TY - THES A1 - Smirnov, Artem T1 - Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations T1 - Verständnis der Dynamik der erdnahen Weltraumumgebung mit Hilfe von Langzeit-Satellitenbeobachtungen N2 - The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment. N2 - Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei. KW - Ionosphere KW - radiation belts KW - ring current KW - space physics KW - empirical modeling KW - machine learning KW - gradient boosting KW - neural networks KW - Ionosphäre KW - empirische Modellierung KW - Gradient Boosting KW - maschinelles Lernen KW - neuronale Netze KW - Strahlungsgürtel KW - Ringstrom KW - Weltraumphysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711 ER - TY - JOUR A1 - Schröder, Jakob A1 - Evans, Alexander A1 - Polatidis, Efthymios A1 - Mohr, Gunther A1 - Serrano-Munoz, Itziar A1 - Bruno, Giovanni A1 - Čapek, Jan T1 - Understanding the impact of texture on the micromechanical anisotropy of laser powder bed fused Inconel 718 JF - Journal of materials science N2 - The manufacturability of metallic alloys using laser-based additive manufacturing methods such as laser powder bed fusion has substantially improved within the last decade. However, local melting and solidification cause hierarchically structured and crystallographically textured microstructures possessing large residual stress. Such microstructures are not only the origin of mechanical anisotropy but also pose metrological challenges for the diffraction-based residual stress determination. Here we demonstrate the influence of the build orientation and the texture on the microstructure and consequently the mechanical anisotropy of as-built Inconel 718. For this purpose, we manufactured specimens with [001]/[011]-, [001]- and [011]/[11 (1) over bar]-type textures along their loading direction. In addition to changes in the Young's moduli, the differences in the crystallographic textures result in variations of the yield and ultimate tensile strengths. With this in mind, we studied the anisotropy on the micromechanical scale by subjecting the specimens to tensile loads along the different texture directions during in situ neutron diffraction experiments. In this context, the response of multiple lattice planes up to a tensile strain of 10% displayed differences in the load partitioning and the residual strain accumulation for the specimen with [011]/[(1) over bar 11]-type texture. However, the relative behavior of the specimens possessing an [001] /[011]- and [001]-type texture remained qualitatively similar. The consequences on the metrology of residual stress determination methods are discussed. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s10853-022-07499-9 SN - 0022-2461 SN - 1573-4803 VL - 57 IS - 31 SP - 15036 EP - 15058 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Perdigón-Toro, Lorena A1 - Le Quang Phuong, A1 - Eller, Fabian A1 - Freychet, Guillaume A1 - Saglamkaya, Elifnaz A1 - Khan, Jafar A1 - Wei, Qingya A1 - Zeiske, Stefan A1 - Kroh, Daniel A1 - Wedler, Stefan A1 - Koehler, Anna A1 - Armin, Ardalan A1 - Laquai, Frederic A1 - Herzig, Eva M. A1 - Zou, Yingping A1 - Shoaee, Safa A1 - Neher, Dieter T1 - Understanding the role of order in Y-series non-fullerene solar cells to realize high open-circuit voltages JF - Advanced energy materials N2 - Non-fullerene acceptors (NFAs) as used in state-of-the-art organic solar cells feature highly crystalline layers that go along with low energetic disorder. Here, the crucial role of energetic disorder in blends of the donor polymer PM6 with two Y-series NFAs, Y6, and N4 is studied. By performing temperature-dependent charge transport and recombination studies, a consistent picture of the shape of the density of state distributions for free charges in the two blends is developed, allowing an analytical description of the dependence of the open-circuit voltage V-OC on temperature and illumination intensity. Disorder is found to influence the value of the V-OC at room temperature, but also its progression with temperature. Here, the PM6:Y6 blend benefits substantially from its narrower state distributions. The analysis also shows that the energy of the equilibrated free charge population is well below the energy of the NFA singlet excitons for both blends and possibly below the energy of the populated charge transfer manifold, indicating a down-hill driving force for free charge formation. It is concluded that energetic disorder of charge-separated states has to be considered in the analysis of the photovoltaic properties, even for the more ordered PM6:Y6 blend. KW - energetic disorder KW - non-fullerene acceptors KW - open-circuit voltage KW - organic solar cells Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.202103422 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 12 IS - 12 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Liebig, Ferenc A1 - Sarhan, Radwan Mohamed A1 - Prietzel, Claudia Christina A1 - Thünemann, Andreas F. A1 - Bargheer, Matias A1 - Koetz, Joachim T1 - Undulated Gold Nanoplatelet Superstructures BT - In Situ Growth of Hemispherical Gold Nanoparticles onto the Surface of Gold Nanotriangles JF - Langmuir N2 - Negatively charged flat gold nanotriangles, formed in a vesicular template phase and separated by an AOT-micelle-based depletion flocculation, were reloaded by adding a cationic polyelectrolyte, that is, a hyperbranched polyethylenimine (PEI). Heating the system to 100 degrees C in the presence of a gold chloride solution, the reduction process leads to the formation of gold nanoparticles inside the polymer shell surrounding the nanoplatelets. The gold nanoparticle formation is investigated by UV-vis spectroscopy, small-angle X-ray scattering, and dynamic light scattering measurements in combination with transmission electron microscopy. Spontaneously formed gold clusters in the hyperbranched PEI shell with an absorption maximum at 350 nm grow on the surface of the nanotriangles as hemispherical particles with diameters of similar to 6 nm. High-resolution micrographs show that the hemispherical gold particles are crystallized onto the {111} facets on the bottom and top of the platelet as well as on the edges without a grain boundary. Undulated gold nanoplatelet superstructures with special properties become available, which show a significantly modified performance in SERS-detected photocatalysis regarding both reactivity and enhancement factor. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b02898 SN - 0743-7463 VL - 34 IS - 15 SP - 4584 EP - 4594 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Wang, Jingwen A1 - Rychkov, Dmitry A1 - Nguyen, Quyet Doan A1 - Gerhard, Reimund T1 - Unexpected bipolar space-charge polarization across transcrystalline interfaces in polypropylene electret films JF - Journal of applied physics N2 - A double-layer transcrystalline polypropylene (PP) film with a flat central interface layer between its two transcrystalline layers is obtained by recrystallization from the melt between two polytetrafluoroethylene (PTFE) surfaces on both sides of the PP film. Its electret properties are studied and compared with those of a single-layer transcrystalline PP film re-crystallized in contact with only one PTFE surface. Within experimental uncertainty, the two types of transcrystalline films exhibit the same thermal properties and crystallinities. After thermal poling, however, two hetero-charge layers of opposite polarity are found on the internal interfaces of the double-layer transcrystalline films and may together be considered as micrometer-sized dipoles. The unexpected phenomenon does not occur in single-layer transcrystalline samples without a central interface layer, suggesting that the interfaces between the transcrystalline layers and the micrometer-thick central interface layer may be the origin of deeper traps rather than the crystalline structures in the transcrystallites or the spherulites. The origin of the interfacial charges was also studied by means of an injection-blocking charging method, which revealed that intrinsic charge carriers introduced during recrystallization are most likely responsible for the interfacial charges. It is fascinating that a material as familiar as PP can exhibit such intriguing properties with a special bipolar space-charge polarization across the central interface layer after quasi-epitaxial surface moulding into a double-layer transcrystalline form. In addition to applications in electret (micro-)devices for electro-mechanical transduction, the highly ordered structures may also be employed as a new paradigm for studying charge storage and transport in polymer electrets and in dielectrics for DC electrical insulation. Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0022071 SN - 0021-8979 SN - 1089-7550 VL - 128 IS - 13 PB - American Institute of Physics, AIP CY - Melville, NY ER - TY - JOUR A1 - Wang, Wei A1 - Seno, Flavio A1 - Sokolov, Igor M. A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Unexpected crossovers in correlated random-diffusivity processes JF - New Journal of Physics N2 - The passive and active motion of micron-sized tracer particles in crowded liquids and inside living biological cells is ubiquitously characterised by 'viscoelastic' anomalous diffusion, in which the increments of the motion feature long-ranged negative and positive correlations. While viscoelastic anomalous diffusion is typically modelled by a Gaussian process with correlated increments, so-called fractional Gaussian noise, an increasing number of systems are reported, in which viscoelastic anomalous diffusion is paired with non-Gaussian displacement distributions. Following recent advances in Brownian yet non-Gaussian diffusion we here introduce and discuss several possible versions of random-diffusivity models with long-ranged correlations. While all these models show a crossover from non-Gaussian to Gaussian distributions beyond some correlation time, their mean squared displacements exhibit strikingly different behaviours: depending on the model crossovers from anomalous to normal diffusion are observed, as well as a priori unexpected dependencies of the effective diffusion coefficient on the correlation exponent. Our observations of the non-universality of random-diffusivity viscoelastic anomalous diffusion are important for the analysis of experiments and a better understanding of the physical origins of 'viscoelastic yet non-Gaussian' diffusion. KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - non-Gaussianity KW - fractional Brownian motion Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/aba390 SN - 1367-2630 VL - 22 PB - Dt. Physikalische Ges. CY - Bad Honnef ER - TY - GEN A1 - Wang, Wei A1 - Seno, Flavio A1 - Sokolov, Igor M. A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Unexpected crossovers in correlated random-diffusivity processes N2 - The passive and active motion of micron-sized tracer particles in crowded liquids and inside living biological cells is ubiquitously characterised by 'viscoelastic' anomalous diffusion, in which the increments of the motion feature long-ranged negative and positive correlations. While viscoelastic anomalous diffusion is typically modelled by a Gaussian process with correlated increments, so-called fractional Gaussian noise, an increasing number of systems are reported, in which viscoelastic anomalous diffusion is paired with non-Gaussian displacement distributions. Following recent advances in Brownian yet non-Gaussian diffusion we here introduce and discuss several possible versions of random-diffusivity models with long-ranged correlations. While all these models show a crossover from non-Gaussian to Gaussian distributions beyond some correlation time, their mean squared displacements exhibit strikingly different behaviours: depending on the model crossovers from anomalous to normal diffusion are observed, as well as a priori unexpected dependencies of the effective diffusion coefficient on the correlation exponent. Our observations of the non-universality of random-diffusivity viscoelastic anomalous diffusion are important for the analysis of experiments and a better understanding of the physical origins of 'viscoelastic yet non-Gaussian' diffusion. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1006 KW - diffusion KW - anomalous diffusion KW - non-Gaussianity KW - fractional Brownian motion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480049 SN - 1866-8372 IS - 1006 ER - TY - JOUR A1 - Uola, Roope A1 - Lever, Fabiano A1 - Gühne, Otfried A1 - Pellonpaa, Juha-Pekka T1 - Unified picture for spatial, temporal, and channel steering JF - Physical review : A, Atomic, molecular, and optical physics N2 - Quantum steering describes how local actions on a quantum system can affect another, spacelike separated, quantum state. Lately, quantum steering has been formulated also for timelike scenarios and for quantum channels. We approach all the three scenarios as one using tools from Stinespring dilations of quantum channels. By applying our technique we link all three steering problems one-to-one with the incompatibility of quantum measurements, a result formerly known only for spatial steering. We exploit this connection by showing how measurement uncertainty relations can be used as tight steering inequalities for all three scenarios. Moreover, we show that certain notions of temporal and spatial steering are fully equivalent and prove a hierarchy between temporal steering and macrorealistic hidden variable models. