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
PB  - Springer Nature
CY  - London
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  - Dubinovska, Daria
T1  - Optical surveys of AGN and their host galaxies
T1  - Optische Durchmusterungen von aktiven Galaxienkernen und ihren Muttergalaxien
N2  - This thesis rests on two large Active Galactic Nuclei (AGNs) surveys. The first survey deals with galaxies that host low-level AGNs (LLAGN) and aims at identifying such galaxies by quantifying their variability. While numerous studies have shown that AGNs can be variable at all wavelengths, the nature of the variability is still not well understood. Studying the properties of LLAGNs may help to understand better galaxy evolution, and how AGNs transit between active and inactive states. In this thesis, we develop a method to extract variability properties of AGNs. Using multi-epoch deep photometric observations, we subtract the contribution of the host galaxy at each epoch to extract variability and estimate AGN accretion rates. This pipeline will be a powerful tool in connection with future deep surveys such as PANSTARS. The second study in this thesis describes a survey of X-ray selected AGN hosts at redshifts z>1.5 and compares them to quiescent galaxies. This survey aims at studying environments, sizes and morphologies of star-forming high-redshift AGN hosts in the COSMOS Survey at the epoch of peak AGN activity. Between redshifts 1.5<z<3.8, the COSMOS HST/ACS imaging probes the UV regime, where separating the AGN flux from its host galaxy is very challenging. Nevertheless, we successfully derived the structural properties of 249 AGN hosts using two-dimensional surface-brightness profile fitting with the GALFIT package. This is the largest sample of AGN hosts at redshift z>1.5 to date. We analyzed the evolution of structural parameters of AGN and non-AGN host galaxies with redshift, and compared their disturbance rates to identify the more probable AGN triggering mechanism in the 43.5<log_10 L_X<45 luminosity range. We also conducted mock AGN and quiescent galaxies observations to determine errors and corrections for the derived parameters. We find that the size-absolute magnitude relations of AGN hosts and non-AGN galaxies are very similar, with estimated mean sizes in both samples decreasing by ~50% between redshifts z=1.5 and z=3.5. Morphological classification of both active and quiescent galaxies shows that the majority of the AGN host galaxies are disc-dominated, with disturbance rates that are significantly lower than among the non-AGN galaxies. Such a finding suggests that Major Mergers are probably not responsible for triggering AGN accretion in most of these galaxies. Other secular mechanisms should therefore be responsible.
N2  - Diese Arbeit basiert auf zwei grossen Durchmusterungen aktiver Galaxienkerne (engl., active galactic nuclei, AGN). Die erste Durchmusterungen hat zum Ziel, Muttergalaxien leuchtschwacher AGNs (sog. low-level AGN oder LLAGN) zu identifizieren und die Variabilität der AGN zu quantifizieren. Während zahlreiche Studien gezeigt haben, dass AGN bei allen Wellenlängen variabel sein können, ist die Natur der Varibilität noch immer nicht verstanden. Das Studium der Eigenschaften von LLAGN trägt zum Verständnis bei, wie sich Galaxien entwickeln und wie AGN zwischen aktiven und inaktiven Zuständen wechseln. In dieser Arbeit entwickeln wir eine Methode, um die Eigenschaften der AGN-Variabilität zu messen. Mittels tiefer, photometrischer Beobachtungen zu mehreren Zeitpunkten subtrahieren wir den Beitrag einer Muttergalaxie, um die AGN-Variabilität zu bestimmen und Akkretionsraten des AGN abzuschätzen. Diese Methode wird im Zusammenhang mit zukünftigen, tiefen Durchmusterungen wie z.B. PANSTARRS ein mächtiges Werkzeug darstellen. Die zweite grosse Durchmusterung behandelt nach ihrer Roentgen-Helligkeit ausgewählte AGN-Muttergalaxien mit einer Rotverschiebung von z > 1.5, um sie mit inaktiven Galaxien zu vergleichen. Ziel ist, bei sternbildenden, hochrotverschobenen AGN-Muttergalaxien aus der COSMOS-Durchmusterung die Umgebung, Grösse und Morphologie zum Zeitpunkt der stärksten AGN Aktivität zu studieren. Die COSMOS-HST/ACS-Photometrie untersucht den ultravioletten Spektralbereich von Muttergalaxien bei einer Rotverschiebung von 1.5 < z < 3.8, wo es sehr schwierig ist, den Flussbeitrag des AGN von dem der Muttergalaxie zu trennen. Dennoch gelang es uns, mittels zweidimensionaler Modellierung der Flächenhelligkeitprofile Struktureigenschaften für 249 AGN-Muttergalaxien aus der COSMOS-Durchmusterung abzuleiten. Dies ist für AGN-Muttergalaxien mit einer Rotverschiebung z > 1.5 die bislang grösste Stichprobe. Wir haben die Entwicklung der Strukturparameter mit der Rotverschiebung von AGN-Muttergalaxien und Galaxien ohne aktiven Kern analysiert und die Häufigkeit morphologischer Besonderheiten bei diesen beiden Gruppen miteinander verglichen, um die wahrscheinlichste Ursache für AGN-Aktivität für Galaxien im Roentgen-Leuchtkraft-Bereich von 43.5<log_10 L_X<45 zu bestimmen. Um Fehler und Korrekturfaktoren für die bestimmten Parameter zu erhalten, wurden