Studies an Optical and X-ray Emission Processes in Laser Produced Plasma

Developments in laser technology over the past few years have made it possible to do experiments with focused intensities of IO"-102' Wcm'z. Short-pulse high-intensity lasers are able to accelerate protons and heavier ions to multi-MeV energies during their interaction with solid targets, gas jets and clusters. When such a laser radiation is focused at the intensity above 10” Wcm'2, local electric field strength will be almost equivalent to that within an atom. Hence, new nonlinear optical phenomena will be expected in the field of light matter interaction. Most of the research in the material interaction using high power lasers, especially related to plasma interaction, has been directed to the short pulse x-ray generation- Nanosecond laser interactions with solid targets also generate plasmas which emit radiation mainly in the optical region, the understanding of which is far from satisfactory. This thesis deals with a detailed study of some of the dynamical processes in plasmas generated by nanosecond and femtosecond lasers

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Many-body theory of laser-induced ultrafast demagnetization and angular momentum transfer in ferromagnetic transition metals

An electronic theory is developed, which describes the ultrafast demagnetization in itinerant ferromagnets following the absorption of a femtosecond laser pulse. The present work intends to elucidate the microscopic physics of this ultrafast phenomenon by identifying its fundamental mechanisms. In particular, it aims to reveal the nature of the involved spin excitations and angular-momentum transfer between spin and lattice, which are still subjects of intensive debate. In the first preliminary part of the thesis the initial stage of the laser-induced demagnetization process is considered. In this stage the electronic system is highly excited by spin-conserving elementary excitations involved in the laser-pulse absorption, while the spin or magnon degrees of freedom remain very weakly excited. The role of electron-hole excitations on the stability of the magnetic order of one- and two-dimensional 3d transition metals (TMs) is investigated by using ab initio density-functional theory. The results show that the local magnetic moments are remarkably stable even at very high levels of local energy density and, therefore, indicate that these moments preserve their identity throughout the entire demagnetization process. In the second main part of the thesis a many-body theory is proposed, which takes into account these local magnetic moments and the local character of the involved spin excitations such as spin fluctuations from the very beginning. In this approach the relevant valence 3d and 4p electrons are described in terms of a multiband model Hamiltonian which includes Coulomb interactions, interatomic hybridizations, spin-orbit interactions, as well as the coupling to the time-dependent laser field on the same footing. An exact numerical time evolution is performed for small ferromagnetic TM clusters. The dynamical simulations show that after ultra-short laser pulse absorption the magnetization of these clusters decreases on a time scale of hundred femtoseconds. In particular, the results reproduce the experimentally observed laser-induced demagnetization in ferromagnets and demonstrate that this effect can be explained in terms of the following purely electronic non-adiabatic mechanism: First, on a time scale of 10–100 fs after laser excitation the spin-orbit coupling yields local angular-momentum transfer between the spins and the electron orbits, while subsequently the orbital angular momentum is very rapidly quenched in the lattice on the time scale of one femtosecond due to interatomic electron hoppings. In combination, these two processes result in a demagnetization within hundred or a few hundred femtoseconds after laser-pulse absorption.

Femtosecond laser processing of crystalline silicon

This paper reports the surface morphologies and ablation of crystalline silicon wafers irradiated by infra-red 775 nm Ti:sapphire femtosecond laser. The effects of energy fluences (below and above single-pulse modification) with different number of pulses were studied. New morphological features such as pits, cracks formation, Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) and ablation were observed. The investigation indicated that there are two distinct mechanisms under femtosecond laser irradiation: low fluence regime with different morphological features and high fluence regime with high material removal and without complex morphological features.

On the climate response of the low-latitude Pacific Ocean to changes in the global freshwater cycle

