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Термоактивационная спектроскопия композитных полимерных пленок на основе ударопрочного полистирола
(2019)
С помощью метода токов термостимулированной деполяризации (ТСД) исследованы релаксационные процессы в пленках ударопрочного полистирола (УПС) без наполнителя и с различным содержанием диоксида титана TiO2 (2, 4, 6 об.%). На кривых тока ТСД, полученных для композитных пленок, обнаружено три пика. Первый (α-релаксация) возникает при температуре около 93 °C и соответствует переходу вещества из стеклообразного состояния в высокоэластическое. Второй (ρ-пик) появляется как высокотемпературное плечо α-пика и соответствует процессу высвобождения и движения избыточных носителей заряда. Наличие третьего пика при температуре около 150 ºС характерно только для композитных пленок УПС. Разделение перекрывающихся α- и ρ-пиков проведено методом частичной термоочистки. Последующее применение регуляризующих алгоритмов Тихонова позволило определить энергию активации второго процесcа и сравнить полученное значение с результатом, полученным методом диэлектрической спектроскопии.
In dieser Arbeit werden die Effekte der Synchronisation nichtlinearer, akustischer Oszillatoren am Beispiel zweier Orgelpfeifen untersucht. Aus vorhandenen, experimentellen Messdaten werden die typischen Merkmale der Synchronisation extrahiert und dargestellt. Es folgt eine detaillierte Analyse der Übergangsbereiche in das Synchronisationsplateau, der Phänomene während der Synchronisation, als auch das Austreten aus der Synchronisationsregion beider Orgelpfeifen, bei verschiedenen Kopplungsstärken. Die experimentellen Befunde werfen Fragestellungen nach der Kopplungsfunktion auf. Dazu wird die Tonentstehung in einer Orgelpfeife untersucht. Mit Hilfe von numerischen Simulationen der Tonentstehung wird der Frage nachgegangen, welche fluiddynamischen und aero-akustischen Ursachen die Tonentstehung in der Orgelpfeife hat und inwiefern sich die Mechanismen auf das Modell eines selbsterregten akustischen Oszillators abbilden lässt. Mit der Methode des Coarse Graining wird ein Modellansatz formuliert.
Mathematik spielt im Physikunterricht eine nicht unerhebliche Rolle - wenn auch eine zwiespältige. Oft wird sie sogar zum Hindernis beim Lernen von Physik und kann ihr emanzipatorisches Potenzial nicht entfalten. Die vorliegende Arbeit stellt zwei Bausteine für eine begründete Konzeption zum Umgang mit Mathematik beim Lernen von Physik zur Verfügung. Im Theorieteil der Arbeit werden zum Einen wissenschaftstheoretische Aspekte der Rolle der Mathematik in der Physik aufgearbeitet und der physikdidaktischen Forschungsgemeinschaft im Zusammenhang zugänglich gemacht. Zum anderen werden Forschungsergebnisse zu Vorstellungen Lernender über Physik und Mathematik sowie im Bereich der Epistemologie zusammengestellt. Im empirischen Teil der Arbeit werden Vorstellungen zur Rolle der Mathematik in der Physik von Schülerinnen und Schülern der Klassenstufen 10 und 12 sowie Physik-Lehramtstudierenden im Grundstudium mit Hilfe eines Fragebogens erhoben und unter Verwendung inhaltsanalytischer bzw. statistischer Methoden ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen unter Anderem, dass Mathematik im Physikunterricht entgegen gängiger Meinungen bei den Lernenden nicht negativ, aber zumindest bei jüngeren Lernenden formal und algorithmisch konnotiert ist.
Die Frage nach der Herkunft und der dynamischen Entwicklung langlebiger kosmischer Magnetfelder ist in vielen Details noch unbeantwortet. Es besteht zwar kein Zweifel daran, dass das Magnetfeld der Erde und anderer kosmischer Objekte durch den sogenannten Dynamoeffekt verursacht werden, der genaue Mechanismus als auch die notwendigen Voraussetzungen und Randbedingungen der zugrundeliegenden Strömungen sind aber weitgehend unbekannt. Die für einen Dynamo interessanten Strömungsmuster, die im Inneren von Himmelskörpern durch Konvektion und differentielle Rotation entstehen, sind Konvektionsrollen parallel zur Rotationsachse. Auf einer Strömung mit eben solcher Geometrie, der sogenannten Roberts-Strömung, basieren die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Dynamomodelle. Mit Methoden der nichtlinearen Dynamik wird versucht, das Systemverhalten bei Änderung der Systemparamter genauer zu charakterisieren. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit einer Analyse der Dynamoaktivität der Roberts-Strömung in Abhängigkeit von den zwei freien Parametern in den Modellgleichungen, der magnetischen Prandtl-Zahl und der Stärke des Energieinputs. Gefunden werden verschiedene Lösungstypen die von einem stationären Magnetfeld über periodische bis zu chaotischen Zuständen reichen. Die yugrundeliegenden Symmetrien werden beschrieben und die Bifurkationen, die zum Wechsel der Lösungstypen führen, charakterisiert. Zusätzlich gibt es Bereiche bei sehr kleinen Prandtl-Zahlen, in denen überhaupt kein Dynamo existiert. Dieses Verhalten wird in der Literatur auch für viele andere numerisch ausgewertete Modelle beschrieben. Im Übergangsbereich zwischen dynamoaktivem und dynamoinaktivem Bereich wird das Auftreten einer sogenannten Blowout-Bifurkation gefunden. Desweiteren beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, inwiefern Helizität, also eine schraubenförmige Bewegung, der Strömung den Dynamoeffekt beeinflusst. Dazu werden ähnliche Strömungstypen verglichen, die sich hauptsächlich in ihrem Helizitätswert unterscheiden. Es wird gefunden, dass ein bestimmter Wert der Helizität nicht unterschritten werden darf, um einen stabilen Roberts-Dynamo zu erhalten.