simulierte AGN-Muttergalaxien und inaktive Galaxien untersucht. Als Ergebnis finden wir, dass AGN-Muttergalaxien und Galaxien ohne aktiven Kern eine sehr ähnliche Relation von Galaxiengrösse zu absoluter Helligkeit aufweisen, wobei die abgeschätzte, mittlere Grösse zwischen Rotverschiebungen von z=1.5 und z=3.5 in beiden untersuchten Gruppen um ~50% abnimmt. Die morphologische Klassifikation sowohl aktiver als auch inaktiver Galaxien zeigt, dass die Mehrheit der AGN-Muttergalaxien scheibendominiert ist und signifikant weniger morphologische Anomalien aufweist als inaktive Galaxien. Dieses Resultat weist darauf hin, dass in den meisten AGN-Muttergalaxien sog., Major Mergers, also die Verschmelzung zweier etwa gleich grosser Galaxien, wahrscheinlich nicht Akkretion auf den AGN auslösen, sondern stattdessen andere, sekuläre Mechanismen dafür verantwortlich sind.
KW  - Aktiven Galaxienkerne
KW  - Muttergalaxien
KW  - Durchmusterung
KW  - AGN
KW  - host galaxies
KW  - survey
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64739
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Witt, Annette
A1  - Kurths, Jürgen
A1  - Krause, F.
A1  - Fischer, K.
T1  - On the validity of a model for the reversals of the Earth‘s magnetic field
N2  - We have used techniques of nonlinear dynamics to compare a special model for the reversals of the Earth's magnetic field with the observational data. Although this model is rather simple, there is no essential difference to the data by means of well-known characteristics, such as correlation function and probability distribution. Applying methods of symbolic dynamics we have found that the considered model is not able to describe the dynamical properties of the observed process. These significant differences are expressed by algorithmic complexity and Renyi information.
T3  - NLD Preprints - 4 
Y1  - 1994
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13460
ER  - 
TY  - THES
A1  - Löffler, Frank
T1  - Numerical simulations of neutron star - black hole mergers
T1  - Computersimulationen von Zusammenstößen eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns
N2  - Collisions of black holes and neutron stars, named mixed binaries in the following, are interesting because of at least two reasons. Firstly, it is expected that they emit a large amount of energy as gravitational waves, which could be measured by new detectors. The form of those waves is expected to carry information about the internal structure of such systems. Secondly, collisions of such objects are the prime suspects of short gamma ray bursts. The exact mechanism for the energy emission is unknown so far.  In the past, Newtonian theory of gravitation and modifications to it were often used for numerical simulations of collisions of mixed binary systems. However, near to such objects, the gravitational forces are so strong, that the use of General Relativity is necessary for accurate predictions.  There are a lot of problems in general relativistic simulations. However, systems of two neutron stars and systems of two black holes have been studies extensively in the past and a lot of those problems have been solved. One of the remaining problems so far has been the use of hydrodynamic on excision boundaries. Inside excision regions, no evolution is carried out. Such regions are often used inside black holes to circumvent instabilities of the numerical methods near the singularity. Methods to handle hydrodynamics at such boundaries have been described and tests are shown in this work.  One important test and the first application of those methods has been the simulation of a collapsing neutron star to a black hole. The success of these simulations and in particular the performance of the excision methods was an important step towards simulations of mixed binaries.  Initial data are necessary for every numerical simulation. However, the creation of such initial data for general relativistic situations is in general very complicated. In this work it is shown how to obtain initial data for mixed binary systems using an already existing method for initial data of two black holes.  These initial data have been used for evolutions of such systems and problems encountered are discussed in this work. One of the problems are instabilities due to different methods, which could be solved by dissipation of appropriate strength. Another problem is the expected drift of the black hole towards the neutron star. It is shown, that this can be solved by using special gauge conditions, which prevent the black hole from moving on the computational grid.  The methods and simulations shown in this work are only the starting step for a much more detailed study of mixed binary system. Better methods, models and simulations with higher resolution and even better gauge conditions will be focus of future work.  It is expected that such detailed studies can give information about the emitted gravitational waves, which is important in view of the newly built gravitational wave detectors. In addition, these simulations could give insight into the processes responsible for short gamma ray bursts.
