@article{MutothyaXuLietal.2021, author = {Mutothya, Nicholas Mwilu and Xu, Yong and Li, Yongge and Metzler, Ralf}, title = {Characterising stochastic motion in heterogeneous media driven by coloured non-Gaussian noise}, series = {Journal of physics : A, Mathematical and theoretical}, volume = {54}, journal = {Journal of physics : A, Mathematical and theoretical}, number = {29}, publisher = {IOP Publ. Ltd.}, address = {Bristol}, issn = {1751-8113}, doi = {10.1088/1751-8121/abfba6}, pages = {31}, year = {2021}, abstract = {We study the stochastic motion of a test particle in a heterogeneous medium in terms of a position dependent diffusion coefficient mimicking measured deterministic diffusivity gradients in biological cells or the inherent heterogeneity of geophysical systems. Compared to previous studies we here investigate the effect of the interplay of anomalous diffusion effected by position dependent diffusion coefficients and coloured non-Gaussian noise. The latter is chosen to be distributed according to Tsallis' q-distribution, representing a popular example for a non-extensive statistic. We obtain the ensemble and time averaged mean squared displacements for this generalised process and establish its non-ergodic properties as well as analyse the non-Gaussian nature of the associated displacement distribution. We consider both non-stratified and stratified environments.}, language = {en} } @phdthesis{Muench2018, author = {M{\"u}nch, Thomas}, title = {Interpretation of temperature signals from ice cores}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {xxi, 197}, year = {2018}, abstract = {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.}, language = {en} } @phdthesis{Kraut2001, author = {Kraut, Suso}, title = {Multistable systems under the influence of noise}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0000424}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, year = {2001}, abstract = {Nichtlineare multistabile Systeme unter dem Einfluss von Rauschen weisen vielschichtige dynamische Eigenschaften auf. Ein mittleres Rauschlevel zeitigt ein Springen zwischen den metastabilen Zustaenden. Dieser "attractor-hopping" Prozess ist gekennzeichnet durch laminare Bewegung in der Naehe von Attraktoren und erratische Bewegung, die sich auf chaotischen Satteln abspielt, welche in die fraktalen Einzugsgebietsgrenzen eingebettet sind. Er hat rauschinduziertes Chaos zur Folge. Bei der Untersuchung der dissipativen Standardabbildung wurde das Phaenomen der Praeferenz von Attraktoren durch die Wirkung des Rauschens gefunden. Dies bedeutet, dass einige Attraktoren eine groessere Wahrscheinlichkeit erhalten aufzutreten, als dies fuer das rauschfreie System der Fall waere. Bei einer bestimmten Rauschstaerke ist diese Bevorzugung maximal. Andere Attraktoren werden aufgrund des Rauschens weniger oft angelaufen. Bei einer entsprechend hohen Rauschstaerke werden sie komplett ausgeloescht. Die Komplexitaet des Sprungprozesses wird fuer das Modell zweier gekoppelter logistischer Abbildungen mit symbolischer Dynamik untersucht. Bei Variation eines Parameters steigt an einem bestimmten Wert des Parameters die topologische Entropie steil an, die neben der Shannon Entropie als Komplexitaetsmass verwendet wird. Dieser Anstieg wird auf eine neuartige Bifurkation von chaotischen Satteln zurueckgefuehrt, die in einem Verschmelzen zweier Sattel besteht und durch einen "Snap-back"-Repellor vermittelt wird. Skalierungsgesetze sowohl der Verweilzeit auf einem der zuvor getrennten Teile des Sattels als auch des Wachsens der fraktalen Dimension des entstandenen Sattels beschreiben diese neuartige Bifurkation genauer. Wenn ein chaotischer Sattel eingebettet in der offenen Umgebung eines Einzugsgebietes eines metastabilen Zustandes liegt, fuehrt das zu einer deutlichen Senkung der Schwelle des rauschinduzierten Tunnelns. Dies wird anhand der Ikeda-Abbildung, die ein Lasersystem mit einer zeitverzoegerden Interferenz beschreibt, demonstriert. Dieses Resultat wird unter Verwendung der Theorie der Quasipotentiale erzielt. Sowohl dieser Effekt, die Senkung der Schwelle f{\"u}r rauschinduziertes Tunneln aus einem metastabilen Zustand durch einen chaotischen Sattel, als auch die beiden Skalierungsgesteze sind von experimenteller Relevanz.