Under global warming, the predicted intensification of the global freshwater cycle will modify the net freshwater flux at the ocean surface. Since the freshwater flux maintains ocean salinity structures, changes to the density-driven ocean circulation are likely. A modified ocean circulation could further alter the climate, potentially allowing rapid changes, as seen in the past. The relevant feedback mechanisms and timescales are poorly understood in detail, however, especially at low latitudes where the effects of salinity are relatively subtle. In an attempt to resolve some of these outstanding issues, we present an investigation of the climate response of the low-latitude Pacific region to changes in freshwater forcing. Initiated from the present-day thermohaline structure, a control run of a coupled ocean-atmosphere general circulation model is compared with a perturbation run in which the net freshwater flux is prescribed to be zero over the ocean. Such an extreme experiment helps to elucidate the general adjustment mechanisms and their timescales. The atmospheric greenhouse gas concentrations are held constant, and we restrict our attention to the adjustment of the upper 1,000 m of the Pacific Ocean between 40°N and 40°S, over 100 years. In the perturbation run, changes to the surface buoyancy, near-surface vertical mixing and mixed-layer depth are established within 1 year. Subsequently, relative to the control run, the surface of the low-latitude Pacific Ocean in the perturbation run warms by an average of 0.6°C, and the interior cools by up to 1.1°C, after a few decades. This vertical re-arrangement of the ocean heat content is shown to be achieved by a gradual shutdown of the heat flux due to isopycnal (i.e. along surfaces of constant density) mixing, the vertical component of which is downwards at low latitudes. This heat transfer depends crucially upon the existence of density-compensating temperature and salinity gradients on isopycnal surfaces. The timescale of the thermal changes in the perturbation run is therefore set by the timescale for the decay of isopycnal salinity gradients in response to the eliminated freshwater forcing, which we demonstrate to be around 10-20 years. Such isopycnal heat flux changes may play a role in the response of the low-latitude climate to a future accelerated freshwater cycle. Specifically, the mechanism appears to represent a weak negative sea surface temperature feedback, which we speculate might partially shield from view the anthropogenically-forced global warming signal at low latitudes. Furthermore, since the surface freshwater flux is shown to play a role in determining the ocean's thermal structure, it follows that evaporation and/or precipitation biases in general circulation models are likely to cause sea surface temperature biases.

El Nino-mean state-seasonal cycle interactions in a multi-model ensemble

The modelled El Nino-mean state-seasonal cycle interactions in 23 coupled ocean-atmosphere GCMs, including the recent IPCC AR4 models, are assessed and compared to observations and theory. The models show a clear improvement over previous generations in simulating the tropical Pacific climatology. Systematic biases still include too strong mean and seasonal cycle of trade winds. El Nino amplitude is shown to be an inverse function of the mean trade winds in agreement with the observed shift of 1976 and with theoretical studies. El Nino amplitude is further shown to be an inverse function of the relative strength of the seasonal cycle. When most of the energy is within the seasonal cycle, little is left for inter-annual signals and vice versa. An interannual coupling strength (ICS) is defined and its relation with the modelled El Nino frequency is compared to that predicted by theoretical models. An assessment of the modelled El Nino in term of SST mode (S-mode) or thermocline mode (T-mode) shows that most models are locked into a S-mode and that only a few models exhibit a hybrid mode, like in observations. It is concluded that several basic El Nino-mean state-seasonal cycle relationships proposed by either theory or analysis of observations seem to be reproduced by CGCMs. This is especially true for the amplitude of El Nino and is less clear for its frequency. Most of these relationships, first established for the pre-industrial control simulations, hold for the double and quadruple CO2 stabilized scenarios. The models that exhibit the largest El Nino amplitude change in these greenhouse gas (GHG) increase scenarios are those that exhibit a mode change towards a T-mode (either from S-mode to hybrid or hybrid to T-mode). This follows the observed 1976 climate shift in the tropical Pacific, and supports the-still debated-finding of studies that associated this shift to increased GHGs. In many respects, these models are also among those that best simulate the tropical Pacific climatology (ECHAM5/MPI-OM, GFDL-CM2.0, GFDL-CM2.1, MRI-CGM2.3.2, UKMO-HadCM3). Results from this large subset of models suggest the likelihood of increased El Nino amplitude in a warmer climate, though there is considerable spread of El Nino behaviour among the models and the changes in the subsurface thermocline properties that may be important for El Nino change could not be assessed. There are no clear indications of an El Nino frequency change with increased GHG.

Retrievals of thick cloud optical depth from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) by calibration of solar background signal

Laser beams emitted from the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), as well as other spaceborne laser instruments, can only penetrate clouds to a limit of a few optical depths. As a result, only optical depths of thinner clouds (< about 3 for GLAS) are retrieved from the reflected lidar signal. This paper presents a comprehensive study of possible retrievals of optical depth of thick clouds using solar background light and treating GLAS as a solar radiometer. To do so one must first calibrate the reflected solar radiation received by the photon-counting detectors of the GLAS 532-nm channel, the primary channel for atmospheric products. Solar background radiation is regarded as a noise to be subtracted in the retrieval process of the lidar products. However, once calibrated, it becomes a signal that can be used in studying the properties of optically thick clouds. In this paper, three calibration methods are presented: (i) calibration with coincident airborne and GLAS observations, (ii) calibration with coincident Geostationary Opera- tional Environmental Satellite (GOES) and GLAS observations of deep convective clouds, and (iii) cali- bration from first principles using optical depth of thin water clouds over ocean retrieved by GLAS active remote sensing. Results from the three methods agree well with each other. Cloud optical depth (COD) is retrieved from the calibrated solar background signal using a one-channel retrieval. Comparison with COD retrieved from GOES during GLAS overpasses shows that the average difference between the two retriev- als is 24%. As an example, the COD values retrieved from GLAS solar background are illustrated for a marine stratocumulus cloud field that is too thick to be penetrated by the GLAS laser. Based on this study, optical depths for thick clouds will be provided as a supplementary product to the existing operational GLAS cloud products in future GLAS data releases.

