Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 03/05

The aim of this work is to assess the benefit of total-lightning information as independent

data source for thunderstorm tracking and short-term prediction (nowcasting) of storm evolution. Special focus has been laid on the three-dimensional lightning information

and the in-cloud and cloud-to-ground discrimination provided by the lightning detection network LINET. The reliability of the lightning information and its usability for nowcasting purposes have been tested both separately and in combination with other data sources which are commonly used for thunderstorm nowcasting.

The new thunderstorm tracker ec-TRAM (tracking and monitoring of electrically charged cells; Meyer et al. (2009)) has been developed to identify, track, and monitor

thunderstorms in high temporal and spatial resolution by combining the information of independently tracked convective ground-precipitation cells and lightning-cells to new cell objects. The algorithm builds on the autonomously operating routines rad-TRAM (tracking and monitoring of radar cells; Kober and Tafferner (2009)) and li-TRAM

(tracking and monitoring of lightning cells). The latter has also been developed within this work.

The new tracking algorithm has been tested based on a thunderstorm data set of more than 500 storm tracks which were recorded by ec-TRAM in southern Germany during summer 2008. It is found that the newly composed cell objects comprehensively describe simple as well as complex thunderstorm structures and the cell tracking method

of ec-TRAM proves to be more coherent and stable in comparison with the tracking performances of rad-TRAM and li-TRAM.

For two selected thunderstorms the time series of cell parameters monitored by ec-TRAM have been complemented with three-dimensional polarimetric radar data and satellite data to assess how the temporal evolution and parameter correlation of total lightning strokes, hydrometeor formation, ground precipitation patterns, and cloud top temperature can be used to estimate the storm state and predict its development. The parameter evolutions are found to be consistent with the current state of knowledge.

A principal life-cycle scheme can be identified for the cell parameters on large time scales. The stronger

fluctuating short-term parameter evolutions are found to refl

ect the

momentary storm dynamic. Based on the lifetime diagrams several warning parameters for subsequent storm events can be suggested.

Significant cell parameter correlations, which can be parameterized, are also found in statistical analyses over the complete data set. Strong positive correlations are found between cell extension, discharge frequency, and in-cloud discharge height. Two cell regimes, sharply separated at a specific cell characteristic, can clearly be identified in all correlation diagrams. Interpreted on the basis of previous studies and in terms of the current state of knowledge, it seems most likely that the two cell-regimes refl

ect the storm characteristics of different storm organization forms. The parameterized correlation

curves could then be used as cell parameterizations in operational nowcasting tools to predict the dynamic evolution, duration, and danger potential of a storm, provided that the storm system can be classified. Finally, it can be concluded that this study demonstrates the usability and the promising potential of total-lightning data as reliable and independent data source for future nowcasting tools.

Molekülmechanische (MM) Molekulardynamik-(MD)-Simulationen sollen eine virtuelle Realität von Makromolekülen im Computer erschaffen. Dabei zeigten sorgfältige Tests wiederholt, dass die bisherigen MM-Kraftfelder nur bedingt geeignet sind, um experimentelle Referenzdaten zu reproduzieren. In vielen Fällen sind die Mängel der Beschreibung auf die Vernachlässigung von nicht-additiven Effekten, insbesondere der elektrostatischen Polarisation, zurückzuführen.

Das Wassermolekül ist stark polarisierbar und muss in MD-Simulationen von Biomolekülen einbezogen werden. Aus diesem Grund werden im ersten Teil meiner Arbeit die Effekte von externen elektrischen Feldern auf Wassermoleküle untersucht. In polarisierbaren MM-Modellen für Wasser wird das induzierte Dipolmoment zumeist an das Feld am Ort des Sauerstoffatoms gekoppelt – die Elektronendichte eines realen Wassermoleküls reagiert aber auf ein Volumenmittel des Feldes. Es wird gezeigt, dass im Gegensatz bisherigen Meinung, das elektrische Feld, dem ein Wassermolekül

im Volumenwasser ausgesetzt ist, nicht homogen, sondern selbst auf dem kleinen Volumen, welches das Molekül einnimmt, hochgradig inhomogen ist. Die Feldinhomogenität

