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

Die Chemie der Stratosphäre ist bedeutend für das Leben auf unserer Erde. Die Ozonschicht schützt uns vor schädlicher UV-Strahlung und Treibhausgase entwickeln in der Stratosphäre ihr größtes erwärmendes Potential. Der größte Teil des Luftmasseneintrags von der Troposphäre in die Stratosphäre findet in den Tropen statt. Von dort aus werden die eingetragenen Partikel und Gase mit der Brewer-Dobson-Zirkulation in die gesamte Stratosphäre transportiert. Die Transportprozesse in der TTL haben daher Auswirkungen auf die globale stratosphärische Chemie. Der tropische Tropopausenbereich (TTL) ist sozusagen das Tor

zur Stratosphäre. Die sich dort befindende Luftmasse wird durch die solare und thermische Strahlung erwärmt und steigt durch die stabil geschichtete TTL in die Stratosphäre auf. Daher rückte in den letzten fünf bis zehn Jahren die Erforschung der Erwärmungsrate in der TTL zunehmend in das wissenschaftliche Interesse. Insbesondere der Ein

fuss der Bewölkung auf die Erwärmungsrate ist noch nicht zufriedenstellend erfasst.

In dieser Arbeit werden die Ein

flüsse der Spurengase und der Bewölkung auf die Erwärmungsrate untersucht. Vor allem Wasserdampf, Ozon und Kohlendioxid sowie die Temperatur bestimmen die Erwärmungsrate bei wolkenlosem Himmel. Die Bewölkung vergrößert die solare Erwärmungsrate dadurch, dass die Wassertröpfchen bzw. Eispartikel einen Teil der solaren Strahlung absorbieren. Außerdem wird durch die Streuung der optische Weg innerhalb des Wolkenvolumens erhöht, wodurch die Absorption durch die Wolkenpartikel als auch durch Spurengase vergrößert wird. Die thermische Erwärmungsrate im unteren Teil der Wolkenschicht ist i. A. positiv und im oberen negativ. Der Einfl

uss der drei-dimensionalen Struktur der Bewölkung auf die Erwärmungsrate wird anhand einer Fallstudie untersucht. Die Genauigkeit der Erwärmungsratensimulation kann mithilfe des maximal-zufälligen Überlappschemas um ca. 60% gegenüber der Annahme horizontaler Homogenität verbessert werden.

Weiterhin wird die Erwärmungsrate in den Tropen für ein Jahr simuliert. Die Netto-Erwärmungsrate ist in der Troposphäre negativ und wird in einer Höhe von 15.66km positiv. Wenn keine Bewölkung bei der Simulation berücksichtigt wird, liegt dieses Level ca. 220m tiefer.

Auch die regionale Struktur der Netto-Erwärmungsrate wird untersucht. Oberhalb der innertropischen Konvergenzzone ist die Netto-Erwärmungsrate in der TTL durch den Effekt

der Bewölkung kleiner als in den äußeren Tropen. Weiterhin wird die zeitliche Entwicklung während eines Jahres untersucht. Die Erwärmungsrate in der TTL ist in der Winterhemisphäre höher als in der Sommerhemisphäre. Von Januar bis April, in den Monaten, in denen der größte Transport durch die TTL stattfindet, ist die Netto-Erwärmungsrate in der TTL 0.1K/d größer als im Jahresdurchschnitt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit werden mit den bisherigen in diesem Bereich erschienenen Publikationen verglichen. Die Erwärmungsraten unterscheiden sich in der TTL um 0.1 K/d bis 0.4 K/d. Obwohl dieser Zahlenwert klein erscheint, verursacht dies eine große relative Änderung der Netto-Erwärmungsrate, die den Vertikaltransport stark beein

usst. Diese Unterschiede können auf die Verwendung unterschiedlicher Ozon- und Wolkendatensätze zurückgeführt werden.

Diese Arbeit behandelt verschiedene ultraschnelle photochemische Prozesse. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Charakterisierung der perizyklischen Reaktionen photochromer Indolylfulgide und -fulgimide sowie der Untersuchung verschiedener Möglichkeiten der Beeinflussung dieser Reaktionen. Ein zweites Themengebiet sind die primären Energie- und Elektrontransferprozesse bei der Photosynthese von Purpurbakterien. Die zentralen Charakteristika dieser ultraschnellen photochemischen Reaktionen (Dynamik und Ausbeute) wurden mittels transienter Absorptionsspektroskopie in Abhängigkeit von äußeren Parametern, wie Temperatur, Anregungswellenlänge und Lösungsmittel, studiert. Hierzu wurde die bestehende Messanlage für Mehrimpulsexperimente ausgebaut und deren Impulserzeugung durch nicht-kollineare optisch parametrische Prozesse auf den nahinfraroten Spektralbereich erweitert.