Wings of the butterfly
(2017)
The spatio-temporal evolution of sunspot activity, the so-called Maunder butterfly diagram, has been continously available since 1874 using data from the Royal Greenwich Observatory, extended by SOON network data after 1976. Here we present a new extended butterfly diagram of sunspot group occurrence since 1826, using the recently digitized data from Schwabe (1826-1867) and Sporer (1866-1880). The wings of the diagram are separated using a recently developed method based on an analysis of long gaps in sunspot group occurrence in different latitude bands. We define characteristic latitudes, corresponding to the start, end, and the largest extent of the wings (the F, L, and H latitudes). The H latitudes (30 degrees-45 degrees) are highly significantly correlated with the strength of the wings (quantified by the total sum of the monthly numbers of sunspot groups). The F latitudes (20 degrees-30 degrees) depict a weak tendency, especially in the southern hemisphere, to follow the wing strength. The L latitudes (2 degrees-10 degrees) show no clear relation to the wing strength. Overall, stronger cycle wings tend to start at higher latitudes and have a greater wing extent. A strong (5-6)-cycle periodic oscillation is found in the start and end times of the wings and in the overlap and gaps between successive wings of one hemisphere. While the average wing overlap is zero in the southern hemisphere, it is two to three months in the north. A marginally significant oscillation of about ten solar cycles is found in the asymmetry of the L latitudes. The new long database of butterfly wings provides new observational constraints to solar dynamo models that discuss the spatio-temporal distribution of sunspot occurrence over the solar cycle and longer.
A very small fraction of (runaway) massive stars have masses exceeding 60-70 M-circle dot and are predicted to evolve as luminous blue variable and Wolf-Rayet stars before ending their lives as core-collapse supernovae. Our 2D axisymmetric hydrodynamical simulations explore how a fast wind (2000 km s(-1)) and high mass-loss rate (10(-5)M(circle dot) yr(-1)) can impact the morphology of the circumstellar medium. It is shaped as 100 pc-scale wind nebula that can be pierced by the driving star when it supersonically moves with velocity 20-40 km s(-1) through the interstellar medium (ISM) in the Galactic plane. The motion of such runaway stars displaces the position of the supernova explosion out of their bow shock nebula, imposing asymmetries to the eventual shock wave expansion and engendering Cygnus-loop-like supernova remnants. We conclude that the size (up to more than 200 pc) of the filamentary wind cavity in which the chemically enriched supernova ejecta expand, mixing efficiently the wind and ISM materials by at least 10 per cent in number density, can be used as a tracer of the runaway nature of the very massive progenitors of such 0.1Myr old remnants. Our results motivate further observational campaigns devoted to the bow shock of the very massive stars BD+43 degrees 3654 and to the close surroundings of the synchrotron-emitting Wolf-Rayet shell G2.4+1.4.
We consider the behavior of spherically symmetric Einasto halos composed of gravitating particles in the Fokker-Planck approximation. This approach allows us to consider the undesirable influence of close encounters in the N-body simulations more adequately than the generally accepted criteria. The Einasto profile with index n approximate to 6 is a stationary solution of the Fokker-Planck equation in the halo center. There are some reasons to believe that the solution is an attractor. Then the Fokker-Planck diffusion tends to transform a density profile to the equilibrium one with the Einasto index n approximate to 6. We suggest this effect as a possible reason why the Einasto index n approximate to 6 occurs so frequently in the interpretation of N-body simulation results. The results obtained cast doubt on generally accepted criteria of N-body simulation convergence.
Predicting the electron population of Earth's ring current during geomagnetic storms still remains a challenging task.
In this work, we investigate the sensitivity of 10 keV ring current electrons to different driving processes, parameterised by the Kp index, during several moderate and intense storms.
Results are validated against measurements from the Van Allen Probes satellites. Perturbing the Kp index allows us to identify the most dominant processes for moderate and intense storms respectively.
We find that during moderate storms (Kp < 6) the drift velocities mostly control the behaviour of low energy electrons, while loss from wave-particle interactions is the most critical parameter for quantifying the evolution of intense storms (Kp > 6). Perturbations of the Kp index used to drive the boundary conditions at GEO and set the plasmapause location only show a minimal effect on simulation results over a limited L range.
It is further shown that the flux at L & SIM; 3 is more sensitive to changes in the Kp index compared to higher L shells, making it a good proxy for validating the source-loss balance of a ring current model.
Based on suggested interactions of potential tipping elements in the Earth's climate and in ecological systems, tipping cascades as possible dynamics are increasingly discussed and studied. The activation of such tipping cascades would impose a considerable risk for human societies and biosphere integrity. However, there are ambiguities in the description of tipping cascades within the literature so far. Here we illustrate how different patterns of multiple tipping dynamics emerge from a very simple coupling of two previously studied idealized tipping elements. In particular, we distinguish between a two phase cascade, a domino cascade and a joint cascade. A mitigation of an unfolding two phase cascade may be possible and common early warning indicators are sensitive to upcoming critical transitions to a certain degree. In contrast, a domino cascade may hardly be stopped once initiated and critical slowing down-based indicators fail to indicate tipping of the following element. These different potentials for intervention and anticipation across the distinct patterns of multiple tipping dynamics should be seen as a call to be more precise in future analyses of cascading dynamics arising from tipping element interactions in the Earth system.
What comes NeXT?
(2019)
Here, we report on a new record in the acquisition time for fast neutron tomography. With an optimized imaging setup, it was possible to acquire single radiographic projection images with 10 ms and full tomographies with 155 projections images and a physical spatial resolution of 200 mu m within 1.5 s. This is about 6.7 times faster than the current record. We used the technique to investigate the water infiltration in the soil with a living lupine root system. The fast imaging setup will be part of the future NeXT instrument at ILL in Grenoble with a great field of possible future applications. (C) 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement
Ice-core-based records of isotopic composition are a proxy for past temperatures and can thus provide information on polar climate variability over a large range of timescales. However, individual isotope records are affected by a multitude of processes that may mask the true temperature variability. The relative magnitude of climate and non-climate contributions is expected to vary as a function of timescale, and thus it is crucial to determine those temporal scales on which the actual signal dominates the noise. At present, there are no reliable estimates of this timescale dependence of the signal-to-noise ratio (SNR). Here, we present a simple method that applies spectral analyses to stable-isotope data from multiple cores to estimate the SNR, and the signal and noise variability, as a function of timescale. The method builds on separating the contributions from a common signal and from local variations and includes a correction for the effects of diffusion and time uncertainty. We apply our approach to firn-core arrays from Dronning Maud Land (DML) in East Antarctica and from the West Antarctic Ice Sheet (WAIS). For DML and decadal to multi-centennial timescales, we find an increase in the SNR by nearly 1 order of magnitude (similar to 0.2 at decadal and similar to 1.0 at multi-centennial scales). The estimated spectrum of climate variability also shows increasing variability towards longer timescales, contrary to what is traditionally inferred from single records in this region. In contrast, the inferred variability spectrum for WAIS stays close to constant over decadal to centennial timescales, and the results even suggest a decrease in SNR over this range of timescales. We speculate that these differences between DML and WAIS are related to differences in the spatial and temporal scales of the isotope signal, highlighting the potentially more homogeneous atmospheric conditions on the Antarctic Plateau in contrast to the marine-influenced conditions on WAIS. In general, our approach provides a methodological basis for separating local proxy variability from coherent climate variations, which is applicable to a large set of palaeoclimate records.
