 - Grünbauer, Stephanie A1 - Ostersehlt, Dörte A1 - Peukert, Sophia A1 - Schäfer, Christoph A1 - Löbig, Anna A1 - Bröll, Leena A1 - Brandt, Birgit A1 - Breuer, Meike A1 - Dausend, Henriette A1 - Krelle, Michael A1 - Andersen, Gesine A1 - Falke, Sascha A1 - Kindermann-Güzel, Kristin A1 - Körner, Katrina A1 - Lottermoser, Lisa-Marie A1 - Pügner, Kati A1 - Sonnenburg, Nadine A1 - Akarsu, Selim A1 - Rechl, Friederike A1 - Gadinger, Laureen A1 - Heinze, Lena A1 - Wittmann, Eveline A1 - Franke, Manuela A1 - Lachmund, Anne-Marie A1 - Böttger, Julia A1 - Hannover, Bettina A1 - Behrendt, Renata A1 - Conty, Valentina A1 - Grundmann, Stephanie A1 - Ghassemi, Novid A1 - Opitz, Ben A1 - Brämer, Martin A1 - Gasparjan, David A1 - Sambanis, Michaela A1 - Köster, Hilde A1 - Lücke, Martin A1 - Nordmeier, Volkhard A1 - Schaal, Sonja A1 - Haberbosch, Maximilian A1 - Meissner, Maren A1 - Schaal, Steffen A1 - Brüchner, Melanie A1 - Riehle, Tamara A1 - Leopold, Bengta Marie A1 - Gerlach, Susanne A1 - Rau-Patschke, Sarah A1 - Skorsetz, Nina A1 - Weber, Nadine A1 - Damköhler, Jens A1 - Elsholz, Markus A1 - Trefzger, Thomas A1 - Lewek, Tobias A1 - Borowski, Andreas ED - Mientus, Lukas ED - Klempin, Christiane ED - Nowak, Anna T1 - Reflexion in der Lehrkräftebildung BT - Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär T3 - Potsdamer Beiträge für Lehrkräftebildung und Bildungsforschung N2 - Reflexion ist eine Schlüsselkategorie für die professionelle Entwicklung von Lehrkräften, welche als Ausbildungsziel in den Bildungsstandards für die Lehrkräftebildung verankert ist. Eine Verstetigung universitär geprägter Forschung und Modellierung in der praxisnahen Anwendung im schulischen Kontext bietet Potentiale nachhaltiger Professionalisierung. Die Stärkung reflexionsbezogener Kompetenzen durch Empirie und Anwendung scheint eine phasenübergreifende Herausforderung der Lehrkräftebildung zu sein, die es zu bewältigen gilt. Ziele des Tagungsbandes Reflexion in der Lehrkräftebildung sind eine theoretische Schärfung des Konzeptes „Reflexive Professionalisierung“ und der Austausch über Fragen der Einbettung wirksamer reflexionsbezogener Lerngelegenheiten in die Lehrkräftebildung. Forschende und Lehrende der‚ drei Phasen (Studium, Referendariat sowie Fort- und Weiterbildung) der Lehrkräftebildung stellen Lehrkonzepte und Forschungsprojekte zum Thema Reflexion in der Lehrkräftebildung vor und diskutieren diese. Gemeinsam mit Teilnehmenden aller Phasen und von verschiedenen Standorten der Lehrkräftebildung werden zukünftige Herausforderungen identifiziert und Lösungsansätze herausgearbeitet. T3 - Potsdamer Beiträge zur Lehrkräftebildung und Bildungsforschung - 4 KW - Reflexion KW - Lehrkräftebildung KW - Reflexionskompetenz KW - Reflexivität KW - Feedback KW - Reflection KW - Teacher Education KW - Reflection Skills KW - Reflexivity KW - Feedback Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591717 SN - 978-3-86956-566-8 SN - 2626-3556 SN - 2626-4722 IS - 4 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Mientus, Lukas A1 - Hume, Anne A1 - Wulff, Peter A1 - Meiners, Antoinette A1 - Borowski, Andreas T1 - Modelling STEM teachers’ pedagogical content knowledge in the framework of the refined consensus model BT - A systematic literature review JF - Education Sciences : open access journal N2 - Science education researchers have developed a refined understanding of the structure of science teachers’ pedagogical content knowledge (PCK), but how to develop applicable and situation-adequate PCK remains largely unclear. A potential problem lies in the diverse conceptualisations of the PCK used in PCK research. This study sought to systematize existing science education research on PCK through the lens of the recently proposed refined consensus model (RCM) of PCK. In this review, the studies’ approaches to investigating PCK and selected findings were characterised and synthesised as an overview comparing research before and after the publication of the RCM. We found that the studies largely employed a qualitative case-study methodology that included specific PCK models and tools. However, in recent years, the studies focused increasingly on quantitative aspects. Furthermore, results of the reviewed studies can mostly be integrated into the RCM. We argue that the RCM can function as a meaningful theoretical lens for conceptualizing links between teaching practice and PCK development by proposing pedagogical reasoning as a mechanism and/or explanation for PCK development in the context of teaching practice. KW - pedagogical content knowledge (PCK) KW - refined consensus model (RCM) KW - pedagogical reasoning KW - teaching practice KW - science teaching KW - literature review Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/educsci12060385 SN - 2227-7102 VL - 12 SP - 1 EP - 25 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz ET - 6 ER - TY - JOUR A1 - Mientus, Lukas A1 - Nowak, Anna A1 - Wulff, Peter A1 - Borowski, Andreas ED - Mientus, Lukas ED - Klempin, Christiane ED - Nowak, Anna T1 - Unterrichtsanalyse und Reflexion BT - Ableitung eines Workshopangebots für die zweite und dritte Phase der Lehrkräftebildung JF - Reflexion in der Lehrkräftebildung: Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär (Potsdamer Beiträge zur Lehrerbildung und Bildungsforschung ; 4) N2 - Schulpraktische Phasen stellen eine bedeutende praxisnahe Lerngelegenheit im Lehramtsstudium dar, da sie Raum für umfangreiche Reflexionen der eigenen Lernerfahrung bieten. Das im Studium erworbene theoretisch-formale Wissen steht hierbei dem praktischen Wissen und Können gegenüber. Mit der professionellen Entwicklung im Referendariat, besonders im Kompetenzbereich des Unterrichtens, kann geschlussfolgert werden, dass sich eine Reflexion über eher fachliche Aspekte unter den Studierenden im Referendariat auf eine Reflexion über eher überfachliche und pädagogische Aspekte weitet. Infolge der Analyse von N = 55 schriftlichen Fremdreflexionen von angehenden Physiklehrkräften aus Studium und Referendariat konnte diese Hypothese für den Bereich der Unterrichtsanalyse und -reflexion unterstützt werden. Weiter wurde aus der Videovignette ein Workshopangebot für Lehrkräfte