Die Ringschlussreaktion von Indolylfulgiden ist eine ultraschnelle, thermisch nicht aktivierte Reaktion auf der Zeitskala von etwa 0,3 ps. Ihre Quanteneffizienz liegt je nach Substitution der Probe und verwendetem Lösungsmittel zwischen 9 und 20%. Hingegen ist die Ringöffnungsreaktion thermisch aktiviert und verläuft über Barrieren auf der Potentialfläche des ersten elektronisch angeregten Zustands. Ihre Reaktionszeit ist abhängig von Substitution und Lösungsmittel und nimmt Werte zwischen 3 und 16 ps an; die Effizienz liegt im Bereich zwischen 0,1 und 15%. Durch Zuführen von thermischer Energie läuft die Ringöffnungsreaktion schneller und effizienter ab. Ihre Quantenausbeute erhöht sich ebenfalls, wenn man optische Überschussenergie durch Belichtung in die kurzwellige Flanke der Absorptionsbande zur Verfügung stellt. Eine weitere Möglichkeit, die Ringöffnungsquanteneffizienz von Indolylfulgiden zu steigern, ist die Anregung aktiver Schwingungsmoden. Für ein neu synthetisiertes Indolylfulgid mit zwei Cyclopropylringen konnte in einem neuartigen Mehrimpulsexperiment die Ringöffnungsquanteneffizienz nach einer vorgeschalteten Ringschlussreaktion um einen Faktor 3,4 auf annähernd 40% gesteigert werden.

Für das Purpurbakterium Rhodobacter sphaeroides wurden verschiedene Energietransferprozesse betrachtet. Zunächst wurde der B800-B850-Transfer in den Antennenkomplexen LH2 mittels einer Mutantenstudie untersucht. Hierzu wurde die Aminosäuresequenz im Bereich der B850-Bindungstasche geändert, was eine verringerte thermische Stabilität und eine Verschiebung der Absorptionsspektren bewirkt. Letztere ist mit einer Verlängerung der Transferzeit von 0,7 ps (Wildtyp) auf bis zu 1,0 ps korreliert. Der Wildtyp – optimiert im Laufe der Evolution – besitzt unter allen untersuchten Proben die beste Funktionalität. In einem weiteren Experiment wurde die ultraschnelle Elektrontransferkaskade im Reaktionszentrum studiert. Über den Zerfall der stimulierten Emission des Special Pair P kann der erste Schritt zum Bakteriochlorophyll BA auf etwa 3,3 ps bestimmt werden. Durch die Beobachtung des transienten Zustands P+BA- wurde die Transferzeit des zweiten Schritts zum Bakteriophäophytin HA zu 0,9 ps ermittelt.

An Rhodospirillum rubrum konnte schließlich gezeigt werden, dass die Anregung zwischen

Reaktionszentrum und LH1-Antennen sehr schnell äquilibriert und der Elektrontransfer im

Reaktionszentrum effektiv mit einer Zeitkonstante von etwa 40 ps abläuft.

Since the pioneering work that was carried out 10 years ago, the generation of highly energetic ion beams from laser-plasma interactions has been investigated in much detail in the regime of target normal sheath acceleration (TNSA). Creation of ion beams with small longitudinal and transverse emittance and energies extending up to tens of MeV fueled visions of compact, laser-driven ion sources for applications such as ion beam therapy of tumors or fast ignition inertial confinement fusion. However, new pathways are of crucial importance to push the current limits of laser-generated ion beams further towards parameters necessary for those applications.

The presented PhD work was intended to develop and explore advanced approaches to high intensity laser-driven ion acceleration that reach beyond TNSA. In this spirit, ion acceleration from two novel target systems was investigated, namely mass-limited microspheres and nm-thin, free-standing diamond-like carbon (DLC) foils. Using such ultrathin foils, a new regime of ion acceleration was found where the laser transfers energy to all electrons located within the focal volume. While for TNSA the accelerating electric field is stationary and ion acceleration is spatially separated from laser absorption into electrons, now a localized longitudinal field enhancement is present that co-propagates with the ions as the accompanying laser pulse pushes the electrons forward. Unprecedented maximum ion energies were obtained, reaching beyond 0.5 GeV for carbon C$^{6+}$ and thus exceeding previous TNSA results by about one order of magnitude. When changing the laser polarization to circular, electron heating and expansion were shown to be efficiently suppressed, resulting for the first time in a phase-stable acceleration that is dominated by the laser radiation pressure which led to the observation of a peaked C$^{6+}$ spectrum. Compared to quasi-monoenergetic ion beam generation within the TNSA regime, a more than 40 times increase in conversion efficiency was achieved. The possibility to manipulate the shape of the ion acceleration front was successfully demonstrated by use of a spherically curved target surface. Finally, the last part of the presented work is devoted to accomplishments in laser development.