In large and complex systems, failures can have dramatic consequences, such as black-outs, pandemics or the loss of entire classes of an ecosystem. Nevertheless, it is a centuries-old intuition that by using networks to capture the core of the complexity of such systems, one might understand in which part of a system a phenomenon originates. I investigate this intuition using spectral methods to decouple the dynamics of complex systems near stationary states into independent dynamical modes. In this description, phenomena are tied to a specific part of a system through localized eigenvectors which have large amplitudes only on a few nodes of the system's network. Studying the occurrence of localized eigenvectors, I find that such localization occurs exactly for a few small network structures, and approximately for the dynamical modes associated with the most prominent failures in complex systems. My findings confirm that understanding the functioning of complex systems generally requires to treat them as complex entities, rather than collections of interwoven small parts. Exceptions to this are only few structures carrying exact localization, whose functioning is tied to the meso-scale, between the size of individual elements and the size of the global network. However, while understanding the functioning of a complex system is hampered by the necessary global analysis, the prominent failures, due to their localization, allow an understanding on a manageable local scale. Intriguingly, food webs might exploit this localization of failures to stabilize by causing the break-off of small problematic parts, whereas typical attempts to optimize technological systems for stability lead to delocalization and large-scale failures. Thus, this thesis provides insights into the interplay of complexity and localization, which is paramount to ascertain the functioning of the ever-growing networks on which we humans depend.:1 Introduction 2 Concepts and Tools 2.1 Networks 2.2 Food webs 2.3 Dynamics on networks 2.4 Steady state operating modes 2.5 Bifurcations affecting operating modes 2.6 Dynamical modes 2.7 Generalized models for food webs 3 Perturbation Impact 3.1 Impact of perturbations on food webs 3.2 Examples 3.3 Impact formulation with dynamical modes 3.4 Influence and sensitivity of species 3.5 Localized dynamical modes 3.6 Iterative parameter estimation 3.7 Most important parameters and species 3.8 Discussion 4 Exact Localization 4.1 Graph symmetries 4.2 Localized dynamics on symmetries 4.3 Exactly localized dynamics 4.4 Symmetry reduction in networks 4.5 Application to food webs 4.6 Localization on asymmetric structures 4.7 Nearly-exact localization 4.8 Other systems 4.9 Discussion 5 Approximate Localization 5.1 Spread of a dynamical mode 5.2 Examples for localized instabilities 5.3 Localization of extreme eigenvalues 5.4 Dependence on the system size 5.5 Localization in the model of R. May 5.6 Finding motifs that carry localization 5.7 (Self-)stabilization of food webs 5.8 Repairing localized instabilities 5.9 Discussion 6 Conclusions Acknowledgments Appendix A Parametrization of the Gatun Lake food web B The Master Stability Function approach C Approximate localization on larger structures Bibliography

Ausgedehnte dissipative Systeme können fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht instabil gegenüber Oszillationen bzw. Wellen oder raumzeitlichem Chaos werden. Die komplexe Ginzburg-Landau Gleichung (CGLE) stellt ein universelles Modell zur Beschreibung dieser raumzeitlichen Strukturen dar. Diese Arbeit ist der theoretischen Analyse komplexer Muster gewidmet. Mittels numerischer Bifurkations- und Stabilitätsanalyse werden Instabilitäten einfacher Muster identifiziert und neuartige Lösungen der CGLE bestimmt. Modulierte Amplitudenwellen (MAW) und Super-Spiralwellen sind Beispiele solcher komplexer Muster. MAWs können in hydrodynamischen Experimenten und Super-Spiralwellen in der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion beobachtet werden. Der Grenzübergang von Phasen- zu Defektchaos wird durch den Existenzbereich der MAWs erklärt. Mittels der selben numerischen Methoden wird Bursting vom Fold-Hopf-Typ in einem Modell der Kalziumsignalübertragung in Zellen identifiziert.

