Many systems in nature, e.g. atoms, molecules and planetary motion, can be described as Hamiltonian systems. In such systems, the transport between different regions of phase space determines some of their most important properties like the stability of the solar system and the rate of chemical reactions. While the transport in lower-dimensional systems with two degrees of freedom is well understood, much less is known for the higher-dimensional case. A central new feature in higher-dimensional systems are transport phenomena due to resonance channels. In this thesis, we clarify the complex geometry of resonance channels in phase space and identify a turnstile mechanism that dominates the transport out of such channels.
To this end, we consider the coupled standard map for numerical investigations as it is a generic example for 4D symplectic maps. At first, we visualize resonance channels in phase space revealing their highly non-trivial geometry. Secondly, we study the transport away from such channels. This is governed by families of hyperbolic 1D-tori and their stable and unstable manifolds. We provide an approach to measure the volume of a turnstile in higher dimensions as well as the corresponding transport. From the very good agreement of the two measurements we conclude that these structures are a suitable generalization of the well-known 2D turnstile mechanism to higher dimensions. / Viele Systeme in der Natur, z.B. Atome, Moleküle und Planetenbewegungen, können als Hamilton'sche Systeme beschrieben werden. In solchen Systemen bestimmt der Transport zwischen verschiedenen Regionen des Phasenraums einige ihrer wichtigsten Eigenschaften wie die Stabilität des Sonnensystems und die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Während der Transport in niedrigdimensionalen Systemen mit zwei Freiheitsgraden gut verstanden ist, ist für den höherdimensionalen Fall deutlich weniger bekannt. Eine zentrales neues Merkmal von höherdimensionalen Systemen sind Transportphänomene aufgrund von Resonanzkanälen. In dieser Arbeit verdeutlichen wir die komplexe Geometrie von Resonanzkanälen im Phasenraum und identifizieren einen Drehkreuzmechanismus, der den Transport aus einem solchen Kanal heraus dominiert.
Zu diesem Zweck betrachten wir die gekoppelte Standardabbildung für numerische Untersuchungen, da sie ein generisches Beispiel für 4D symplektische Abbildungen ist. Zuerst visualisieren wir Resonanzkanäle im Phasenraum und zeigen ihre höchst nicht-triviale Geometrie. Zweitens untersuchen wir den Transport weg von solchen Kanälen. Dieser wird durch Familien von hyperbolischen 1D-Tori sowie deren stabile und instabile Mannigfaltigkeiten bestimmt. Wir stellen einen Ansatz zur Messung sowohl des eingeschlossenen Volumens in höheren Dimensionen als auch des entsprechenden Transports vor. Aus der sehr guten Übereinstimmung der beiden Messungen schließen wir, dass diese Strukturen eine geeignete Verallgemeinerung des bekannten 2D Drehkreuzmechanismus in höheren Dimensionen sind.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72443 |
| Date | 13 October 2020 |
| Creators | Hübner, Franziska |
| Contributors | Ketzmerick, R., Padberg-Gehle, K., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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