Universiẗat, Diss., 2000--Heidelberg.

University, Diss., 2004--Heidelberg.

A possible connection of planetary waves (PW) and ionospheric planetary wave type oscillations (PWTO) at midlatitudes is studied by analyzing MetOffice stratospheric reanalysis data and maps of the Total Electron Content. Although the seasonal variability looks similar, the vertical coupling between stratosphere and ionosphere is known to only happen indirectly through processes such as the modulation of gravity waves (GW) by PW. To investigate possible coupling processes, information about GW are retrieved from SABER temperature profiles (30-130 km) by calculating the potential energy (Ep) and generating daily maps of Ep. For the period of time from 2003-07-19 to 2005-07-20 proxies of stationary and travelling PW were calculated to obtain a general picture of PW activity, modulation of GW by PW and activity of PWTO in the ionosphere. The results reveals that mostly PW itself cannot reach lower thermospheric heights, but their signatures propagate upward up to 120 km and above, where they can trigger PWTO. / Ein möglicher Zusammenhang zwischen dem Auftreten planetarer Wellen (PW) und typischer Oszillationen planetarer Wellen (PWTO) der Ionosphäre in mittleren Breiten wird auf der Basis von Analysen stratosphärischer Reanalysen und Karten des Gesamtelektronengehalts untersucht. Obwohl das saisonale Verhalten ähnlich erscheint, kann die Kopplung nur auf indirektem Wege erfolgen, wie z.B. durch die Modulation von Schwerewellen (GW) durch PW. Die für die Analysen notwendigen Informationen über GW können aus Temperaturprofilen (30-130 km), abgeleitet von Satellitenbeobachtungen (z.B. SABER), durch die Bestimmung der potentiellen Energie von GW, gewonnen werden. Zusammengefasst in täglichen Daten (2003-07-19 to 2005-07-20) stellen Proxies stationärer und wandernder PW ein vereinfachtes Bild des Prozesses der Modulation durch PW dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sich PW selbst nicht bis in die unteren Thermosphäre ausbreiten können. Jedoch die Signatur, getragen durch GW, könnte auf diesem Wege als PWTO abgebildet werden.

Aus täglichen Analysen des sommerlichen zonalen Grundwindes im Mesopausenbereich, der am Observatorium Collm der Universität Leipzig gemessen wurde, werden niederfrequente Variationen im Zeitbereich planetarer Wellen (10 - 20 Tage) bestimmt. Obwohl die direkte Ausbreitung derartiger Wellen durch die stratosphärischen und mesosphärischen Ostwinde verhindert wird, werden in manchen Jahren trotzdem Oszillationen gemessen, die mit planetaren Wellen im Zusammenhang stehen können. Dies unterstützt die Theorie, daß sich planetare Wellen von der Winterhalbkugel entlang der Zonen schwachen Windes bis in die Mesopausenregion mittlerer und polarer Breiten ausbreiten. Betrachtet man die interanuelle Variabilität dieser Wellen, fällt eine Abhängigkeit von der äquatorialen quasi 2-jährigen Schwingung (QBO) auf, wobei während der Ostphase der QBO die Wellenaktivität gering ist, während sie in der Westphase der QBO stärker sein kann. Der Einfluß der QBO auf die sommerliche Wellenaktivität wird vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus moduliert, wobei während des solaren Maximums stärkere Aktivität zu verzeichnen ist. / From daily estimates of the summer mesopause region zonal prevailing wind measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig long-term variations in the period range of planetary waves (10-20 days) are detected. Although the direct propagation of these waves from lower layers into the mesosphere is not possible because of the wave filtering in the summer stratospheric and mesospheric easterlies, in some years oscillations are found that can be connected with planetary waves, supporting the theory of the propagation of these waves from the equatorial region to the midlatitude and polar upper mesosphere along the zero wind line. The interannual variability of these waves shows a dependence on the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO), so that in general during the east phase of the QBO the planetary wave activity is small, while during the QBO west phase it can be larger. The influence of the QBO on the planetary wave activity is modulated by the I I-year solar cycle, so that the strongest signal is found during solar maximum.