In this thesis we investigate the formation of patterns in a simple activator-inhibitor model supplemented with an inhibitory nonlocal coupling term. This model exhibits a wave instability for slow inhibitor diffusion, while, for fast inhibitor diffusion, a Turing instability is found. For moderate values of the inhibitor diffusion these two instabilities occur simultaneously at a codimension-2 wave-Turing instability. We perform a weakly nonlinear analysis of the model in the neighbourhood of this codimension-2 instability. The resulting amplitude equations consist in a set of coupled Ginzburg-Landau equations. These equations predict that the model exhibits bistability between travelling waves and Turing patterns. We present a study of interfaces separating wave and Turing patterns arising from the codimension-2 instability. We study theoretically and numerically the dynamics of such interfaces in the framework of the amplitude equations and compare these results with numerical simulations of the model near and far away from the codimension-2 instability. Near the instability, the dynamics of interfaces separating small amplitude Turing patterns and travelling waves is well described by the amplitude equations, while, far from the codimension-2 instability, we observe a locking of the interface velocities. This locking mechanism is imposed by the absence of defects near the interfaces and is responsible for the formation of drifting pattern domains, i.e. moving localised patches of travelling waves embedded in a Turing pattern background and vice versa.

In dieser Arbeit wird die Selbstorganisation in Halbleiterlasern mit ultrakurzer optischer Rueckkopplung untersucht. Es wurden eine Vielzahl neuer nichtlinearer dynamischer Szenarien experimentell praepariert und untersucht, wobei die Steuerung der relevanten Rueckkopplungsparameter ueber Injektionsstroeme erfolgt. Zwei verschiedene Typen von selbsterhaltenden Intensitaetspulsationen wurden abhaengig von der Phase und der Staerke der Rueckkopplung gefunden. Ein Pulsationstyp entsteht in einer Hopf-Bifurkation aus gedaempften Relaxationsoszillationen. Beim zweiten Pulsationstyp handelt es sich um Schwebungs-Oszillationen zweier verschiedener konkurrierender Moden der Gesamtkavitaet. Diese Ergebnisse repraesentieren experimentelle Beweise fuer theoretische Vorhersagen. Die Koexistenz von Schwebungsoszillationen und Relaxationsoszillationen fuehrt zum uebergang von regulaeren Pulsationen in chaotische Emission ueber eine quasiperiodische Route zum Chaos. Ein ploetzlicher Untergang des Chaos deutet auf ein Boundary-Crisis-Szenario hin. Die Existenz chaotischer Saettel, die transienten chaotischen Dynamiken nach einer Boundary Crisis zugrunde liegen und die Erregung von chaotischen Transienten ist eng verwandt mit konventioneller Erregbarkeit, wird experimentell verifiziert. Es wird der Einfluss externen Gaussschen Rauschens nahe von sub- und superkritischen Hopf-Bifurkationen untersucht. Rausch-induzierte Schwingungen tauchen als verrauschte Vorlaeufer in Form von lorentzfoermigen Spitzen im Powerspektrum auf. Der Kohaerenzfaktor, definiert durch das Produkt aus Hoehe der Spitze und Qualitaetsfaktor, zeigt fuer beide Typen von Hopf-Bifurkationen ein nichtmonotones Verhalten. Damit wird Kohaerenzresonanz experimentell demonstriert. Die Messungen zeigen neben diesen uebereinstimmungen auch qualitative Unterschiede zwischen den beiden Faellen. Die experimentellen Ergebnisse werden mittels eines allgemeinen Modells fuer rauschgetriebene Bewegungen in der Naehe von Bifurkationen untersucht. / In this work, self-organization in semiconductor lasers with ultra-short optical feedback is investigated. Exploiting dc currents to tune the relevant feedback parameters, we have experimentally prepared and studied a number of novel nonlinear dynamical scenarios. Two different types of self-sustaining intensity-pulsations are detected depending on strength and phase of the feedback. One type of pulsations is emerging in a Hopf-bifurcation from relaxation oscillations. The second type of pulsations is a beating of distinct compound-cavity modes. It is also born in a Hopf bifurcation. These findings represent experimental evidence for theoretical predictions. Coexistence of mode beating and relaxation oscillations gives rise to the break-up of regular pulsations into chaotic emission via a quasi-periodic route to chaos. The sudden destruction of chaos is indicative of a boundary crisis scenario. The existence of chaotic saddles underlying transient chaotic dynamics which appears behind boundary crisis is experimentally verified. It is experimentally demonstrated that an excitation of chaotic transients is closely related to a conventional excitability. The influence of external Gaussian noise close to the onset of sub- and super-critical Hopf bifurcations is studied. Noise-induced oscillations appear as a noisy precursor with Lorentzian shape peak in the power spectrum. The coherence factor defined by the product of height and quality factor exhibits non-monotonic behavior with a distinct maximum at a certain noise intensity for both types of Hopf bifurcations, demonstrating coherence resonance. Besides these similarities, the measurements reveal also qualitative differences between the two cases. Whereas the width of the noise induced peak increases monotonically with noise intensity for the supercritical bifurcation, it traverses a pronounced minimum in the subcritical case. The experimental findings are examined in terms of general model for the noise driven motion close to bifurcations.