der zweiten und dritten Phase der Lehrkräftebildung entwickelt, erprobt und evaluiert. KW - Reflexion KW - Unterrichtsanalyse KW - Referendariat KW - Fortbildung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632005 SN - 978-3-86956-566-8 SN - 2626-3556 SN - 2626-4722 IS - 4 SP - 445 EP - 452 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - CHAP ED - Hamann, Wolf-Rainer ED - Feldmeier, Achim ED - Oskinova, Lida T1 - Clumping in hot-star winds : proceedings of an international workshop held in Potsdam, Germany, 18. - 22. June 2007 N2 - Stellar winds play an important role for the evolution of massive stars and their cosmic environment. Multiple lines of evidence, coming from spectroscopy, polarimetry, variability, stellar ejecta, and hydrodynamic modeling, suggest that stellar winds are non-stationary and inhomogeneous. This is referred to as 'wind clumping'. The urgent need to understand this phenomenon is boosted by its far-reaching implications. Most importantly, all techniques to derive empirical mass-loss rates are more or less corrupted by wind clumping. Consequently, mass-loss rates are extremely uncertain. Within their range of uncertainty, completely different scenarios for the evolution of massive stars are obtained. Settling these questions for Galactic OB, LBV and Wolf-Rayet stars is prerequisite to understanding stellar clusters and galaxies, or predicting the properties of first-generation stars. In order to develop a consistent picture and understanding of clumped stellar winds, an international workshop on 'Clumping in Hot Star Winds' was held in Potsdam, Germany, from 18. - 22. June 2007. About 60 participants, comprising almost all leading experts in the field, gathered for one week of extensive exchange and discussion. The Scientific Organizing Committee (SOC) included John Brown (Glasgow), Joseph Cassinelli (Madison), Paul Crowther (Sheffield), Alex Fullerton (Baltimore), Wolf-Rainer Hamann (Potsdam, chair), Anthony Moffat (Montreal), Stan Owocki (Newark), and Joachim Puls (Munich). These proceedings contain the invited and contributed talks presented at the workshop, and document the extensive discussions. KW - Sternwinde KW - Massenverlust KW - Strahlungstransport KW - hydrodynamische Modellierung KW - massereiche Sterne KW - stellar winds KW - mass loss KW - radiative transfer KW - hydrodynamic modeling KW - massive stars Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13981 SN - 978-3-940793-33-1 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Wulff, Peter A1 - Mientus, Lukas A1 - Nowak, Anna A1 - Borowski, Andreas T1 - KI-basierte Auswertung von schriftlichen Unterrichtsreflexionen im Fach Physik und automatisierte Rückmeldung JF - PSI-Potsdam: Ergebnisbericht zu den Aktivitäten im Rahmen der Qualitätsoffensive Lehrerbildung (2019-2023) (Potsdamer Beiträge zur Lehrerbildung und Bildungsforschung ; 3) N2 - Für die Entwicklung professioneller Handlungskompetenzen angehender Lehrkräfte stellt die Unterrichtsreflexion ein wichtiges Instrument dar, um Theoriewissen und Praxiserfahrungen in Beziehung zu setzen. Die Auswertung von Unterrichtsreflexionen und eine entsprechende Rückmeldung stellt Forschende und Dozierende allerdings vor praktische wie theoretische Herausforderungen. Im Kontext der Forschung zu Künstlicher Intelligenz (KI) entwickelte Methoden bieten hier neue Potenziale. Der Beitrag stellt überblicksartig zwei Teilstudien vor, die mit Hilfe von KI-Methoden wie dem maschinellen Lernen untersuchen, inwieweit eine Auswertung von Unterrichtsreflexionen angehender Physiklehrkräfte auf Basis eines theoretisch abgeleiteten Reflexionsmodells und die automatisierte Rückmeldung hierzu möglich sind. Dabei wurden unterschiedliche Ansätze des maschinellen Lernens verwendet, um modellbasierte Klassifikation und Exploration von Themen in Unterrichtsreflexionen umzusetzen. Die Genauigkeit der Ergebnisse wurde vor allem durch sog. Große Sprachmodelle gesteigert, die auch den Transfer auf andere Standorte und Fächer ermöglichen. Für die fachdidaktische Forschung bedeuten sie jedoch wiederum neue Herausforderungen, wie etwa systematische Verzerrungen und Intransparenz von Entscheidungen. Dennoch empfehlen wir, die Potenziale der KI-basierten Methoden gründlicher zu erforschen und konsequent in der Praxis (etwa in Form von Webanwendungen) zu implementieren. N2 - For the development of professional competencies in pre-service teachers, reflection on teaching experiences is proposed as an important tool to link theoretical knowledge and practice. However, evaluating reflections and providing appropriate feedback poses challenges of both theoretical and practical nature to researchers and educators. Methods associated with artificial intelligence research offer new potentials to discover patterns in complex datasets like reflections, as well as to evaluate these automatically and create feedback. In this article, we provide an overview of two sub-studies that investigate, using artificial intelligence methods such as machine learning, to what extent an evaluation of reflections of pre-service physics teachers based on a theoretically derived reflection model and automated feedback are possible. Across the sub-studies, different machine learning approaches were used to implement model-based classification and exploration of topics in reflections. Large language models in particular increase the accuracy of the results and allow for transfer to other locations and disciplines. However, entirely new challenges arise for educational research in relation to large language models, such as systematic biases and lack of transparency in decisions. Despite these uncertainties, we recommend further exploring the potentials of artificial intelligence-based methods and implementing them consistently in practice (for example, in the form of web applications). KW - Künstliche Intelligenz KW - Maschinelles Lernen KW - Natural Language Processing KW - Reflexion KW - Professionalisierung KW - artificial intelligence KW - machine learning KW - natural language processing KW - reflexion KW - professionalization Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-616363 SN - 978-3-86956-568-2 