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.032301 SN - 2469-9926 SN - 2469-9934 VL - 97 IS - 3 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Sposini, Vittoria A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Seno, Flavio T1 - Universal spectral features of different classes of random-diffusivity processes JF - New Journal of Physics N2 - Stochastic models based on random diffusivities, such as the diffusing-diffusivity approach, are popular concepts for the description of non-Gaussian diffusion in heterogeneous media. Studies of these models typically focus on the moments and the displacement probability density function. Here we develop the complementary power spectral description for a broad class of random-diffusivity processes. In our approach we cater for typical single particle tracking data in which a small number of trajectories with finite duration are garnered. Apart from the diffusing-diffusivity model we study a range of previously unconsidered random-diffusivity processes, for which we obtain exact forms of the probability density function. These new processes are different versions of jump processes as well as functionals of Brownian motion. The resulting behaviour subtly depends on the specific model details. Thus, the central part of the probability density function may be Gaussian or non-Gaussian, and the tails may assume Gaussian, exponential, log-normal, or even power-law forms. For all these models we derive analytically the moment-generating function for the single-trajectory power spectral density. We establish the generic 1/f²-scaling of the power spectral density as function of frequency in all cases. Moreover, we establish the probability density for the amplitudes of the random power spectral density of individual trajectories. The latter functions reflect the very specific properties of the different random-diffusivity models considered here. Our exact results are in excellent agreement with extensive numerical simulations. KW - diffusion KW - power spectrum KW - random diffusivity KW - single trajectories Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab9200 SN - 1367-2630 VL - 22 IS - 6 PB - Dt. Physikalische Ges. CY - Bad Honnef ER - TY - GEN A1 - Sposini, Vittoria A1 - Grebenkov, Denis S. A1 - Metzler, Ralf A1 - Oshanin, Gleb A1 - Seno, Flavio T1 - Universal spectral features of different classes of random-diffusivity processes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Stochastic models based on random diffusivities, such as the diffusing-diffusivity approach, are popular concepts for the description of non-Gaussian diffusion in heterogeneous media. Studies of these models typically focus on the moments and the displacement probability density function. Here we develop the complementary power spectral description for a broad class of random-diffusivity processes. In our approach we cater for typical single particle tracking data in which a small number of trajectories with finite duration are garnered. Apart from the diffusing-diffusivity model we study a range of previously unconsidered random-diffusivity processes, for which we obtain exact forms of the probability density function. These new processes are different versions of jump processes as well as functionals of Brownian motion. The resulting behaviour subtly depends on the specific model details. Thus, the central part of the probability density function may be Gaussian or non-Gaussian, and the tails may assume Gaussian, exponential, log-normal, or even power-law forms. For all these models we derive analytically the moment-generating function for the single-trajectory power spectral density. We establish the generic 1/f²-scaling of the power spectral density as function of frequency in all cases. Moreover, we establish the probability density for the amplitudes of the random power spectral density of individual trajectories. The latter functions reflect the very specific properties of the different random-diffusivity models considered here. Our exact results are in excellent agreement with extensive numerical simulations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 999 KW - diffusion KW - power spectrum KW - random diffusivity KW - single trajectories Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476960 SN - 1866-8372 IS - 999 ER - TY - JOUR A1 - Ritschel, Stefan A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf T1 - Universality of delay-time averages for financial time series BT - analytical results, computer simulations, and analysis of historical stock-market prices JF - Journal of physics. Complexity N2 - We analyze historical data of stock-market prices for multiple financial indices using the concept of delay-time averaging for the financial time series (FTS). The region of validity of our recent theoretical predictions [Cherstvy A G et al 2017 New J. Phys. 19 063045] for the standard and delayed time-averaged mean-squared 'displacements' (TAMSDs) of the historical FTS is extended to all lag times. As the first novel element, we perform extensive computer simulations of the stochastic differential equation describing geometric Brownian motion (GBM) which demonstrate a quantitative agreement with the analytical long-term price-evolution predictions in terms of the delayed TAMSD (for all stock-market indices in crisis-free times). Secondly, we present a robust procedure of determination of the model parameters of GBM via fitting the features of the price-evolution dynamics in the FTS for stocks and cryptocurrencies. The employed concept of single-trajectory-based time averaging can serve as a predictive tool (proxy) for a mathematically based assessment and rationalization of probabilistic trends in the evolution of stock-market prices. KW - econophysics KW - geometric Brownian motion KW - time-series analysis Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/2632-072X/ac2220 SN - 2632-072X VL - 2 IS - 4 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Zu, Fengshuo A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Ralaiarisoa, Maryline A1 - Amsalem, Patrick A1 - Neher, Dieter A1 - Koch, Norbert T1 - Unraveling the Electronic Properties of Lead Halide Perovskites with Surface Photovoltage in Photoemission Studies JF - ACS applied materials & interfaces N2 - The tremendous success of metal-halide perovskites, especially in the field of photovoltaics, has triggered a substantial number of studies in understanding their optoelectronic properties. However, consensus regarding the electronic properties of these perovskites is lacking due to a huge scatter in the reported key parameters, such as work function (Φ) and valence band maximum (VBM) values. Here, we demonstrate that the surface photovoltage (SPV) is a key phenomenon occurring at the perovskite surfaces that feature a non-negligible density of surface states, which is more the rule than an exception for most materials under study. With ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and Kelvin probe, we evidence that even minute UV photon fluxes (500 times lower than that