Flux transfer events at the dayside magnetopause: transient reconnection or magnetosheath dynamic pressure pulses?

The suggestion is discussed that characteristic particle and field signatures at the dayside magnetopause, termed “flux transfer events” (FTEs), are, in at least some cases, due to transient solar wind and/or magnetosheath dynamic pressure increases, rather than time-dependent magnetic reconnection. It is found that most individual cases of FTEs observed by a single spacecraft can, at least qualitatively, be explained by the pressure pulse model, provided a few rather unsatisfactory features of the predictions are explained in terms of measurement uncertainties. The most notable exceptions to this are some “two-regime” observations made by two satellites simultaneously, one on either side of the magnetopause. However, this configuration has not been frequently achieved for sufficient time, such observations are rare, and the relevant tests are still not conclusive. The strongest evidence that FTEs are produced by magnetic reconnection is the dependence of their occurrence on the north-south component of the interplanetary magnetic field (IMF) or of the magnetosheath field. The pressure pulse model provides an explanation for this dependence (albeit qualitative) in the case of magnetosheath FTEs, but this does not apply to magnetosphere FTEs. The only surveys of magnetosphere FTEs have not employed the simultaneous IMF, but have shown that their occurrence is strongly dependent on the north-south component of the magnetosheath field, as observed earlier/later on the same magnetopause crossing (for inbound/outbound passes, respectively). This paper employs statistics on the variability of the IMF orientation to investigate the effects of IMF changes between the times of the magnetosheath and FTE observations. It is shown that the previously published results are consistent with magnetospheric FTEs being entirely absent when the magnetosheath field is northward: all crossings with magnetosphere FTEs and a northward field can be attributed to the field changing sense while the satellite was within the magnetosphere (but close enough to the magnetopause to detect an FTE). Allowance for the IMF variability also makes the occurrence frequency of magnetosphere FTEs during southward magnetosheath fields very similar to that observed for magnetosheath FTEs. Conversely, the probability of attaining the observed occurrence frequencies for the pressure pulse model is 10−14. In addition, it is argued that some magnetosheath FTEs should, for the pressure pulse model, have been observed for northward IMF: the probability that the number is as low as actually observed is estimated to be 10−10. It is concluded that although the pressure model can be invoked to qualitatively explain a large number of individual FTE observations, the observed occurrence statistics are in gross disagreement with this model.

A lagged response to the 11 year solar cycle in observed winter Atlantic/European weather patterns

The surface response to 11 year solar cycle variations is investigated by analyzing the long-term mean sea level pressure and sea surface temperature observations for the period 1870–2010. The analysis reveals a statistically significant 11 year solar signal over Europe, and the North Atlantic provided that the data are lagged by a few years. The delayed signal resembles the positive phase of the North Atlantic Oscillation (NAO) following a solar maximum. The corresponding sea surface temperature response is consistent with this. A similar analysis is performed on long-term climate simulations from a coupled ocean-atmosphere version of the Hadley Centre model that has an extended upper lid so that influences of solar variability via the stratosphere are well resolved. The model reproduces the positive NAO signal over the Atlantic/European sector, but the lag of the surface response is not well reproduced. Possible mechanisms for the lagged nature of the observed response are discussed.

Including an ocean carbon cycle model into iLOVECLIM (v1.0)

The atmospheric carbon dioxide concentration plays a crucial role in the radiative balance and as such has a strong influence on the evolution of climate. Because of the numerous interactions between climate and the carbon cycle, it is necessary to include a model of the carbon cycle within a climate model to understand and simulate past and future changes of the carbon cycle. In particular, natural variations of atmospheric CO2 have happened in the past, while anthropogenic carbon emissions are likely to continue in the future. To study changes of the carbon cycle and climate on timescales of a few hundred to a few thousand years, we have included a simple carbon cycle model into the iLOVECLIM Earth System Model. In this study, we describe the ocean and terrestrial biosphere carbon cycle models and their performance relative to observational data. We focus on the main carbon cycle variables including the carbon isotope ratios δ13C and the Δ14C. We show that the model results are in good agreement with modern observations both at the surface and in the deep ocean for the main variables, in particular phosphates, dissolved inorganic carbon and the carbon isotopes.