N2  - Zusammenstöße eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns, im Folgenden "gemischte Zusammenstöße" genannt, sind aus wenigstens zwei Gründen interessant. Erstens wird erwartet, dass dabei große Mengen Energie als Gravitationswellen freigesetzt werden und diese mit neuen Detektoren gemessen werden können. Die Form dieser Wellen verrät viel über die Beschaffenheit eines solchen Systems und stellt neben elektromagnetischen Wellen eine wichtige Informationsquelle dar. Zweitens sind Zusammenstöße von kompakten Objekten wie Neutronensternen und schwarze Löchern sehr wahrscheinlich die Ursache sogenannter kurzer Gammastrahlungsblitze. Deren genauer Mechanismus für die Umwandlung der gewaltigen Energiemengen, die bei diesen Blitzen ausgesandt werden, ist jedoch bisher unbekannt.  Computersimulationen von Zusammenstößen eines gemischten Systems wurden bisher oft unter Benutzung der Newtonschen Gravitationstheorie, bzw. Korrekturen dazu, durchgeführt. In der Nähe so kompakte Objekte wie schwarzer Löcher oder Neutronensterne ist jedoch die Gravitationswirkung so stark, dass Näherungen wie die erwähnten Korrekturen der Newtonschen Gravitationstheorie zu ungenau sind. Eine Benutzung der allgemeinen Relativitätstheorie ist daher für dieses Problem unumgänglich.  Die Probleme allgemein-relativistischer Simulationen sind vielfältig. Jedoch wurden Binärsysteme zweier schwarzer Löcher und zweier Neutronensterne schon eingehend untersucht, und so viele Probleme, die auch Simulationen gemischter Systeme betreffen, gelöst. Eins der bisher ausstehenden Probleme war die Behandlung der Hydrodynamik an Ausschneiderändern; Rändern zu Gebieten, die in der Zeitentwicklung der Simulation ignoriert werden. Solche Ränder werden zum Beispiel innerhalb eines schwarzen Lochs benutzt, um Instabilitäten des Programms in der Nähe der Singularität zu vermeiden. Methoden, solche Ränder zu behandeln wurden in der Arbeit entwickelt, getestet und gezeigt, dass sie verlässlich arbeiten.  Ein wichtiger Test für diese Methoden, der gleichzeitig der Gewinnung neuer Erkenntnisse diente, war deren Anwendung auf Simulationen von zu schwarzen Löchern kollabierenden, rotierenden Sternen. Der Erfolg, diese Simulationen ohne Probleme mit den erwähnten Methoden durchzuführen, war ein wichtiger Schritt zu Simulationen gemischter Binärsysteme.  Für Computersimulationen sind Anfangsdaten notwendig, die das gewünschte Problem beschreiben. Die Erstellung solcher Anfangsdaten ist jedoch unter Benutzung der allgemeinen Relativitätstheorie ausser in Spezialfällen sehr komplex. Wir zeigen, wie man einen schon vorhandenen Algorithmus für Anfangsdaten für zwei schwarze Löcher ändern kann, um Anfangsdaten für ein gemischtes Binärsystem zu erhalten.  Diese Anfangsdaten wurden für Simulationen eines gemischten Binärsystems benutzt. Während dieser Simulationen traten mehrere Probleme auf. Zwei dieser Probleme waren numerische Instabilitäten unterschiedlicher Herkunft. Beide konnten jedoch mit angepasst starker Dissipation (der künstliche Entnahme von hochfrequenter Energie aus dem System) unterdrückt werden. Ein weiteres Problem war die erwartete Bewegung des schwarzen Lochs in Richtung des Neutronensterns. Da ein Teil des Simulationsgebietes innerhalb des schwarzen Lochs ausgeschnitten wird und das verwendete Programm bewegte Ausschneidegebiete nicht behandeln kann, darf sich das schwarze Loch jedoch auf dem Gitter kaum bewegen. Wir haben dieses Problem durch eine an das Problem angepasste Eichbedingung gelöst, die auf Bewegungen des scheinbaren Horizons reagiert und die Position des schwarzen Lochs auf diese Weise nahezu konstant hält.  Die Methoden und Simulationen dieser Arbeit sind nur der Anfangspunkt einer ausführlichen Studie von Binärsystemen eines schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. Bessere Methoden, Modelle und Simulationen mit höherer Auflösung und besser an das System angepassten Koordinaten werden Mittelpunkt zukünftiger Arbeit sein.  Es wird erwartet, dass solche detailierten Studien Erkenntnisse über die abgestrahlten Gravitationswellen liefern, die gerade in Hinblick auf die neuen Gravitationswellendetektoren wichtig sind. Weiterhin könnten diese Simulationen dabei helfen, die Prozesse, die kurze Gammastrahlungsblitze hervorrufen, und über die im Moment kaum etwas bekannt ist, aufzuklären.