SN - 2626-3556 SN - 2626-4722 IS - 3 SP - 103 EP - 115 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Mientus, Lukas A1 - Klempin, Christiane A1 - Nowak, Anna T1 - Reflexion in der Lehrkräftebildung: Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär JF - Reflexion in der Lehrkräftebildung: Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär (Potsdamer Beiträge zur Lehrerbildung und Bildungsforschung ; 4) N2 - Reflexion – unhinterfragt eines der wichtigsten Worte im Kontext der Lehrkräftebildung. Fest verankert in den bundesdeutschen Bildungsstandards sind in Forschung und Lehre die Suche nach Evidenz und die Unterstützung (angehender) Lehrkräfte ständiger Antrieb unzähliger Akteur:innen aller Phasen der Lehrkräftebildung. Wenngleich begriff liche Unklarheiten die Kommunikation von Forschungsergebnissen nicht immer intuitiv und die Unterstützung in der Lehre nicht immer praktikabel werden lassen, besteht Einigkeit darüber, dass ein Diskurs zur reflexiven Professionalisierung von Lehrkräften geführt werden muss. Aus diesem Grund veranstalteten die beiden QLB-Projekte PSI-Potsdam der Universität Potsdam und K2teach der Freien Universität Berlin vom 5. bis 7. Oktober 2022 die Onlinetagung „Reflexion in der Lehrkräftebildung. Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär“. Ausgehend von den verschiedensten Fachdisziplinen diskutierten Akteur:innen aller Phasen der Lehrkräftebildung unterschiedlicher Standorte Ergebnisse empirischer Studien und Erfahrungen aus der Arbeit mit (angehenden) Lehrkräften. Beiträge der Tagung sind in diesem Buch festgehalten und sind als Momentaufnahme eines sich ständig entwickelnden Themenfelds zu verstehen. Forschende und Lehrende haben mit dieser Momentaufnahme die Möglichkeit, Eindrücke für die eigene Arbeit aufzunehmen und weiterzuentwickeln. KW - Reflexion KW - Reflexivität KW - Lehrkräftebildung KW - Tagung KW - Sammelband Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-618890 SN - 978-3-86956-566-8 SN - 2626-3556 SN - 2626-4722 IS - 4 SP - 13 EP - 18 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Robinson, Alexander T1 - Modeling the Greenland Ice Sheet response to climate change in the past and future T1 - Modellierung der Reaktion des Grönländischen Inlandeises auf den vergangenen und zukünftigen Klimawandel N2 - The Greenland Ice Sheet (GIS) contains enough water volume to raise global sea level by over 7 meters. It is a relic of past glacial climates that could be strongly affected by a warming world. Several studies have been performed to investigate the sensitivity of the ice sheet to changes in climate, but large uncertainties in its long-term response still exist. In this thesis, a new approach has been developed and applied to modeling the GIS response to climate change. The advantages compared to previous approaches are (i) that it can be applied over a wide range of climatic scenarios (both in the deep past and the future), (ii) that it includes the relevant feedback processes between the climate and the ice sheet and (iii) that it is highly computationally efficient, allowing simulations over very long timescales. The new regional energy-moisture balance model (REMBO) has been developed to model the climate and surface mass balance over Greenland and it represents an improvement compared to conventional approaches in modeling present-day conditions. Furthermore, the evolution of the GIS has been simulated over the last glacial cycle using an ensemble of model versions. The model performance has been validated against field observations of the present-day climate and surface mass balance, as well as paleo information from ice cores. The GIS contribution to sea level rise during the last interglacial is estimated to be between 0.5-4.1 m, consistent with previous estimates. The ensemble of model versions has been constrained to those that are consistent with the data, and a range of valid parameter values has been defined, allowing quantification of the uncertainty and sensitivity of the modeling approach. Using the constrained model ensemble, the sensitivity of the GIS to long-term climate change was investigated. It was found that the GIS exhibits hysteresis behavior (i.e., it is multi-stable under certain conditions), and that a temperature threshold exists above which the ice sheet transitions to an essentially ice-free state. The threshold in the global temperature is estimated to be in the range of 1.3-2.3°C above preindustrial conditions, significantly lower than previously believed. The timescale of total melt scales non-linearly with the overshoot above the temperature threshold, such that a 2°C anomaly causes the ice sheet to melt in ca. 50,000 years, but an anomaly of 6°C will melt the ice sheet in less than 4,000 years. The meltback of the ice sheet was found to become irreversible after a fraction of the ice sheet is already lost – but this level of irreversibility also depends on the temperature anomaly. N2 - Das grönländische Inlandeis (GIS) besteht aus einem Wasservolumen das ausreicht, um den globalen Meeresspiegel um 7 Meter ansteigen zu lassen. Es ist ein Relikt der vergangenen Eiszeit, das in einer zunehmend wärmer werdenden Welt stark in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. In der vorliegenden Dissertation ist ein neues Verfahren zur Modellierung des Antwortverhaltens des Inlandeises auf Klimaänderungen entwickelt und angewendet worden. Die Vorteile des neuen Verfahrens im Vergleich zu den bisherigen Verfahren sind, (i) dass es über einen groen Bereich von Klimaszenarien (sowohl für die ferne Vergangenheit als auch für die Zukunft) anwendbar ist, (ii) dass es die wesentlichen Rückkopplungsprozesse zwischen Klima und Inlandeis enthält und (iii) dass es wegen seiner guten Rechenzeiteffizienz Simulationen über sehr lange Zeitskalen erlaubt. Das neue Modell (REMBO) ist für die Modellierung des Klimas und der Massenbilanz an der grönländischen Oberfläche entwickelt worden und stellt ein verbessertes Verfahren im Vergleich zu den bisherigen dar. Die Entwicklung von GIS über den letzten glazialen Zyklus ist mittels eines Ensembles von verschiedenen Modellversionen simuliert worden. Anschließend ist die