Ein wichtiger Aspekt der Analyse von dynamischen Systemen ist die Transiente einer Trajektorie. Im Kontext der Nachhaltigkeitsforschung bearbeite ich diesbezüglich zwei Fragen: (i) ”Wie kann man die Zeit zum Erreichen des Attraktors quantifizieren?“ und (ii) ”Kann man es verhindern, bestimmte Grenzen zu überschreiben und somit sicher zu bleiben?“ Bzgl. (i) analysiere ich mehrere Probleme, welche bei der Quantifizierung solcher transienter Zeiten auftreten, und definiere vier Bedingungen, die eine Antwort auf Frage (i) erfüllen soll. Weiterhin führe ich zwei Metriken, Area under Distance Curve und Regularized Reaching Time, ein, die verschiedene Aspekte der transienten Dynamik einfangen. Frage (ii) bezieht sich auf Systeme mit sowohl erwünschten und unerwünschten Zuständen als auch Möglichkeiten zur Beeinflussung. Ich stelle ”Topology of Sustainable Management“ als ein Werkzeug zur Analyse solcher Modelle vor. Diese baut auf ”Viabilitätstheorie“ auf, um den dazugehörigen Saint-Pierre Algorithmus (SPA) verwenden zu können. Ich erweitere den Algorithmus zur Schätzung von ”implicitly-defined Capure Basins“ und löse zwei substanzielle Probleme, welche häufig bei der Anwendung von SPA vorkommen. Zur Demonstration verwende ich ein Beispielmodell, das auf Klimawandel, Wirtschaftsleistung und die Transformation des Energiesystems fokussiert. Danach nutze ich funktionale Klimanetzwerke, um zu analysieren, wie sich die transien- te Phase nach großen Klimastörungen – die El Niño- und La Niña-Phasen von ENSO und die drei größten Vulkaneruptionen seit 1950 – die Telekonnektionsstruktur der globalen Oberflächentemperatur auswirkt. Die Resultate bestätigen den globalen Einfluss von ENSO durch das Zusammenbrechen der modularen Struktur des global SAT-Feldes. Dies zeigt die Emergenz starker Telekonnektionen. Weiterhin habe ich deutlich, qualitative Unterschiede zwischen diesen global Klimaextremsituationen identifizieren können. / An important feature of dynamical systems is the transient phase of a trajectory that I approach with two question: (i) “How can we properly quantify the time to reach a system’s attractor?” and (ii) “Can we avoid transgressing certain boundaries and stay safe (& just)?” In particular, I consider these questions in the context of sustainability science. Concerning (i), I analyze several problems that come up when quantifying such transient times and define four conditions that a metric answering question (i) should fulfill. Further, I introduce two metrics, Area under Distance Curve and Regularized Reaching Time, capturing two complementary aspects of the transient dynamics. Question (ii) concerns with systems having distinctions of the state space in desirable and undesirable, e.g. defined by “planetary boundaries”, and some sort of influencing/managing it. I present Topology of Sustainable Management as a tool to analyze such models. It is built on concepts from viability theory (VT) in order to use the Saint-Pierre algorithm (SPA). I extend the SPA to compute so-called implicitly defined capture basins and solve two substantial problems repeatedly occuring when using the SPA. For Demonstration, I use a three-dimensional model focusing on climate change, economic output and energy transformation. Finally, I use functional climate networks to analyze how the transient phase after major climate perturbations – the El Niño and La Niña phases of ENSO and three largest recent volcanic eruptions – influence the teleconnectivity structure of the surface area temperature field (SAT). The results confirm the existence of global effects of ENSO by breaking down the modular structure of the global SAT field, and I have identified distinct qualitative differences between theses two global climate extreme situation.