KW  - Relativistische Astrophysik
KW  - Neutronensterne
KW  - schwarze Löcher
KW  - neutron stars
KW  - black holes
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7743
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  - CHAP
A1  - Votruba, V.
A1  - Feldmeier, Achim
A1  - Kubát, Jiří
A1  - Rätzel, D.
T1  - Multicomponent stellar wind of hot stars
N2  - We developed a time-dependent multicomponent hydrodynamical code for simulation of the stellar wind from hot stars and applied it to stars with high and low density winds.
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17677
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  - 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  - THES
A1  - Zeuschner, Steffen Peer
T1  - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction
N2  - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress.

In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling.

The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons.
N2  - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt.

In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle.

Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden.
KW  - ultrafast
KW  - X-ray diffraction
KW  - thin films
KW  - magnetoelasticity
KW  - ultraschnell
KW  - Röntgenbeugung
KW  - dünne Filme
KW  - Magnetoelastizität
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098
ER  - 
TY  - THES
A1  - 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  - 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  - Teichmann, Erik
A1  - Lewandowski, Heather J.
A1  - Alemani, Micol
T1  - Investigating students’ views of experimental physics in German laboratory classes
JF  - Physical Review Physics Education Research
N2  - There is a large variety of goals instructors have for laboratory courses, with different courses focusing on different subsets of goals. An often implicit, but crucial, goal is to develop students’ attitudes, views, and expectations about experimental physics to align with practicing experimental physicists. The assessment of laboratory courses upon this one dimension of learning has been intensively studied in U.S. institutions using the Colorado Learning Attitudes about Science Survey for Experimental Physics (E-CLASS). However, there is no such an instrument available to use in Germany, and the influence of laboratory courses on students views about the nature of experimental physics is still unexplored at German-speaking institutions. Motivated by the lack of an assessment tool to investigate this goal in laboratory courses at German-speaking institutions, we present a translated version of the E-CLASS adapted to the context at German-speaking institutions. We call the German version of the E-CLASS, the GE-CLASS. We describe the translation process and the creation of an automated web-based system for instructors to assess their laboratory courses. We also present first results using GE-CLASS obtained at the University of Potsdam. A first comparison between E-CLASS and GE-CLASS results shows clear differences between University of Potsdam and U.S. students’ views and beliefs about experimental physics.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.18.010135
SN  - 1554-9178
VL  - 18
SP  - 010135-1
EP  - 010135-17
PB  - APS
CY  - College Park, Maryland, United States
ET  - 1
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prevot, Michelle Elizabeth
T1  - Introduction of a thermo-sensitive non-polar species into polyelectrolyte multilayer capsules for drug delivery
T1  - Einbettung unpolarer, temperaturempfindlicher Substanzen in Polyelektrolytkapselsysteme zur Wirkstofffreisetzung