Tauglichkeit der Modellversionen durch Vergleich mit Beobachtungsdaten des gegenwärtigen Klimas und der Oberflächenmassenbilanz, sowie mit paleoklimatischen Rekonstruktionen von Eisbohrkernen verifiziert worden. Der Anteil von GIS am Meeresspiegelanstieg während des letzten Interglazials ist im Bereich von 0.5 bis 4.1 m berechnet worden, was konsistent mit bisherigen Schätzungen ist. Von den Ensemblesimulationen sind diejenigen ausgewählt worden, deren Ergebnisse gut mit den Daten übereinstimmen. Durch die Auswahl von geeigneten Modellversionen sind gleichzeitig die Unsicherheiten der Parameterwerte begrenzt worden, so dass sich nun mit dem neuen Verfahren die Sensitivität von GIS auf Klimaänderungen bestimmen lässt. Mit den ausgewählten Modellversionen ist die Sensitivität von GIS auf langfristige Klimaänderungen untersucht worden. Es zeigt sich, dass das GIS ein Hystereseverhalten besitzt (d.h., eine Multistabilität für gewisse Klimazustände) und dass ein Temperaturschwellwert existiert. Bei Überschreiten des Schwellwertes bleibt das GIS nicht erhalten und wird langsam eisfrei werden. Der Temperaturschwellwert der globalen Mitteltemperatur relativ zur vorindustriellen Mitteltemperatur ist im Bereich 1.3-2.3°C ermittelt worden und liegt damit deutlich niedriger als bisher angenommen. Die Zeitdauer bis zum völligen Abschmelzen zeigt ein nichtlineares Verhalten hinsichtlich einer Erwärmung über den ermittelten Schwellwert. Eine Erwärmung von 2°C relativ zur vorindustriellen Zeit führt zu einem Abschmelzen nach 50.000 Jahren, aber eine Erwärmung um 6°C lässt das Inlandeis bereits nach 4.000 Jahren abschmelzen. Ein weiteres Ergebnis ist, dass der Abschmelzvorgang irreversibel werden kann, nachdem ein gewisser Anteil des Inlandeises abgeschmolzen ist – jedoch ist die Irreversibilität eines Abschmelzvorganges auch von der Temperaturanomalie abhängig. KW - Grönland KW - Inlandeis KW - Klimawandel KW - Stabilität KW - Hysterese KW - Greenland KW - ice sheet KW - climate change KW - stability KW - hysteresis Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50430 ER - TY - JOUR A1 - Smirnov, Lev A. A1 - Bolotov, Maxim A1 - Bolotov, Dmitri A1 - Osipov, Grigory V. A1 - Pikovsky, Arkady T1 - Finite-density-induced motility and turbulence of chimera solitons JF - New Journal of Physics N2 - We consider a one-dimensional oscillatory medium with a coupling through a diffusive linear field. In the limit of fast diffusion this setup reduces to the classical Kuramoto–Battogtokh model. We demonstrate that for a finite diffusion stable chimera solitons, namely localized synchronous domain in an infinite asynchronous environment, are possible. The solitons are stable also for finite density of oscillators, but in this case they sway with a nearly constant speed. This finite-density-induced motility disappears in the continuum limit, as the velocity of the solitons is inverse proportional to the density. A long-wave instability of the homogeneous asynchronous state causes soliton turbulence, which appears as a sequence of soliton mergings and creations. As the instability of the asynchronous state becomes stronger, this turbulence develops into a spatio-temporal intermittency. KW - chimera KW - soliton KW - finite-size effects Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac63d9 SN - 1367-2630 VL - 24 PB - IOP CY - London ER - TY - THES A1 - Littmann, Daniela-Christin T1 - Large eddy simulations of the Arctic boundary layer around the MOSAiC drift track T1 - Large-Eddy-Simulationen der arktischen Grenzschicht um die MOSAiC-Driftroute N2 - The icosahedral non-hydrostatic large eddy model (ICON-LEM) was applied around the drift track of the Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 and 2020. The model was set up with horizontal grid-scales between 100m and 800m on areas with radii of 17.5km and 140 km. At its lateral boundaries, the model was driven by analysis data from the German Weather Service (DWD), downscaled by ICON in limited area mode (ICON-LAM) with horizontal grid-scale of 3 km. The aim of this thesis was the investigation of the atmospheric boundary layer near the surface in the central Arctic during polar winter with a high-resolution mesoscale model. The default settings in ICON-LEM prevent the model from representing the exchange processes in the Arctic boundary layer in accordance to the MOSAiC observations. The implemented sea-ice scheme in ICON does not include a snow layer on sea-ice, which causes a too slow response of the sea-ice surface temperature to atmospheric changes. To allow the sea-ice surface to respond faster to changes in the atmosphere, the implemented sea-ice parameterization in ICON was extended with an adapted heat capacity term. The adapted sea-ice parameterization resulted in better agreement with the MOSAiC observations. However, the sea-ice surface temperature in the model is generally lower than observed due to biases in the downwelling long-wave radiation and the lack of complex surface structures, like leads. The large eddy resolving turbulence closure yielded a better representation of the lower boundary layer under strongly stable stratification than the non-eddy-resolving turbulence closure. Furthermore, the integration of leads into the sea-ice surface reduced the overestimation of the sensible heat flux for different weather conditions. The results of this work help to better understand boundary layer processes in the central Arctic during the polar night. High-resolving mesoscale simulations are able to represent temporally and spatially small interactions and help to further develop parameterizations also for the application in regional and global models. N2 - Das icosahedral non-hydrostatische large eddy model (ICON-LEM) wurde entlang des Driftweges des Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 und 20 angewendet. Das Modell nutzte horizontale Gitterauflösungen zwischen 100m und 800m auf Gebieten mit Durchmessern von 17.5km und 140 km. An den seitlichen Rändern wurde das Modell mit Analysedaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben, welche mit ICON im limited area mode (ICON-LAM) mit einer horizontalen Auflösung von 3km herunterskaliert