Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein spektral hochauflösendes Lidar (HSRL) aufgebaut und während des Feldexperiments SAMUM im Mai/Juni 2006 und im Januar/Februar 2008 an Bord des Forschungsflugzeugs Falcon betrieben.

Die Intensität von Lidar–Signalen wird maßgeblich durch die Rückstreuung und die Extinktion der atmosphärischen Teilchen beeinflusst. Dabei stehen die Rückstreuung und die Extinktion der Aerosole in keinem konstanten Verhältnis zueinander. Die Messgröße eines normalen Rückstreu–Lidars ist insofern mit zwei unbekannten Größen behaftet, weshalb die direkte Messung der Aerosolextinktion mit einem solchen Lidar nicht möglich ist.

Im Gegensatz dazu wird bei der Methode des HSRL neben der gesamten atmosphärischen Rückstreuung der Teil der molekularen Rückstreuung gesondert gemessen. Die Messung des molekularen Rückstreusignals wird durch die spektrale Filterung der atmosphärischen Rückstreuung mit einem schmalbandigen optischen Filter ermöglicht. Durch den Vergleich des gemessenen molekularen Signals mit dem zu erwartenden kann die Aerosolextinktion direkt bestimmt werden.

Zum Aufbau des Instruments wurde eine Joddampfabsorptionszelle konstruiert und in das Empfangsmodul des bestehenden flugzeuggetragenen Lidars des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt integriert. Außerdem wurde der Lasertransmitter des Lidars mit einem neuartigen Verfahren der opto–akustischen Modulation frequenzstabilisiert.

Während SAMUM–1 wurden damit erstmalig die optischen Eigenschaften des reinen Saharastaubaerosols, insbesondere dessen Extinktion, das Verhältnis von Extinktion und

Rückstreuung sowie die Depolarisation, in der Nähe seiner Quellgebiete untersucht. Die Messungen des neuen HSRL wurden zur Qualitätssicherung mit Hilfe unabhängiger Instrumente validiert. Die Lidar–Verhältnis–Messungen wurden durch Trajektorienanalysen auf mögliche Abhängigkeiten von unterschiedlichen Quellgebieten untersucht. Die HSRL–Messungen der Aerosol–optischen Dicke wurden mit satellitengestützten Messungen verglichen.

Südlich des Hohen Atlas Gebirges wurden Aerosol–optische Dicken von 0,50 bis 0,60 gemessen. Es zeigte sich eine ausgeprägte laterale Variabilität der Aerosol–optischen Dicke, die bei homogenen Schichten allein auf deren unterschiedliche Dicke zurückgeführt werden

konnte. Die vertikalen Variationen des Lidar–Verhältnisses zwischen 38 sr und 50 sr wurden durch Trajektorienanalysen auf die Anströmung aus unterschiedlichen Quellgebieten

zurückgeführt. Im Depolarisationsverhältnis wurden jedoch keine vertikale Variationen beobachtet, was auf eine einheitliche Teilchenform schließen lässt. Die Aerosoldepolarisation betrug in den Staubaerosolschichten 0,30 ± 0,02. Dies bestärkt die Annahme, dass das

Lidar–Verhältnis in erster Linie durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung des Aerosols beeinflusst wird. Aufgrund der hohen natürlichen Variabilität erscheint die

Angabe eines mittleren Wertes als nicht sinnvoll. Der Vergleich mit MISR–Messungen der Aerosol–optischen Dicke zeigte größtenteils Übereinstimmung innerhalb der Fehlergrenzen.

Direkt über dem Hohen Atlas traten signifikante Abweichungen auf, die durch die sich stark ändernde Topographie erklärt werden können.

The Large Hadron Collider, starting in 2008, will be a "top factory" as top-antitop pairs will be produced with a cross section of about 830 pb at an instantaneous luminosity of 10^33 cm^-2 s^-1 during the first year. With about 30% probability top pairs decay semileptonically into a final state with four jets, lepton (electron or muon) and respective neutrino. For another 5% of the top pair events a dileptonic decay is expected. Here the final state signature is composed of two jets, two leptons and two neutrinos.

In this thesis the precision for a top pair cross section measurement at the ATLAS experiment in the semileptonic and dileptonic channels with cut based analyses, applicable to the first data, was estimated. The analysis of the semileptonic decay focused especially on the study of background from QCD events either with leptons from semileptonic hadron decays or from hadrons falsely identified as electrons by the calorimeter. For the first 10 fb^-1 and assuming a fake electron probability of 10^-3 a precision for the cross section times the branching ratio of

+- 0.5(stat) +- 30.4(syst) +- 24.0(lumi) pb

has been estimated, corresponding to a relative precision of 16% for the theoretically predicted cross section times branching ratio of about 240 pb. The analysis in the dileptonic channel achieves a precision of

+- 0.2(stat) +- 2.5(syst) +- 2.6(lumi) pb

which translates into a relative error of 10% for the cross section times branching ratio of around 38 pb. The errors for both the semileptonic and the dileptonic channel are expected to improve as progress is made on the luminosity determination and the knowledge of the backgrounds from comparisons with measured data.

A measurement of the cross-section ratio between the dileptonic and semileptonic channel is sensitive to scenarios of new phenomena with competitive top quark decay modes such as decays involving a charged Higgs boson. It has been estimated that such a ratio should be measurable with a relative precision of

+- 0.7%(stat) +- 7.7%(sys) +- 3.1%(lumi)

during the first year of ATLAS data-taking. Even though the systematic errors partially cancel in such a ratio the total uncertainty is still around 8% as the background estimates rely on theoretical predictions. This should also improve as soon as the models can be tested against measured data.

In lebenden Organismen spielen Proteine eine wichtige Rolle bei Stoffwechselvorgängen. Für ihre Funktion ist die dreidimensionale Anordnung der Aminosäurekette von

entscheidender Bedeutung. Um die frühen Faltungsprozesse von bestimmten Sekundärstrukturelementen zu analysieren, ist die Verwendung von Modellpeptiden nötig, da hier die Bildung solcher Strukturelemente getrennt beobachtet werden kann. Der Einbau eines optischen Schalters wie Azobenzol in Modellpeptide ermöglicht durch dessen lichtgetriebene cis/trans Isomerisierung eine Auslösung der Faltungsprozesse auf ultrakurzer Zeitskala (< 10 ps). Ein wesentliches Merkmal der Kombination dieses Photoschalters

mit der in dieser Arbeit verwendeten Methode der UV-Anreg-Infrarot-Abtast-Spektroskopie ist die Möglichkeit, Zwischenzustände, sogenannte Intermediate, zeitlich

einordnen und mittels ihrer Infrarotspektren Aussagen über ihre Struktur treffen zu können.

Als Modell für das Sekundärstrukturelement des beta-Faltblatts dient eine beta-Hairpin Struktur. Diese Struktur besteht aus zwei anti-parallelen Aminosäuresträngen, welche durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Eine Kehre aus vier Aminosäuren schließt die Stränge auf einer Seite ab. Als photoschaltbares beta-Hairpin Modellpeptid wurde im Rahmen dieser Arbeit das AzoTrpZip2 mit der Sequenz H-Ser-Trp-Thr-Trp-Glu-AMPP-Lys-Trp-Thr-Trp-Lys-NH2 eingesetzt, wobei AMPP eine auf Azobenzol basierende

pseudo-Aminosäure bezeichnet. Das Peptid AzoTrpZip2 bildet als cis-Isomer zu 45 % im Lösungsmittel Methanol-d4 eine beta-Hairpin Struktur aus. Das cis-Isomer des AMPPs ersetzt dabei zwei Aminos¨auren der Kehre. Das Ensemble an trans-Isomeren des AzoTrpZip2 hingegen besitzt eine deutlich weniger definierte Struktur.

Ausgelöst durch die Isomerisierung des Schalters AMPP beginnt die Entfaltung der beta-Hairpin Struktur des AzoTrpZip2 mit einem reißverschlussartig sich fortsetzenden

Bruch der schalternahen Wasserstoffbrückenbindungen und der Bildung eines desolvatisierten Zustandes mit einer Zeitkonstante von 4,1 ps. Mit 26 ps entsteht ein weiteres

Intermediat, das mit einer Zeitkonstante von 630 ps in einer Klappbewegung mit den Strangmitten als Scharnier in einen Zustand übergeht, der dem Endzustand des trans-

Ensemble ähnlich ist. Die Entfaltung ist nach 3 ns also weitgehend abgeschlossen. Auch bei der Faltungsreaktion erfolgt die Isomerisierung des Photoschalters auf der

Pikosekundenzeitskala. Somit ist die zentrale Kehre der beta-Hairpin Struktur bereits innerhalb weniger Pikosekunden ausgebildet. Ähnlich wie bei der Entfaltung wird mit

einer Zeitkonstante von 4,8 ps ein desolvatisierter Zustand erreicht, der mit einer Zeitkonstante von 64 ps in ein Faltungsintermediat übergeht. Daraus wird mit der Faltungszeitkonstante von 30 µs die beta-Hairpin Struktur gebildet. Die in der Literatur kontrovers diskutierte Frage nach dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt konnte für dieses Modellpeptid geklärt werden: Es ist die korrekte Anordnung der Wasserstoffverbrückung der Stränge und nicht die Ausbildung der Schleife.

Estimates of the ozone layer future evolution must consider both climate dependencies and interannual variability. These considerations imply analyses of transient-scenario realisations with chemistry-climate models (CCM) under realistic boundary conditions. In this context, investigations of ozone variability usually involve multiple regression analysis (MRA), a statistically efficient albeit complicated tool. However, a careful use of advanced regression approaches may improve the variability assessment considerably. The present study addresses climate dependencies in ozone transport, and adopts an advanced regression approach to both quantify deterministic ozone variability and trace it back to the scenario boundary conditions; the investigations refer to transient output of the CCM E39/C.

Recent observations show a cooling of the tropical lower stratosphere, and CCMs suggest a spatial coincidence of the cooling with a stronger upward advection of ozone-poor tropospheric air. This advection increase appears to result from a currently unexplained strengthening of the planetary-wave driven mean meridional transport, arguably relating to the anthropogenic climate signal. The present study explores the strengthening by comparing realisations of two different scenarios. Both share the same boundary conditions including concentrations of ozone-depleting substances (ODS), but differ in their climate forcing via sea surface temperatures (SSTs) and well-mixed greenhouse gas concentrations (GHG). In the summer hemisphere tropics, higher SSTs for the warmer scenario amplify deep convection and hence the convective excitation of internal planetary waves. These waves travel upward through easterly winds while dissipating, but still carry enough of the signal into the lower stratosphere to intensify the mean meridional transport. The transport change in turn strengthens the input rate into the tropical lower stratosphere of ozone-poor tropospheric air, ultimately weakening lower-stratospheric ozone concentrations via higher tropical SSTs.

The ozone variability assessment relates to monthly-mean total columns from three independent realisations of a 60-year transient scenario with realistic boundary conditions. It focuses on three latitudinal bands: southern/northern midlatitudes (SH/NH) and tropics. Common ozone MRAs are linear and iterate to account for auto-regression-induced nonlinearity. The present MRA is nonlinear and the first to demonstrate the validity of such iterations with respect to the least-squares surface: it detects only a weak distortion of the surface associated with autocorrelation, at least for the ozone time series examined. Also, the present MRA is among the few to demonstrate sufficient compliance with the regression requirements, particularly with that of independent residuals. Additionally, the new approach of response confidence bands permits a correct attribution of individual anomalies to the scenario boundary conditions. As a consequence, the present MRA is the first to explain the year 1985 SH low-ozone event, here reproduced by E39/C. The MRA further captures, e.g., a similar anomaly for the year 1997, and verifies the total-ozone response to stratospheric-transport modulating boundary conditions: tropical-SST anomalies (ENSO) affect the tropics and NH, but not the SH; or, the quasi-biennial oscillation (QBO) causes a seasonally synchronised ozone response at SH and more weakly at NH, but not in the tropics. While these features have already been reported for E39/C data, the present study establishes a firm statistical framework and discusses the physical background. Other responses refer to the 11-year solar cycle (SSC), to sulfate aerosols, and to ODS concentrations. The present nonlinear regression approach provides ample potential for further development. For instance, nonlinear deterministic regression terms may examine the existence of interactions between the NH ENSO response with long-term cha