N2  - The layer-by-layer assembly (LBL) of polyelectrolytes has been extensively studied for the preparation of ultrathin films due to the versatility of the build-up process. The control of the permeability of these layers is particularly important as there are potential drug delivery applications. Multilayered polyelectrolyte microcapsules are also of great interest due to their possible use as microcontainers. This work will present two methods that can be used as employable drug delivery systems, both of which can encapsulate an active molecule and tune the release properties of the active species.  Poly-(N-isopropyl acrylamide), (PNIPAM) is known to be a thermo-sensitive polymer that has a Lower Critical Solution Temperature (LCST) around 32oC; above this temperature PNIPAM is insoluble in water and collapses. It is also known that with the addition of salt, the LCST decreases. This work shows Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) evidence that the LCST of the PNIPAM can be tuned with salt type and concentration. Microcapsules were used to encapsulate this thermo-sensitive polymer, resulting in a reversible and tunable stimuli- responsive system. The encapsulation of the PNIPAM inside of the capsule was proven with Raman spectroscopy, DSC (bulk LCST measurements), AFM (thickness change), SEM (morphology change) and CLSM (in situ LCST measurement inside of the capsules). The exploitation of the capsules as a microcontainer is advantageous not only because of the protection the capsules give to the active molecules, but also because it facilitates easier transport.  The second system investigated demonstrates the ability to reduce the permeability of polyelectrolyte multilayer films by the addition of charged wax particles. The incorporation of this hydrophobic coating leads to a reduced water sensitivity particularly after heating, which melts the wax, forming a barrier layer. This conclusion was proven with Neutron Reflectivity by showing the decreased presence of D2O in planar polyelectrolyte films after annealing creating a barrier layer. The permeability of capsules could also be decreased by the addition of a wax layer. This was proved by the increase in recovery time measured by Florescence Recovery After Photobleaching, (FRAP) measurements.  In general two advanced methods, potentially suitable for drug delivery systems, have been proposed. In both cases, if biocompatible elements are used to fabricate the capsule wall, these systems provide a stable method of encapsulating active molecules. Stable encapsulation coupled with the ability to tune the wall thickness gives the ability to control the release profile of the molecule of interest.
N2  - Verkapselung ist ein vielseitiges Werkzeug, das zum Schutz und zum Transport von Molekülen ebenso eingesetzt werden kann, wie zur Verbindung von Reaktionspartnern in einem gemeinsamen, von der Umgebung abgeschirmten Raum. Es basiert auf einem einfachen Vorbild der Natur. Pflanzen schützen ihren Samen zum Beispiel durch eine harte, nahezu undurchdringbare Schale (Nüsse) oder durch eine selektiv durchlässige Hülle, wie bei Weizen, der sobald er feucht wird zu keimen beginnt. Die Natur setzt durch den Einsatz des Hülle-Kern Prinzips sehr effizient die Kontrolle über Durchlässigkeit und Anpassung an bestimmte Aufgaben um.  Wird das Hülle-Kern-Prinzip zum Schutz oder Transport von Molekülen eingesetzt, so sind die zu verwendenden Kapseln nur wenige Mikrometer groß. Sie werden dann als Mikrokapseln bezeichnet. Zur Erzeugung dieser Mikrokapseln werden verschiedene Methoden verwendet. Der heute übliche Weg geht von einer ca. 5-10 Mikrometer großen Kugel (Kern) aus, die mit einer stabilen und an die gewünschten Eigenschaften angepassten Schicht von wenigen Nanometern versehen wird. Im Anschluss wird der Kern herausgelöst und eine hohle, stabile Kapsel erhalten.  Schichten von wenigen Nanometern Dicke können aus Polyelektrolyten durch das Layer-by-Layer-Verfahren (LbL) hergestellt werden. Dieses Verfahren eignet sich auf Grund seiner vielen Anpassungsmöglichkeiten besonders zum Aufbau der Schichten für Mikrokapseln, da sich die Eigenschaften der Beschichtung bereits beim Aufbau der Schicht auf die Bedürfnisse maßschneidern lassen. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung von Mikrokapseln, deren Eigenschaften temperaturabhängig sind. Dies wurde auf zwei Wegen erreicht. Zum einen wurden Kapseln aus Polyelektrolyten und Wachs aufgebaut. Bei Temperaturerhöhung schmilzt das Wachs und versiegelt die Kapsel. Zum anderen werden Kapseln mit einem Wärme empfindlichen Polymer gefüllt. Bei Temperaturerhöhung kollabiert das Polymergerüst. Der enthaltene Wirkstoff wird freigesetzt.
