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Highlights der Arbeit im Berichtszeitraum und Einordnung der bisherigen Arbeit im nationalen und internationalen Maßstab

  Das Zentrum für Dynamik komplexer Systeme (DYKOS) ist sowohl in der Lehre als auch der Forschung angesiedelt und methodisch orientiert. Dabei steht die Entwicklung von Methoden zur Analyse und Modellierung komplexer Systeme in enger Verbindung mit für die Potsdamer Hochschul- und Forschungslandschaft typischen Anwendungen aus den Erd-, Kognitions- und Lebenswissenschaften im Mittelpunkt.

Die Fähigkeit zur Selbstorganisation ist ein entscheidendes Charakteristikum komplexer Systeme; das bedeutet insbesondere die Herausbildung vielfältiger komplexer Strukturen fernab vom einfachen Gleichgewicht, die beispielsweise bei Erdbeben, Klimavariationen, Zelldynamik, oder Sprachverarbeitung beobachtet werden. Derartige Phänomene lassen sich nur durch nichtlineare Modelle beschreiben, wobei die Komponenten untereinander rückgekoppelt verbunden sind. Da die Gleichungen dieser Modelle nicht einfach lösbar sind, ergibt sich die hoch-aktuelle Herausforderung für DYKOS, nichtlineare Methoden zur Analyse sowohl experimenteller Daten als auch der Modelle weiterzuentwickeln und die Reichweite sowie Prädiktionsglaubwürdigkeit von Modellen zu ermitteln. Daran wirken Arbeitsgruppen aus der Physik, Mathematik und Informatik der Universität Potsdam mit.

Entsprechend der Zielstellung des vorangegangenen Evaluationsberichts (2000) ist das Zentrum um zwei neue Schwerpunkte erweitert worden: Nichtlineare geophysikalische Prozesse und Computational Neuroscience. Auf beiden Gebieten hat eine fruchtbare Arbeit stattgefunden. Dies belegen sowohl die aktive Mitwirkung in dem DFG-Schwerpunktprogramm (SPP) ,,Erdmagnetische Variationen: Raum-zeitliche Variationen, Prozesse und Wirkungen auf das System Erde``, dem DFG-Paket-Antrag ,,Modellierung und Analyse von Erdbebenschwärmen``, in dem Forschungsvorhaben im Rahmen des Emmy-Noether-Stipendiums von Frau Dr. Witt ,, Modellbasierte Datenanalyse von Klimastellvertreterdaten `` und der DFG-Forschergruppe ,,Konfligierende Regeln`` als auch in neuartigen Angeboten zur interdisziplinären Lehre im Hauptstudium.

Die DYKOS-Aktivitäten konzentrieren sich hauptsächlich auf folgende drei Felder:

A) Lehre - Aufbau interdisziplinärer Lehrveranstaltungen für das Hauptstudium und die Graduiertenausbildung

B) Forschung - Formen transdisziplinärer Arbeitsgruppen zur Einwerbung von Drittmittelprojekten und Begleitung bei deren Ausführung

C) Methodenbörse - Bereitstellen von Programmsystemen (Toolboxes) zur nichtlinearen Daten- und Modellanalyse und entsprechenden Nutzungshinweisen
(http://tocsy.agnld.uni-potsdam.de).

Im Berichtszeitraum sind folgende Ergebnisse besonders herauszustellen:

Zu A) Lehre

Die Bearbeitung obiger Schwerpunktthemen führte zu folgenden neuen interdisziplinären Lehrveranstaltungen.

A1) Als neuer Bestandteil von DYKOS wird - der Internationalisierung des Studiums Rechnung tragend - seit 2001 das Helmholtz-Instituts für Supercomputational Physics (AIP, PIK, MPI KGF, MPI AEI, Physik) aufgebaut. In der Gründungsphase (bis 2003) organisiert es eine Internationale Sommerschule für Graduierte zur effizienten Anwendung von Parallelrechnern auf aktuelle Probleme der Physik. Das neuartige Konzept dieser Schule ist überaus erfolgreich, es wird gerade in Cambridge kopiert.

A2) DYKOS wirkt intensiv bei der International Max-Planck-Research-School on Biomimetic Systems mit (MPI KGF, Chemie, Biologie, Physik). Bei diesem Graduierten-Programm werden jungen motivierten Kursteilnehmern sowohl die neuesten Forschungsresultate auf diesem Gebiet als auch der theoretische und experimentelle Hintergrund nahegebracht.

