Simulations of complex atmospheric flows using GPUs - the model ASAMgpu -: Simulations of complex atmospheric flows using GPUs - the model ASAMgpu -

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt

How to Test for Diagonalizability: The Discretized PT-Invariant Square-Well Potential

Given a non-hermitean matrix M, the structure of its minimal polynomial encodes whether M is diagonalizable or not. This note will explain how to determine the minimal polynomial of a matrix without going through its characteristic polynomial. The approach is applied to a quantum mechanical particle moving in a square well under the influence of a piece-wise constant PT-symmetric potential. Upon discretizing the configuration space, the system is decribed by a matrix of dimension three. It turns out not to be diagonalizable for a critical strength of the interaction, also indicated by the transition of two real into a pair of complex energy eigenvalues. The systems develops a three-fold degenerate eigenvalue, and two of the three eigenfunctions disappear at this exceptional point, giving a difference between the algebraic and geometric multiplicity of the eigenvalue equal to two.Comment: 5 page

Ökobilanzen im Chemieunterricht : Darstellung eines experimentellen und computerunterstützten Zuganges

Ziel dieser Arbeit ist es, Wege darzustellen, wie die Thematik Ökobilanzen im Chemieunterricht allgemeinbildender Schulen behandelt werden kann. Ökobilanzen sind definiert als ein Verfahren zur Ermittlung der potentiellen Umweltbelastungen eines Produktes über dessen gesamten Lebensweg. Ein solcher Lebensweg besteht aus mehreren Abschnitten. Am Anfang steht die Rohstoffgewinnung, dann folgt die Herstellung des Produktes, darauf der Gebrauch/Verbrauch und schließlich die Entsorgung oder das Recycling. Die grundlegende Vorgehensweise, wie eine (klassische) Ökobilanz aufzustellen ist, ist ausführlich in den DIN EN ISO-Normen 14040 bis 14043 beschrieben. Für den Chemieunterricht ist aber ein solche, den gesamten Lebensweg umfassende und DIN-gerechte Betrachtung zu zeitaufwendig und schwierig. Daher wurde nach Lösungsmöglichkeiten gesucht, dieses aufgrund seines Umweltbezuges interessante Thema dennoch für den Unterricht erschließen zu können. Es wurde ein kombinierter experimenteller und computerunterstützter Zugang entwickelt. Schwerpunkt ist der Chemieunterricht der Sekundarstufe II, jedoch kann die Thematik Ökobilanzen aufgrund umfassender didaktischer Reduktion bereits in der Sekundarstufe I oder ganz vereinfacht sogar im Sachunterricht der Grundschule behandelt werden. Methodische Möglichkeiten werden auch für diese Schulstufen vorgestellt. Für die Sekundarstufe II wurden Experimente erarbeitet, deren Daten zu den Stoff- und Energieströmen dazu dienen, eine vereinfachte Ökobilanz im Unterricht aufstellen zu können. Gegenstand der Experimente ist zum einen die Herstellung von entionisiertem Wasser über Destillation und Ionenaustausch, zum anderen die Herstellung und das Recycling von Kunststoffen. Die Experimente sind so konzipiert, daß sie von Schülern selbst durchgeführt werden können. Um die Auswertung und die Aufstellung der Ökobilanz zu vereinfachen und somit zu beschleunigen, wurde das Programm ÖKO-BILLY unter Microsoft Excel 97 entwickelt, welches hier ebenfalls vorgestellt werden soll. Es dient nicht nur Datenerfassung, sondern ist darüber hinaus auch ein Lernprogramm, welches den Aufbau und die Durchführung einer Ökobilanz demonstriert. Durch die Kombination von Experiment und Computerprogramm kann die Thematik Ökobilanzen erfolgreich im Chemieunterricht der gymnasialen Oberstufe vermittelt werden

Electronic structure and magnetic properties of the graphene/Ni3Mn/Ni(111) trilayer

