Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Search for K isomers in 252,254 No and 260 Sg and investigation of their nuclear structure

Study of K isomerism in the transfermium region around the deformed shells at N=152, Z=102, and N=162, Z=108 provides important information on the structure of heavy nuclei. Recent calculations suggest that the K-isomerism can enhance the stability of such nuclei against alpha emission and spontaneous fission. Nuclei showing K isomerism have neutron and proton orbitals with large spin projections on the symmetry axis which is due to multi quasiparticle states with aligned spins K. Quasi-particle states are formed by breaking pairs of nucleons and raising one or two nucleons in orbitals near the Fermi surface above the gap, forming high K (multi)quasi-particle states mainly at low excitation energies. Experimental examples are the recently studied two quasi-particle K isomers in 250,256-Fm, 254-No, and 270-Ds. Nuclei in this region, are produced with cross sections ranging from several nb up to µb, which are high enough for a detailed decay study. In this work, K isomerism in Sg and No isotopes was studied at the velocity filter SHIP of GSI, Darmstadt. The data were obtained by using a new data acquisition system which was developed and installed during this work. 252,254-No and 260-Sg were produced in fusion evaporation reactions of 48-Ca and 54-Cr projectiles with 206,208-Pb targets at beam energies close to the Coulomb barrier. A new K isomer was discovered in 252-No at excitation energy of 1.25 MeV, which decays to the ground state rotational band via gamma emission. It has a half-life of about 100 ms. The population of the isomeric state was about 20% of the ground state population. Detailed investigations were performed on 254-No in which two isomeric states (275 ms and 198 µs) were already discovered by R.-D. Herzberg, but due to the higher number of observed gamma decays more detailed information about the decay path of the isomers was obtained in the present work. In 260-Sg, we observed no statistically significant component with a half life different from that of the ground state. A comparison between experimental results and theoretical calculations of the single particle energies shows a fair agreement. The structure of the here studied nuclei is in particular important as single particle levels are involved which are relevant for the next shell closure expected to form the region of the shell stabilized superheavy elements at proton numbers 114, 120, or 126 and neutron number 184. K isomers, in particular, could be an ideal tool for the synthesis and study of these isotopes due to enhanced spontaneous fission life times which could result in higher alpha to spontaneous fission branching ratios and longer half lifes.

Femtosecond laser-based investigations of magnetic circular dichroism in near-threshold photoemission

During the last decades magnetic circular dichroism (MCD) has attracted much interest and evolved into various experimental methods for the investigation of magnetic thin films. For example, synchrotron-based X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) displays the absolute values of spin and orbital magnetic moments. It thereby benefits from large asymmetry values of more than 30% due to the excitation of atomic core-levels. Similarly large values are also expected for threshold photoemission magnetic circular dichroism (TPMCD). Using lasers with photon energies in the range of the sample work function this method gives access to the occupied electronic structure close to the Fermi level. However, except for the case of Ni(001) there exist only few studies on TPMCD moreover revealing much smaller asymmetries than XMCD-measurements. Also the basic physical mechanisms of TPMCD are not satisfactorily understood. In this work we therefore investigate TPMCD in one- and two-photon photoemission (1PPE and 2PPE) for ferromagnetic Heusler alloys and ultrathin Co films using ultrashort pulsed laser light. The observed dichroism is explained by a non-conventional photoemission model using spin-resolved band-structure calculations and linear response theory. For the two Heusler alloys Ni2MnGa and Co2FeSi we give first evidence of TPMCD in the regime of two-photon photoemission. Systematic investigations concerning general properties of TPMCD in 1PPE and 2PPE are carried out at ultrathin Co films grown on Pt(111). Here, photon-energy dependent measurements reveal asymmetries of 1.9% in 1PPE and 11.7% in 2PPE. TPMCD measurements at decreased work function even yield larger asymmetries of 6.2% (1PPE) and 17% (2PPE), respectively. This demonstrates that enlarged asymmetries are also attainable for the TPMCD effect on Co(111). Furthermore, we find that the TPMCD asymmetry is bulk-sensitive for 1PPE and 2PPE. This means that the basic mechanism leading to the observed dichroism must be connected to Co bulk properties; surface effects do not play a crucial role. Finally, the enhanced TPMCD asymmetries in 2PPE compared to the 1PPE case are traced back to the dominant influence of the first excitation step and the existence of a real intermediate state. The observed TPMCD asymmetries cannot be interpreted by conventional photoemission theory which only considers direct interband transitions in the direction of observation (Γ-L). For Co(111), these transitions lead to evanescent final states. The excitation to such states, however, is incompatible with the measured bulk-sensitivity of the asymmetry. Therefore, we generalize this model by proposing the TPMCD signal to arise mostly from direct interband transitions in crystallographic directions other than (Γ-L). The necessary additional momentum transfer to the excited electrons is most probably provided by electron-phonon or -magnon scattering processes. Corresponding calculations on the basis of this model are in reasonable agreement with the experimental results so that this approach represents a promising tool for a quantitative description of the TPMCD effect. The present findings encourage an implementation of our experimental technique to time- and spatially-resolved photoemission electron microscopy, thereby enabling a real time imaging of magnetization dynamics of single excited states in a ferromagnetic material on a femtosecond timescale.