wurden. Ziel dieser Arbeit war es, die flache atmosphärische Grenzschicht in der zentralen Arktis während des polaren Winters mit einem hochauflösenden mesoskaligen Modell zu untersuchen. Die standardmäßigen Einstellungen in ICON-LEM machen es dem Modell unmöglich, die wechselwirkenden Austauschprozesse in der arktischen Grenzschicht gemäß der MOSAiC Beobachtungen abzubilden. Das implementierte Meereis-Schema in ICON beinhaltet keine Schneeschicht auf dem Meereis, was eine zu große Verzögerung der Meereisoberflächentemperatur auf atmosphärische Veränderungen bewirkt. Um die Meereisfläche schneller auf Änderungen in der Atmosphäre reagieren lassen zu können, wurde die bestehende Meereisparameterisierung in ICON um einen angepasstenWärmekapazitätsterm erweitert. Die angepasste Meereis-Parameterisierung stimmte besser mit den MOSAiC Beobachtungen überein. Allerdings ist die Meereisoberflächentemperatur im Modell aufgrund der fehlerbehafteten einfallenden, langwelligen Strahlung und dem Fehlen komplexer Oberflächenstrukturen im Meereis generell niedriger als beobachtet. Die groß-wirbellige Turbulenz-Schliessung wird der Darstellung der unteren Grenschicht während starker stabiler Schichtung besser gerecht als die Nicht-Wirbel-auflösende Turbulenz-Schließung. Desweiteren reduzierte die Integration der Risse in der Meereisoberfläche die Abweichung der sensiblen Wärme für verschiedene Wetterzustände. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen die Grenzschicht-Prozesse in der zentralen Arktis während der polaren Nacht besser zu verstehen. Hochauflösende mesoskalige Simulationen ermöglichen die Repräsentation zeitlicher und räumlicher klein-skaliger Wechselwirkungen und bestehende Parametrisierungen auch für regionale und globale Modelle weiterzuentwickeln. KW - Arctic KW - atmosphere KW - atmospheric science KW - high resolution KW - boundary layer KW - stable stratification KW - heat flux KW - heat capacity KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenforschung KW - hohe Auflösung KW - Grenzschicht KW - stabile Schichtung KW - Wärmefluss KW - Wärmekapazität Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624374 ER - TY - THES A1 - Donges, Jonathan T1 - Complex networks in the climate system N2 - Complex network theory provides an elegant and powerful framework to statistically investigate the topology of local and long range dynamical interrelationships, i.e., teleconnections, in the climate system. Employing a refined methodology relying on linear and nonlinear measures of time series analysis, the intricate correlation structure within a multivariate climatological data set is cast into network form. Within this graph theoretical framework, vertices are identified with grid points taken from the data set representing a region on the the Earth's surface, and edges correspond to strong statistical interrelationships between the dynamics on pairs of grid points. The resulting climate networks are neither perfectly regular nor completely random, but display the intriguing and nontrivial characteristics of complexity commonly found in real world networks such as the internet, citation and acquaintance networks, food webs and cortical networks in the mammalian brain. Among other interesting properties, climate networks exhibit the "small-world" effect and possess a broad degree distribution with dominating super-nodes as well as a pronounced community structure. We have performed an extensive and detailed graph theoretical analysis of climate networks on the global topological scale focussing on the flow and centrality measure betweenness which is locally defined at each vertex, but includes global topological information by relying on the distribution of shortest paths between all pairs of vertices in the network. The betweenness centrality field reveals a rich internal structure in complex climate networks constructed from reanalysis and atmosphere-ocean coupled general circulation model (AOGCM) surface air temperature data. Our novel approach uncovers an elaborately woven meta-network of highly localized channels of strong dynamical information flow, that we relate to global surface ocean currents and dub the backbone of the climate network in analogy to the homonymous data highways of the internet. This finding points to a major role of the oceanic surface circulation in coupling and stabilizing the global temperature field in the long term mean (140 years for the model run and 60 years for reanalysis data). Carefully comparing the backbone structures detected in climate networks constructed using linear Pearson correlation and nonlinear mutual information, we argue that the high sensitivity of betweenness with respect to small changes in network structure may allow to detect the footprints of strongly nonlinear physical interactions in the climate system. The results presented in this thesis are thoroughly founded and substantiated using a hierarchy of statistical significance tests on the level of time series and networks, i.e., by tests based on time series surrogates as well as network surrogates. This is particularly relevant when working with real world data. Specifically, we developed new types of network surrogates to include the additional constraints imposed by the spatial embedding of vertices in a climate network. Our methodology is of potential interest for a broad audience within the physics community and various applied fields, because it is universal in the sense of being valid for any spatially extended dynamical system. It can help to understand the localized flow of dynamical information in any such system by combining multivariate time series analysis, a complex network approach and the information flow measure betweenness centrality. Possible fields of application include fluid dynamics (turbulence), plasma physics and biological physics (population models, neural networks, cell models). Furthermore, the climate network approach is equally relevant for experimental data as well as model simulations and hence introduces a novel perspective on model evaluation and data driven model building. Our work is timely in the context of the current debate on climate change