used in typical UPS experiments) are sufficient to induce SPV and shift the perovskite Φ and VBM by several 100 meV compared to dark. By combining UV and visible light, we establish flat band conditions (i.e., compensate the surface-state-induced surface band bending) at the surface of four important perovskites, and find that all are p-type in the bulk, despite a pronounced n-type surface character in the dark. The present findings highlight that SPV effects must be considered in all surface studies to fully understand perovskites’ photophysical properties. KW - lead halide perovskite films KW - ultraviolet photoelectron spectroscopy KW - Kelvin probe KW - surface band bending KW - surface photovoltage KW - surface states Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1021/acsami.9b05293 SN - 1944-8244 SN - 1944-8252 VL - 11 IS - 24 SP - 21578 EP - 21583 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - GEN A1 - Vilk, Ohad A1 - Aghion, Erez A1 - Avgar, Tal A1 - Beta, Carsten A1 - Nagel, Oliver A1 - Sabri, Adal A1 - Sarfati, Raphael A1 - Schwartz, Daniel K. A1 - Weiß, Matthias A1 - Krapf, Diego A1 - Nathan, Ran A1 - Metzler, Ralf A1 - Assaf, Michael T1 - Unravelling the origins of anomalous diffusion BT - from molecules to migrating storks T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Anomalous diffusion or, more generally, anomalous transport, with nonlinear dependence of the mean-squared displacement on the measurement time, is ubiquitous in nature. It has been observed in processes ranging from microscopic movement of molecules to macroscopic, large-scale paths of migrating birds. Using data from multiple empirical systems, spanning 12 orders of magnitude in length and 8 orders of magnitude in time, we employ a method to detect the individual underlying origins of anomalous diffusion and transport in the data. This method decomposes anomalous transport into three primary effects: long-range correlations (“Joseph effect”), fat-tailed probability density of increments (“Noah effect”), and nonstationarity (“Moses effect”). We show that such a decomposition of real-life data allows us to infer nontrivial behavioral predictions and to resolve open questions in the fields of single-particle tracking in living cells and movement ecology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1303 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577643 SN - 1866-8372 IS - 1303 ER - TY - JOUR A1 - Vilk, Ohad A1 - Aghion, Erez A1 - Avgar, Tal A1 - Beta, Carsten A1 - Nagel, Oliver A1 - Sabri, Adal A1 - Sarfati, Raphael A1 - Schwartz, Daniel K. A1 - Weiß, Matthias A1 - Krapf, Diego A1 - Nathan, Ran A1 - Metzler, Ralf A1 - Assaf, Michael T1 - Unravelling the origins of anomalous diffusion BT - from molecules to migrating storks JF - Physical review research / American Physical Society N2 - Anomalous diffusion or, more generally, anomalous transport, with nonlinear dependence of the mean-squared displacement on the measurement time, is ubiquitous in nature. It has been observed in processes ranging from microscopic movement of molecules to macroscopic, large-scale paths of migrating birds. Using data from multiple empirical systems, spanning 12 orders of magnitude in length and 8 orders of magnitude in time, we employ a method to detect the individual underlying origins of anomalous diffusion and transport in the data. This method decomposes anomalous transport into three primary effects: long-range correlations (“Joseph effect”), fat-tailed probability density of increments (“Noah effect”), and nonstationarity (“Moses effect”). We show that such a decomposition of real-life data allows us to infer nontrivial behavioral predictions and to resolve open questions in the fields of single-particle tracking in living cells and movement ecology. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033055 SN - 2643-1564 VL - 4 IS - 3 PB - American Physical Society CY - College Park, MD ER - TY - JOUR A1 - Kurths, Jürgen A1 - Agarwal, Ankit A1 - Shukla, Roopam A1 - Marwan, Norbert A1 - Maheswaran, Rathinasamy A1 - Caesar, Levke A1 - Krishnan, Raghavan A1 - Merz, Bruno T1 - Unravelling the spatial diversity of Indian precipitation teleconnections via a non-linear multi-scale approach JF - Nonlinear processes in geophysics N2 - A better understanding of precipitation dynamics in the Indian subcontinent is required since India's society depends heavily on reliable monsoon forecasts. We introduce a non-linear, multiscale approach, based on wavelets and event synchronization, for unravelling teleconnection influences on precipitation. We consider those climate patterns with the highest relevance for Indian precipitation. Our results suggest significant influences which are not well captured by only the wavelet coherence analysis, the state-of-the-art method in understanding linkages at multiple timescales. We find substantial variation across India and across timescales. In particular, El Niño–Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Ocean Dipole (IOD) mainly influence precipitation in the south-east at interannual and decadal scales, respectively, whereas the North Atlantic Oscillation (NAO) has a strong connection to precipitation, particularly in the northern regions. The effect of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) stretches across the whole country, whereas the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) influences precipitation particularly in the central arid and semi-arid regions. The proposed method provides a powerful approach for capturing the dynamics of precipitation and, hence, helps improve precipitation forecasting. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.5194/npg-26-251-2019 SN - 1023-5809 SN - 1607-7946 VL - 26 IS - 3 SP - 251 EP - 266 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Orgis, Thomas T1 - Unstetige Galerkin-Diskretisierung niedriger Ordnung in einem atmosphärischen Multiskalenmodell T1 - Low-order discontinuous Galerkin discretization in an atmospheric multi-scale model N2 - Die Dynamik der Atmosphäre der Erde umfasst einen Bereich von mikrophysikalischer Turbulenz über konvektive Prozesse und Wolkenbildung bis zu planetaren Wellenmustern. Für Wettervorhersage und zur Betrachtung des Klimas über Jahrzehnte und Jahrhunderte ist diese Gegenstand der Modellierung mit numerischen Verfahren. Mit voranschreitender Entwicklung der Rechentechnik sind Neuentwicklungen der dynamischen Kerne von Klimamodellen, die mit der feiner werdenden Auflösung auch entsprechende Prozesse auflösen können, notwendig. Der dynamische Kern eines Modells besteht in der Umsetzung (Diskretisierung) der grundlegenden dynamischen Gleichungen für die Entwicklung von Masse, Energie und Impuls, so dass sie mit Computern numerisch gelöst werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung eines unstetigen Galerkin-Verfahrens niedriger Ordnung für atmosphärische Anwendungen. Diese Eignung für Gleichungen mit Wirkungen von externen Kräften wie Erdanziehungskraft und Corioliskraft ist aus der Theorie nicht selbstverständlich. Es werden nötige Anpassungen beschrieben, die das Verfahren stabilisieren, ohne sogenannte „slope limiter” einzusetzen. Für das unmodifizierte Verfahren wird belegt, dass es nicht geeignet ist, atmosphärische Gleichgewichte stabil darzustellen. Das entwickelte stabilisierte Modell reproduziert eine Reihe von Standard-Testfällen der atmosphärischen Dynamik mit Euler- und Flachwassergleichungen in einem weiten Bereich von räumlichen und zeitlichen Skalen. Die Lösung der thermischen Windgleichung entlang der mit den Isobaren identischen charakteristischen Kurven liefert atmosphärische Gleichgewichtszustände mit durch vorgegebenem Grundstrom einstellbarer Neigung zu(barotropen und baroklinen)Instabilitäten, die für die Entwicklung von Zyklonen wesentlich sind. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten sind diese Zustände direkt im z-System(Höhe in Metern)definiert und müssen nicht aus Druckkoordinaten übertragen werden.Mit diesen Zuständen, sowohl als Referenzzustand, von dem lediglich die Abweichungen numerisch betrachtet werden, und insbesondere auch als Startzustand, der einer kleinen Störung unterliegt, werden verschiedene Studien der Simulation von barotroper und barokliner Instabilität durchgeführt. Hervorzuheben ist dabei die durch die Formulierung von Grundströmen mit einstellbarer Baroklinität ermöglichte simulationsgestützte Studie des Grades der baroklinen Instabilität verschiedener Wellenlängen in Abhängigkeit von statischer Stabilität und vertikalem Windgradient als Entsprechung zu Stabilitätskarten aus theoretischen Betrachtungen in der Literatur. N2 - The dynamics of the Earth’s atmosphere encompass a range from microphysical turbulence over convective processes and cloud formation up to planetary wave patterns. For weather forecasting and the investigation of climate over decades and centuries, these are subject to modelling with numerical methods. With progressing development of computer technology, re-development of the dynamical cores of climate models is in order to properly handle processes covered by the increasing resolution. The dynamical core of a model consists of the adaptation(discretization)of the basic equations for the dynamics of mass, energy and momentum for solving them numerically employing computers. The presented work investigates the applicability of a low-order Discontinuous Galerkin (DG) method for atmospheric applications. With equations that include external forces like gravitation and the Coriolis force, that is not given by theory. Necessary changes for stabilizing the method without resorting to slope limiters are presented. For the unmodified method, the basic inability to properly keep atmospheric balances is demonstrated. The developed stabilized model reproduces a set of standard test cases in a wide range of spatial and temporal scales. The solution of the termal wind equation along its characteristics curves, those being identical to the isobars, produces balanced atmospheric states with tunable (barotropic and baroclinic) instability via a prescribed zonal wind field. The constructed instability directly relates to the generation of cyclones. In contrast to earlier works, these balanced states are directly given in the z system (height in meters), without need for elaborate conversion from pressure coordinates. With these constructed states, both as reference state, the deviations from which being considered numerically, and as especially as initial condition subject to a small perturbation, several studies of barotropic and baroclinic instability are conducted via simulations. Particularily, the construction of steady states with configurable zonal flows of certain baroclinity facilitates a simulation-based study of baroclinic instability of differing wavelengths, depending on static stability and vertical wind gradient, in correspondence with stability maps from theoretical considerations in the literature. KW - Atmosphärenmodellierung KW - Unstetiges Galerkin-Verfahren KW - Multiskale KW - Barokline Instabilität KW - thermische Windgleichung KW - atmospheric modelling KW - discontinuous Galerkin method KW - multi-scale KW - baroclinic instability KW - thermal wind equation Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70687 ER - TY - JOUR A1 - Nowak, Anna T1 - Untersuchung der Qualität von Selbstreflexionstexten zum Physikunterricht BT - Entwicklung des Reflexionsmodells REIZ JF - Studien zum Physik- und Chemielernen N2 - Reflexion wird als notwendig für die professionelle Entwicklung von Lehrer:innen und die Verbesserung von Unterricht angesehen, wenngleich aus theoretischer Sicht große Uneinigkeit über den Begriff selbst, den Reflexionsprozess und die damit verbundenen Kompetenzen herrscht. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Untersuchung und Weiterentwicklung eines Reflexionsmodells mit einem theoriebasierten, klaren Konzept des Reflexionsprozesses und einem passenden Anspruch an die Reflexionsleistung der Reflektierenden. Grundlage für die empirische Untersuchung waren N = 132 Selbstreflexionstexte von N = 22 Studierenden aus dem Praxissemester Physik. Zur Codierung der Texte wurden vier mittels qualitativer Inhaltsanalyse entwickelte Manuale angewandt. Mit quantitativen Methoden wurden Zusammenhänge zwischen strukturellen Elementen, Begründungen, Inhalten und dem Qualitätsmerkmal Reflexionstiefe überprüft. Es zeigte sich ein "Überhang an Negativität": negative Bewertungen, negative Reflexionsauslöser und negative Inhalte hängen signifikant positiv mit größerer Reflexionstiefe zusammen. Auf Grundlage der empirischen Ergebnisse wurde das Reflexionsmodell mit externaler und internaler Zielorientierung (REIZ) entwickelt. Zudem wurde darauf aufbauend eine Definition für Reflexionstiefe in vier Argumentationsclustern formuliert. Für die Lehrkräftebildung wird der in REIZ dargestellte differenzierte Ansatz der Zielorientierung von Reflexion empfohlen. KW - Reflexion KW - Reflexionsmodell KW - Reflexionstiefe KW - Reflexionsqualität Y1 - 2023 SN - 978-3-8325-5739-3 U6 - https://doi.org/10.30819/5739 SN - 1614-8967 VL - 371 PB - Logos CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Schulz, Alexander T1 - Untersuchung der Wechselwirkung synoptisch-skaliger mit orographisch bedingten Prozessen in der arktischen Grenzschicht über Spitzbergen N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die planetare Grenzschicht in Ny-Ålesund, Spitzbergen, sowohl bezüglich kleinskaliger („mikrometeorologischer“) Effekte als auch in ihrer Kopplung mit der Synoptik untersucht. Dazu werden verschiedene Beobachtungsdaten aus der Säule und in Bodennähe zusammengezogen und bewertet. Die so gewonnenen Datensätze werden dann zur