TY - THES A1 - Schanner, Maximilian Arthus T1 - Correlation based modeling of the archeomagnetic field T1 - Korrelationsbasierte Modellierung des archäomagnetischen Feldes N2 - The geomagnetic main field is vital for live on Earth, as it shields our habitat against the solar wind and cosmic rays. It is generated by the geodynamo in the Earth’s outer core and has a rich dynamic on various timescales. Global models of the field are used to study the interaction of the field and incoming charged particles, but also to infer core dynamics and to feed numerical simulations of the geodynamo. Modern satellite missions, such as the SWARM or the CHAMP mission, support high resolution reconstructions of the global field. From the 19 th century on, a global network of magnetic observatories has been established. It is growing ever since and global models can be constructed from the data it provides. Geomagnetic field models that extend further back in time rely on indirect observations of the field, i.e. thermoremanent records such as burnt clay or volcanic rocks and sediment records from lakes and seas. These indirect records come with (partially very large) uncertainties, introduced by the complex measurement methods and the dating procedure. Focusing on thermoremanent records only, the aim of this thesis is the development of a new modeling strategy for the global geomagnetic field during the Holocene, which takes the uncertainties into account and produces realistic estimates of the reliability of the model. This aim is approached by first considering snapshot models, in order to address the irregular spatial distribution of the records and the non-linear relation of the indirect observations to the field itself. In a Bayesian setting, a modeling algorithm based on Gaussian process regression is developed and applied to binned data. The modeling algorithm is then extended to the temporal domain and expanded to incorporate dating uncertainties. Finally, the algorithm is sequentialized to deal with numerical challenges arising from the size of the Holocene dataset. The central result of this thesis, including all of the aspects mentioned, is a new global geomagnetic field model. It covers the whole Holocene, back until 12000 BCE, and we call it ArchKalmag14k. When considering the uncertainties that are produced together with the model, it is evident that before 6000 BCE the thermoremanent database is not sufficient to support global models. For times more recent, ArchKalmag14k can be used to analyze features of the field under consideration of posterior uncertainties. The algorithm for generating ArchKalmag14k can be applied to different datasets and is provided to the community as an open source python package. N2 - Das geomagnetische Hauptfeld ist essenziell für das Leben auf der Erde, da es unseren Lebensraum gegen den Sonnenwind und kosmische Strahlung abschirmt. Es wird vom Geodynamo im Erdkern erzeugt und zeigt eine komplexe Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen. Globale Modelle des Magnetfelds werden zur Studie der Wechselwirkung von einströmenden geladenen Teilchen genutzt, aber auch um Kerndynamiken zu untersuchen und um sie in numerische Simulationen des Geodynamos einzuspeisen. Moderne Satellitenmissionen, wie SWARM und CHAMP, stützen hochauflösende Rekonstruktionen des globalen Felds. Seit dem 19. Jahrhundert wird ein globales Netzwerk von magnetischen Observatorien aufgebaut. Es wächst stetig und globale Modelle können aus den Daten, die es liefert, konstruiert werden. Geomagnetische Feldmodelle, die weiter in der Zeit zurückreichen, basieren auf indirekten Beobachtungen des Felds, d.h. auf thermoremanenten Daten, wie gebrannten Tonen oder vulkanischen Gesteinen, und auf Sedimentdaten aus Seen und Meeren. Diese indirekten Beobachtungen werden mit (teilweise sehr hohen) Unsicherheiten geliefert, die aus den komplexen Datierungs- und Messmethoden resultieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Modellierungsmethode für das globale geomagnetische Feld während des Holozäns, welche die Unsicherheiten berücksichtigt und realistische Schätzungen für die Verlässlichkeit des Modells liefert. Dabei werden lediglich thermoremanente Daten betrachtet. Diesem Ziel wird sich zunächst genähert, indem ein Schnappschuss-Modell konstruiert wird, um die unregelmäßige räumliche Verteilung der Daten und die nichtlineare Beziehung zwischen Daten und Magnetfeld zu untersuchen. In einem Bayesianischen Rahmen wird ein auf Gaussprozessen