We investigate systems with a mixed phase space, where regular and chaotic dynamics coexist. Classically, regions with regular motion, the regular islands, are dynamically not connected to regions with chaotic motion, the chaotic sea. Typically, this is also reflected in the quantum properties, where eigenstates either concentrate on the regular or the chaotic regions. However, it was shown that quantum mechanically, due to the tunneling process, a coupling is induced and flooding of regular islands may occur. This happens when the Heisenberg time, the time needed to resolve the discrete spectrum, is larger than the tunneling time from the regular region to the chaotic sea. In this case the regular eigenstates disappear. We study this effect by the time evolution of wave packets initially started in the chaotic sea and find increasing probability in the regular island. Using random matrix models a quantitative prediction is derived. We find excellent agreement with numerical data obtained for quantum maps and billiards systems. For open systems we investigate the phenomenon of flooding and disappearance of regular states, where the escape time occurs as an additional time scale. We discuss the reappearance of regular states in the case of strongly opened systems. This is demonstrated numerically for quantum maps and experimentally for a mushroom shaped microwave resonator. The reappearance of regular states is explained qualitatively by a matrix model. / Untersucht werden Systeme mit gemischtem Phasenraum, in denen sowohl reguläre als auch chaotische Dynamik auftritt. In der klassischen Mechanik sind Gebiete regulärer Bewegung, die sogenannten regulären Inseln, dynamisch nicht mit den Gebieten chaotischer Bewegung, der chaotischen See, verbunden. Dieses Verhalten spiegelt sich typischerweise auch in den quantenmechanischen Eigenschaften wider, so dass Eigenfunktionen entweder auf chaotischen oder regulären Gebieten konzentriert sind. Es wurde jedoch gezeigt, dass aufgrund des Tunneleffektes eine Kopplung auftritt und reguläre Inseln geflutet werden können. Dies geschieht wenn die Heisenbergzeit, das heißt die Zeit die das System benötigt, um das diskrete Spektrum aufzulösen, größer als die Tunnelzeit vom Regulären ins Chaotische ist, wobei reguläre Eigenzustände verschwinden. Dieser Effekt wird über eine Zeitentwicklung von Wellenpaketen, die in der chaotischen See gestartet werden, untersucht. Es kommt zu einer ansteigenden Wahrscheinlichkeit in der regulären Insel. Mithilfe von Zufallsmatrixmodellen wird eine quantitative Vorhersage abgeleitet, welche die numerischen Daten von Quantenabbildungen und Billardsystemen hervorragend beschreibt. Der Effekt des Flutens und das Verschwinden regulärer Zustände wird ebenfalls mit offenen Systemen untersucht. Hier tritt die Fluchtzeit als zusätzliche Zeitskala auf. Das Wiederkehren regulärer Zustände im Falle stark geöffneter Systeme wird qualitativ mithilfe eines Matrixmodells erklärt und numerisch für Quantenabbildungen sowie experimentell für einen pilzförmigen Mikrowellenresonator belegt.

Zugl.: Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss.