Experimental and theoretical studies of manganese deposition on graphene/Ni(111) shows that a thin ferromagnetic Ni3Mn layer, which is protected by the graphene overlayer, is formed upon Mn intercalation. The electronic bands of graphene are affected by Ni3Mn interlayer formation through a slight reduction of n-type doping compared to graphene/Ni(111) and a suppression of the interface states characteristic of graphene/Ni(111). Our DFT-based theoretical analysis of interface geometric, electronic, and magnetic structure gives strong support to our interpretation of the experimental scanning tunneling microscopy, low energy electron diffraction, and photoemission results, and shows that the magnetic structure of graphene is strongly influenced by Ni3Mn formation

Depth profile analyses by femtosecond laser ablation (multicollector) inductively coupled plasma mass spectrometry for resolving chemical and isotopic gradients in minerals

Femtosecond laser ablation (fs-LA) coupled to a multicollector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) instrument has been proven to be a powerful means to analyze isotope ratios of “non-traditional” stable isotope systems with high spatial resolution, precision, and accuracy. The technique has been successfully applied, e.g., to investigate diffusion-generated isotopic zoning of the elements Li, Mg, and Fe in magmatic crystals. Here, we present a novel sampling technique employing a fs-LA system that is equipped with a computer numerical control (CNC) laser stage, using the open-source software LinuxCNC. Combining this laser set up with ICP-MS or MC-ICP-MS allows us to perform depth profile analyses of major and trace elements, respectively, as well as metal stable isotope variations of Fe and Mg in olivine crystals and in experimental diffusion couples. Samples are ablated in circular patterns with profile diameters of 100–200 µm using a laser spot size of 25–30 µm. Depending on the scan speed and the repetition rate of the laser, each ablated sample layer is between 300 nm and 3.0 µm thick. The integrated signal of one ablated layer represents one data point of the depth profile. We have tested this technique by analyzing 5–50 µm deep depth profiles (consisting of 15–25 individual layers) of homogeneous and chemically zoned olivine crystal cuboids. The minor and trace element analyses of the zoned cuboids, conducted by fs-LA-ICP-MS, were compared with “horizontal” profiles analyzed in polished sections of the cuboids with electron probe microanalysis (EPMA). Furthermore, we analyzed Fe–Mg isotopic depth profiles of the same cuboids with fs-LA-MC-ICP-MS, of which the chemically zoned ones also showed isotopic zoning at identical scales. Isotopic depth profiles were also conducted on an unzoned olivine cuboid that was coated with a 26Mg- and 56Fe-enriched olivine thin film (of ∼ 800 nm) in order to investigate top-to-bottom contamination during depth profiling. Our results indicate that (i) concentration data acquired by fs-LA depth profiling match well with EPMA data, (ii) precise and accurate Fe and Mg isotopic data can be obtained (i.e., precision and accuracy are ≤ 0.12 ‰ and ≤ 0.15 ‰ for both δ26Mg and δ56Fe, respectively), and (iii) potential top-to-bottom contamination during depth profiling of isotope ratios can be avoided. The technique presented herein is particularly suitable for the investigation of minerals or glasses with chemical and/or isotopic gradients (e.g., diffusion zoning) vertical to planar surfaces. It can also be applied in materials sciences in order to analyze thin films, coatings, or surface contaminations on solids

Differential diagnosis of syndromic craniosynostosis: a case series

Purpose: Syndromic craniosynostosis is a rare genetic disease caused by premature fusion of one or multiple cranial sutures combined with malformations of other organs. The aim of this publication is to investigate sonographic signs of different syndromic craniosynostoses and associated malformations to facilitate a precise and early diagnosis. Methods: We identified in the period of 2000-2019 thirteen cases with a prenatal suspected diagnosis of syndromic craniosynostosis at our department. We analyzed the ultrasound findings, MRI scans, genetic results as well as the mode of delivery, and postnatal procedures. Results: Eight children were diagnosed with Apert Syndrome, two with Saethre Chotzen syndrome, one with Crouzon syndrome, and one with Greig cephalopolysyndactyly syndrome. One child had a mutation p.(Pro253Leu) in the FGFR2 gene. We identified characteristic changes of the head shape as well as typical associated malformations. Conclusion: Second trimester diagnosis of syndromic craniosynostosis is feasible based on the identified sonographic signs. In case of a suspected diagnosis a genetic, neonatal as well as surgical counseling is recommended. We also recommend to offer a fetal MRI. The delivery should be planned in a perinatal center