KW  - Mikrokapsel
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Mehrschichtsysteme
KW  - Polyelectrolyte
KW  - Multilayers
KW  - Capsule
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7785
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  - 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  - 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  - Miteva, Rositsa Stoycheva
T1  - Electron acceleration at localized wave structures in the solar corona
T1  - Elektronenbeschleunigung an lokalen Wellenstrukturen in der Sonnenkorona
N2  - Our dynamic Sun manifests its activity by different phenomena: from the 11-year cyclic sunspot pattern to the unpredictable and violent explosions in the case of solar flares. During flares, a huge amount of the stored magnetic energy is suddenly released and a substantial part of this energy is carried by the energetic electrons, considered to be the source of the nonthermal radio and X-ray radiation. One of the most important and still open question in solar physics is how the electrons are accelerated up to high energies within (the observed in the radio emission) short time scales. Because the acceleration site is extremely small in spatial extent as well (compared to the solar radius), the electron acceleration is regarded as a local process. The search for localized wave structures in the solar corona that are able to accelerate electrons together with the theoretical and numerical description of the conditions and requirements for this process, is the aim of the dissertation. Two models of electron acceleration in the solar corona are proposed in the dissertation: I. Electron acceleration due to the solar jet interaction with the background coronal plasma (the jet--plasma interaction) A jet is formed when the newly reconnected and highly curved magnetic field lines are relaxed by shooting plasma away from the reconnection site. Such jets, as observed in soft X-rays with the Yohkoh satellite, are spatially and temporally associated with beams of nonthermal electrons (in terms of the so-called type III metric radio bursts) propagating through the corona. A model that attempts to give an explanation for such observational facts is developed here. Initially, the interaction of such jets with the background plasma leads to an (ion-acoustic) instability associated with growing of electrostatic fluctuations in time for certain range of the jet initial velocity. During this process, any test electron that happen to feel this electrostatic wave field is drawn to co-move with the wave, gaining energy from it. When the jet speed has a value greater or lower than the one, required by the instability range, such wave excitation cannot be sustained and the process of electron energization (acceleration and/or heating) ceases. Hence, the electrons can propagate further in the corona and be detected as type III radio burst, for example. II. Electron acceleration due to attached whistler waves in the upstream region of coronal shocks (the electron--whistler--shock interaction) Coronal shocks are also able to accelerate electrons, as observed by the so-called type II metric radio bursts (the radio signature of a shock wave in the corona). From in-situ observations in space, e.g., at shocks related to co-rotating interaction regions, it is known that nonthermal electrons are produced preferably at shocks with attached whistler wave packets in their upstream regions. Motivated by these observations and assuming that the physical processes at shocks are the same in the corona as in the interplanetary medium, a new model of electron acceleration at coronal shocks is presented in the dissertation, where the electrons are accelerated by their interaction with such whistlers. The protons inflowing toward the shock are reflected there by nearly conserving their magnetic moment, so that they get a substantial velocity gain in the case of a quasi-perpendicular shock geometry, i.e, the angle between the shock normal and the upstream magnetic field is in the range 50--80 degrees. The so-accelerated protons are able to excite whistler waves in a certain frequency range in the upstream region. When these whistlers (comprising the localized wave structure in this case) are formed, only the incoming electrons are now able to interact resonantly with them. But only a part of these electrons fulfill the the electron--whistler wave resonance condition. Due to such resonant interaction (i.e., of these electrons with the whistlers), the electrons are accelerated in the electric and magnetic wave field within just several whistler periods. While gaining energy from the whistler wave field, the electrons reach the shock front and, subsequently, a major part of them are reflected back into the upstream region, since the shock accompanied with a jump of the magnetic field acts as a magnetic mirror. Co-moving with the whistlers now, the reflected electrons are out of resonance and hence can propagate undisturbed into the far upstream region, where they are detected in terms of type II metric radio bursts. In summary, the kinetic energy of protons is transfered into electrons by the action of localized wave structures in both cases, i.e., at jets outflowing from the magnetic reconnection site and at shock waves in the corona.