What can we learn from climate data? : Methods for fluctuation, time/scale and phase analysis
(2006)
Since Galileo Galilei invented the first thermometer, researchers have tried to understand the complex dynamics of ocean and atmosphere by means of scientific methods. They observe nature and formulate theories about the climate system. Since some decades powerful computers are capable to simulate the past and future evolution of climate. Time series analysis tries to link the observed data to the computer models: Using statistical methods, one estimates characteristic properties of the underlying climatological processes that in turn can enter the models. The quality of an estimation is evaluated by means of error bars and significance testing. On the one hand, such a test should be capable to detect interesting features, i.e. be sensitive. On the other hand, it should be robust and sort out false positive results, i.e. be specific. This thesis mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis with a focus on sensitivity and specificity and to apply the investigated methods to recent climatological problems. First, the inference of long-range correlations by means of Detrended Fluctuation Analysis (DFA) is studied. It is argued that power-law scaling of the fluctuation function and thus long-memory may not be assumed a priori but have to be established. This requires to investigate the local slopes of the fluctuation function. The variability characteristic for stochastic processes is accounted for by calculating empirical confidence regions. The comparison of a long-memory with a short-memory model shows that the inference of long-range correlations from a finite amount of data by means of DFA is not specific. When aiming to infer short memory by means of DFA, a local slope larger than $\alpha=0.5$ for large scales does not necessarily imply long-memory. Also, a finite scaling of the autocorrelation function is shifted to larger scales in the fluctuation function. It turns out that long-range correlations cannot be concluded unambiguously from the DFA results for the Prague temperature data set. In the second part of the thesis, an equivalence class of nonstationary Gaussian stochastic processes is defined in the wavelet domain. These processes are characterized by means of wavelet multipliers and exhibit well defined time dependent spectral properties; they allow one to generate realizations of any nonstationary Gaussian process. The dependency of the realizations on the wavelets used for the generation is studied, bias and variance of the wavelet sample spectrum are calculated. To overcome the difficulties of multiple testing, an areawise significance test is developed and compared to the conventional pointwise test in terms of sensitivity and specificity. Applications to Climatological and Hydrological questions are presented. The thesis at hand mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis and to apply the investigated methods to recent climatological problems. In the last part, the coupling between El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Monsoon on inter-annual time scales is studied by means of Hilbert transformation and a curvature defined phase. This method allows one to investigate the relation of two oscillating systems with respect to their phases, independently of their amplitudes. The performance of the technique is evaluated using a toy model. From the data, distinct epochs are identified, especially two intervals of phase coherence, 1886-1908 and 1964-1980, confirming earlier findings from a new point of view. A significance test of high specificity corroborates these results. Also so far unknown periods of coupling invisible to linear methods are detected. These findings suggest that the decreasing correlation during the last decades might be partly inherent to the ENSO/Monsoon system. Finally, a possible interpretation of how volcanic radiative forcing could cause the coupling is outlined.
Die Arktis erwärmt sich schneller als der Rest der Erde. Die Auswirkungen manifestieren sich unter Anderem in einer verstärkten Erwärmung der arktischen Grenzschicht. Diese Arbeit befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen synoptischen Zyklonen und der arktischen Atmosphäre auf lokalen bis überregionalen Skalen. Ausgangspunkt dafür sind Messdaten und Modellsimulationen für den Zeitraum der N-ICE2015 Expedition, die von Anfang Januar bis Ende Juni 2015 im arktischen Nordatlantiksektor stattgefunden hat.
Anhand von Radiosondenmessungen lassen sich Auswirkungen von synoptischen Zyklonen am deutlichsten im Winter erkennen, da sie durch die Advektion warmer und feuchter Luftmassen in die Arktis den Zustand der Atmosphäre von einem strahlungs-klaren in einen strahlungs-opaken ändern. Obwohl dieser scharfe Kontrast nur im Winter existiert, zeigt die Analyse, dass der integrierte Wasserdampf als Indikator für die Advektion von Luftmassen aus niedrigen Breiten in die Arktis auch im Frühjahr geeignet ist. Neben der Advektion von Luftmassen wird der Einfluss der Zyklonen auf die statische Stabilität charakterisiert. Beim Vergleich der N-ICE2015 Beobachtungen mit der SHEBA Kampagne (1997/1998), die über dickerem Eis stattfand, finden sich trotz der unterschiedlichen Meereisregime Ähnlichkeiten in der statischen Stabilität der Atmosphäre. Die beobachteten Differenzen in der Stabilität lassen sich auf Unterschiede in der synoptischen Aktivität zurückführen. Dies lässt vermuten, dass die dünnere Eisdecke auf saisonalen Zeitskalen nur einen geringen Einfluss auf die thermodynamische Struktur der arktischen Troposphäre besitzt, solange eine dicke Schneeschicht sie bedeckt. Ein weiterer Vergleich mit den parallel zur N-ICE2015 Kampagne gestarteten Radiosonden der AWIPEV Station in Ny-Åesund, Spitzbergen, macht deutlich, dass die synoptischen Zyklonen oberhalb der Orographie auf saisonalen Zeitskalen das Wettergeschehen bestimmen.