}, language = {en} } @phdthesis{Ullner2004, author = {Ullner, Ekkehard}, title = {Noise-induced phenomena of signal transmission in excitable neural models}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001522}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, year = {2004}, abstract = {Meine Dissertation behandelt verschiedene neue rauschinduzierte Ph{\"a}nomene in anregbaren Neuronenmodellen, insbesondere solche mit FitzHugh-Nagumo Dynamik. Ich beschreibe das Auftreten von vibronischer Resonanz in anregbaren Systemen. Sowohl in einer anregbaren elektronischen Schaltung als auch im FitzHugh-Nagumo Modell zeige ich, daß eine optimale Amplitude einer hochfrequenten externen Kraft die Signalantwort bez{\"u}glich eines niederfrequenten Signals verbessert. Weiterhin wird der Einfluß von additivem Rauschen auf das Zusammenwirken von stochastischer und vibronischer Resonanz untersucht. Weiterhin untersuche ich Systeme, die sowohl oszillierende als auch anregbare Eigenschaften beinhalten und dadurch zwei interne Frequenzen aufweisen. Ich zeige, daß in solchen Systemen der Effekt der stochastischen Resonanz deutlich erh{\"o}ht werden kann, wenn eine zus{\"a}tzliche hochfrequente Kraft in Resonanz mit den kleinen Oszillationen unterhalb der Anregungsschwelle hinzugenommen wird. Es ist beachtenswert, daß diese Verst{\"a}rkung der stochastischen Resonanz eine geringere Rauschintensit{\"a}t zum Erreichen des Optimums ben{\"o}tigt als die standartm{\"a}ßige stochastische Resonanz in anregbaren Systemen. Ich untersuche Frequenzselektivit{\"a}t bei der rauschinduzierten Signalverarbeitung von Signalen unterhalb der Anregungsschwelle in Systemen mit vielen rauschunterst{\"u}tzten stochastischen Attraktoren. Diese neuen Attraktoren mit abweichenden gemittelten Perioden weisen auch unterschiedliche Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Elementen auf. Ich zeige, daß die Signalantwort des gekoppelten Systems unter verschiedenen Rauscheinwirkungen deutlich verbessert oder auch reduziert werden kann durch das Treiben einzelner Elemente in Resonanz mit diesen neuen Resonanzfrequenzen, die mit passenden Phasenbeziehungen korrespondieren. Weiterhin konnte ich einen rauschinduzierten Phasen{\"u}bergang von einem selbstoszillierenden System zu einem anregbaren System nachweisen. Dieser {\"U}bergang erfolgt durch eine rauschinduzierte Stabilisierung eines deterministisch instabilen Fixpunktes der lokalen Dynamik, w{\"a}hrend die gesamte Phasenraumstruktur des Systems erhalten bleibt. Die gemeinsame Wirkung von Kopplung und Rauschen f{\"u}hrt zu einem neuen Typ von Phasen{\"u}berg{\"a}ngen und bewirkt eine Stabilisierung des Systems. Das sich daraus ergebende rauschinduziert anregbare Regime zeigt charakteristische Eigenschaften von klassisch anregbaren Systemen, wie stochastische Resonanz und Wellenausbreitung. Dieser rauschinduzierte Phasen{\"u}bergang erm{\"o}glicht dadurch die {\"U}bertragung von Signalen durch ansonsten global oszillierende Systeme und die Kontrolle der Signal{\"u}bertragung durch Ver{\"a}nderung der Rauschintensit{\"a}t. Insbesondere er{\"o}ffnen diese theoretischen Ergebnisse einen m{\"o}glichen Mechanismus zur Unterdr{\"u}ckung unerw{\"u}nschter globaler Oszillationen in neuronalen Netzwerken, welche charakteristisch f{\"u}r abnorme medizinische Zust{\"a}nde, wie z.B. bei der Parkinson\′schen Krankheit oder Epilepsie, sind. Die Wirkung von Rauschen w{\"u}rde dann wieder die Anregbarkeit herstellen, die den normalen Zustand der erkrankten Neuronen darstellt.}, language = {en} } @phdthesis{Zaikin2002, author = {Zaikin, Alexei}, title = {Noise-induced transitions and resonant effects in nonlinear systems}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0000761}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, year = {2002}, abstract = {Unsere allt{\"a}gliche Erfahrung ist mit verschiedenen akustischen Einfluessen wie L{\"a}rm, aber auch Musik verbunden. Jeder weiss, wie L{\"a}rm st{\"o}ren kann und Kommunikation behindert oder gar unterbindet. {\"A}hnliche optische Effekte sind bekannt: starkes Schneetreiben oder Regeng{\"u}sse verschlechtern die Sicht und lassen uns Umrisse nur noch schemenhaft erkennen. Jedoch koennen {\"a}hnliche Stimuli auch sehr positive Auswirkungen haben: Autofahrer fahren bei leiser Musik konzentrierter -- die Behauptung von Schulkindern, nur bei dr{\"o}hnenden B{\"a}ssen die Mathehausaufgaben richtig rechnen zu k{\"o}nnen, ist allerdings nicht wissenschaftlich erwiesen. Außerordentlich interessant aus dieser Sicht sind auch Reizleitungsprozesse: Reize werden nur weitergleitet, wenn die strukturlosen Signale der Neuronen mit ausreichend starker Intensit{\"a}t erfolgen, also ein Schwellwert {\"u}berschritten ist. Der Physiker Dr. Alexei Zaikin von der Universit{\"a}t Potsdam besch{\"a}ftigt sich mit sogenannten rauschinduzierten Ph{\"a}nomenen aus theorischer Sicht. Sein Forschungsgebiet sind Prozesse, bei denen Rauschen mehrfach das Systemverhalten beeinflusst: ist es ausreichend gross, d.h. gr{\"o}ßer als ein kritischer Wert, wird eine regul{\"a}re Struktur gebildet, die durch das immernoch vorhandene Rauschen mit der Struktur des Nachbarsystems synchronisiert. Um ein solches System mit kritischem Wert zu erhalten, bedarf es einer weiteren Rauschquelle. Herr Zaikin analysierte noch weitere Beispiele solcher doppelt stochastischen Effekte. Die Ausarbeitung derartiger theoretischer Grundlagen ist wichtig, da diese Prozesse in der Neurophysik, in technischen Kommunikationssystemen und in den Lebenswissenschaften eine Rolle spielen.}, language = {en} } @unpublished{HenkelPieplow2014, author = {Henkel, Carsten and Pieplow, Gregor}, title = {Reply to Comment on 'Fully covariant radiation force on a polarizable particle'}, series = {New journal of physics : the open-access journal for physics}, volume = {16}, journal = {New journal of physics : the open-access journal for physics}, publisher = {IOP Publ. Ltd.}, address = {Bristol}, issn = {1367-2630}, doi = {10.1088/1367-2630/16/11/118002}, pages = {8}, year = {2014}, abstract = {We argue that the theories of Volokitin and Persson (2014 New J. Phys. 16 118001), Dedkov and Kyasov (2008 J. Phys.: Condens. Matter 20 354006), and Pieplow and Henkel (2013 New J. Phys. 15 023027) agree on the electromagnetic force on a small, polarizable particle that is moving parallel to a planar, macroscopic body, as far as the contribution of evanescent waves is concerned. The apparent differences are discussed in detail and explained by choices of units and integral transformations. We point out in particular the role of the Lorentz contraction in the procedure used by Volokitin and Persson, where a macroscopic body is 'diluted' to obtain the force on a small particle. Differences that appear in the contribution of propagating photons are briefly mentioned.}, language = {en} } @article{VlasovKomarovPikovskij2015, author = {Vlasov, Vladimir and Komarov, Maxim and Pikovskij, Arkadij}, title = {Synchronization transitions in ensembles of noisy oscillators with bi-harmonic coupling}, series = {Journal of physics : A, Mathematical and theoretical}, volume = {48}, journal = {Journal of physics : A, Mathematical and theoretical}, number = {10}, publisher = {IOP Publ. Ltd.}, address = {Bristol}, issn = {1751-8113}, doi = {10.1088/1751-8113/48/10/105101}, pages = {16}, year = {2015}, abstract = {We describe synchronization transitions in an ensemble of globally coupled phase oscillators with a bi-harmonic coupling function, and two sources of disorder-diversity of the intrinsic oscillators' frequencies, and external independent noise forces. Based on the self-consistent formulation, we derive analytic solutions for different synchronous states. We report on various non-trivial transitions from incoherence to synchrony, with the following possible scenarios: simple supercritical transition (similar to classical Kuramoto model); subcritical transition with large area of bistability of incoherent and synchronous solutions; appearance of a symmetric two-cluster solution which can coexist with the regular synchronous state. We show that the interplay between relatively small white noise and finite-size fluctuations can lead to metastability of the asynchronous solution.}, language = {en} } @article{GandhimathiRajasekarKurths2006, author = {Gandhimathi, V. M. and Rajasekar, S. and Kurths, J{\"u}rgen}, title = {Vibrational and stochastic resonances in two coupled overdamped anharmonic oscillators}, series = {Modern physics letters : A, Particles and fields, gravitation, cosmology, nuclear physics}, volume = {360}, journal = {Modern physics letters : A, Particles and fields, gravitation, cosmology, nuclear physics}, number = {2}, publisher = {Elsevier}, address = {Amsterdam}, issn = {0375-9601}, doi = {10.1016/j.physleta.2006.08.051}, pages = {279 -- 286}, year = {2006}, abstract = {We study the overdamped version of two coupled anharmonic oscillators under the influence of both low- and high-frequency forces respectively and a Gaussian noise term added to one of the two state variables of the system. The dynamics of the system is first studied in the presence of both forces separately without noise. In the presence of only one of the forces, no resonance behaviour is observed, however, hysteresis happens there. Then the influence of the high-frequency force in the presence of a low-frequency, i.e. biharmonic forcing, is studied. Vibrational resonance is found to occur when the amplitude of the high-frequency force is varied. The resonance curve resembles a stochastic resonance-like curve. It is maximum at the value of g at which the orbit lies in one well during one half of the drive cycle of the low-frequency force and in the other for the remaining half cycle. Vibrational resonance is characterized using the response amplitude and mean residence time. We show the occurrence of stochastic resonance behaviour in the overdamped system by replacing the high-frequency force by Gaussian noise. Similarities and differences between both types of resonance are presented. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.}, language = {en} }