Judith Schneider

• In this thesis, dynamical structures and manifolds in closed chaotic flows will be investigated. The knowledge about the dynamical structures (and manifolds) of a system is of importance, since they provide us first information about the dynamics of the system - means, with their help we are able to characterize the flow and maybe even to forecast it`s dynamics. The visualization of such structures in closed chaotic flows is a difficult and often long-lasting process. Here, the so-called 'Leaking-method' will be introduced, in examples of simple mathematical maps as the baker- or sine-map, with which we are able to visualize subsets of the manifolds of the system`s chaotic saddle. Comparisons between the visualized manifolds and structures traced out by chemical or biological reactions superimposed on the same flow will be done in the example of a kinematic model of the Gulf Stream. It will be shown that with the help of the leaking method dynamical structures can be also visualized in environmental systems. In the example of aIn this thesis, dynamical structures and manifolds in closed chaotic flows will be investigated. The knowledge about the dynamical structures (and manifolds) of a system is of importance, since they provide us first information about the dynamics of the system - means, with their help we are able to characterize the flow and maybe even to forecast it`s dynamics. The visualization of such structures in closed chaotic flows is a difficult and often long-lasting process. Here, the so-called 'Leaking-method' will be introduced, in examples of simple mathematical maps as the baker- or sine-map, with which we are able to visualize subsets of the manifolds of the system`s chaotic saddle. Comparisons between the visualized manifolds and structures traced out by chemical or biological reactions superimposed on the same flow will be done in the example of a kinematic model of the Gulf Stream. It will be shown that with the help of the leaking method dynamical structures can be also visualized in environmental systems. In the example of a realistic model of the Mediterranean Sea, the leaking method will be extended to the 'exchange-method'. The exchange method allows us to characterize transport between two regions, to visualize transport routes and their exchange sets and to calculate the exchange times. Exchange times and sets will be shown and calculated for a northern and southern region in the western basin of the Mediterranean Sea. Furthermore, mixing properties in the Earth mantle will be characterized and geometrical properties of manifolds in a 3dimensional mathematical model (ABC map) will be investigated.…
• In dieser Arbeit werden die dynamischen Strukturen und Mannigfaltigkeiten in geschlossenen chaotischen Systemen untersucht. Das Wissen um diese dynamischen Strukturen (und Mannigfaltigkeiten) ist von Bedeutung, da sie uns einen ersten Überblick über die Dynamik des Systems geben, dass heisst, mit ihrer Hilfe sind wir in der Lage, das System zu charakterisieren und eventuell sogar seine Dynamik vorherzusagen. Die Visualisierung der dynamischen Strukturen, speziell in geschlossenen chaotischen Systemen, ist ein schwieriger und oft langer Prozess. Hier werden wir die sogenannte 'Leaking-Methode' (an Beispielen einfacher mathematischer Modelle wie der Bäcker- oder der Sinus Abbildung) vorstellen, mit deren Hilfe wir die Möglichkeit haben, Teile der Mannigfaltigkeiten des chaotischen Sattels des Systems zu visualisieren. Vergleiche zwischen den gewonnenen Strukturen und Strukturen die durch chemische oder biologische Reaktionen hervorgerufen werden, werden anhand eines kinematischen Modells des Golfstroms durchgeführt. Es wird gezeigt,In dieser Arbeit werden die dynamischen Strukturen und Mannigfaltigkeiten in geschlossenen chaotischen Systemen untersucht. Das Wissen um diese dynamischen Strukturen (und Mannigfaltigkeiten) ist von Bedeutung, da sie uns einen ersten Überblick über die Dynamik des Systems geben, dass heisst, mit ihrer Hilfe sind wir in der Lage, das System zu charakterisieren und eventuell sogar seine Dynamik vorherzusagen. Die Visualisierung der dynamischen Strukturen, speziell in geschlossenen chaotischen Systemen, ist ein schwieriger und oft langer Prozess. Hier werden wir die sogenannte 'Leaking-Methode' (an Beispielen einfacher mathematischer Modelle wie der Bäcker- oder der Sinus Abbildung) vorstellen, mit deren Hilfe wir die Möglichkeit haben, Teile der Mannigfaltigkeiten des chaotischen Sattels des Systems zu visualisieren. Vergleiche zwischen den gewonnenen Strukturen und Strukturen die durch chemische oder biologische Reaktionen hervorgerufen werden, werden anhand eines kinematischen Modells des Golfstroms durchgeführt. Es wird gezeigt, dass mittels der Leaking-Methode dynamische Strukturen auch in Umweltsystemen sichtbar gemacht werden können. Am Beispiel eines realistischen Modells des Mittelmeeres erweitern wir die Leaking-Methode zur sogenannten 'Exchange-Methode'. Diese erlaubt es den Transport zwischen zwei Regionen zu charakterisieren, die Transport-Routen und Austausch-Bassins sichtbar zu machen und die Austausch-Zeiten zu berechnen. Austausch-Bassins und Zeiten werden für die nördliche und südliche Region des westlichen Mittelmeeres präsentiert. Weiterhin werden Mischungseigenschaften im Erdmantel charakterisiert und die geometrischen Eigenschaften von Mannigfaltigkeiten in einem 3dimensionalen mathematischen Modell (ABC-Abbildung) untersucht.…