Validierung eines nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodells genutzt. Weiterhin werden orographisch bedingte Einflüsse, die Untergrundbeschaffenheit und die lokale Heterogenität der Unterlage untersucht. Hierzu werden meteorologische Größen, wie die Variabilität der Temperatur und insbesondere die jährliche Windverteilung in Bodennähe untersucht und es erfolgt ein Vergleich von in-situ gemessenen turbulenten Flüssen von den Eddy-Kovarianz-Messkomplexen bei Ny-Ålesund und im Bayelva-Tal unter demselben Aspekt. Es zeigt sich, dass der Eddy-Kovarianz-Messkomplex im Bayelva-Tal sehr stark durch eine orographisch bedingte Kanalisierung der Strömung beeinflusst ist und sich nicht für Vergleiche mit regionalen Klimamodellen mit horizontalen Auflösungen von <1km eignet. Die hohe Bodenfeuchte im Bayelva-Tal führt zudem zu einem deutlich kleineren Bowen-Verhältnis, als es für diese Region zu erwarten ist. Der Eddy-Kovarianz-Messkomplex bei Ny-Ålesund erweist sich hingegen als geeigneter für solche Modellvergleiche, aufgrund der typischen, küstennahen Windverteilung und des repräsentativen Footprints. Letzteres wird durch die Bestimmung der Footprint-Klimatologie des Jahres 2013 mit einem aktuellen Footprint-Modell erarbeitet. Weiterhin wird die Auswirkung von (Anti-) Zyklonen über den Archipel auf die zeitliche Variabilität der lokalen Grenzschichteigenschaften untersucht und bewertet. Dazu wird ein Zyklonen-Detektions-Algorithmus auf ERA-Interim-Reanalysedatensätze angewendet, wodurch die Häufigkeit von nahezu ideal konzentrischen Hoch- und die Tiefdruckgebieten für drei Jahre bestimmt wird. Aus dieser Verteilung werden insgesamt drei interessante Zeiträume zu verschiedenen Jahreszeiten ausgewählt und im Rahmen von Prozessstudien die lokalen bodennahen meteorologischen Messungen, der turbulente Austausch an der Oberfläche und die Grenzschichtdynamik in der Säule untersucht. Die zeitliche Variabilität der dynamischen Grenzschichtstabilität in der Säule wird anhand von zeitlich hoch aufgelösten vertikalen Profilen der Bulk-Richardson-Zahl aus Kompositprofilen aus Fernerkundungsinstrumenten (Radiometer, Wind-LIDAR) sowie Mastdaten (BSRN-Mast) untersucht und die Grenzschichthöhe ermittelt. Aus diesen Analysen ergibt sich eine deutliche Abhängigkeit der thermischen Stabilität beim Durchzug von Fronten, eine damit einhergehende erhebliche Abhängigkeit der Grenzschichtdynamik und der Grenzschichthöhe sowie des turbulenten Austauschs von der zeitlichen Variabilität der Windgeschwindigkeit in der Säule. Auf Grundlage der Standortanalysen und Prozessstudien erfolgt ein Vergleich der bodennahen Messungen und den Beobachtungen aus der Säule, sowohl von den genannten Fernerkundungsinstrumenten als auch von In-situ-Messungen (Radiosonden) für den Zeitraum einer Radiosondierungskampagne mit dem nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodel WRF (ARW). Auf Grundlage der Fragestellung, inwieweit aktuelle Schemata die Grenzschichtcharakteristika in orographisch stark gegliedertem Gelände in der Arktis reproduzieren können, werden zwei Grenzschichtparametrisierungsschemata mit verschiedenen Ordnungen der Schließung validiert. Hierzu wird die zeitliche Variabilität der Temperatur, der Feuchte und des Windfeldes in der Säule bis 2000m in den Simulationen mit den Beobachtungsdaten vergleichen. Es wird gezeigt, dass durch Modifikation der Initialwertfelder eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Beobachtungen bereits bei einer horizontalen Auflösung von 1km erreicht werden kann und die Wahl des Grenzschichtschemas nur untergeordneten Einfluss hat. Hieraus werden Ansätze der Weiterentwicklung der Parametrisierungen, aber auch Empfehlungen bezüglich der Initialwertfelder, wie der Landmaske und der Orographie, vorgeschlagen. N2 - In this work, the planetary boundary layer in Ny-Ålesund, Svalbard is investigated both in terms of small scale (“micrometeorological”) effects and its connection to synoptic scale processes. Therefore several observational data from the lower troposphere and near the surface are added together and evaluated. These datasets are used to validate a non-hydrostatic, regional climate model. Furthermore orographically induced influences and the character of the surface and its local heterogeneity are investigated. To this, meteorological quantities like the temperature variability and the annual wind distribution near the surface are analysed and a comparison of in-situ measurements of the turbulent fluxes from the eddy covariance measuring complexes near Ny-Ålesund and in the Bayelva valley are conducted accordingly. It is shown that the eddy-covariance measuring complex in the Bayelva valley is influenced considerably by local channelling of the flow. Therefore this station is not suitable for comparisons with a regional climate model with horizontal resolutions ≥1km. In addition, higher soil moisture results in lower Bowen-ratio than expected for this site. It turned out that the eddy-covariance measuring complex near Ny-Ålesund is more appropriate for such model studies due to typical coastal wind distribution and a representative footprint. The latter is calculated by determining the footprint climatology of the year 2013 with a current footprint model. Furthermore the impact of (anti-) cyclones over the archipelago on the temporal variability of boundary layer characteristics is investigated and evaluated. For this purpose, a cyclone detection algorithm is applied to ERA-Interim reanalysis data which determines the frequency of nearly ideal concentric high and low pressure systems for three years. From this distribution, three interesting time periods are selected at different seasons and the local near surface meteorological measurements, the turbulent fluxes at the surface and the boundary layer dynamics in the column are examined in case studies. The temporal variability of the dynamic stability of the planetary boundary layer in the column is examined by temporally high resolved vertical profiles of the bulk Richardson number from composite profiles compiled from remote sensing data (radiometer, wind LIDAR) as well as data from the BSRN mast. From these analyses, a clear dependence of the thermal stability during the passage of fronts, a corresponding dependence of the boundary layer dynamics and the boundary layer height as well as the turbulent exchange from the temporal variability of the wind speed in the column results. On the basis of the site analyses and the case studies, a comparison of near surface measurements and observations from the column is made, both from the above-mentioned remote sensing instruments and in-situ measurements (radio soundings) for the period of an intense radio sounding campaign with the non-hydrostatic regional climate model WRF (ARW). On the basis of the question as to how far current schemes can reproduce the