The Estrous Cycle Modulates Small Leucine-Rich Proteoglycans Expression in Mouse Uterine Tissues

In the pregnant mouse uterus, small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) are drastically remodeled within a few hours after fertilization, suggesting that ovarian hormone levels modulate their synthesis and degradation. In this study, we followed by immunoperoxidase approach, the presence of four members of the SLRP family (decorin, lumican, biglycan, and fibromodulin) in the uterine tissues along the estrous cycle of the mouse. All molecules except fibromodulin, which predominates in the myometrium, showed a striking modulation in their distribution in the endometrial stroma, following the rise in the level of estrogen. Moreover, notable differences in the distribution of SLRPs were observed between superficial and deep stroma, as well as between the internal and external layers of the myometrium. Only biglycan and fibromodulin were expressed in the luminal and glandular epithelia. All four SLRPs were found in cytoplasmic granules of mononucleated cells. The pattern of distribution of the immunoreaction for these molecules in the uterine tissues was found to be estrous cycle-stage dependent, suggesting that these molecules undergo ovarian hormonal control and probably participate in the preparation of the uterus for decidualization and embryo implantation. In addition, this and previous results from our laboratory suggest the existence of two subpopulations of endometrial fibroblasts that may be related to the centrifugal development of the decidua. Anat Rec, 292:138-153, 2009. (c) 2008 Wiley-Liss, Inc.

Laser microstructuring of azopolymers via surface relief gratings: controlling hydrophobicity

In this paper the large-scale mass transport mechanism is used to microstructure azopolymeric films, aiming at controllable hydrophobic surfaces. Using an Ar(+) laser with intensity of 70 mW/cm(2), we produced egg-crate-like surfaces with periods from 1.0 to 3.5 mu m that present distinct wetting properties. The static contact angle of water was measured on the microstructured surfaces, and the results revealed an increase of approximately 9 degrees for a surface pattern period of 2 mu m. Our results indicate the use of the microstructuring method described here for the fabrication of devices with controllable hydrophobicity.

Nonlinear spectrum effect on the coherent control of molecular systems

This work demonstrates that the detuning of the fs-laser spectrum from the two-photon absorption band of organic materials can be used to reach further control of the two-photon absorption by pulse spectral phase manipulation. We investigate the coherent control of the two-photon absorption in imidazole-thiophene core compounds presenting distinct two-photon absorption spectra. The coherent control, performed using pulse phase shaping and genetic algorithm, exhibited different growth rates for each sample. Such distinct trends were explained by calculating the two-photon absorption probability considering the intrapulse interference mechanism, taking into account the two-photon absorption spectrum of the samples. Our results indicate that tuning the relative position between the nonlinear absorption and the pulse spectrum can be used as a novel strategy to optimize the two-photon absorption in broadband molecular systems. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Femtosecond laser ablation on dental hard tissues-Analysis of ablated profile near an interface using local effective intensity

This study evaluated the process of ablation produced by a Ti:Sapphire femtosecond laser under different average powers taking place at the enamel/dentin interface. Based on the geometry of ablated microcavities the effective intensity for ablation was obtained. This study shows the validity for the local effective intensity analysis and allows a quantification of the variation in the ablation geometry taking place at the interface of two naturally different materials. It shows that the variation of the diameter of the ablated region as a function of the cavity depth comes essentially from a mechanism of effective intensity attenuation, as a result of a series of complex effects. Additionally, our data are sufficient to predict that a discontinuity on the ablation profile will occur on the interface between two biological media: enamel-dentin, showing a suddenly jump on the ablated cavity dimensions.

Laser microstructuring for fabricating superhydrophobic polymeric surfaces

In this paper we show the fabrication of hydrophobic polymeric surfaces through laser microstructuring. By using 70-ps pulses from a Q-switched and mode-locked Nd:YAG laser at 532 nm, we were able to produce grooves with different width and separation, resulting in square-shaped pillar patterns. We investigate the dependence of the morphology on the surface static contact angle for water, showing that it is in agreement with the Cassie-Baxter model. We demonstrate the fabrication of a superhydrophobic polymeric surface, presenting a water contact angle of 157 degrees. The surface structuring method presented here seems to be an interesting option to control the wetting properties of polymeric surfaces. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.