within the scientific community, since it allows to assess from a new perspective the regional vulnerability and stability of the climate system while relying on global and not only on regional knowledge. The methodology developed in this thesis hence has the potential to substantially contribute to the understanding of the local effect of extreme events and tipping points in the earth system within a holistic global framework. N2 - Die Theorie komplexer Netzwerke bietet einen eleganten Rahmen zur statistischen Untersuchung der Topologie lokaler und langreichweitiger dynamischer Zusammenhänge (Telekonnektionen) im Klimasystem. Unter Verwendung einer verfeinerten, auf linearen und nichtlinearen Korrelationsmaßen der Zeitreihenanalyse beruhenden Netzwerkkonstruktionsmethode, bilden wir die komplexe Korrelationsstruktur eines multivariaten klimatologischen Datensatzes auf ein Netzwerk ab. Dabei identifizieren wir die Knoten des Netzwerkes mit den Gitterpunkten des zugrundeliegenden Datensatzes, während wir Paare von besonders stark korrelierten Knoten als Kanten auffassen. Die resultierenden Klimanetzwerke zeigen weder die perfekte Regularität eines Kristallgitters, noch eine vollkommen zufällige Topologie. Vielmehr weisen sie faszinierende und nichttriviale Eigenschaften auf, die charakteristisch für natürlich gewachsene Netzwerke wie z.B. das Internet, Zitations- und Bekanntschaftsnetzwerke, Nahrungsnetze und kortikale Netzwerke im Säugetiergehirn sind. Besonders erwähnenswert ist, dass in Klimanetzwerken das Kleine-Welt-Phänomen auftritt. Desweiteren besitzen sie eine breite Gradverteilung, werden von Superknoten mit sehr vielen Nachbarn dominiert, und bilden schließlich regional wohldefinierte Untergruppen von intern dicht vernetzten Knoten aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine detaillierte, graphentheoretische Analyse von Klimanetzwerken auf der globalen topologischen Skala durchgeführt, wobei wir uns auf das Netzwerkfluss- und Zentralitätsmaß Betweenness konzentrierten. Betweenness ist zwar lokal an jedem Knoten definiert, enthält aber trotzdem Informationen über die globale Netzwerktopologie. Dies beruht darauf, dass die Verteilung kürzester Pfade zwischen allen möglichen Paaren von Knoten in die Berechnung des Maßes eingeht. Das Betweennessfeld zeigt reichhaltige und zuvor verborgene Strukturen in aus Reanalyse- und Modelldaten der erdoberflächennahen Lufttemperatur gewonnenen Klimanetzen. Das durch unseren neuartigen Ansatz enthüllte Metanetzwerk, bestehend aus hochlokalisierten Kanälen stark gebündelten Informationsflusses, bringen wir mit der Oberflächenzirkulation des Weltozeans in Verbindung. In Analogie mit den gleichnamigen Datenautobahnen des Internets nennen wir dieses Metanetzwerk den Backbone des Klimanetzwerks. Unsere Ergebnisse deuten insgesamt darauf hin, dass Meeresoberflächenströmungen einen wichtigen Beitrag zur Kopplung und Stabilisierung des globalen Oberflächenlufttemperaturfeldes leisten. Wir zeigen weiterhin, dass die hohe Sensitivität des Betweennessmaßes hinsichtlich kleiner Änderungen der Netzwerktopologie die Detektion stark nichtlinearer physikalischer Wechselwirkungen im Klimasystem ermöglichen könnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden mithilfe statistischer Signifikanztests auf der Zeitreihen- und Netzwerkebene gründlich auf ihre Robustheit geprüft. In Anbetracht fehlerbehafteter Daten und komplexer statistischer Zusammenhänge zwischen verschiedenen Netzwerkmaßen ist diese Vorgehensweise besonders wichtig. Weiterhin ist die Entwicklung neuer, allgemein anwendbarer Surrogate für räumlich eingebettete Netzwerke hervorzuheben, die die Berücksichtigung spezieller Klimanetzwerkeigenschaften wie z.B. der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Kantenlängen erlauben. Unsere Methode ist universell, weil sie zum Verständnis des lokalisierten Informationsflusses in allen räumlich ausgedehnten, dynamischen Systemen beitragen kann. Deshalb ist sie innerhalb der Physik und anderer angewandter Wissenschaften von potentiell breitem Interesse. Mögliche Anwendungen könnten sich z.B. in der Fluiddynamik (Turbulenz), der Plasmaphysik und der Biophysik (Populationsmodelle, neuronale Netzwerke und Zellmodelle) finden. Darüber hinaus ist der Netzwerkansatz für experimentelle Daten sowie Modellsimulationen gültig, und eröffnet folglich neue Perspektiven für Modellevaluation und datengetriebene Modellierung. Im Rahmen der aktuellen Klimawandeldebatte stellen Klimanetzwerke einen neuartigen Satz von Analysemethoden zur Verfügung, der die Evaluation der lokalen Vulnerabilität und Stabilität des Klimasystems unter Berücksichtigung globaler Randbedingungen ermöglicht. Die in dieser Arbeit entwickelten und untersuchten Methoden könnten folglich in der Zukunft, innerhalb eines holistisch-globalen Ansatzes, zum Verständnis der lokalen Auswirkungen von Extremereignissen und Kipppunkten im Erdsystem beitragen. KW - Komplexe Netzwerke KW - Klimanetzwerke KW - Datenanalyse KW - Graphentheorie KW - Klimadaten KW - Complex networks KW - climate networks KW - data analysis KW - graph theory KW - climate data Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49775 ER - TY - THES A1 - Aue, Lars T1 - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean T1 - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean N2 - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season. Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role. N2 - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst. Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist. Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter. Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt. Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen. KW - Arctic KW - atmosphere KW - sea ice KW - cyclones KW - meteorology KW - Arktis KW - Atmosphäre KW - Meereis KW - Zyklone KW - Meteorologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458 SP - VIII, 131 ER - TY - THES A1 - Herrero Alonso, Yohana T1 - Properties of high-redshift galaxies in different environments T1 - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen N2 - The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6. N2 - Die Lyman-𝛼 (Ly𝛼)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthüllt nicht nur die großräumige Struktur des Universums in frühen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. Darüber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Ly𝛼-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere Beiträge zur Verbesserung des Wissens über diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden. KW - high-redshift KW - Lyman-alpha emitters KW - clustering KW - large-scale structure KW - Lyman-Alpha-Emitter KW - Clustering KW - hoher Rotverschiebung KW - großräumige Struktur des Universums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288 ER - TY - THES A1 - Zeuschner, Steffen Peer T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress. In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling. The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons. N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle. Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden. KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - thin films KW - magnetoelasticity KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung KW - dünne Filme KW - Magnetoelastizität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098 ER - TY - GEN A1 - Ye, Fangyuan A1 - Zhang, Shuo A1 - Warby, Jonathan A1 - Wu, Jiawei A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Lang, Felix A1 - Shah, Sahil A1 - Saglamkaya, Elifnaz A1 - Sun, Bowen A1 - Zu, Fengshuo A1 - Shoaee, Safa A1 - Wang, Haifeng A1 - Stiller, Burkhard A1 - Neher, Dieter A1 - Zhu, Wei-Hong A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Wu, Yongzhen T1 - Overcoming C₆₀-induced interfacial recombination in inverted perovskite solar cells by electron-transporting carborane T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Inverted perovskite solar cells still suffer from significant non-radiative recombination losses at the perovskite surface and across the perovskite/C₆₀ interface, limiting the future development of perovskite-based single- and multi-junction photovoltaics. Therefore, more effective inter- or transport layers are urgently required. To tackle these recombination losses, we introduce ortho-carborane as an interlayer material that has a spherical molecular structure and a three-dimensional aromaticity. Based on a variety of experimental techniques, we show that ortho-carborane decorated with phenylamino groups effectively passivates the perovskite surface and essentially eliminates the non-radiative recombination loss across the perovskite/C₆₀ interface with high thermal stability. We further demonstrate the potential of carborane as an electron transport material, facilitating electron extraction while blocking holes from the interface. The resulting inverted perovskite solar cells deliver a power conversion efficiency of over 23% with a low non-radiative voltage loss of 110 mV, and retain >97% of the initial efficiency after 400 h of maximum power point tracking. Overall, the designed carborane based interlayer simultaneously enables passivation, electron-transport and hole-blocking and paves the way toward more efficient and stable perovskite solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1317 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587705 SN - 1866-8372 IS - 1317 ER - TY - THES A1 - Ketzer, Laura T1 - The impact of stellar activity evolution on atmospheric mass loss of young exoplanets T1 - Der Einfluss der stellaren Aktivitätsentwicklung auf den atmosphärischen Massenverlust von jungen Exoplaneten N2 - The increasing number of known exoplanets raises questions about their demographics and the mechanisms that shape planets into how we observe them today. Young planets in close-in orbits are exposed to harsh environments due to the host star being magnetically highly active, which results in high X-ray and extreme UV fluxes impinging on the planet. Prolonged exposure to this intense photoionizing radiation can cause planetary atmospheres to heat up, expand and escape into space via a hydrodynamic escape process known as photoevaporation. For super-Earth and sub-Neptune-type planets, this can even lead to the complete erosion of their primordial gaseous atmospheres. A factor of interest for this particular mass-loss process is the activity evolution of the host star. Stellar rotation, which drives the dynamo and with it the magnetic activity of a star, changes significantly over the stellar lifetime. This strongly affects the amount of high-energy radiation received by a planet as stars age. At a young age, planets still host warm and extended envelopes, making them particularly susceptible to atmospheric evaporation. Especially in the first gigayear, when X-ray and UV levels can be 100 - 10,000 times higher than for the present-day sun, the characteristics of the host star and the detailed evolution of its high-energy emission are of importance. In this thesis, I study the impact of stellar activity evolution on the high-energy-induced atmospheric mass loss of young exoplanets. The PLATYPOS code was developed as part of this thesis to calculate photoevaporative mass-loss rates over time. The code, which couples parameterized planetary mass-radius relations with an analytical hydrodynamic escape model, was used, together with Chandra and eROSITA X-ray observations, to investigate the future mass loss of the two young multiplanet systems V1298 Tau and K2-198. Further, in a numerical ensemble study, the effect of a realistic spread of activity tracks on the small-planet radius gap was investigated for the first time. The works in this thesis show that for individual systems, in particular if planetary masses are unconstrained, the difference between a young host star following a low-activity track vs. a high-activity one can have major implications: the exact shape of the activity evolution can determine whether a planet can hold on to some of its atmosphere, or completely loses its envelope, leaving only the bare rocky core behind. For an ensemble of simulated planets, an observationally-motivated distribution of activity tracks does not substantially change the final radius distribution at ages of