basierender Algorithmus entwickelt und zunächst auf diskretisierte Daten angewendet. Dieser Algorithmus wird dann um eine zeitabhängige Komponente ergänzt und erweitert, um Datierungsfehler zu berücksichtigen. Zuletzt wird der Algorithmus sequenzialisiert, um mit numerischen Herausforderungen umzugehen, die aufgrund der Größe des Holozän-Datensatzes bestehen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit, welches alle genannten Aspekte beinhaltet, ist ein neues globales geomagnetisches Feldmodell. Es deckt das gesamte Holozän ab, bis ins Jahr 12000 BCE, und wir nennen es ArchKalmag14k. Bei Betrachtung der Unsicherheiten, die gemeinsam mit dem Modell ermittelt werden, wird deutlich, dass die thermoremanente Datenbasis nicht ausreicht, um globale Modelle vor dem Jahr 6000 BCE zu stützen. Für jüngere Zeiträume kann ArchKalmag14k genutzt werden, um Merkmale des Erdmagnetfelds unter Berücksichtigung der a posteriori Unsicherheiten zu analysieren. Der Algorithmus, mit dem ArchKalmag14k erzeugt wurde, kann auf weitere Datensätze angewendet werden und wird als quelloffenes python-Paket zur Verfügung gestellt. KW - geomagnetism KW - applied mathematics KW - Gaussian processes KW - Kalman filter KW - Gauß-Prozesse KW - Kalman Filter KW - angewandte Mathematik KW - Geomagnetismus Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555875 ER - TY - JOUR A1 - Mauerberger, Stefan A1 - Schanner, Maximilian Arthus A1 - Korte, Monika A1 - Holschneider, Matthias T1 - Correlation based snapshot models of the archeomagnetic field JF - Geophysical journal international N2 - For the time stationary global geomagnetic field, a new modelling concept is presented. A Bayesian non-parametric approach provides realistic location dependent uncertainty estimates. Modelling related variabilities are dealt with systematically by making little subjective apriori assumptions. Rather than parametrizing the model by Gauss coefficients, a functional analytic approach is applied. The geomagnetic potential is assumed a Gaussian process to describe a distribution over functions. Apriori correlations are given by an explicit kernel function with non-informative dipole contribution. A refined modelling strategy is proposed that accommodates non-linearities of archeomagnetic observables: First, a rough field estimate is obtained considering only sites that provide full field vector records. Subsequently, this estimate supports the linearization that incorporates the remaining incomplete records. The comparison of results for the archeomagnetic field over the past 1000 yr is in general agreement with previous models while improved model uncertainty estimates are provided. KW - geopotential theory KW - archaeomagnetism KW - magnetic field variations through KW - time KW - palaeomagnetism KW - inverse theory KW - statistical methods Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1093/gji/ggaa336 SN - 0956-540X SN - 1365-246X VL - 223 IS - 1 SP - 648 EP - 665 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Schanner, Maximilian Arthus A1 - Mauerberger, Stefan A1 - Korte, Monika A1 - Holschneider, Matthias T1 - Correlation based time evolution of the archeomagnetic field JF - Journal of geophysical research : JGR ; an international quarterly. B, Solid earth N2 - In a previous study, a new snapshot modeling concept for the archeomagnetic field was introduced (Mauerberger et al., 2020, ). By assuming a Gaussian process for the geomagnetic potential, a correlation-based algorithm was presented, which incorporates a closed-form spatial correlation function. This work extends the suggested modeling strategy to the temporal domain. A space-time correlation kernel is constructed from the tensor product of the closed-form spatial correlation kernel with a squared exponential kernel in time. Dating uncertainties are incorporated into the modeling concept using a noisy input Gaussian process. All but one modeling hyperparameters are marginalized, to reduce their influence on the outcome and to translate their variability to the posterior variance. The resulting distribution incorporates uncertainties related to dating, measurement and modeling process. Results from application to archeomagnetic data show less variation in the dipole than comparable models, but are in general agreement with previous findings. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1029/2020JB021548 SN - 2169-9313 SN - 2169-9356 VL - 126 IS - 7 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER -