Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

Erklärtes Ziel der Modellierung der UV-Strahlung ist die Bereitstellung von Werten für Zeiten und Orte, an denen nicht gemessen werden kann, sowie zur Prognose. Im wolkenfreien Fall lassen sich die UV-Strahlungsgrößen hinreichend genau modellieren. Die Fehler resultieren im Wesentlichen aus der unpräzisen Kenntnis der relevanten atmosphärischen Parameter. Demgegenüber ist die Modellierung der UV-Strahlung bei Bewölkung bisher nur unzureichend gelöst. Die diesbezüglichen Problematiken sind vielfältig. Für eine exakte Berechnung der Strahlungswerte ist ein drei-dimensionales Strahlungsmodell erforderlich, da Wolken weder horizontal, noch vertikal homogen sind. Die detaillierte Kenntnis der mikro- und makrophysikalischen Wolkeneigenschaften ist aber im Einzelfall kaum, für die Prognose nie verfügbar. Zudem weisen die aufwendigen drei-dimensionalen Strahlungsmodelle sehr lange Rechenzeiten auf. Aus diesen Gründen wurde bisher vielfach der Weg beschritten, ein-dimensionale Modelle, wie sie für den wolkenlosen Fall benutzt werden, auch für den bewölkten Fall anwendbar zu machen. Hierzu wird der Einfluß der Wolken auf das UV-Strahlungsfeld nicht mehr exakt physikalisch, sondern statistisch beschrieben.

In dieser Arbeit wird der Einfluß von Bewölkung auf die bodennahe UV-Globalstrahlung untersucht. Die Beschreibung der Wirkung von Wolken auf die UV-Globalstrahlung erfolgt mit sogenannten Wolkenmodifikationsfaktoren µ. Diese geben den Quotienten zwischen der UV-Globalstrahlung bei Wolken und derjenigen UV-Globalstrahlung ohne Wolken, bei sonst identischer Atmosphäre, an. In der Vergangenheit wurden die µ-Werte aus Meßreihen der integralen UV-Strahlung an verschiedenen Orten gewonnen. Die Herleitung der µ aus Messungen ist aber mit dem Problem behaftet, für eine beliebige Messung bei Wolkeneinfluß eine dazu vergleichbare Messung bei wolkenlosen Bedingungen zu finden. Dies bedeutet, daß Sonnenzenitwinkel, Ozongesamtgehalt, Aerosol- und Albedobedingungen identisch sein müssen. Dies ist in der Praxis auch bei mehrjährigen Meßreihen nicht gegeben. Meist werden, unter Vernachlässigung von Aerosol und Albedo, Messungen mit ähnlichem Sonnenzenitwinkel verwendet, die auf gleichen Ozongesamtgehalt angepaßt werden. Dementsprechend werden nur grobe Mittelwerte von µ ohne deren Abhängigkeit von anderen Atmosphärenparametern bestimmt. Darüberhinaus sind Untersuchungen hinsichtlich der spektralen Abhängigkeit von µ nicht möglich.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein umfangreiches Datenmaterial an µ-Werten bereitgestellt und mittels der Analysetechnik der Neuronalen Netz systematisch untersucht. Der große Datenumfang wurde dadurch gewährleistet, daß zu jedem gemessenen UVSpektrum bei Wolken das entsprechende UV-Spektrum für wolkenlose Bedingungen, sonst aber gleichen Atmosphäreneigenschaften, nicht innerhalb der UV-Meßreihe gesucht, sondern mit einem Strahlungsübertragungsmodell simuliert wurde. Die Verwendung hochwertiger, spektraler UV-Messungen ermöglichte einerseits eine größtmögliche Genauigkeit bei der Übereinstimmung von Simulation und Meßsignal innerhalb von ca. ± 5% Abweichung, andererseits auch eine Analyse der spektralen Abhängigkeit der µ-Werte. Die Neuronalen Netze dienten der Untersuchung der systematischen Abhängigkeiten dieser µ-Werte von einer adäquaten Wolkenbeschreibung und anderen relevanten Atmosphärenparametern (Sonnenzenitwinkel und Bodenalbedo). Die diesbezüglichen Auswertungen vertiefen das Verständnis über die Strahlungswirkung von Wolken auf die UV-Strahlung, gerade bei durchbrochener Bewölkung.