several gigayears. My simulations indicate that the overall shape and slope of the resulting small-planet radius gap is not significantly affected by the spread in stellar activity tracks. However, it can account for a certain scattering or fuzziness observed in and around the radius gap of the observed exoplanet population. N2 - Die steigende Anzahl bekannter Exoplaneten wirft Fragen zu ihrer Demografie und den Mechanismen auf, die Planeten in ihre heutige beobachtete Form bringen. Junge Planeten, die sehr nah um ihren Wirtsstern kreisen, sind extremen Umgebungen ausgesetzt, da der Stern eine hohe magnetische Aktivität aufweist. Das führt wiederum dazu, dass der Planet einer enormen Röntgen- und Extrem-UV-Strahlung ausgesetzt ist. Ist der Planet über einen längeren Zeitraum dieser intensiven photoionisierenden Strahlung ausgesetzt, kann dies dazu führen, dass Planetenatmosphären sich aufheizen, ausdehnen und durch einen hydrodynamischen Entweichungsprozess namens Photoevaporation ins All entweichen, sozusagen verdampfen. Bei Planeten, in der Größenordnung von Super-Erden und Sub-Neptunen, kann dies sogar zur vollständigen Erosion ihrer Ur-Atmosphären führen. Ein interessanter Faktor, der für diesen Massenverlustprozess eine Rolle spielt, ist die Aktivitätsentwicklung des Wirtssterns. Die Rotation eines Sterns, die den Dynamo und damit die magnetische Aktivität antreibt, ändert sich im Laufe der Lebensdauer eines Sterns erheblich. Dies hat einen starken Einfluss auf die Menge der hochenergetischen Strahlung, den ein Planet mit zunehmendem Alter des Sterns empfängt. In jungen Jahren besitzen Planeten noch warme und ausgedehnte Hüllen, was sie besonders anfällig für atmosphärische Verdunstung macht. Insbesondere in den ersten Gigajahren, wenn die Röntgen- und UV-Strahlung 100 - 10,000 Mal höher sein kann als bei der heutigen Sonne, sind die Eigenschaften des Wirtssterns und die detaillierte Entwicklung seiner hochenergetischen Emission von Bedeutung. In dieser Arbeit untersuche ich die Auswirkungen der Entwicklung der stellaren Aktivität auf den durch hochenergetische Strahlung verursachten atmosphärischen Massenverlust junger Exoplaneten. Der PLATYPOS-Code wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, um die photoevaporativen Massenverlustraten für verschiedene stellare Alter zu berechnen. Der Code verknüpft parametrisierte Planetenmasse-Radius-Beziehungen mit einem analytischen Modell für den hydrodynamischen Massenverlust. Er wurde zusammen mit Chandra- und eROSITA-Röntgenbeobachtungen dazu verwendet, den zukünftigen Massenverlust der beiden jungen Mehrplanetensysteme V1298 Tau und K2-198 zu untersuchen. Darüber hinaus wurde in einer numerischen Ensemblestudie erstmals der Effekt einer realistischen Verteilung von stellaren Aktivitäts-Tracks auf das sogenannte Radius-Tal bei kleinen Planeten untersucht. Die Arbeiten in dieser Dissertation zeigen, dass für einzelne Systeme, insbesondere wenn die Planetenmassen unbestimmt sind, der Unterschied zwischen einem jungen Wirtsstern, der einem Track mit niedriger Aktivität gegenüber einem solchen mit hoher Aktivität folgt, gravierende Auswirkungen haben kann: Die genaue Form der Aktivitätsentwicklung kann darüber entscheiden, ob ein Planet einen Teil seiner Atmosphäre behält oder seine Hülle vollständig verliert und nur den nackten Gesteinskern behält. Für ein Ensemble von simulierten Planeten ändert eine durch Beobachtungen motivierte Verteilung von Aktivitäts-Tracks die endgültige Radiusverteilung der Planeten nach mehreren Gigajahren nicht wesentlich. Meine Simulationen deuten darauf hin, dass die Form und Steigung des sich ergebenden Radius-Tals bei Kleinplaneten nicht wesentlich von der Streuung der stellaren Aktivitäts-Tracks beeinflusst wird. Eine gewisse Streuung oder Unschärfe im Radius-Tal der beobachteten Exoplanetenpopulation kann damit allerdings durchaus erklärt werden. KW - Exoplaneten KW - star-planet interaction KW - stellar physics KW - exoplanets KW - exoplanet atmospheres KW - Sternphysik KW - Stern-Planeten-Wechselwirkung KW - Exoplanetenatmosphären Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626819 ER - TY - JOUR A1 - Ye, Fangyuan A1 - Zhang, Shuo A1 - Warby, Jonathan A1 - Wu, Jiawei A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Lang, Felix A1 - Shah, Sahil A1 - Saglamkaya, Elifnaz A1 - Sun, Bowen A1 - Zu, Fengshuo A1 - Shoai, Safa A1 - Wang, Haifeng A1 - Stiller, Burkhard A1 - Neher, Dieter A1 - Zhu, Wei-Hong A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Wu, Yongzhen T1 - Overcoming C₆₀-induced interfacial recombination in inverted perovskite solar cells by electron-transporting carborane JF - Nature Communications N2 - Inverted perovskite solar cells still suffer from significant non-radiative recombination losses at the perovskite surface and across the perovskite/C₆₀ interface, limiting the future development of perovskite-based single- and multi-junction photovoltaics. Therefore, more effective inter- or transport layers are urgently required. To tackle these recombination losses, we introduce ortho-carborane as an interlayer material that has a spherical molecular structure and a three-dimensional aromaticity. Based on a variety of experimental techniques, we show that ortho-carborane decorated with phenylamino groups effectively passivates the perovskite surface and essentially eliminates the non-radiative recombination loss across the perovskite/C₆₀ interface with high thermal stability. We further demonstrate the potential of carborane as an electron transport material, facilitating electron extraction while blocking holes from the interface. The resulting inverted perovskite solar cells deliver a power conversion efficiency of over 23% with a low non-radiative voltage loss of 110 mV, and retain >97% of the initial efficiency after 400 h of maximum power point tracking. Overall, the designed carborane based interlayer simultaneously enables passivation, electron-transport and hole-blocking and paves the way toward more efficient and stable perovskite solar cells. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34203-x SN - 2041-1723 VL - 13 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER -