Numerical simulations of magma chamber dynamics at Campi Flegrei, and associated seismicity, deformation and gravity changes

Understanding the complex relationships between quantities measured by volcanic monitoring network and shallow magma processes is a crucial headway for the comprehension of volcanic processes and a more realistic evaluation of the associated hazard. This question is very relevant at Campi Flegrei, a volcanic quiescent caldera immediately north-west of Napoli (Italy). The system activity shows a high fumarole release and periodic ground slow movement (bradyseism) with high seismicity. This activity, with the high people density and the presence of military and industrial buildings, makes Campi Flegrei one of the areas with higher volcanic hazard in the world. In such a context my thesis has been focused on magma dynamics due to the refilling of shallow magma chambers, and on the geophysical signals detectable by seismic, deformative and gravimetric monitoring networks that are associated with this phenomenologies. Indeed, the refilling of magma chambers is a process frequently occurring just before a volcanic eruption; therefore, the faculty of identifying this dynamics by means of recorded signal analysis is important to evaluate the short term volcanic hazard. The space-time evolution of dynamics due to injection of new magma in the magma chamber has been studied performing numerical simulations with, and implementing additional features in, the code GALES (Longo et al., 2006), recently developed and still on the upgrade at the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Pisa (Italy). GALES is a finite element code based on a physico-mathematical two dimensional, transient model able to treat fluids as multiphase homogeneous mixtures, compressible to incompressible. The fundamental equations of mass, momentum and energy balance are discretised both in time and space using the Galerkin Least-Squares and discontinuity-capturing stabilisation technique. The physical properties of the mixture are computed as a function of local conditions of magma composition, pressure and temperature.The model features enable to study a broad range of phenomenologies characterizing pre and sin-eruptive magma dynamics in a wide domain from the volcanic crater to deep magma feeding zones. The study of displacement field associated with the simulated fluid dynamics has been carried out with a numerical code developed by the Geophysical group at the University College Dublin (O’Brien and Bean, 2004b), with whom we started a very profitable collaboration. In this code, the seismic wave propagation in heterogeneous media with free surface (e.g. the Earth’s surface) is simulated using a discrete elastic lattice where particle interactions are controlled by the Hooke’s law. This method allows to consider medium heterogeneities and complex topography. The initial and boundary conditions for the simulations have been defined within a coordinate project (INGV-DPC 2004-06 V3_2 “Research on active volcanoes, precursors, scenarios, hazard and risk - Campi Flegrei”), to which this thesis contributes, and many researchers experienced on Campi Flegrei in volcanological, seismic, petrological, geochemical fields, etc. collaborate. Numerical simulations of magma and rock dynamis have been coupled as described in the thesis. The first part of the thesis consists of a parametric study aimed at understanding the eect of the presence in magma of carbon dioxide in magma in the convection dynamics. Indeed, the presence of this volatile was relevant in many Campi Flegrei eruptions, including some eruptions commonly considered as reference for a future activity of this volcano. A set of simulations considering an elliptical magma chamber, compositionally uniform, refilled from below by a magma with volatile content equal or dierent from that of the resident magma has been performed. To do this, a multicomponent non-ideal magma saturation model (Papale et al., 2006) that considers the simultaneous presence of CO2 and H2O, has been implemented in GALES. Results show that the presence of CO2 in the incoming magma increases its buoyancy force promoting convection ad mixing. The simulated dynamics produce pressure transients with frequency and amplitude in the sensitivity range of modern geophysical monitoring networks such as the one installed at Campi Flegrei . In the second part, simulations more related with the Campi Flegrei volcanic system have been performed. The simulated system has been defined on the basis of conditions consistent with the bulk of knowledge of Campi Flegrei and in particular of the Agnano-Monte Spina eruption (4100 B.P.), commonly considered as reference for a future high intensity eruption in this area. The magmatic system has been modelled as a long dyke refilling a small shallow magma chamber; magmas with trachytic and phonolitic composition and variable volatile content of H2O and CO2 have been considered. The simulations have been carried out changing the condition of magma injection, the system configuration (magma chamber geometry, dyke size) and the resident and refilling magma composition and volatile content, in order to study the influence of these factors on the simulated dynamics. Simulation results allow to follow each step of the gas-rich magma ascent in the denser magma, highlighting the details of magma convection and mixing. In particular, the presence of more CO2 in the deep magma results in more ecient and faster dynamics. Through this simulations the variation of the gravimetric field has been determined. Afterward, the space-time distribution of stress resulting from numerical simulations have been used as boundary conditions for the simulations of the displacement field imposed by the magmatic dynamics on rocks. The properties of the simulated domain (rock density, P and S wave velocities) have been based on data from literature on active and passive tomographic experiments, obtained through a collaboration with A. Zollo at the Dept. of Physics of the Federici II Univeristy in Napoli. The elasto-dynamics simulations allow to determine the variations of the space-time distribution of deformation and the seismic signal associated with the studied magmatic dynamics. In particular, results show that these dynamics induce deformations similar to those measured at Campi Flegrei and seismic signals with energies concentrated on the typical frequency bands observed in volcanic areas. The present work shows that an approach based on the solution of equations describing the physics of processes within a magmatic fluid and the surrounding rock system is able to recognise and describe the relationships between geophysical signals detectable on the surface and deep magma dynamics. Therefore, the results suggest that the combined study of geophysical data and informations from numerical simulations can allow in a near future a more ecient evaluation of the short term volcanic hazard.

Adaptive finite element simulation of stack pollutant emissions over complex terrains

[EN]A three-dimensional finite element model for the pollutant dispersion is presented. In these environmental processes over a complex terrain, a mesh generator capable of adapting itself to the topographic characteristics is essential. The first stage of the model consists on the construction of an adaptive tetrahedral mesh of a rectangular region bounded in its lower part by the terrain and in its upper part by a horizontal plane. Once the mesh is constructed, an adaptive local refinement of tetrahedra is used in order to capture the plume rise. Wind measurements are used to compute an interpolated wind field, that is modified by using a mass-consistent model and perturbing its vertical component to introduce the plume rise effect...

The meccano method for finite element and isogeometric analysis

Congresos y conferencias

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Three-dimensional simulation of wind fields and air pollution over complex terrain

[EN]In this talk we introduce a new methodology for wind field simulation or forecasting over complex terrain. The idea is to use wind measurements or predictions of the HARMONIE mesoscale model as the input data for an adaptive finite element mass consistent wind model [1,2]. The method has been recently implemented in the freely-available Wind3D code [3]. A description of the HARMONIE Non-Hydrostatic Dynamics can be found in [4]. The results of HARMONIE (obtained with a maximum resolution about 1 Km) are refined by the finite element model in a local scale (about a few meters). An interface between both models is implemented such that the initial wind field approximation is obtained by a suitable interpolation of the HARMONIE results…

Adaptive Finite Element Method with a local element parametrization nested meses

[EN]This work presents a novel approach to solve a two dimensional problem by using an adaptive finite element approach. The most common strategy to deal with nested adaptivity is to generate a mesh that represents the geometry and the input parameters correctly, and to refine this mesh locally to obtain the most accurate solution. As opposed to this approach, the authors propose a technique using independent meshes : geometry, input data and the unknowns. Each particular mesh is obtained by a local nested refinement of the same coarse mesh at the parametric space…

Low-dimensional carbon allotropes: an electron microscopy investigation

The research reported in this manuscript concerns the structural characterization of graphene membranes and single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The experimental investigation was performed using a wide range of transmission electron microscopy (TEM) techniques, from conventional imaging and diffraction, to advanced interferometric methods, like electron holography and Geometric Phase Analysis (GPA), using a low-voltage optical set-up, to reduce radiation damage in the samples. Electron holography was used to successfully measure the mean electrostatic potential of an isolated SWCNT and that of a mono-atomically thin graphene crystal. The high accuracy achieved in the phase determination, made it possible to measure, for the first time, the valence-charge redistribution induced by the lattice curvature in an individual SWCNT. A novel methodology for the 3D reconstruction of the waviness of a 2D crystal membrane has been developed. Unlike other available TEM reconstruction techniques, like tomography, this new one requires processing of just a single HREM micrograph. The modulations of the inter-planar distances in the HREM image are measured using Geometric Phase Analysis, and used to recover the waviness of the crystal. The method was applied to the case of a folded FGC, and a height variation of 0.8 nm of the surface was successfully determined with nanometric lateral resolution. The adhesion of SWCNTs to the surface of graphene was studied, mixing shortened SWCNTs of different chiralities and FGC membranes. The spontaneous atomic match of the two lattices was directly imaged using HREM, and we found that graphene membranes act as tangential nano-sieves, preferentially grafting achiral tubes to their surface.

Modeling the gas and aqueous phase chemistry of the marine boundary layer

Ein eindimensionales numerisches Modell der maritimenGrenzschicht (MBL) wurde erweitert, um chemische Reaktionenin der Gasphase, von Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zu beschreiben. Ein Schwerpunkt war dabei die Betrachtung derReaktionszyklen von Halogenen. Soweit Ergebnisse vonMesskampagnen zur Verfuegung standen, wurden diese zurValidierung des Modells benutzt. Die Ergebnisse von frueheren Boxmodellstudien konntenbestaetigt werden. Diese zeigten die saeurekatalysierteAktivierung von Brom aus Seesalzaerosolen, die Bedeutung vonHalogenradikalen fuer die Zerstoerung von O3, diepotentielle Rolle von BrO bei der Oxidation von DMS und dievon HOBr und HOCl in der Oxidation von S(IV). Es wurde gezeigt, dass die Beruecksichtigung derVertikalprofile von meteorologischen und chemischen Groessenvon grosser Bedeutung ist. Dies spiegelt sich darin wider,dass Maxima des Saeuregehaltes von Seesalzaerosolen und vonreaktiven Halogenen am Oberrand der MBL gefunden wurden.Darueber hinaus wurde die Bedeutung von Sulfataerosolen beidem aktiven Recyceln von weniger aktiven zu photolysierbarenBromspezies gezeigt. Wolken haben grosse Auswirkungen auf die Evolution und denTagesgang der Halogene. Dies ist nicht auf Wolkenschichtenbeschraenkt. Der Tagesgang der meisten Halogene ist aufgrundeiner erhoehten Aufnahme der chemischen Substanzen in die Fluessigphase veraendert. Diese Ergebnisse betonen dieWichtigkeit der genauen Dokumentation der meteorologischenBedingungen bei Messkampagnen (besonders Wolkenbedeckungsgrad und Fluessigwassergehalt), um dieErgebnisse richtig interpretieren und mit Modellresultatenvergleichen zu koennen. Dieses eindimensionale Modell wurde zusammen mit einemBoxmodell der MBL verwendet, um die Auswirkungen vonSchiffemissionen auf die MBL abzuschaetzen, wobei dieVerduennung der Abgasfahne parameterisiert wurde. DieAuswirkungen der Emissionen sind am staerksten, wenn sie insauberen Gebieten stattfinden, die Hoehe der MBL gering istund das Einmischen von Hintergrundluft schwach ist.Chemische Reaktionen auf Hintergrundaerosolen spielen nureine geringe Rolle. In Ozeangebieten mit schwachemSchiffsverkehr sind die Auswirkungen auf die Chemie der MBL beschraenkt. In staerker befahrenen Gebieten ueberlappensich die Abgasfahnen mehrerer Schiffe und sorgen fuerdeutliche Auswirkungen. Diese Abschaetzung wurde mitSimulationen verglichen, bei denen die Emissionen alskontinuierliche Quellen behandelt wurden, wie das inglobalen Chemiemodellen der Fall ist. Wenn die Entwicklungder Abgasfahne beruecksichtigt wird, sind die Auswirkungendeutlich geringer da die Lebenszeit der Abgase in der erstenPhase nach Emission deutlich reduziert ist.

Ein, zwei Punkte zu Nichtkommutativer Geometrie und Quantenfeldtheorie auf diskreten Räumen

Über viele Jahre hinweg wurden wieder und wieder Argumente angeführt, die diskreten Räumen gegenüber kontinuierlichen Räumen eine fundamentalere Rolle zusprechen. Unser Zugangzur diskreten Welt wird durch neuere Überlegungen der Nichtkommutativen Geometrie (NKG) bestimmt. Seit ca. 15Jahren gibt es Anstrengungen und auch Fortschritte, Physikmit Hilfe von Nichtkommutativer Geometrie besser zuverstehen. Nur eine von vielen Möglichkeiten ist dieReformulierung des Standardmodells derElementarteilchenphysik. Unter anderem gelingt es, auch denHiggs-Mechanismus geometrisch zu beschreiben. Das Higgs-Feld wird in der NKG in Form eines Zusammenhangs auf einer zweielementigen Menge beschrieben. In der Arbeit werden verschiedene Ziele erreicht:Quantisierung einer nulldimensionalen ,,Raum-Zeit'', konsistente Diskretisierungf'ur Modelle im nichtkommutativen Rahmen.Yang-Mills-Theorien auf einem Punkt mit deformiertemHiggs-Potenzial. Erweiterung auf eine ,,echte''Zwei-Punkte-Raum-Zeit, Abzählen von Feynman-Graphen in einer nulldimensionalen Theorie, Feynman-Regeln. Eine besondere Rolle werden Termini, die in derQuantenfeldtheorie ihren Ursprung haben, gewidmet. In diesemRahmen werden Begriffe frei von Komplikationen diskutiert,die durch etwaige Divergenzen oder Schwierigkeitentechnischer Natur verursacht werden könnten.Eichfixierungen, Geistbeiträge, Slavnov-Taylor-Identität undRenormierung. Iteratives Lösungsverfahren derDyson-Schwinger-Gleichung mit Computeralgebra-Unterstützung,die Renormierungsprozedur berücksichtigt.

New path integral simulation algorithms and their application to creep in the quantum sine-Gordon chain

A path integral simulation algorithm which includes a higher-order Trotter approximation (HOA)is analyzed and compared to an approach which includes the correct quantum mechanical pair interaction (effective Propagator (EPr)). It is found that the HOA algorithmconverges to the quantum limit with increasing Trotter number P as P^{-4}, while the EPr algorithm converges as P^{-2}.The convergence rate of the HOA algorithm is analyzed for various physical systemssuch as a harmonic chain,a particle in a double-well potential, gaseous argon, gaseous helium and crystalline argon. A new expression for the estimator for the pair correlation function in the HOA algorithm is derived. A new path integral algorithm, the hybrid algorithm, is developed.It combines an exact treatment of the quadratic part of the Hamiltonian and thehigher-order Trotter expansion techniques.For the discrete quantum sine-Gordon chain (DQSGC), it is shown that this algorithm works more efficiently than all other improved path integral algorithms discussed in this work. The new simulation techniques developed in this work allow the analysis of theDQSGC and disordered model systems in the highly quantum mechanical regime using path integral molecular dynamics (PIMD)and adiabatic centroid path integral molecular dynamics (ACPIMD).The ground state phonon dispersion relation is calculated for the DQSGC by the ACPIMD method.It is found that the excitation gap at zero wave vector is reduced by quantum fluctuations. Two different phases exist: One phase with a finite excitation gap at zero wave vector, and a gapless phase where the excitation gap vanishes.The reaction of the DQSGC to an external driving force is analyzed at T=0.In the gapless phase the system creeps if a small force is applied, and in the phase with a gap the system is pinned. At a critical force, the systems undergo a depinning transition in both phases and flow is induced. The analysis of the DQSGC is extended to models with disordered substrate potentials. Three different cases are analyzed: Disordered substrate potentials with roughness exponent H=0, H=1/2,and a model with disordered bond length. For all models, the ground state phonon dispersion relation is calculated.

From discrete anions to extended solids: new uranium thiophosphates

Die wichtigste Klasse zeotyper Verbindungen sind die Thio- und Selenophosphate der Übergangsmetalle. Ziel dieser Dissertation war die Darstellung und Charakterisierung neuer Uranthiophosphate. Die dargestellten Verbindungen enthalten vierwertige Urankationen, die von acht Schwefelatomen koordiniert sind. Da die enthaltenen Thiophosphatanionen in den meisten Fällen als zweizähnige Liganden fungieren, entstehen dreidimensionale Netzwerke mit pseudotetraedrisch koordinierten Metallzentren. In der Verbindung U(P2S6)2 durchdringen sich drei identische diamantartige Netzwerke, wodurch optimale Raumerfüllung erreicht wird. Die Einführung von Alkalimetallkationen in das System führt zu einer Vielzahl neuer Verbindungen, deren Eigenschaften durch die Stöchiometrie der Edukte und durch die Kationenradien bestimmt werden. Beispielsweise enthält die Kristallstruktur von Na2U(PS4)2 zweidimensionale anionische [U(PS4)2]n-Schichten, während die analoge Verbindung CsLiU(PS4)2 eine poröse dreidimensionale Netzwerkstruktur besitzt. Der Vergleich der untersuchten quaternären und quinären Verbindungen zeigt, dass eine Korrelation zwischen dem Kationenradius und dem Durchmesser der Poren besteht. Dies lässt auf eine Templatfunktion der Alkalimetallkationen beim Aufbau der anionischen Teilstruktur schließen. Die neuen Verbindungen wurden aus reaktiven Polysulfidschmelzflüssen oder durch Auflösen amorpher Vorläufer in Alkalimetallchloridschmelzen synthetisiert. Die Kristallstrukturen wurden durch Einkristall-Röntgenmethoden bestimmt. Ein Vergleich der magnetischen Eigenschaften der Verbindungen beweist, dass in allen untersuchten Fällen U(IV) vorliegt. Die Substanzen zeigen paramagnetisches Verhalten, in UP2S7 und CsLiU(PS4)2 sind außerdem antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Uranatomen nachweisbar.

Quantenkorrekturen an magnetischen Domänenwänden auf Gitterstrukturen

Wir betrachten die eindimensionale Heisenberg-Spinkette aus einem neuen und aktuelleren Blickwinkel. Experimentelle Techniken der Herstellung und selbstverständlich auch experimentelle Meßmethoden erlauben nicht nur die Herstellung von Nanopartikeln und Nanodrähten, sondern gestatten es auch, Domänenwände in diesen Strukturen auszumessen. Die meisten heute verwendeten Theorien und Simulationsmethoden haben ihre Grundlage im mikromagnetischen Kontinuumsmodell, daß schon über Jahrzehnte hinweg erforscht und erprobt ist. Wir stellen uns jedoch die Frage, ob die innere diskrete Struktur der Substrate und die quantenmechanischen Effekte bei der Genauigkeit heutiger Messungen in Betracht gezogen werden müssen. Dazu wählen wir einen anderen Ansatz. Wir werden zunächst den wohlbekannten klassischen Fall erweitern, indem wir die diskrete Struktur der Materie in unseren Berechnungen berücksichtigen. Man findet in diesem Formalismus einen strukturellen Phasenübergang zwischen einer Ising-artigen und einer ausgedehnten Wand. Das führt zu bestimmten Korrekturen im Vergleich zum Kontinuumsfall. Der Hauptteil dieser Arbeit wird sich dann mit dem quantenmechanischen Fall beschäftigen. Wir rotieren das System zunächst mit einer Reihe lokaler Transformationen derart, daß alle Spins in die z-Richtung ausgerichtet sind. Im Rahmen einer 1/S-Entwicklung läßt sich der erhaltene neue Hamilton-Operator diagonalisieren. Setzt man hier die klassische Lösung ein, so erhält man Anregungsmoden in diesem Grenzfall. Unsere Resultate erweitern und bestätigen frühere Berechnungen. Mit Hilfe der Numerik wird schließlich der Erwartungswert der Energie minimiert und somit die Form der Domänenwand im quantenmechanischen Fall berechnet. Hieraus ergeben sich auch bestimmte Korrekturen zum kritischen Verhalten des Systems. Diese Ergebnisse sind vollkommen neu.

Estimating persistent Betti numbers for discrete shape analysis

Persistent Topology is an innovative way of matching topology and geometry, and it proves to be an effective mathematical tool in shape analysis. In order to express its full potential for applications, it has to interface with the typical environment of Computer Science: It must be possible to deal with a finite sampling of the object of interest, and with combinatorial representations of it. Following that idea, the main result claims that it is possible to construct a relation between the persistent Betti numbers (PBNs; also called rank invariant) of a compact, Riemannian submanifold X of R^m and the ones of an approximation U of X itself, where U is generated by a ball covering centered in the points of the sampling. Moreover we can state a further result in which, this time, we relate X with a finite simplicial complex S generated, thanks to a particular construction, by the sampling points. To be more precise, strict inequalities hold only in "blind strips'', i.e narrow areas around the discontinuity sets of the PBNs of U (or S). Out of the blind strips, the values of the PBNs of the original object, of the ball covering of it, and of the simplicial complex coincide, respectively.

Partial reconstruction of the trajectories of a discretely observed branching diffusion with immigration and an application to inference

In this treatise we consider finite systems of branching particles where the particles move independently of each other according to d-dimensional diffusions. Particles are killed at a position dependent rate, leaving at their death position a random number of descendants according to a position dependent reproduction law. In addition particles immigrate at constant rate (one immigrant per immigration time). A process with above properties is called a branching diffusion withimmigration (BDI). In the first part we present the model in detail and discuss the properties of the BDI under our basic assumptions. In the second part we consider the problem of reconstruction of the trajectory of a BDI from discrete observations. We observe positions of the particles at discrete times; in particular we assume that we have no information about the pedigree of the particles. A natural question arises if we want to apply statistical procedures on the discrete observations: How can we find couples of particle positions which belong to the same particle? We give an easy to implement 'reconstruction scheme' which allows us to redraw or 'reconstruct' parts of the trajectory of the BDI with high accuracy. Moreover asymptotically the whole path can be reconstructed. Further we present simulations which show that our partial reconstruction rule is tractable in practice. In the third part we study how the partial reconstruction rule fits into statistical applications. As an extensive example we present a nonparametric estimator for the diffusion coefficient of a BDI where the particles move according to one-dimensional diffusions. This estimator is based on the Nadaraya-Watson estimator for the diffusion coefficient of one-dimensional diffusions and it uses the partial reconstruction rule developed in the second part above. We are able to prove a rate of convergence of this estimator and finally we present simulations which show that the estimator works well even if we leave our set of assumptions.

Mixed finite-element methods for elliptic convection-dominated problems arising in semiconductor physics

In this work we develop and analyze an adaptive numerical scheme for simulating a class of macroscopic semiconductor models. At first the numerical modelling of semiconductors is reviewed in order to classify the Energy-Transport models for semiconductors that are later simulated in 2D. In this class of models the flow of charged particles, that are negatively charged electrons and so-called holes, which are quasi-particles of positive charge, as well as their energy distributions are described by a coupled system of nonlinear partial differential equations. A considerable difficulty in simulating these convection-dominated equations is posed by the nonlinear coupling as well as due to the fact that the local phenomena such as "hot electron effects" are only partially assessable through the given data. The primary variables that are used in the simulations are the particle density and the particle energy density. The user of these simulations is mostly interested in the current flow through parts of the domain boundary - the contacts. The numerical method considered here utilizes mixed finite-elements as trial functions for the discrete solution. The continuous discretization of the normal fluxes is the most important property of this discretization from the users perspective. It will be proven that under certain assumptions on the triangulation the particle density remains positive in the iterative solution algorithm. Connected to this result an a priori error estimate for the discrete solution of linear convection-diffusion equations is derived. The local charge transport phenomena will be resolved by an adaptive algorithm, which is based on a posteriori error estimators. At that stage a comparison of different estimations is performed. Additionally a method to effectively estimate the error in local quantities derived from the solution, so-called "functional outputs", is developed by transferring the dual weighted residual method to mixed finite elements. For a model problem we present how this method can deliver promising results even when standard error estimator fail completely to reduce the error in an iterative mesh refinement process.