Quasi two-dimensional turbulent flows, like mesoscale oceanic and large-scale atmospheric flows, create finite-time coherent structures, compact fluid masses that resist mixing for finite-time despite the turbulent nature of the ambient flow. These coherent structures significantly affect the mixing and transport of fluid elements. In return, the transport of passive scalars like heat, humidity, salinity, chemical concentration, nutrients and even algae has a substantial impact on countless geophysical phenomena. Thus, in order to understand these effects reliable methods for coherent structure detection and the identification of their boundaries are necessary. Here, in this thesis, we present two contributions in this regard. First, we present improvements of the transfer operator approach, an established stochastic approach for the detection of almost-invariant and coherent sets. The approach approximates the transport properties of a complicated flow by a linear transfer operator and aims to partition a given domain in multiple sets such that the inter-set mass transport is minimized. The improvements include the introduction of mixing boundary conditions in stationary and time-dependent flows. By modifying the transfer operator we couple the filaments that surround the coherent and jointly rotating fluid volume such that effectively only two non-communicating sets remain: the coherent eddy core and the ambient flow. This significantly stabilizes the inference of coherent eddy cores and makes the use of popular but error-prone clustering techniques unnecessary. In addition, we discuss the identification of temporally consistent areas of increased coherence. Instead of coherent structures that are defined by advected non-filamenting masses, the concept describes consistent and moving patches of reduced mixing whose mass can change over time. This permits the decoupling of the coherence time scale from the time window under consideration. Both modifications are used to study the transport properties of eight selected Baltic Sea eddies. Secondly, we introduce the MSCS-search, a new algorithm for the inference of finite-time coherent volumes that is solely based upon the concept of convexity. Persistent convexity is a sufficient condition for coherence in two-dimensional flows if coherent structures are understood as non-filamenting volumes. However, convexity has never been considered as condition of coherence, even though some methods use it, for practical reasons, as an explicit constraint. The approach identifies the largest structure inside a given volume that remains star-convex with respect to a given reference trajectory within a given time window. We test the approach thoroughly and our results show that the approach yields good and reliable estimations of coherent structures in all test cases. Moreover, since the results depend explicitly on the considered time window, the results are intuitive and enable the identification and study of filaments. The novel approach is then used to re-evaluate transport processes in the data set of Baltic eddies.:1 Introduction 2 Theoretical Background 2.1 Methods 2.1.1 Okubo-Weiss criterion 2.1.2 Finite-Time Lyapunov Exponents 2.1.3 Lagrangian Descriptors and Lagrangian averaged vorticity deviation 2.2 Models 2.2.1 Euler equation 2.2.2 Stationary Gaussian Blob Model 2.2.3 Periodically Perturbed Gaussian Blob Model 2.2.4 Bickley-Jet 3 Transfer Operator Approach I: State of the Art 3.1 Frobenius-Perron Operator 3.2 Markov-Chains 3.3 Laplacian matrices 3.4 Finding Almost-Invariant Sets 3.5 Finding Coherent Sets 3.5.1 Coherent pairs as tuples 3.5.2 Coherent pairs as triples 3.6 Spectral Clustering 3.7 Critique and Discussion 4 Transfer Operator Approach II: Mixing Boundary Conditions in Stationary Flows 4.1 Overview 4.2 Estimation of Transfer Probability Matrices P 4.3 Mixing Boundary Conditions 4.4 Thresholding 4.5 Results 4.5.1 Robustness with respect to parameters 4.5.2 Comparison and alternatives 4.5.3 Handling of false positives 4.5.4 Periodically perturbed flow 4.6 Closing Remark 5 Transfer operator approach III: Analysis of Oceanic