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

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 Globalstrahlungsmessungen als Wolkenbeschreibung reduziert sich der Fehler der einzelnen Modellierung um mehr als einen Faktor 2. Bei Nutzung jener Algorithmen ist auch die Modellierung signifikanter Erhöhungen der UV-Globalstrahlung bei durchbrochener Bewölkung im Vergleich zum wolkenlosen Fall möglich. Im Rahmen dieser Arbeit konnte damit die UV-Strahlung bei beliebiger Bewölkung für µ-Werte größer als 0.5 in 90% aller Fälle mit einem Fehler von kleiner als ± 15% modelliert werden.

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 Schwäche der LDA-Näherung, die Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen zu überschätzen, sich bei Hybridmodellen nicht auf die Wechselwirkung zwischen QM- und MM-Fragment überträgt. Anhand des Schwingungsspektrums von Äthan wurde demonstriert, daß im SPLAM-Verfahren – im Gegensatz zu den üblichen in der Literatur verwendeten Link-Atom-Verfahren – Schwingungsmoden, die über beide Fragmenthälften delokalisiert sind, durch die Fragmentierung nicht verfälscht werden. Außerdem wurde gezeigt, daß das SPLAM-Verfahren auch für im QM-Fragment lokalisierte p-Elektronensysteme geeignet ist, wenn zur Vermeidung von Substituenteneffekten eine CH2-Gruppe als „elektronische Isolierung“ zwischen QM-Fragment und MM-Fragment in die quantenmechanische Beschreibung aufgenommen wird. Im letzten Kapitel wurde als erste Anwendung für eine kleine Schiffsche Base in wäßriger Lösung ein ensemblegemitteltes IR-Spektrum berechnet. Als zweite Anwendung wurde die Retinal- Schiff-Base quantenmechanisch in der Bindungstasche von BR untersucht. Durch Vergleich von berechneten IR-Spektren mit experimentellen Daten konnte gezeigte werden, daß das im Jahre 1996 von Grigorieff et al. vorgeschlagene BR-Modell einen guten Ausgangspunkt für Strukturverfeinerungen der BR-Bindungstasche darstellt. Insbesondere legen die QM/MMHybridrechnungen nahe, daß in BR568 das Proton der Schiffschen Base in Richtung von Asp85 orientiert ist. Mit der letzten Anwendung wurde demonstriert, wie berechnete IR-Spektren von QM/MMHybridmodellen ein Beitrag zur Strukturaufklärung von Proteinen wie BR leisten können. Ferner wird es mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten QM/MM-Hybridmethode möglich sein, den Ablauf von enzymatischen Reaktionen bei Proteinen, für die hinreichend genaue Strukturinformationen bekannt sind, zu studieren.

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.