Neben diesen Sensitivitätsstudien wurden mit Hilfe der Neuronalen Netze Algorithmen gewonnen, die, in Kombination mit einem Strahlungsübertragungsmodell, in der Lage sind, die UV-Strahlung bei jeder Art von Bewölkung zu simulieren. Neben der Simulation mittlerer Bedingungen, bzw. der Prognose, wurden auch die Möglichkeiten zur Simulation des aktuellen Falles entscheidend verbessert. Durch die Hinzunahme einfacher integraler Globalstr

Quantenmechanische (QM) Grundzustandsrechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie

(DFT) erlauben bei der derzeitigen Leistungsfähigkeit von Supercomputern die Molekulardynamik-

Simulation (MD-Simulation) von molekularen Systemen mit bis zu 100 Atomen. Verwendet

man nicht-lokale Austausch-Korrelations-Funktionale, so werden Elektronen-Korrelationseffekte

erfaßt. Damit kann insbesondere das Kraftfeld von Farbstoffmolekülen mit ausgedehnten

konjugierten p-Elektronensystemen richtig beschrieben werden.

Ein prominentes Beispiel für ein solches Farbstoffmolekül ist die Schiffsche Base von Retinal,

die in dem lichtgetriebenen Protonenpumpzyklus des Proteins Bacteriorhodopsin (BR) eine

führende Rolle spielt. Die elektrostatischen Felder und die sterischen Bedingungen in der

Chromophorbindungstasche im Inneren des Proteins steuern die Eigenschaften und Reaktionen

des Farbstoffes auf eine hochspezifische Weise. Eine für das Verständnis dieser Protein-

Chromophor-Wechselwirkung nötige quantenmechanische Behandlung des gesamten Protein-

Chromophor-Komplexes ist nicht durchführbar, da Proteine in der Regel aus mehreren tausend

Atomen bestehen und dies einen immensen Rechenaufwand zur Folge hätte.

Nur molekülmechanische (MM) Proteinmodelle, bei denen molekulare Kraftfelder durch semiempirisch

bestimmte Energiefunktionen approximiert werden, lassen sich numerisch hinreichend

effizient auswerten und gestatten so eine mikroskopische Beschreibung der Dynamik

von Proteinen. Aufgrund der vielen Vereinfachungen, die MM-Modellen anhaften, können jedoch

keine chemischen Reaktionen oder Eigenschaften von Farbstoffmolekülen erfaßt werden.

Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein QM/MM-Hybridverfahren entwickelt, mit dessen

Hilfe ein kleiner Teil eines Proteinsystems, etwa ein gebundenes Substrat oder ein eingelagerter

Farbstoff, mit einem DFT-Verfahren quantenmechanisch (QM-Fragment) und die nicht vernachlässigbare

Proteinumgebung molekülmechanisch (MM-Fragment) behandelt werden kann.

Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Wechselwirkungsschema zwischen QM- und MMFragment

entwickelt, das in dem EGO/CPMD-Programmpaket implementiert wurde.

Für die Berechnung der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den Fragmenten war es

nötig, die sogenannte FAMUSAMM-Methode (fast multiple-time-step structure adapted

multipole method) weiter zu entwickeln, so daß auch sehr große Hybridsysteme, bei denen die

MM-Fragmente aus mehreren tausend Atomen bestehen, ohne Verlust an Genauigkeit behandelt

werden können.

Die bei kovalent aneinander gebundenen Fragmenten im QM-Fragment auftretende freie

Valenz an einer Fragmentschnittstelle erfordert eine spezielle Behandlung. Hierfür werden vielfach

sogenannte Link-Atom-Verfahren eingesetzt, bei denen das QM-Fragment durch ein zusätzlich

eingeführtes Wasserstoffatom, das Link-Atom, abgesättigt wird. Wie in der vorliegenden

Arbeit erstmals gezeigt werden konnte, lassen sich die dynamischen Freiheitsgrade, die in

einem QM/MM-Hybridsystem durch ein Link-Atom zusätzlich auftreten und die Dynamik

nachweislich verfälschen, vollständig eliminieren. Hierzu wurde ein neues Link-Atom-Verfahren

SPLAM (scaled position link atom method) entwickelt, bei dem alle störenden Effekte,

die von dem Link-Atom ausgehen, beseitigt werden, so daß das Kraftfeld an der Fragmentschnittstelle

korrekt wiedergegeben wird.

In ausführlichen Testrechnungen wurde die Qualität der in dieser Arbeit entwickelten

QM/MM-Hybridmethode untersucht. Dabei wurden insbesondere berechnete Schwingungsspektren

eingesetzt, da diese eine sehr empfindliche Probe für die Qualität eines molekularen

Kraftfeldes sind. Es konnte durch MD-Simulation eines Wasserclusters demonstriert werden,

daß in QM/MM-Hybridmodellen das TIP3P-Wassermolekülmodell, bei dem die Elektrostatik

eines Wassermoleküls durch drei Punktladungen beschrieben wird, den Lösungsmitteleinfluß

von Wasser richtig modelliert. Bei der Untersuchung eines Wasserdimers hat sich herausgestellt,

daß die wohlbekannte S

Seit über zehn Jahre werden im Alpenvorland sowohl in Deutschland als auch in der

Schweiz Experimente durchgeführt, um die Entstehung von Gewittern und Squall-lines zu

untersuchen und zu verstehen. Die aus den Experimenten erfaßten Daten wurden dazu

verwendet, konvektive Systeme anhand von synoptischen Bodenanalysen zu erfassen.

In der vorliegenden Arbeit sind die während des SETEX-94 Experimentes gemessenen

Daten nach ihrer ausführlichen synoptischen Analyse bei numerischen Berechnungen

eingesetzt worden. Das Ziel war, die Entstehung und Entwicklung der beobachteten Squallline

schrittweise nachzuvollziehen und zu erklären.

Unter Verwendung der synoptischen Analyse konnten sowohl die Anfangsbedingungen

als auch die Anfangsstörung für die numerischen Rechnungen bestimmt werden. Die

darauffolgenden numerischen Rechnungen haben gezeigt, daß eine Anwendung von realen

Daten zu einer guten Übereinstimmung mit der beobachteten Fallstudie führten. Diese Erkenntnisse

gaben den Anlaß, Sensitivitätstests durchzuführen, um den Einfluß sowohl der

am Anfang gewählten Struktur der Störung als auch der vorherrschenden physikalischen

Bedingungen zu untersuchen. Die Änderungen der physikalischen Parameter basierte auf

Daten, welche im Alpenvorland bei Gewittertagen beobachtet worden sind.

Numerische Rechnungen bezüglich der Anfangsstruktur zeigten, wie wichtig die

Struktur der Anfangsstörung bei der Entwicklung von entsprechend einzelnen Gewittern

oder mesoskaligen konvektiven Systemen ist. Es wurde auch deutlich gemacht, welche

Rolle Wechselwirkungen zwischen den Anfangsstörungen bei der Entstehung und Entwicklung

von Squall-lines haben.

Numerische Rechnungen hinsichtlich der physikalischen Parameter zeigten die entscheidende

Rolle von herrschenden Druckgradientkräfte, welche hauptsächlich für das

Aufrechterhalten von Konvektion verantwortlich sind. Es wurden Änderungen bei der

Stärke der Windscherung und der Höhe, innerhalb welche die Windscherung wirkt, durchgeführt.

Dadurch wurde ihre Rolle bei der Verstärkung oder Abschwächung von Aufwinden

und dadurch des Systems erforscht. Weiterhin wurde der Einfluß der Feuchte und der

Temperatur hinsichtlich der Menge der vorhandenen Energie innerhalb der Schichten der

Troposphäre untersucht. Anschließend wurde die Bedeutung der vorhandenen Energie auf

die Entstehung und Entwicklung von Squall-lines festgestellt.

Die aus der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zeigen deutlich, wie

wichtig die Verknüpfung von realen gemessenen Daten mit numerischen Rechnungen für

das Entschlüsseln von natürlichen Erscheinungen ist. Es hat sich weiterhin die Notwendigkeit

herauskristallisiert, weitere Experimente durchzuführen, und die daraus gewonnenen

Datensätze zu sammeln und zu bearbeiten. Mit Hilfe von solchen Datensätzen können

mögliche Abweichungen der Entstehung und Entwicklung von Squall-lines erfaßt werden.

Darüberhinaus können damit die vorhandenen Sensitivitätstests überprüft, bestätigt und

erweitert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden physikalische Meßmethoden entwickelt, um die

Struktur und Dynamik der Plasmamembran lebender Säugetierzellen zu untersuchen.

Dabei lag der Schwerpunkt zum einem auf der mechanischen Kopplung der Membranlipidschicht

zu dem darunter liegenden, unterstützend wirkenden Zytoskelett,

und zum anderen auf der Beweglichkeit einzelner Membrankomponenten innnerhalb

der Membranlipidschicht. Ausgangspunkte für die Entwicklung neuer Methoden

waren die Rasterkraftmikroskopie (RKM) und ´single-particle tracking’ (SPT). Die

RKMermöglicht die Abbildung von Ober‡ächen mit hoher Au‡ösung in physiologischer

Umgebung, so lange die Wechselwirkungskräfte die Probenober‡äche nicht zu

sehr deformieren. SPT ist eine Technik, um die Bewegung von einzelnen Molekülen

zu verfolgen. Dafür werden diese mit Polysteren-kügelchen oder kolloidem Gold

markiert und mit Videomikroskopie beobachtet. Auf diesen Techniken aufbauend

wurden folgende Verfahren und Geräte für diese Arbeit entwickelt:

Das Scanning-Photonic Force Microscope (SPFM) als Analogon zum RKM: In

einer Laserfalle (einem mit einem Objektiv hoher Apperatur (100x, NA 1.3)

fokussierten infraroten (IR) Laser) wird ein Fluorophor gefülltes Polysterenkügelchen

(bead, r=0.1¹m) gefangen. Die Fluorophore des als Sonde verwendeten

Kügelchens werden über einen Zwei-Photonen Prozeß durch den

IR-Laser zur Fluoreszenz angeregt. Eine Auslenkung aus der Halteposition

durch eine äußere Kraft führt zum Abfall der Fluoreszenz. Im SPFM wird

die Sonde mit Hilfe des Lasers analog zum mechanischen Hebelarm im RKM

über die Probe bewegt. Dabei wird wie beim RKM die Auslenkung und

somit Kraft gemessen. Die wesentlichen Unterschiede sind die fehlende mechanische

Verbindung zur Umwelt, die ein Abrastern beliebiger transparenter

3D-Strukturen ermöglicht, die extrem kleine Federkonstante des Sensors (0.1-

1¹N/m), welche daher besser an die Elastiztät von biologischen Objekten

angepaßt ist, sowie die stark reduzierte viskose Dämpfung der kleineren Sonde,

was schnelleres Messen ermöglicht.

Das Photonic Force Microscope (PFM) ist die Weiterentwicklung des SPFM.

Bei der verwendeten kleinen Federkonstante werden die thermischen Positions‡

uktuationen sehr groß. Daher wurde ein Detektor entwickelt, der Messung

der Position der Sonde in der Falle in drei Dimensionen mit Nanometer

Ortsau‡ösung und 50kHz-Bandbreite ermöglicht. Der Detektor basiert

auf der Interferenz des an der Sonde vorwärts gestreuten Laserlichts mit dem

ungestreuten Licht. Dieses Prinzip wurde zuvor nur für seitliche Auslenkungen

entlang einer Achse verwendet und erstmals in dieser Arbeit drei dimensional

angewandt. Die vollständige theoretische Beschriebung des Detektorsignals

ist ebenfalls ein Novum. Im PFM werden mit diesem Detektor die thermischen

3D-Positions‡uktuationen einer durch den Laser in einem Volumen von

0.1*0.1*0.6¹m3 gehaltenen Sonde analysiert. Zusätzlich wirkende Potentiale

und die Viskosität des umgebenden Mediums können gemessen werden.