Our dynamic Sun manifests its activity by different phenomena: from the 11-year cyclic sunspot pattern to the unpredictable and violent explosions in the case of solar flares. During flares, a huge amount of the stored magnetic energy is suddenly released and a substantial part of this energy is carried by the energetic electrons, considered to be the source of the nonthermal radio and X-ray radiation. One of the most important and still open question in solar physics is how the electrons are accelerated up to high energies within (the observed in the radio emission) short time scales. Because the acceleration site is extremely small in spatial extent as well (compared to the solar radius), the electron acceleration is regarded as a local process. The search for localized wave structures in the solar corona that are able to accelerate electrons together with the theoretical and numerical description of the conditions and requirements for this process, is the aim of the dissertation. Two models of electron acceleration in the solar corona are proposed in the dissertation: I. Electron acceleration due to the solar jet interaction with the background coronal plasma (the jet--plasma interaction) A jet is formed when the newly reconnected and highly curved magnetic field lines are relaxed by shooting plasma away from the reconnection site. Such jets, as observed in soft X-rays with the Yohkoh satellite, are spatially and temporally associated with beams of nonthermal electrons (in terms of the so-called type III metric radio bursts) propagating through the corona. A model that attempts to give an explanation for such observational facts is developed here. Initially, the interaction of such jets with the background plasma leads to an (ion-acoustic) instability associated with growing of electrostatic fluctuations in time for certain range of the jet initial velocity. During this process, any test electron that happen to feel this electrostatic wave field is drawn to co-move with the wave, gaining energy from it. When the jet speed has a value greater or lower than the one, required by the instability range, such wave excitation cannot be sustained and the process of electron energization (acceleration and/or heating) ceases. Hence, the electrons can propagate further in the corona and be detected as type III radio burst, for example. II. Electron acceleration due to attached whistler waves in the upstream region of coronal shocks (the electron--whistler--shock interaction) Coronal shocks are also able to accelerate electrons, as observed by the so-called type II metric radio bursts (the radio signature of a shock wave in the corona). From in-situ observations in space, e.g., at shocks related to co-rotating interaction regions, it is known that nonthermal electrons are produced preferably at shocks with attached whistler wave packets in their upstream regions. Motivated by these observations and assuming that the physical processes at shocks are the same in the corona as in the interplanetary medium, a new model of electron acceleration at coronal shocks is presented in the dissertation, where the electrons are accelerated by their interaction with such whistlers. The protons inflowing toward the shock are reflected there by nearly conserving their magnetic moment, so that they get a substantial velocity gain in the case of a quasi-perpendicular shock geometry, i.e, the angle between the shock normal and the upstream magnetic field is in the range 50--80 degrees. The so-accelerated protons are able to excite whistler waves in a certain frequency range in the upstream region. When these whistlers (comprising the localized wave structure in this case) are formed, only the incoming electrons are now able to interact resonantly with them. But only a part of these electrons fulfill the the electron--whistler wave resonance condition. Due to such resonant interaction (i.e., of these electrons with the whistlers), the electrons are accelerated in the electric and magnetic wave field within just several whistler periods. While gaining energy from the whistler wave field, the electrons reach the shock front and, subsequently, a major part of them are reflected back into the upstream region, since the shock accompanied with a jump of the magnetic field acts as a magnetic mirror. Co-moving with the whistlers now, the reflected electrons are out of resonance and hence can propagate undisturbed into the far upstream region, where they are detected in terms of type II metric radio bursts. In summary, the kinetic energy of protons is transfered into electrons by the action of localized wave structures in both cases, i.e., at jets outflowing from the magnetic reconnection site and at shock waves in the corona. / Die Sonne ist ein aktiver Stern, was sich nicht nur in den allseits bekannten Sonnenflecken, sondern auch in Flares manifestiert. Während Flares wird eine große Menge gespeicherter, magnetischer Energie in einer kurzen Zeit von einigen Sekunden bis zu wenigen Stunden in der Sonnenkorona freigesetzt. Dabei werden u.a. energiereiche Elektronen erzeugt, die ihrerseits nichtthermische Radio- und Röntgenstrahlung, wie sie z.B. am Observatorium für solare Radioastronomie des Astrophysikalischen Instituts Potsdam (AIP) in Tremsdorf und durch den NASA-Satelliten RHESSI beobachtet werden, erzeugen. Da diese Elektronen einen beträchtlichen Anteil der beim Flare freigesetzten Energie tragen, ist die Frage, wie Elektronen in kurzer Zeit auf hohe Energien in der Sonnenkorona beschleunigt werden, von generellem astrophysikalischen Interesse, da solche Prozesse auch in anderen Sternatmosphären und kosmischen Objekten, wie z.B. Supernova-Überresten, stattfinden. In der vorliegenden Dissertation wird die Elektronenbeschleunigung an lokalen Wellenstrukturen im Plasma der Sonnenkorona untersucht. Solche Wellen treten in der Umgebung der magnetischen Rekonnektion, die als ein wichtiger Auslöser von Flares angesehen wird, und in der Nähe von Stoßwellen, die infolge von Flares erzeugt werden, auf. Generell werden die Elektronen als Testteilchen behandelt. Sie werden durch ihre Wechselwirkung mit den elektrischen und magnetischen Feldern, die mit den Plasmawellen verbunden sind, beschleunigt. Infolge der magnetischen Rekonnektion als Grundlage des Flares werden starke Plasmaströmungen (sogenannte Jets) erzeugt. Solche Jets werden im Licht der weichen Röntgenstrahlung, wie z.B. durch den japanischen Satelliten YOHKOH, beobachtet. Mit solchen Jets sind solare Typ III Radiobursts als Signaturen von energiereichen Elektronenstrahlen in der Sonnenkorona verbunden. Durch die Wechselwirkung eines Jets mit dem umgebenden Plasma werden lokal elektrische Felder erzeugt, die ihrerseits Elektronen beschleunigen können. Dieses hier vorgestellte Szenarium kann sehr gut die Röntgen- und Radiobeobachtungen von Jets und den damit verbundenen Elektronenstrahlen erklären. An koronalen Stoßwellen, die infolge Flares entstehen, werden Elektronen beschleunigt, deren Signatur man in der solaren Radiostrahlung in Form von sogenannten Typ II Bursts beobachten kann. Stoßwellen in kosmischen Plasmen können mit Whistlerwellen (ein spezieller Typ von Plasmawellen) verbunden sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein Szenarium vorgestellt, das aufzeigt, wie solche Whistlerwellen an koronalen Stoßwellen erzeugt werden und durch ihre resonante Wechselwirkung mit den Elektronen dieselben beschleunigen. Dieser Prozess ist effizienter als bisher vorgeschlagene Mechanismen und kann deshalb auch auf andere Stoßwellen im Kosmos, wie z.B. an Supernova-Überresten, zur Erklärung der dort erzeugten Radio- und Röntgenstrahlung dienen.