Transport 5.1 Mixing Boundary Conditions: Time-Dependent Flows 5.1.1 Method 5.1.2 Results 5.2 Temporal consistency 5.2.1 Method 5.2.2 Results 5.3 Treatment of Coastal Effects 5.4 Application to Baltic velocity fields 5.4.1 Method 5.4.2 Results 5.5 Closing Remark 6 Prototypes of Coherent Sets: Star-Convex Structures 6.1 Mathematical Considerations 6.2 MSCS-Algorithm 6.3 Extracting star-convex sub-volumes 6.4 Results 6.4.1 Stationary Gaussian blob model 6.4.2 Bickley-Jet 6.4.3 Two dimensional inviscid flow 6.4.4 Real data sets 6.5 Closing Remark 7 Conclusion and Outlook / Es ist bekannt, dass quasi-zweidimensionale turbulente Strömungen, wie etwa Strömungen an der Meeresoberfläche oder großskalige Atmosphärenbewegungen, kohärente Strukturen ausbilden, kompakte Volumina, welche einer Mischung mit dem umgebenden Material für endliche Zeit widerstehen, obwohl die Strömung als solche turbulent ist. Diese Strukturen haben einen signifikanten Einfluss auf den Transport von Fluidelementen. Der Transport von passiven skalaren Größen, wie etwa Wärme, Feuchtigkeit, Salzgehalt, Nährstoffgehalt, jegliche Konzentration che- mischer Stoffe und sogar Algendichte hat wiederum einen Effekt auf unzählige geophysikalische Phänomene. Um diese Phänomene im Detail zu verstehen, sind zuverlässige Methoden für die Detektion von kohärenten Strukturen und die Identifikation ihrer Grenzen notwendig. In der vorliegenden Arbeit präsentieren wir zwei Beiträge zur Lösung dieses Problems. Als erstes präsentieren wir Verbesserungen der Transferoperatormethode. Diese etablierte Methode zur Identifikation von fast-invarianten und kohärenten Mengen approximiert die Transporteigenschaften eines Flusses mithilfe eines linearen Transferoperators, mit dem Ziel, das betrachtete Gebiet in Bereiche zu unterteilen, welche den Materialaustausch zwischen den Bereichen minimieren. Die Verbesserungen beinhalten die Einführung von mischenden Randbedingungen in stationären und nicht-stationären Flüssen. Dabei wird der Transferoperator so modifiziert, dass Filamente, welche die kohärente Struktur umgeben, gekoppelt werden, was zur Folge hat, dass effektiv nur zwei nicht kommunizierende Strukturen übrig bleiben: die kohärente Struktur und das sie umgebende Volumen. Dies führt zu einer signifikant erhöhten Stabilität der Methode ohne auf die sonst üblichen aber fehleranfälligen clustering-Techniken zurückgreifen zu müssen. Des Weiteren diskutieren wir die Identifikation von zeitlich konsistenten Regionen erhöhter Kohärenz. Anstatt von kohärenten Strukturen als bewegliche nicht filamentierende Massen zu sprechen, beschreibt dieses Konzept kohärente Strukturen als konsistente sich bewegende Regionen reduzierten Mischverhaltens deren beteiligte Masse zeitlich veränderlich ist. Dies erlaubt die Entkopplung der Kohärenzzeitskala vom betrachteten Zeitfenster. Im Anschluss verwenden wir beide Modifikationen, um die Transporteigenschaften von acht ausgewählten Ostseewirbeln zu untersuchen. Als zweiten Beitrag stellen wir den MSCS-Algorithmus vor, eine neue Methode zur Identifikation von kohärenten Strukturen, welche einzig und allein auf dem Prinzip von Konvexität basiert. Versteht man kohärente Strukturen als nicht filamentierende Massen, ist persistente Konvexität eine hinreichende Bedingung für Kohärenz. Konvexität wurde bisher noch nie als Grundlage für Kohärenz untersucht, obwohl sie aus praktischen Gründen in einigen Methoden bereits als einschränkende Bedingung verwendet wird. Die Methode identifiziert die größte Struktur innerhalb eines gegebenen Volumens, welches während eines gegebenen Zeitraums stern-konvex bezüglich einer gegebenen Referenztrajektor bleibt. Alle studierten Testszenarien zeigen, dass der Ansatz gute und zuverlässige Ergebnisse liefert. Diese Ergebnisse hängen darüber hinaus direkt von den Eingangsparametern ab, was die Interpretation der Ergebnisse stark erleichtert und zusätzlich die Untersuchung von Filamentbildung erlaubt. Die neue Methode wird verwendet um den kohärenten Transport in den bereits untersuchten Ostseewirbeln zu reevaluieren.:1 Introduction 2 Theoretical Background 2.1 Methods 2.1.1 Okubo-Weiss criterion 2.1.2 Finite-Time Lyapunov Exponents 2.1.3 Lagrangian Descriptors and Lagrangian averaged vorticity deviation 2.2 Models 2.2.1 Euler equation 2.2.2 Stationary Gaussian Blob Model 2.2.3 Periodically Perturbed Gaussian Blob Model 2.2.4 Bickley-Jet 3 Transfer Operator Approach I: State of the Art 3.1 Frobenius-Perron Operator 3.2 Markov-Chains 3.3 Laplacian matrices 3.4 Finding Almost-Invariant Sets 3.5 Finding Coherent Sets 3.5.1 Coherent pairs as tuples 3.5.2 Coherent pairs as triples 3.6 Spectral Clustering 3.7 Critique and Discussion 4 Transfer Operator Approach II: Mixing Boundary Conditions in Stationary Flows 4.1 Overview 4.2 Estimation of Transfer Probability Matrices P 4.3 Mixing Boundary Conditions 4.4 Thresholding 4.5 Results 4.5.1 Robustness with respect to parameters 4.5.2 Comparison and alternatives 4.5.3 Handling of false positives 4.5.4 Periodically perturbed flow 4.6 Closing Remark 5 Transfer operator approach III: Analysis of Oceanic Transport 5.1 Mixing Boundary Conditions: Time-Dependent Flows 5.1.1 Method 5.1.2 Results 5.2 Temporal consistency 5.2.1 Method 5.2.2 Results 5.3 Treatment of Coastal Effects 5.4 Application to Baltic velocity fields 5.4.1 Method 5.4.2 Results 5.5 Closing Remark 6 Prototypes of Coherent Sets: Star-Convex Structures 6.1 Mathematical Considerations 6.2 MSCS-Algorithm 6.3 Extracting star-convex sub-volumes 6.4 Results 6.4.1 Stationary Gaussian blob model 6.4.2 Bickley-Jet 6.4.3 Two dimensional inviscid flow 6.4.4 Real data sets 6.5 Closing Remark 7 Conclusion and Outlook

Welchen Einfluss die Struktur eines neuronalen Netzwerks auf seine Funktion ausübt, ist ein zentrales Thema der Neurowissenschaften. Obwohl gezeigt wurde, dass die Struktur vieler Gehirnnetzwerke nicht-triviale Gradkorrelationen aufweisen, ist deren Einfluss auf die neuronale Verarbeitung noch nicht vollständig verstanden. Diese Problem stellt einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar – wir entwickeln ein „mean field“-Modell zur Untersuchung der Aktivitäten in rekurrenten neuronalen Netzwerken. Diese Untersuchung zeigt unter anderem, dass Gradkorrelationen in neuronalen Netzwerken zu komplexen, multistabilen Aktivitätsregimen führen können. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Wellen auf der Netzhaut, von denen angenommen wird, dass sie für die Entwicklung des visuellen Systems eine wesentliche Rolle spielen. An Kaninchen durchgeführte Experimente zeigten, dass Wellen auf der Netzhaut im frühesten Stadium mit einer mittleren Rate von 36±18 1/sec auftreten und sich mit einer Geschwindigkeit von 451±91 μm/sec ausbreiten. Es ist bekannt, dass sich die Wellen in der Ganglienzellschicht der Netzhaut ausbreiten und auf Gap Junction-Kopplung zwischen den Neuronen beruhen. Da Gap Junctions (elektrische Synapsen) kurze Integrationszeiten haben, wurde vermutet, dass diese nicht für die niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen auf der Netzhaut verantwortlich sein können. Wir entwickeln ein Modell, das aus einem zweidimensionalen Netzwerk von gekoppelten burstenden Neuronen besteht und die beobachtete Ausbreitungsgeschwindigkeit erklärt. Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass die experimentell beobachtete Wellengeschwindigkeit und Nukleationsrate der frühen Wellen auf der Netzhaut für eine physiologisch plausible Gap Junction Kopplungsstärke und Rauschintensität zu erwarten sind. / The interplay between the structure and the function of a neuronal network is a fundamental issue in neuroscience. Although many brain networks have been shown to exhibit non-trivial correlations in their connectivity patterns, their role for neuronal computations is yet poorly understood. We set one main focus of this thesis on degree correlations and their influence on the activities in neuronal networks. To this end, we develop a mean field model and investigate the activities in recurrent neuronal networks. We find that depending on the degree-correlations, networks of neurons can exhibit complex, multi-stable activity regimes. The second focus of this thesis concerns retinal waves, which are believed to be essential for the development