Des Weiteren werden für Februar 2015 die Auswirkungen von in der Vertikalen variiertem Nudging auf die Entwicklung der Zyklonen am Beispiel des hydrostatischen regionalen Klimamodells HIRHAM5 untersucht. Es zeigt sich, dass die Unterschiede zwischen den acht Modellsimulationen mit abnehmender Anzahl der genudgten Level zunehmen. Die größten Differenzen resultieren vornehmlich aus dem zeitlichen Versatz der Entwicklung synoptischer Zyklonen. Zur Korrektur des Zeitversatzes der Zykloneninitiierung genügt es bereits, Nudging in den unterstem 250 m der Troposphäre anzuwenden. Daneben findet sich zwischen den genudgten HIRHAM5-Simulation und den in situ Messungen der gleiche positive Temperaturbias, den auch ERA-Interim besitzt. Das freie HIRHAM hingegen reproduziert das positive Ende der N-ICE2015 Temperaturverteilung gut, besitzt aber einen starken negativen Bias, der sehr wahrscheinlich aus einer Unterschätzung des Feuchtegehalts resultiert. An Beispiel einer Zyklone wird gezeigt, dass Nudging Einfluss auf die Lage der Höhentiefs besitzt, die ihrerseits die Zyklonenentwicklung am Boden beeinflussen. Im Weiteren wird mittels eines für kleine Ensemblegrößen geeigneten Varianzmaßes eine statistische Einschätzung der Wirkung des Nudgings auf die Vertikale getroffen. Es wird festgestellt, dass die Ähnlichkeit der Modellsimulationen in der unteren Troposphäre generell höher ist als darüber und in 500 hPa ein lokales Minimum besitzt.
Im letzten Teil der Analyse wird die Wechselwirkung der oberen und unteren Stratosphäre anhand zuvor betrachteter Zyklonen mit Daten der ERA-Interim Reanalyse untersucht. Lage und Ausrichtung des Polarwirbels erzeugten ab Anfang Februar 2015 eine ungewöhnlich große Meridionalkomponente des Tropopausenjets, die Zugbahnen in die zentrale Arktis begünstigte. Am Beispiel einer Zyklone wird die Übereinstimmung der synoptischen Entwicklung mit den theoretischen Annahmen über den abwärts gerichteten Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre hervorgehoben. Dabei spielt die nicht-lineare Wechselwirkung zwischen der Orographie Grönlands, einer Intrusion stratosphärischer Luft in die Troposphäre sowie einer in Richtung Arktis propagierender Rossby-Welle eine tragende Rolle. Als Indikator dieser Wechselwirkung werden horizontale Signaturen aus abwechselnd aufsteigender und absinkender Luft innerhalb der Troposphäre identifiziert.
We study by Monte Carlo simulations a kinetic exchange trading model for both fixed and distributed saving propensities of the agents and rationalize the person and wealth distributions. We show that the newly introduced wealth distribution – that may be more amenable in certain situations – features a different power-law exponent, particularly for distributed saving propensities of the agents. For open agent-based systems, we analyze the person and wealth distributions and find that the presence of trap agents alters their amplitude, leaving however the scaling exponents nearly unaffected. For an open system, we show that the total wealth – for different trap agent densities and saving propensities of the agents – decreases in time according to the classical Kohlrausch–Williams–Watts stretched exponential law. Interestingly, this decay does not depend on the trap agent density, but rather on saving propensities. The system relaxation for fixed and distributed saving schemes are found to be different.
We introduce and study a family of lattice equations which may be viewed either as a strongly nonlinear discrete extension of the Gardner equation, or a non-convex variant of the Lotka-Volterra chain. Their deceptively simple form supports a very rich family of complex solitary patterns. Some of these patterns are also found in the quasi-continuum rendition, but the more intriguing ones, like interlaced pairs of solitary waves, or waves which may reverse their direction either spontaneously or due a collision, are an intrinsic feature of the discrete realm.
Projection methods based on wavelet functions combine optimal convergence rates with algorithmic efficiency. The proofs in this paper utilize the approximation properties of wavelets and results from the general theory of regularization methods. Moreover, adaptive strategies can be incorporated still leading to optimal convergence rates for the resulting algorithms. The so-called wavelet-vaguelette decompositions enable the realization of especially fast algorithms for certain operators.
In recent years, complex network analysis facilitated the identification of universal and unexpected patterns in complex climate systems. However, the analysis and representation of a multiscale complex relationship that exists in the global climate system are limited. A logical first step in addressing this issue is to construct multiple networks over different timescales. Therefore, we propose to apply the wavelet multiscale correlation (WMC) similarity measure, which is a combination of two state-of-the-art methods, viz. wavelet and Pearson’s correlation, for investigating multiscale processes through complex networks. Firstly we decompose the data over different timescales using the wavelet approach and subsequently construct a corresponding network by Pearson’s correlation. The proposed approach is illustrated and tested on two synthetics and one real-world example. The first synthetic case study shows the efficacy of the proposed approach to unravel scale-specific connections, which are often undiscovered at a single scale. The second synthetic case study illustrates that by dividing and constructing a separate network for each time window we can detect significant changes in the signal structure. The real-world example investigates the behavior of the global sea surface temperature (SST) network at different timescales. Intriguingly, we notice that spatial dependent structure in SST evolves temporally. Overall, the proposed measure has an immense potential to provide essential insights on understanding and extending complex multivariate process studies at multiple scales.
Contents: 1 Introduction 1.1 Tikhanov-Phillips Regularization of Ill-Posed Problems 1.2 A Compact Course to Wavelets 2 A Multilevel Iteration for Tikhonov-Phillips Regularization 2.1 Multilevel Splitting 2.2 The Multilevel Iteration 2.3 Multilevel Approach to Cone Beam Reconstuction 3 The use of approximating operators 3.1 Computing approximating families {Ah}
Precipitation patterns and extremes are significantly influenced by various climatic factors and large-scale atmospheric circulation patterns. This study uses wavelet coherence analysis to detect significant interannual and interdecadal oscillations in monthly precipitation extremes across India and their teleconnections to three prominent climate indices, namely, Nino 3.4, Pacific Decadal Oscillation, and Indian Ocean Dipole (IOD). Further, partial wavelet coherence analysis is used to estimate the standalone relationship between the climate indices and precipitation after removing the effect of interdependency. The wavelet analysis of monthly precipitation extremes at 30 different locations across India reveals that (a) interannual (2-8 years) and interdecadal (8-32 years) oscillations are statistically significant, and (b) the oscillations vary in both time and space. The results from the partial wavelet coherence analysis reveal that Nino 3.4 and IOD are the significant drivers of Indian precipitation at interannual and interdecadal scales. Intriguingly, the study also confirms that the strength of influence of large-scale atmospheric circulation patterns on Indian precipitation extremes varies with spatial physiography of the region.