ist aber dergestalt, dass sie durch eine mittlere Feldinhomogenität beschrieben werden kann. Deshalb ist das mittlere Feld annähernd proportional zum Feld am Ort des Sauerstoffatoms und kann daraus mit Hilfe eines Skalierungsfaktors berechnet werden. Das skalierte Feld kann dann zur Berechnung des Dipolmoments von punkt-polarisierbaren Wassermodellen herangezogen werden. Es wird außerdem gezeigt, dass die Polarisierbarkeit, die als Proportionalitätskonstante bei der Berechnung des Dipolmoments auftaucht, in der flüssigen Phase den gleichen Wert wie bei isolierten Wassermolekülen hat, obwohl ihre Geometrie dort von der Gasphasengeometrie abweicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich für die spezifische Geometrieänderung, die beim Transfer in die flüssige Phase beobachtet wird, zwei Beiträge zur Polarisierbarkeit gegenseitig aufheben. Diese Beiträge resultieren allgemein aus der Elongation der Bindungslängen und der Kompression des Bindungswinkels.

Die Frage, ob der Einsatz eines solchen polarisierbaren Kraftfeldes die Beschreibung von Makromolekülen, wie beispielsweise Proteinen, verbessert, kann nur durch Vergleich mit dem Experiment beantwortet werden. Infrarotspektren sind hoch sensitiv bezüglich lokaler elektrischer Felder und wären deshalb eine gute Referenz. Theoretische Vorhersagen solcher Spektren sind allerdings nur für eine der in Proteinen auftretenden Banden – und auch hier nur bedingt – möglich. Der zweite Teil dieser

Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Entwicklung eines Kraftfelds zur Berechnung aller Schwingungsbanden des Proteinrückgrats. Hier wird der Einfluss der lokalen elektrischen Felder auf die Stärke der kovalenten Bindungen explizit berücksichtigt.

Aufbauend auf einer Vorabversion eines solchen Kraftfelds wird eine Methode entwickelt, um Schwingungsspektren mit spektroskopischer Genauigkeit, d.h. mit Fehlern im Bereich von wenigen Wellenzahlen, vorherzusagen. Der minimale

Parametersatz, der zur korrekten Beschreibung dieser Schwingungsspektren notwendig ist, wird identifiziert, und die entbehrlichen Parameter werden eliminiert.

Anhand des Moleküls N-Methylacetamid wird demonstriert, dass das neue Kraftfeld in der Lage ist, solvatochrome Verschiebungen für verschiedene polare Lösungsmittel

gut zu reproduzieren.

In a proof-of-principle experiment, we simulate the dynamics of a quantum spin system in an ion trap. Following a theoretical proposal by D. Porras and I. Cirac, we use a system of ground state cooled trapped ions to simulate and study the dynamics of a quantum-mechanical system, or more precisely, the dynamics of a quantum spin Hamiltonian. We implement the smallest non-trivial quantum spin Hamiltonian, the quantum Ising model for two spins. Each spin is represented by two hyperfine ground levels of trapped 25Mg+ ions. The interaction with an external magnetic field is simulated by coherently coupling these hyperfine levels via laser and radiofrequency radiation. The spin-spin interaction is simulated via optical dipole forces, where the effective interaction is mediated by the phonons of the linear ion chain. We demonstrate the adiabatic evolution from a paramagnetically ordered system to ferromagnetic order. The final state of this

adiabatic transition is a superposition state of the two degenerate spin configurations of ferromagnetic order Psi_final = 1/sqrt(2) (|up up> + |down down>) with a quantum magnetisation of 98%. We also show the transition from paramagnetic to antiferromagnetic order with the final state Psi_final = 1/sqrt(2) (|up down> + |down up>). Moreover, we prove that this transition which is to become a quantum phase transition in the thermodynamic limit of infinitely many spins, is driven by quantum fluctuations which dominate the dynamics of such systems at the absolute zero-point of temperature rather than thermal fluctuations which are absent at 0 K. This is verified by the fact that the final state of our adiabatic evolution is entangled, close to a Bell

state at a fidelity exceeding 88%.

The set of tools presented in this thesis might serve as a basis for larger scale quantum

simulations which might help in gaining insight into many-particle effects that

are intractable on classical computers such as spin frustration in triangular lattices or

high-Tc superconductivity.