N2  - Die Sonne ist ein aktiver Stern, was sich nicht nur in den allseits bekannten Sonnenflecken, sondern auch in Flares manifestiert. Während Flares wird eine große Menge gespeicherter, magnetischer Energie in einer kurzen Zeit von einigen Sekunden bis zu wenigen Stunden in der Sonnenkorona freigesetzt. Dabei werden u.a. energiereiche Elektronen erzeugt, die ihrerseits nichtthermische Radio- und Röntgenstrahlung, wie sie z.B. am Observatorium für solare Radioastronomie des Astrophysikalischen Instituts Potsdam (AIP) in Tremsdorf und durch den NASA-Satelliten RHESSI beobachtet werden, erzeugen. Da diese Elektronen einen beträchtlichen Anteil der beim Flare freigesetzten Energie tragen, ist die Frage, wie Elektronen in kurzer Zeit auf hohe Energien in der Sonnenkorona beschleunigt werden, von generellem astrophysikalischen Interesse, da solche Prozesse auch in anderen Sternatmosphären und kosmischen Objekten, wie z.B. Supernova-Überresten, stattfinden. In der vorliegenden Dissertation wird die Elektronenbeschleunigung an lokalen Wellenstrukturen im Plasma der Sonnenkorona untersucht. Solche Wellen treten in der Umgebung der magnetischen Rekonnektion, die als ein wichtiger Auslöser von Flares angesehen wird, und in der Nähe von Stoßwellen, die infolge von Flares erzeugt werden, auf. Generell werden die Elektronen als Testteilchen behandelt. Sie werden durch ihre Wechselwirkung mit den elektrischen und magnetischen Feldern, die mit den Plasmawellen verbunden sind, beschleunigt. Infolge der magnetischen Rekonnektion als Grundlage des Flares werden starke Plasmaströmungen (sogenannte Jets) erzeugt. Solche Jets werden im Licht der weichen Röntgenstrahlung, wie z.B. durch den japanischen Satelliten YOHKOH, beobachtet. Mit solchen Jets sind solare Typ III Radiobursts als Signaturen von energiereichen Elektronenstrahlen in der Sonnenkorona verbunden. Durch die Wechselwirkung eines Jets mit dem umgebenden Plasma werden lokal elektrische Felder erzeugt, die ihrerseits Elektronen beschleunigen können. Dieses hier vorgestellte Szenarium kann sehr gut die Röntgen- und Radiobeobachtungen von Jets und den damit verbundenen Elektronenstrahlen erklären. An koronalen Stoßwellen, die infolge Flares entstehen, werden Elektronen beschleunigt, deren Signatur man in der solaren Radiostrahlung in Form von sogenannten Typ II Bursts beobachten kann. Stoßwellen in kosmischen Plasmen können mit Whistlerwellen (ein spezieller Typ von Plasmawellen) verbunden sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein Szenarium vorgestellt, das aufzeigt, wie solche Whistlerwellen an koronalen Stoßwellen erzeugt werden und durch ihre resonante Wechselwirkung mit den Elektronen dieselben beschleunigen. Dieser Prozess ist effizienter als bisher vorgeschlagene Mechanismen und kann deshalb auch auf andere Stoßwellen im Kosmos, wie z.B. an Supernova-Überresten, zur Erklärung der dort erzeugten Radio- und Röntgenstrahlung dienen.
KW  - Elektronenbeschleunigung
KW  - Sonnenkorona
KW  - Jets
KW  - Stoßwellen
KW  - Nichtlineare Wellen
KW  - Electron acceleration
KW  - Solar corona
KW  - Jets
KW  - Shock waves
KW  - Nonlinear waves
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14775
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sarabadani, Jalal
A1  - Metzler, Ralf
A1  - Ala-Nissila, Tapio
T1  - Driven polymer translocation into a channel: Isoflux tension propagation theory and Langevin dynamics simulations
JF  - Physical Review Research
N2  - Isoflux tension propagation (IFTP) theory and Langevin dynamics (LD) simulations are employed to study the dynamics of channel-driven polymer translocation in which a polymer translocates into a narrow channel and the monomers in the channel experience a driving force fc. In the high driving force limit, regardless of the channel width, IFTP theory predicts τ ∝ f βc for the translocation time, where β = −1 is the force scaling exponent. Moreover, LD data show that for a very narrow channel fitting only a single file of monomers, the entropic force due to the subchain inside the channel does not play a significant role in the translocation dynamics and the force exponent β = −1 regardless of the force magnitude. As the channel width increases the number of possible spatial configurations of the subchain inside the channel becomes significant and the resulting entropic force causes the force exponent to drop below unity.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033003
SN  - 2643-1564
VL  - 4
SP  - 033003-1
EP  - 033003-14
PB  - American Physical Society
CY  - College Park, Maryland, USA
ET  - 3
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  -