A3) Angehörige von DYKOS haben, gemeinsam mit Kollegen des AWI und des AIP, Kontakte von Nachwuchswissenschaftlern insbesondere der Universitäten Moskau und Saratov zur Universität Potsdam hergestellt und gemeinsame bilaterale Forschungsprojekte (seltsame nichtchaotische Attraktoren, Rauschen in dynamischen Systemen, Synchronisationsphänomene, Datenanalyse) im Rahmen von zwei Projekten des Leonhard-Euler-Stipendienprogramms (DAAD) auf den Weg gebracht und betreut (Hubberten, Kurths, Pikovsky, Rädler).

In mehreren Fächern findet unter wesentlicher Mitwirkung von DYKOS eine interdisziplinäre Ausbildung von Studenten, Diplomanden und Doktoranden statt: Stochastische Prozesse und Stochastische Differentialgleichungen in der Erdsystem-Modellierung (Held, Edenhofer & Haas (PIK); Zaikin & Pikovsky), Rechenmethoden in der Geologie (Trauth & Kurths), Ereigniskorrelierte Potentiale & Neurophysik im Bereich Neuro-/Psycholinguistik (Saddy, beim Graben), Computational Biology (Steuer, Schaub), Einführung in die theoretische Ökologie (B. Blasius, F. Jeltsch, G. Fussmann und A. Valeriani), Forschungspraktika zur Dynamik komplexer Systeme (Kurths & Schwarz).

Zu B) Forschung

B1) Die Computational Neuroscience wurde insbesondere im Rahmen der DFG-Forschergruppe ,,Konfligierende Regeln`` (2000-2006, Sprecher: J. Kurths) zu einem Schwerpunkt von DYKOS entwickelt. Die Gutachtergruppe hat die bisherigen Resultate als exzellent bewertet (Saddy, J.D. and P. beim Graben: Measuring the Dynamics of Language Processing, in Basic Mechanisms of Language and Language Disorder. Witruk, Friederici & Lachmann, eds. Kluwer 2002. Beim Graben, P., Saddy, J.D., Schlesewsky, M. and Kurths, J.: Symbolic Dynamics of Event Related Brain Potentials, Physical Review E 62, 5518-5541, 2000). Ein methodisch erweiterter Verlängerungsantrag ist inzwischen bewilligt worden. In diesem Projekt untersuchen Arbeitsgruppen aus Informatik, Linguistik, Physik und Psychologie mit nichtlinearen Methoden Konflikte im Sprachverstehensprozess, die durch unterschiedliche sprachliche Modalitäten und kognitive Strategien sowohl ausgelöst als auch korrigiert werden können.

Nichtlineare geophysikalische Prozesse werden in den größeren Drittmitteleinwerbungen B2-B5 interdisziplinär untersucht:

B2) Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1097 ,,Erdmagnetische Variationen: Raum-zeitliche Variationen, Prozesse und Wirkungen auf das System Erde`` (2000-2006) werden in 5 Projekten im Zusammenhang mit DYKOS bearbeitet (Physik, GFZ, AIP). Ziel der Projekte ist, ein umfassenderes Verständnis der raum-zeitlichen Struktur erdmagnetischer Variationen insbesondere während der Umpolung des Erdmagnetfeldes zu entwickeln, zu erdmagnetischen Variationen Anlass gebende geodynamische Prozesse zu identifizieren, geodynamische Prozesse zwecks Interpretation der Beobachtungen raum-zeitlicher Strukturen numerisch zu modellieren und mögliche Auswirkungen auf das System Erde zu untersuchen.

B3) In der nach sehr positiver Evaluierung verlängerten Bewilligung des Sonderforschungsbereich (SFB) 555 ,,Komplexe nichtlineare Prozesse`` (1998-2004, Sprecher: L. Schimansky-Geier, Humboldt-Univ. Berlin, stellv. Sprecher: J. Kurths, Univ. Potsdam) arbeiten Potsdamer Wissenschaftler (Physik, Mathematik und PIK) auf dem Gebiet der Klimadynamik und der Modellierung von Erdbeben zusammen.

B4) Im Rahmen eines DFG-Paket-Antrags ,,Modellierung und Analyse von Erdbebenschwärmen`` (2001-2004, Geowissenschaften, Physik) geht es um die Analyse und den Vergleich von beobachteter und modellierter Erdbeben-Schwarmtätigkeit im Vogtland im Hinblick auf die Ausbildung von Raum-Zeit-Mustern bei Erdbeben und deren Konsequenzen für die Gefährdungsanalyse.