In this work we investigated ultrafast demagnetization in a Heusler-alloy. This material belongs to the halfmetal and exists in a ferromagnetic phase. A special feature of investigated alloy is a structure of electronic bands. The last leads to the specific density of the states. Majority electrons form a metallic like structure while minority electrons form a gap near the Fermi-level, like in semiconductor. This particularity offers a good possibility to use this material as model-like structure and to make some proof of principles concerning demagnetization. Using pump-probe experiments we carried out time-resolved measurements to figure out the times of demagnetization. For the pumping we used ultrashort laser pulses with duration around 100 fs. Simultaneously we used two excitation regimes with two different wavelengths namely 400 nm and 1240 nm. Decreasing the energy of photons to the gap size of the minority electrons we explored the effect of the gap on the demagnetization dynamics. During this work we used for the first time OPA (Optical Parametrical Amplifier) for the generation of the laser irradiation in a long-wave regime. We tested it on the FETOSPEX-beamline in BASSYII electron storage ring. With this new technique we measured wavelength dependent demagnetization dynamics. We estimated that the demagnetization time is in a correlation with photon energy of the excitation pulse. Higher photon energy leads to the faster demagnetization in our material. We associate this result with the existence of the energy-gap for minority electrons and explained it with Elliot-Yaffet-scattering events. Additionally we applied new probe-method for magnetization state in this work and verified their effectivity. It is about the well-known XMCD (X-ray magnetic circular dichroism) which we adopted for the measurements in reflection geometry. Static experiments confirmed that the pure electronic dynamics can be separated from the magnetic one. We used photon energy fixed on the L3 of the corresponding elements with circular polarization. Appropriate incidence angel was estimated from static measurements. Using this probe method in dynamic measurements we explored electronic and magnetic dynamics in this alloy.
Differential absorption spectroscopy techniques serve as powerful techniques to study the excited species in organic solar cells. However, it has always been challenging to employ these techniques for characterizing thick-junction organic solar cells, especially when a reflective top contact is involved. In this work, we present a detailed and systematic study on how a combination of the presence of the interference effect and a nonuniform charge-distribution profile, severely manipulates experimental spectra and the decay dynamics. Furthermore, we provide a practical methodology to correct these optical artifacts in differential absorption spectroscopies. The results and the proposed correction method generally apply to all kinds of differential absorption spectroscopy techniques and various thin-film systems, such as organics, perovskites, kesterites, and two-dimensional materials. Notably, it is found that the shape of differential absorption spectra can be strongly distorted, starting from 150-nm active-layer thickness; this matches the thickness range of thick-junction organic solar cells and most perovskite solar cells and needs to be carefully considered in experiments. In addition, the decay dynamics of differential absorption spectra is found to be disturbed by optical artifacts under certain conditions. With the help of the proposed correction formalism, differential spectra and the decay dynamics can be characterized on the full device of thin-film solar cells in transmission mode and yield accurate and reliable results to provide design rules for further progress.
Transparent conductive materials based on indium oxide remain yet irreplaceable in various optoelectronic applications. Amorphous oxides appear especially attractive for technology as they are isotropic, demonstrate relatively high electron mobility and can be processed at low temperatures. Among them is indium zinc oxide (IZO) with a large zinc content that is crucial for keeping the amorphous state but redundant for the doping. In this work we investigated water-free and water containing IZO films obtained by radio frequency sputtering. The correlation between temperature driven changes of the chemical state, the optical and electrical properties as well as the progression of crystallization was in focus. Such characterization methods as: scanning electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, temperature dependent Hall-effect measurements and others were applied. Temperature dependent electrical properties of amorphous IZO and IZO:H2O films were found to evolve similarly. Based on our experience in In2O3:H2O (In2O3:H or IOH) we proposed an explanation for the changes observed. Water admixture was found to decrease crystallization temperature of IZO significantly from similar to 550 degrees C to similar to 280 degrees C. Herewith, the presence and concentration of water and/or hydroxyls was found to determine Zn distribution in the film. In particular, Zn enrichment was detected at the film's surface respective to the high water and/or hydroxyl amount. Raman spectra revealed a two-dimensional crystallization of w-ZnO which precedes regardless water presence an extensive In2O3 crystallization. An abrupt loss of electron mobility as a result of crystallization was attributed to the formation of ZnO interlayer on grain boundaries.
CuI has been recently rediscovered as a p-type transparent conductor with a high figure of merit. Even though many metal iodides are hygroscopic, the effect of moisture on the electrical properties of CuI has not been clarified. In this work, we observe a 2-fold increase in the conductivity of CuI after exposure to ambient humidity for 5 h, followed by slight long-term degradation. Simultaneously, the work function of CuI decreases by almost 1 eV, which can explain the large spread in the previously reported work function values. The conductivity increase is partially reversible and is maximized at intermediate humidity levels. On the basis of the large intragrain mobility measured by THz spectroscopy, we suggest that hydration of grain boundaries may be beneficial for the overall hole mobility.
Optimizing the photoluminescence (PL) yield of a solar cell has long been recognized as a key principle to maximize the power conversion efficiency. While PL measurements are routinely applied to perovskite films and solar cells under open circuit conditions (V-OC), it remains unclear how the emission depends on the applied voltage. Here, we performed PL(V) measurements on perovskite cells with different hole transport layer thicknesses and doping concentrations, resulting in remarkably different fill factors (FFs). The results reveal that PL(V) mirrors the current-voltage (JV) characteristics in the power-generating regime, which highlights an interesting correlation between radiative and nonradiative recombination losses. In particular, high FF devices show a rapid quenching of PL(V) from open-circuit to the maximum power point. We conclude that, while the PL has to be maximized at V-OC at lower biases < V-OC the PL must be rapidly quenched as charges need to be extracted prior to recombination.
The performance of perovskite solar cells is predominantly limited by non-radiative recombination, either through trap-assisted recombination in the absorber layer or via minority carrier recombination at the perovskite/transport layer interfaces. Here, we use transient and absolute photoluminescence imaging to visualize all non-radiative recombination pathways in planar pintype perovskite solar cells with undoped organic charge transport layers. We find significant quasi-Fermi-level splitting losses (135 meV) in the perovskite bulk, whereas interfacial recombination results in an additional free energy loss of 80 meV at each individual interface, which limits the open-circuit voltage (V-oc) of the complete cell to similar to 1.12 V. Inserting ultrathin interlayers between the perovskite and transport layers leads to a substantial reduction of these interfacial losses at both the p and n contacts. Using this knowledge and approach, we demonstrate reproducible dopant-free 1 cm(2) perovskite solar cells surpassing 20% efficiency (19.83% certified) with stabilized power output, a high V-oc (1.17 V) and record fill factor (>81%).