of the visual system. Experiments performed on rabbits revealed that stage I retinal waves (the earliest stage) are nucleated spontaneously with a mean inter-wave interval of 36±18 1/sec, to propagate without directional bias at a speed of 451±91 μm/sec. It has been known that the waves at this age spread through the ganglion cell layer of the retina and rely on gap junction coupling between the neurons. Because gap junctions (electrical synapses) have short integration times, it has been argued that they cannot set the low speed of stage I retinal waves. We present a theoretical model consisting of a two-dimensional network of the noisy bursting neurons, which are coupled via gap junctions. We demonstrate that this model explains the observed propagation speed, which is discussed analytically. To our knowledge, this is the first time it is demonstrated that the experimentally observed wave speed and nucleation rate of stage I retinal waves is recovered for a gap-junction coupling strength and noise intensity within a physiologically plausible range. Particularly the implication of gap junctions as mediator of these waves was previously unexplained.

Diese Arbeit zielt darauf ab, die raumzeitlichen Regelmäßigkeiten an Übergängen aufzudecken, die in saisonalen Klima- und Ingenieursystemen beobachtet werden, indem moderne Methoden der komplexen Systemwissenschaft verwendet werden. Das erste System ist der indische Sommermonsun - eine Regenzeit, deren jährliche Schwankungen das Leben und den Wohlstand von mehr als einer Milliarde Menschen auf dem indischen Subkontinent beeinflussen und die Wirtschaft des von der Landwirtschaft abhängigen Landes stark beeinträchtigen. Insbesondere die Kenntnis des zeitlichen Ablaufs des Übergangs vom Vormonsun zum Monsun ist für die Planung landwirtschaftlicher Aktivitäten dringend erforderlich. Die Vorhersage des Monsunzeitpunkts über dem indischen Kontinent bleibt jedoch eine große wissenschaftliche Herausforderung. Das zweite ist ein Verbrennungssystem, das anfällig für ein katastrophales Phänomen namens thermoakustische Instabilität ist, das verhindert, dass das Verbrennungssystem unter klimafreundlichen Bedingungen betrieben wird. Eine solche Brennkammer ist typisch für Energie- und Antriebssysteme wie Gasturbinentriebwerke, Boiler und Raketen. Zu verstehen, wann der Übergang zur thermoakustischen Instabilität auftritt und wie dieser Übergang unterdrückt werden kann, sind Schlüsselfragen für die Entwicklung klimafreundlicher Motoren. Diese Dissertation liefert ein neues Verständnis des indischen Sommermonsuns und der thermoakustischen Instabilität durch auf statistischer Physik basierende Ansätze, die verborgene Merkmale in diesen Systemen nahe ihren jeweiligen Übergängen aufdecken. / This thesis aims to reveal the spatiotemporal regularities at transitions observed in seasonal climate and engineering systems by utilizing modern methods of complex systems science. The first system is the Indian Summer Monsoon - a rainy season whose yearly variability affects the life and prosperity of more than a billion people in the Indian subcontinent and strongly impacts the economy of the agriculture-dependent country. In particular, knowledge of the timing of the transition from pre-monsoon to monsoon is greatly needed for the planning of agriculture activities. However, the prediction of monsoon timing over the Indian continent remains a significant scientific challenge. The second is a combustion system prone to a catastrophic phenomenon called thermoacoustic instability, which prevents the combustion system from being operated in climate-friendly conditions. Such a combustor is typical in power and propulsion systems such as gas turbine engines, boilers, and rockets. Understanding when the transition to thermoacoustic instability occurs and how to suppress this transition are key questions for developing climate-friendly engines. This thesis provides a new understanding of the Indian Summer Monsoon and thermoacoustic instability through statistical physics-based approaches that reveal hidden features in these systems near their respective transitions.