B5) Das EU-Projekt ,,EARLINET - A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology`` (2000-2003, Mathematik, AWI) besteht in der Schaffung einer Datenbank der horizontalen, vertikalen und zeitlichen Verteilung der Aerosole auf einer kontinentalen Skala und der mathematischen Analyse dieser Daten.

B6) Für die Methodenentwicklung sind im Berichtszeitraum zwei neue größere Initiativen unter Potsdamer Federführung bewilligt worden: Das DFG-Schwerpunktprogramm 1114 ,,Mathematische Methoden der Zeitreihenanalyse und digitalen Bildverarbeitung`` (2001-2007, Physik und Mathematik), in dem neue methodische Ansätze erarbeitet, auf gemessene Daten angewandt und im Methodenvergleich kritisch bewertet werden, und das EU-Research- and Training-Network ,,Control and Synchronization of Spatially Extended Nonlinear Systems`` (2000-2004, Koordinator: J. Kurths) in dem theoretisch und experimentell komplexe Strukturbildungen studiert werden.

B7) Die nach hartem Wettbewerb an der Universität Potsdam eingerichtete Nachwuchsgruppe der VW-Stiftung ,,Raum-zeitliche Synchronisierung in Ökosystemen`` (2000-2006, B. Blasius) bildet die Grundlage für den Aufbau eines weiteren Schwerpunkts in DYKOS (Biologie, Physik). In diesem Schwerpunkt Theoretische Ökologie werden moderne mathematische Modellierungsmethoden der nichtlinearen Dynamik für das Studium komplexer, natürlicher Systeme herangezogen. Von besonderem Interesse ist dabei die komplexe Synchronisierung, die zwischen kleinen lokalen Subsystemen entsteht und sich in der Organisation ganzer Ökosysteme fortsetzt. Solche Synchronisierungsphänomene können typischerweise in Räuber-Beute-Systemen auftreten und spielen eine grundlegende Rolle bei der Regulierung existenzbedrohter Arten, bei der Bekämpfung und Ausbreitung von Epidemien und für das Design von Naturschutzreservaten.

Zu C) Methodenbörse

DYKOS stellt Toolboxes zur nichtlinearen Datenanalyse (Cross-Recurrence-Plots, Synchronisation, Symbolische Kodierung, Waveletanalyse) und Modellierung (Systemidentifikation, Bifurkationsanalyse) komplexer Systeme bereit und organisiert deren Handhabung (http://tocsy.agnld.uni-potsdam.de).

Weitere Highlights

Die Liste von Humboldt-Forschungspreisträgern und -Stipendiaten bei DYKOS ist ein wichtiger Ausweis für die internationale Attraktivität des Zentrums: V. Anishchenko, Saratov (Russland) (zweiter Humboldt-Forschungspreisträger am DYKOS); L. Bunimovich (USA); Hong-liu Yang (China); O. Popovych (Ukraine); K. Hassan (Bangladesch); C. Zhou (China); I. Tokuda (Japan). Darüber hinaus haben D. Armbruster, Arizona (USA) und L. Esposito, Colorado (USA) ihr Sabbatical am DYKOS verbracht. Ihr Kommen avisiert haben M. Hasler, Lausane (Schweiz) und H. Abarbanel, Kalifornien (USA).

Besonders hervorzuheben sind folgende Preise, mit denen Nachwuchswissenschaftlern des Zentrums ausgezeichnet wurden:
1) J. Schmidt: Carl-Ramsauer-Preis 2002 der Physikalischen Gesellschaft
2) S. Kraut: Feodor-Lynen-Forschungsstipendium 2002
3) T. Kuhlbrodt: Carl-Ramsauer-Preis 2003 der Physikalischen Gesellschaft
4) N. Marwan: Publikationspreis des Leibniz-Kolleg Potsdam 2003
5) A. Weisheimer: Michelson-Preis für die beste Promotion des Jahrgangs 2000
6) S. Hainzl: Preis der Universitätsgesellschaft für die beste Promotion 2000

Ulrike Feudel, Heisenberg-Stipendiatin, hat einen Ruf auf eine C4-Stelle an die Universität Oldenburg erhalten und angenommen.

J. Kurths wurde zum Fellow der American Physical Society und zum Präsidenten der Nonlinear Geophysical Processes Division der European Geoscience Union gewählt.

Einen besonderen Höhepunkt stellte die Organisation der ,,6tex2html_wrap_inline752 Experimental Chaos Conference`` im Juli 2001 an der Universität Potsdam dar. An dieser erst zum zweiten Mal in Europa stattfindenden Konferenz nahmen mehr als 200 Wissenschaftler teil.


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Udo Schwarz
Wed Oct 15 16:37:12 MEST 2003