boundary layer characteristics in complex terrain in the Arctic, two boundary layer parameterization schemes with different orders of closure are validated. For this purpose, the temporal variability of the temperature, humidity and wind field in the column up to 2000m height in the simulations is compared with observational data. It is shown that by modifying fields of initial value, a very good agreement between the simulations and the observations can already be achieved with a horizontal resolution of 1km. The choice of the boundary layer scheme has only a minor influence. From this, approaches to the further development of the parameterizations as well as recommendations concerning the initial value fields, such as the land mask and the orography, are proposed. KW - atmosphärische Grenzschicht KW - atmospheric boundary layer KW - Mikrometeorologie KW - micrometeorology KW - regionale Klimamodellierung KW - regional climate modelling KW - Turbulenzmessung KW - turbulence measurement KW - arktische Atmosphäre KW - Arctic atmosphere Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400058 ER - TY - THES A1 - Müller, Jirka T1 - Untersuchungen zum flow-Erleben bei Experimenten als physikalische Lerngelegenheit N2 - In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in wie weit physikalische Experimente ein flow-Erleben bei Lernenden hervorrufen. Flow-Erleben wird als Motivationsursache gesehen und soll den Weg zu Freude und Glück darstellen. Insbesondere wegen dem oft zitierten Fachkräftemangel in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen ist eine Motivationssteigerung in naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern wichtig. Denn trotz Leistungssteigerungen in internationalen Vergleichstests möchten in Deutschland deutlich weniger Schüler*innen einen solchen Beruf ergreifen als in anderen Industriestaaten. Daher gilt es, möglichst früh Schüler*innen für naturwissenschaftlich-technische Fächer zu begeistern und insbesondere im regelrecht verhassten Physikunterricht flow-Erleben zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das flow-Erleben von Studierenden in klassischen Laborexperimenten und FELS (Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone) als Lernumgebung untersucht. FELS ist eine an die Lebenswelt der Schüler*innen angepasste Lernumgebung, in der sie mit Smartphones ihre eigene Lebenswelt experimentell untersuchen. Es zeigt sich, dass sowohl klassische Laborexperimente als auch in der Lebenswelt durchgeführte, smartphonebasierte Experimente flow-Erleben erzeugen. Allerdings verursachen die smartphonebasierten Experimente kaum Stressgefühle. Die in dieser Arbeit herausgefundenen Ergebnisse liefern einen ersten Ansatz, der durch Folgestudien erweitert werden sollte. N2 - The present work examines to what extent physical experiments induce a flow-experience in students. Experiencing flow is seen as a source of motivation and should represent the path to joy and happiness. In particular, because of the often-cited shortage of employees in the natural sciences and technical professions, increasing motivation in natural sciences subjects is important. Because despite performance increases in international comparative tests, significantly fewer students in Germany want to take up such a profession than in other industrialized countries. It is therefore important to get students enthusiastic about scientific and technical subjects as early as possible and, in particular, to create a flow experience in the downright hated physics class. In the context of this work, the flow-experience of students is examined as a learning environment in classic laboratory experiments and FELS (inquiry-based learning with the smartphone, based on the German term: Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone). FELS is a learning environment adapted to the students' living environment, in which they use smartphones to experimentally examine their own living environment. It turns out that both classic laboratory experiments and smartphone-based experiments create flow-experiences. However, the smartphone-based experiments hardly cause any feelings of stress. The results found in this work provide a first approach, which should be expanded through follow-up studies. T2 - Examining the flow-experience in experiments as a physical learning opportunity KW - Flow KW - Smartphone KW - Experimente KW - Physikdidaktik KW - FELS KW - Lernumgebung KW - blended learning KW - Forschend Entdeckendes Lernen KW - inquiry based learning KW - physics education KW - learning environment KW - experiment Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482879 ER - TY - THES A1 - Kleppek, Sabine T1 - Untersuchungen zur dynamischen Kopplung der Troposphäre und der Stratosphäre T1 - Analyses of the dynamical coupling of the troposphere and the stratosphere N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein besseres Verständnis der Kopplung der Troposphäre und der Stratosphäre in den mittleren und polaren Breiten der Nordhemisphäre (NH) auf Monatszeitskalen erzielt, die auf die Ausbreitung von quasi-stationären Wellen zurückzuführen ist. Der Schwerpunkt lag dabei auf den dynamisch aktiven Wintermonaten, welche die grösste Variabilität aufweisen. Die troposphärische Variabilität wird zum Grossteil durch bevorzugte Zirkulationsstrukturen, den Telekonnexionsmustern, bestimmt. Mittels einer rotierten EOF-Analyse der geopotenziellen Höhe in 500 hPa wurden die wichtigsten regionalen troposphärischen Telekonnexionsmuster der Nordhemisphäre berechnet. Diese lassen sich drei grossen geografischen Regionen zuordnen; dem nordatlantisch-europäischen Raum, Eurasien und dem pazifisch-nordamerikanischen Raum. Da es sich um die stärksten troposphärischen Variabilitätsmuster handelt, wurden sie als grundlegende troposphärische Grössen herangezogen, um dynamische Zusammenhänge zwischen der troposphärischen und der stratosphärischen Zirkulation zu untersuchen. Dabei wurde anhand von instantanen und zeitverzögerten Korrelationsanalysen der troposphärischen Muster mit stratosphärischen Variablen erstmalig gezeigt, dass unterschiedliche regionale troposphärische Telekonnexionsmuster unterschiedliche Auswirkungen auf die stratosphärische Zirkulation haben. Es ergaben sich für die pazifisch-nordamerikanischen Muster signifikante instantane Korrelationen mit quasi-barotropen Musterstrukturen und für die nordatlantisch-europäischen Muster zonalsymmetrische Ringstrukturen ab 1978 mit signifikanten Korrelationswerten über tropischen und subtropischen Breiten und inversen Korrelationswerten über polaren Gebieten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der stratosphärischen Variabilität wurde gezeigt, dass sich die stärkste Kopplung von nordatlantisch-europäischen Telekonnexionsmustern mit der stratosphärischen Zirkulation bei einem in Richtung Europa verschobenen Polarwirbel