Im Mittelpunkt des Vortrags steht der Aufbau eines FEM-Modells in Creo Simulate, Berechnung von Schrauben, Lagerung von Wellen sowie die Anwendung des Tools Fatigue Advisor für die Ermüdungsanalyse, UML sowie Dehnungs-Wöhler-Kurven.

Universiẗat, Diss--Innsbruck, 2005.

Der bisher noch wenig untersuchte Wellenaufgang im Übergangsbereich zwischen Brandung und Reflexion wurde experimentell untersucht. Darauf aufbauend wird ein geschlossener Berechnungsansatz für die Auflaufhöhe unregelmäßiger Wellen vorgeschlagen, der für brechende und nichtbrechende Wellen anwendbar ist.

The ionosphere-thermosphere can be considered to a certain degree as a system, which is externally-driven by the extreme-ultraviolet solar radiation. The main components in the regular variation are connected to the solar cycle, solar rotation and the diurnal cycle. However, anomalies and periodicities of several days, which cannot be related to changes in the solar activity at all times, were detected in ionospheric parameters. It is assumed that the total variation in the ionosphere is partly forced by waves coming from below. This thesis provides a clearer picture of the seasonal changes of wave phenomena observed in the ionosphere and its possible relation to lower atmospheric structures. Since such global disturbances in the middle atmosphere are termed as planetary waves (PW), such features in the ionosphere are declared as planetary wave type oscillations (PWTO), although a direct connection is excluded.Northern hemispheric maps of the Total Electron Content (TEC) derived from GPS-signals that are currently used for monitoring the ionospheric F-region in relation to space weather provide a basis for investigating PWTO applying space-time analysis methods to separate stationary and traveling wave components from the data. Compared to analyses of PW obtained by regular stratospheric reanalyses the seasonal behavior and possible coexisting wave activities during the considered period of time (2002-2008) are presented. Such a climatological consideration has revealed that recurring events in the course of the solar cycle are rare, but it seems that the westward propagating quasi 16-day wave with zonal wavenumber 1, analysed from stratospheric MetO reanalyses, and the ionosphere are indirectly coupled. Generally, the correspondence of other components are restricted around the solar maximum 2002-2005. There are some suggestions, how the middle and upper atmosphere are connected by PW. Sounding of the middle atmosphere by remote sensing techniques from satellites (e.g. SABER on TIMED) deliver a suitable basis to investigate the coupling by the modulation of gravity waves (GW). By calculating the potential energy for a certain wave spectrum, characterized by vertical wavelength shorter than 6 km, and determining proxies of traveling waves permits to investigate a possible mechanism. The results reveal that GW partly penetrate the lower thermosphere carrying a modulation by PW. In some cases, especially during the first three winter, near solar maximum, stratospheric PW show a good correlation to indirect signals in the lower thermosphere and to PWTO in the ionospheric F-region near 300 km.

Univ., Diss.--Helsinki, 2007.