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.
We report on the detection of very high energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray emission from the BL Lac objects KUV 00311-1938 and PKS 1440-389 with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). H.E.S.S. observations were accompanied or preceded by multiwavelength observations with Fermi/LAT, XRT and UVOT onboard the Swift satellite, and ATOM. Based on an extrapolation of the Fermi/LAT spectrum towards the VHE gamma-ray regime, we deduce a 95 per cent confidence level upper limit on the unknown redshift of KUV 00311-1938 of z < 0.98 and of PKS 1440-389 of z < 0.53. When combined with previous spectroscopy results, the redshift of KUV 00311-1938 is constrained to 0.51 <= z < 0.98 and of PKS 1440-389 to 0.14 (sic) z < 0.53.
We report on the detection of very high energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray emission from the BL Lac objects KUV 00311-1938 and PKS 1440-389 with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). H.E.S.S. observations were accompanied or preceded by multiwavelength observations with Fermi/LAT, XRT and UVOT onboard the Swift satellite, and ATOM. Based on an extrapolation of the Fermi/LAT spectrum towards the VHE gamma-ray regime, we deduce a 95 per cent confidence level upper limit on the unknown redshift of KUV 00311-1938 of z < 0.98 and of PKS 1440-389 of z < 0.53. When combined with previous spectroscopy results, the redshift of KUV 00311-1938 is constrained to 0.51 <= z < 0.98 and of PKS 1440-389 to 0.14 (sic) z < 0.53.
The Norwegian young sea ICE (N-ICE2015) expedition was designed to investigate the atmosphere-snow-ice-ocean interactions in the young and thin sea ice regime north of Svalbard. Radiosondes were launched twice daily during the expedition from January to June 2015. Here we use these upper air measurements to study the multiple cyclonic events observed during N-ICE2015 with respect to changes in the vertical thermodynamic structure, moisture content, and boundary layer characteristics. We provide statistics of temperature inversion characteristics, static stability, and boundary layer extent. During winter, when radiative cooling is most effective, we find the strongest impact of synoptic cyclones. Changes to thermodynamic characteristics of the boundary layer are associated with transitions between the radiatively "clear" and "opaque" atmospheric states. In spring, radiative fluxes warm the surface leading to lifted temperature inversions and a statically unstable boundary layer. Further, we compare the N-ICE2015 static stability distributions to corresponding profiles from ERA-Interim reanalysis, from the closest land station in the Arctic North Atlantic sector, Ny-Alesund, and to soundings from the SHEBA expedition (1997/1998). We find similar stability characteristics for N-ICE2015 and SHEBA throughout the troposphere, despite differences in location, sea ice thickness, and snow cover. For Ny-Alesund, we observe similar characteristics above 1000 m, while the topography and ice-free fjord surrounding Ny-Alesund generate great differences below. The long-term radiosonde record (1993-2014) from Ny-Alesund indicates that during the N-ICE2015 spring period, temperatures were close to the climatological mean, while the lowest 3000 m were 1-3 degrees C warmer than the climatology during winter. Plain Language Summary The Norwegian young sea ICE (N-ICE2015) expedition was designed to investigate the atmosphere-snow-ice-ocean interactions in the young and thin sea ice regime north of Svalbard. Radiosondes were launched twice daily during the expedition from January to June 2015. Here we use these upper air measurements to study the multiple cyclonic events observed during N-ICE2015 with respect to changes in the vertical thermodynamic structure, moisture content, and the atmospheric boundary layer characteristics. During winter, we find the strongest impact of synoptic cyclones, which transport warm and moist air into the cold and dry Arctic atmosphere. In spring, incoming solar radiation warms the surface. This leads to very different thermodynamic conditions and higher moisture content, which reduces the contrast between stormy and calm periods. Further, we compare the N-ICE2015 measurements to corresponding profiles from ERA-Interim reanalysis, from the closest land station in the Arctic North Atlantic sector, Ny-Alesund, and to soundings from the SHEBA expedition (1997/1998). We find similar stability characteristics for N-ICE2015 and SHEBA throughout the troposphere, despite differences in location, sea ice thickness, and snow cover. The comparisons highlight the value of the N-ICE2015 observation and show the importance of winter time observations in the Arctic North Atlantic sector.
We present an X-ray-optical cross-correlator for the soft (> 150 eV) up to the hard X-ray regime based on a molybdenum-silicon superlattice. The cross-correlation is done by probing intensity and position changes of superlattice Bragg peaks caused by photoexcitation of coherent phonons. This approach is applicable for a wide range of X-ray photon energies as well as for a broad range of excitation wavelengths and requires no external fields or changes of temperature. Moreover, the cross-correlator can be employed on a 10 ps or 100 fs time scale featuring up to 50% total X-ray reflectivity and transient signal changes of more than 20%. (C) 2016 Author(s).
We present an X-ray-optical cross-correlator for the soft (> 150 eV) up to the hard X-ray regime based on a molybdenum-silicon superlattice. The cross-correlation is done by probing intensity and position changes of superlattice Bragg peaks caused by photoexcitation of coherent phonons. This approach is applicable for a wide range of X-ray photon energies as well as for a broad range of excitation wavelengths and requires no external fields or changes of temperature. Moreover, the cross-correlator can be employed on a 10 ps or 100 fs time scale featuring up to 50% total X-ray reflectivity and transient signal changes of more than 20%. (C) 2016 Author(s).
On 2017 September 22, the IceCube Neutrino Observatory reported the detection of the high-energy neutrino event IC 170922A, of potential astrophysical origin. It was soon determined that the neutrino direction was consistent with the location of the gamma-ray blazar TXS 0506+056. (3FGL J0509.4+ 0541), which was in an elevated gamma-ray emission state as measured by the Fermi satellite. Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) observations of the neutrino/blazar region started on 2017 September 23 in response to the neutrino alert and continued through 2018 February 6. While no significant very-high-energy (VHE; E > 100 GeV) emission was observed from the blazar by VERITAS in the two-week period immediately following the IceCube alert, TXS 0506+ 056 was detected by VERITAS with a significance of 5.8 standard deviations (sigma) in the full 35 hr data set. The average photon flux of the source during this period was (8.9 +/- 1.6). x. 10(-12) cm(-2) s(-1), or 1.6% of the Crab Nebula flux, above an energy threshold of 110 GeV, with a soft spectral index of 4.8. +/-. 1.3.