ergibt, wodurch die signifikanten Korrelationen ab 1978 erklärt werden können. Eine zonal gemittelte und vor allem lokale Untersuchung der Wellenausbreitungsbedingungen während dieser stratosphärischen Situation zeigt, dass es zu schwächeren Windgeschwindigkeiten in der Stratosphäre im Bereich von Nordamerika und des westlichen Nordatlantiks kommt und sich dadurch die Wellenausbreitungsbedingungen in diesem geografischen Bereich für planetare Wellen verbessern. Durch die stärkere Wellenausbreitung kommt es zu einer stärkeren Wechselwirkung mit dem Polarjet, wobei dieser abgebremst wird. Diese Abbremsung führt zu einer Verstärkung der meridionalen Residualzirkulation. D. h., wenn es zu einer verstärkten Wellenanregung im Nordatlantik und über Europa kommt, ist die Reaktion der Residualzirkulation bei einem nach Europa verschobenem Polarwirbel besonders stark. Die quasi-barotropen Korrelationsstrukturen, die sich bei den pazifisch-nordamerikanischen Mustern zeigen, weisen aufgrund von abnehmenden Störungsamplituden mit zunehmender Höhe, keiner Westwärtsneigung und einem negativen Brechungsindex im Pazifik auf verschwindende Wellen hin, die als Lösung der Wellengleichung bei negativem Brechungsindex auftreten. Dies wird durch den Polarjet, der im Bereich des Pazifiks stets sehr weit in Richtung Norden verlagert ist, verursacht. Abschliessend wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die gefundenen Zusammenhänge von nordatlantisch-europäischen Telekonnexionsmustern mit der stratosphärischen Zirkulation auch von einem Atmosphärenmodell wiedergegeben werden können. Dazu wurde ein transienter 40-Jahre-Klimalauf des ECHAM4.L39(DLR)/CHEM Modells mit möglichst realistischen Antrieben erstmalig auf die Kopplung der Troposphäre und der Stratosphäre analysiert. Dabei konnten sowohl die troposphärischen, als auch die stratosphärischen Variabilitätsmuster vom Modell simuliert werden. Allerdings zeigen sich in den stratosphärischen Mustern Phasenverschiebungen in den Wellenzahl-1-Strukturen und ihre Zeitreihen weisen keinen signifikanten Trend ab 1978 auf. Die Kopplung der nordatlantisch-europäischen Telekonnexionsmuster mit der stratosphärischen Zirkulation zeigt eine wesentlich schwächere Reaktion der meridionalen Residualzirkulation. Somit stellte sich heraus, dass insbesondere die stratosphärische Zirkulation im Modell starke Diskrepanzen zu den Beobachtungen zeigt, die wiederum Einfluss auf die Wellenausbreitungsbedingungen haben. Es wird damit deutlich, dass für eine richtige Wiedergabe der Wellenausbreitung und somit der Kopplung der Troposphäre und Stratosphäre die stratosphärische Zirkulation eine wichtige Rolle spielt. N2 - Within the scope of this study a better understanding of the coupling of the troposphere and the stratosphere in the middle and polar latitudes (NH) on monthly timescales, caused by the propagation of quasi-stationary waves is improved. The approach was focused on the dynamical active winter months, including the largest variablity. The tropospheric variability is strongly affected by preferred circulation patterns, the so called teleconnection patterns. The most important, regional, tropospheric teleconnection patterns in the Northern Hemisphere are determined by means of a rotated EOF-Analyses of the geopotential height at the 500 hPa level. They can be attributed to three geographical regions; North Atlantic/Europe, Eurasia and Pacific/North America. These strongest tropospheric variability patterns are taken as the basic tropospheric quantities to analyse the connections between the tropospheric and stratospheric circulation. By means of instantaneous and time-lagged correlation analyses, it has been shown for the first time that different regional, tropospheric teleconnection patterns have different effects on the stratospheric circulation. The Pacific/North American patterns reveal significant correlation values with quasi-barotropic structures and the North Atlantic/European patterns show significant correlations over tropical and subtropical latitudes and invers correlation values over the polar region. The investigation of the stratospheric variability influence reveals that the strongest coupling of the North Atlantic/European teleconnection patterns with the stratospheric circulation appears during periods with a shift of the polar vortex towards Europe. The zonal averaged and particularly the local analyses of the wave propagation conditions show that weaker wind speed in the stratosphere over North America and the western part of the North Atlantic leads to improved wave propagation conditions in this geographical region. The stronger wave propagation produces a stronger interaction of the waves with the polar jet which results in enhanced wave breaking and an amplification of the residual circulation. In the case of a stronger wave forcing in the North Atlantic and over Europe these will be a stronger reaction of the residual circulation. The quasi-barotropic correlation structures, induced by the Pacific/North American patterns, are an indicator for evanescent waves because of the decreasing perturbations with increasing height, none westward declination and a negative refractive index in the Pacific. This is generated by the polar jet in the Pacific which is always shifted very far to the north. Concluding, it was studied, whether Atmospheric General Circulation Models (AGCMs) can reproduce the detected connections of the North Atlantic/European teleconnection patterns with the stratospheric circulation. Therefore the transient model run of the interactively coupled chemistry-climate model ECHAM4.L39(DLR)/ CHEM is used for analysing the troposphere-stratosphere coupling, covering the period from 1960 to 1999. Both, the tropospheric and the stratospheric variability patterns have been simulated by the model. However the stratospheric patterns show a phase shift in the wave number 1 patterns and the time series of the wave number 1 structures do not offer a significant trend since 1978. The coupling of the North Atlantic/European teleconnection patterns with the stratospheric circulation shows a significantly weaker annular-like correlation structure. It turned out, that the stratospheric circulation particularly shows strong discrepancies to the observations which can influence the wave propagation conditions again. Therefore, the stratospheric circulation plays an important role for an accurate reproduction of the wave propagation and consequently for the coupling of the troposphere and the stratosphere. KW - Wellenausbreitung KW - dynamische Klimatologie KW - Dynamik der Atmosphäre KW - Ausbreitung planetarer Wellen KW - Telekonnexionsmuster KW - Stratosphärendynamik KW - dynamic of the atmosphere KW - planetary wave propagation KW - teleconnection patterns KW - stratospheric circulation Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6421 ER -