VERITAS and Fermi-LAT Observations of TeV Gamma-Ray Sources Discovered by HAWC in the 2HWC Catalog
(2018)
The High Altitude Water Cherenkov (HAWC) collaboration recently published their 2HWC catalog, listing 39 very high energy (VHE; >100 GeV) gamma-ray sources based on 507 days of observation. Among these, 19 sources are not associated with previously known teraelectronvolt (TeV) gamma-ray sources. We have studied 14 of these sources without known counterparts with VERITAS and Fermi-LAT. VERITAS detected weak gamma-ray emission in the 1 TeV-30 TeV band in the region of DA 495, a pulsar wind nebula coinciding with 2HWC J1953+294, confirming the discovery of the source by HAWC. We did not find any counterpart for the selected 14 new HAWC sources from our analysis of Fermi-LAT data for energies higher than 10 GeV. During the search, we detected gigaelectronvolt (GeV) gamma-ray emission coincident with a known TeV pulsar wind nebula, SNR G54.1+0.3 (VER J1930+188), and a 2HWC source, 2HWC J1930+188. The fluxes for isolated, steady sources in the 2HWC catalog are generally in good agreement with those measured by imaging atmospheric Cherenkov telescopes. However, the VERITAS fluxes for SNR G54.1+0.3, DA 495, and TeV J2032+4130 are lower than those measured by HAWC, and several new HAWC sources are not detected by VERITAS. This is likely due to a change in spectral shape, source extension, or the influence of diffuse emission in the source region.
Variationen der stratosphärischen Residualzirkulation und ihr Einfluss auf die Ozonverteilung
(2006)
Die Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die jährlichen Schwankungen der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosphärischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete können mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann für die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualität und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch Sensitivitätsstudien und Vergleiche mit anderen Modellen untermauert. Anschließend werden umfangreiche Trajektorienensemble statistisch ausgewertet, um ein detailliertes, zeit- und höhenaufgelöstes Bild des diabatischen Absinkens zu ermitteln. In diesem Zusammenhang werden zwei Methoden entwickelt, um das Absinken gemittelt im Polarwirbel oder als Funktion der äquivalenten Breite zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass es notwendig ist den Lagrangeschen auf Trajektorienrechnungen basierenden Ansatz zu verfolgen, da die einfachen Eulerschen Mittel Abweichungen zu den Lagrangeschen Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen. Das wirbelgemittelte Absinken wird für einzelne Winter mit dem beobachteten Absinken langlebiger Spurengase und anderen Modellstudien verglichen. Der Vergleich zeigt, dass das Absinken basierend auf den vertikalen Windfeldern der ECMWF-Datensätze den Nettoluftmassentransport durch die Residualzirkulation sehr stark überschätzt. Der neue Ansatz basierend auf den Heizraten ergibt hingegen realistische Ergebnisse und wird aus diesem Grund für alle Rechnungen verwendet. Es wird erstmalig eine Klimatologie des diabatischen Absinkens über einen fast fünf Jahrzehnte umfassenden Zeitraum erstellt. Die Klimatologie beinhaltet das vertikal und zeitlich aufgelöste diabatische Absinken gemittelt über den gesamten Polarwirbel und Informationen über die räumliche Struktur des vertikalen Absinkens. Die natürliche Jahr-zu-Jahr Variabilität des diabatischen Absinkens ist sehr stark ausgeprägt. Es wird gezeigt, dass zwischen der ECMWF-Zeitreihe des diabatischen Absinkens und der Zeitreihe aus einem unabhängig analysierten Temperaturdatensatz hohe Korrelationen bestehen. Erstmals wird der Einfluss von Transportprozessen auf die Ozongesamtsäule im arktischen Frühling direkt quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Jahr-zu-Jahr Variabilität der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling zu gleichen Anteilen durch die Variabilität der dynamischen Komponente und durch die Variabilität der chemischen Komponente beeinflusst wird. Die gefundenen Variabilitäten von diabatischem Absinken und Ozoneintrag in hohen Breiten werden mit der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen aus der Troposphäre in die Stratosphäre in Beziehung gesetzt.
Many chemical reactions in biological cells occur at very low concentrations of constituent molecules. Thus, transcriptional gene-regulation is often controlled by poorly expressed transcription-factors, such as E.coli lac repressor with few tens of copies. Here we study the effects of inherent concentration fluctuations of substrate-molecules on the seminal Michaelis-Menten scheme of biochemical reactions. We present a universal correction to the Michaelis-Menten equation for the reaction-rates. The relevance and validity of this correction for enzymatic reactions and intracellular gene-regulation is demonstrated. Our analytical theory and simulation results confirm that the proposed variance-corrected Michaelis-Menten equation predicts the rate of reactions with remarkable accuracy even in the presence of large non-equilibrium concentration fluctuations. The major advantage of our approach is that it involves only the mean and variance of the substrate-molecule concentration. Our theory is therefore accessible to experiments and not specific to the exact source of the concentration fluctuations.
The Colorado Learning Attitudes about Science Survey (CLASS) is an instrument which is widely used in physics education to characterize students' attitudes toward physics and learning physics and compare them with those of experts. While CLASS has been extensively validated for use in the context of higher education institutions in the United States, there has been less information about its use with European students. We have studied the structural, content, and substantive aspects of validity of CLASS by first doing a confirmatory factor analysis of N = 642 sets of student answers from the University of Helsinki, Finland. The students represented a culturally and demographically different subset of university physics students than in previous studies. The confirmatory factor analysis used a 3-factor, 15-item factor structure as a starting point and the resulting factor structure was similar to the original. Just minor modifications were needed for fit parameters to be in the acceptable range. We explored the differences by student interviews and consultation of experts. With the exception of one item, they supported the new 14-item, 3-factor structure. The results show that the interpretations made from CLASS results are mostly transferable, and CLASS remains a useful instrument for a wide variety of populations.
Computer-based analysis of preservice teachers' written reflections could enable educational scholars to design personalized and scalable intervention measures to support reflective writing. Algorithms and technologies in the domain of research related to artificial intelligence have been found to be useful in many tasks related to reflective writing analytics such as classification of text segments. However, mostly shallow learning algorithms have been employed so far. This study explores to what extent deep learning approaches can improve classification performance for segments of written reflections. To do so, a pretrained language model (BERT) was utilized to classify segments of preservice physics teachers' written reflections according to elements in a reflection-supporting model. Since BERT has been found to advance performance in many tasks, it was hypothesized to enhance classification performance for written reflections as well. We also compared the performance of BERT with other deep learning architectures and examined conditions for best performance. We found that BERT outperformed the other deep learning architectures and previously reported performances with shallow learning algorithms for classification of segments of reflective writing. BERT starts to outperform the other models when trained on about 20 to 30% of the training data. Furthermore, attribution analyses for inputs yielded insights into important features for BERT's classification decisions. Our study indicates that pretrained language models such as BERT can boost performance for language-related tasks in educational contexts such as classification.
Using SXRR to probe the nature of discontinuities in SLM additive manufactured inconel 718 specimens
(2020)
The utilization of additive manufacturing (AM) to fabricate robust structural components relies on understanding the nature of internal anomalies or discontinuities, which can compromise the structural integrity. While some discontinuities in AM microstructures stem from similar mechanisms as observed in more traditional processes such as casting, others are unique to the AM process. Discontinuities in AM are challenging to detect, due to their submicron size and orientation dependency. Toward the goal of improving structural integrity, minimizing discontinuities in an AM build requires an understanding of the mechanisms of formation to mitigate their occurrence. This study utilizes various techniques to evaluate the shape, size, nature and distribution of discontinuities in AM Inconel 718, in a non-hot isostatic pressed (HIPed) as-built, non-HIPed and direct age, and HIPed with two step age samples. Non-destructive synchrotron radiation refraction and transmission radiography (SXRR) provides additional information beyond that obtained with destructive optical microscopy. SXRR was able to distinguish between voids, cracks and lack of melt in, due to its sensitivity to the orientation of the discontinuity.
Partial synchronous states appear between full synchrony and asynchrony and exhibit many interesting properties. Most frequently, these states are studied within the framework of phase approximation. The latter is used ubiquitously to analyze coupled oscillatory systems. Typically, the phase dynamics description is obtained in the weak coupling limit, i.e., in the first-order in the coupling strength. The extension beyond the first-order represents an unsolved problem and is an active area of research. In this paper, three partially synchronous states are investigated and presented in order of increasing complexity. First, the usage of the phase response curve for the description of macroscopic oscillators is analyzed. To achieve this, the response of the mean-field oscillations in a model of all-to-all coupled limit-cycle oscillators to pulse stimulation is measured. The next part treats a two-group Kuramoto model, where the interaction of one attractive and one repulsive group results in an interesting solitary state, situated between full synchrony and self-consistent partial synchrony. In the last part, the phase dynamics of a relatively simple system of three Stuart-Landau oscillators are extended beyond the weak coupling limit. The resulting model contains triplet terms in the high-order phase approximation, though the structural connections are only pairwise. Finally, the scaling of the new terms with the coupling is analyzed.
We calculate the additional carbon emissions as a result of the conversion of natural land in a process of urbanisation; and the change of carbon flows by “urbanised” ecosystems, when the atmospheric carbon is exported to the neighboring territories, from 1980 till 2050 for the eight regions of the world. As a scenario we use combined UN and demographic model′s prognoses for regional total and urban population growth. The calculations of urban areas dynamics are based on two models: the regression model and the Gamma-model. The urbanised area is sub-divided on built-up, „green“ (parks, etc.) and informal settlements (favelas) areas. The next step is to calculate the regional and world dynamics of carbon emission and export, and the annual total carbon balance. Both models give similar results with some quantitative differences. In the first model, the world annual emissions attain a maximum of 205 MtC/year between 2020-2030. Emissions will then slowly decrease. The maximum contributions are given by China and the Asia and Pacific regions. In the second model, world annual emissions increase to 1.25 GtC in 2005, beginning to decrease afterwards. If we compare the emission maximum with the annual emission caused by deforestation, 1.36GtC per year, then we can say that the role of urbanised territories (UT) is of a comparable magnitude. Regarding the world annual export of carbon by UT, we observe its monotonous growth by three times, from 24 MtC to 66 MtC in the first model, and from 249 MtC to 505 MtC in the second one. The latter, is therefore comparable to the amount of carbon transported by rivers into the ocean (196-537 MtC). By estimating the total balance we find that urbanisation shifts the total balance towards a “sink” state. The urbanisation is inhibited in the interval 2020-2030, and by 2050 the growth of urbanised areas would almost stop. Hence, the total emission of natural carbon at that stage will stabilise at the level of the 1980s (80 MtC per year). As estimated by the second model, the total balance, being almost constant until 2000, then starts to decrease at an almost constant rate. We can say that by the end of the XXI century, the total carbon balance will be equal to zero, when the exchange flows are fully balanced, and may even be negative, when the system begins to take up carbon from the atmosphere, i.e., becomes a “sink”.
Young core-collapse supernovae with dense-wind progenitors may be able to accelerate cosmic-ray hadrons beyond the knee of the cosmic-ray spectrum, and this may result in measurable gamma-ray emission. We searched for gamma-ray emission from ten super- novae observed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) within a year of the supernova event. Nine supernovae were observed serendipitously in the H.E.S.S. data collected between December 2003 and December 2014, with exposure times ranging from 1.4 to 53 h. In addition we observed SN 2016adj as a target of opportunity in February 2016 for 13 h. No significant gamma-ray emission has been detected for any of the objects, and upper limits on the >1 TeV gamma-ray flux of the order of similar to 10(-13) cm(-)(2)s(-1) are established, corresponding to upper limits on the luminosities in the range similar to 2 x 10(39) to similar to 1 x 10(42) erg s(-1). These values are used to place model-dependent constraints on the mass-loss rates of the progenitor stars, implying upper limits between similar to 2 x 10(-5) and similar to 2 x 10(-3) M-circle dot yr(-1) under reasonable assumptions on the particle acceleration parameters.
Experimental results show that the polymerization of pyrrole in the presence of beta-naphthalenesulfonic acid and different fluorosurfactants like perfluorooctanesulfonic acid, perfluorooctyldiethanolamide, and ammonium perfluorooctanoate leads to polypyrrole with special morphologies, such as rings or disks and rectangular frames or plates. The formation of these unusually shaped particles of polymer dispersions is explained by the chemical and colloidal peculiarities of the oxidative pyrrole polymerization with ammonium peroxodisulfate in aqueous medium.
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.
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.
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.
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.
Unstetige Galerkin-Diskretisierung niedriger Ordnung in einem atmosphärischen Multiskalenmodell
(2014)
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.
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.