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Solar wind reflection from the lunar surface: The view from far and near

The Moon appears bright in the sky as a source of energetic neutral atoms (ENAs). These ENAs have recently been imaged over a broad energy range both from near the lunar surface, by India's Chandrayaan-1 mission (CH-1), and from a much more distant Earth orbit by NASA's Interstellar Boundary Explorer (IBEX) satellite. Both sets of observations have indicated that a relatively large fraction of the solar wind is reflected from the Moon as energetic neutral hydrogen. CH-1's angular resolution over different viewing angles of the lunar surface has enabled measurement of the emission as a function of angle. IBEX in contrast views not just a swath but a whole quadrant of the Moon as effectively a single pixel, as it subtends even at the closest approach no more than a few degrees on the sky. Here we use the scattering function measured by CH-1 to model global lunar ENA emission and combine these with IBEX observations. The deduced global reflection is modestly larger (by a factor of 1.25) when the angular scattering function is included. This provides a slightly updated IBEX estimate of AH=0.11±0.06 for the global neutralized albedo, which is ˜25% larger than the previous values of 0.09±0.05, based on an assumed uniform scattering distribution.

Cell surface galactosyltransferase structure and function during mesenchymal cell migration

In order to more fully understand the function of surface GalTase on mesenchymal cells, anti-GalTase IgG was used to (a) examine the role of surface GalTase during mouse mesenchymal cell migration on laminin and fibronectin; (b) define the plasma membrane distribution of GalTase by indirect immunofluorescence on migrating cells; (c) quantitate the level of surface GalTase on migrating cells; and (d) determine whether GalTase is associated with the cytoskeleton.^ Results show that anti-GalTase IgG was able to inhibit migration (48-80% as compared to basal rate) when cells were migrating on laminin-containing matrices. Monovalent Fab fragments inhibited migration on laminin by 90% after 4 hours. On the other hand, anti-GalTase IgG had no effect on cells migrating on fibronectin. This illustrates the substrate specificity of GalTase mediated-migration. When anti-GalTase IgG was used to localize surface GalTase on cells migratory on laminin, the enzyme was restricted to the leading and trailing edges of the cell. Assays indicate that GalTase is elevated approximately 3-fold when cells are migrating on laminin-containing matrices as compared to migratory cells on plastic or fibronectin, or as compared to stationary cells on any substrate. Laminin appears to recruit GalTase from preexisting intracellular pools to the growing lamellipodia.^ Double-label indirect immunofluorescence studies indicate that there is an apparent co-localization between some of the surface GalTase and some actin filaments. This relationship was explored by extracting cells prelabeled with anti-GalTase IgG and quantitated by radiolabeled second antibodies. Results show that 79% of the surface GalTase is associated with the cytoskeleton (as judged by detergent insolubility) when monovalent antibodies (Fab) are used. However virtually all (80-100%) of the surface GalTase can be induced to associate with the cytoskeleton when cross-linked with bivalent antibodies. Furthermore, when cells in suspension are incubated with divalent antibodies, an additional 66% of the surface GalTase can be induced to associate with the cytoskeleton. The elevated levels of surface GalTase detectable on cells migrating on laminin also appear to be associated with the cytoskeleton.^ Several lines of evidence suggest that GalTase is associated with F-actin. Data suggest that laminin induces the expression of surface GalTase to the growing lamellipodia where it becomes associated with the cytoskeleton leading to cell spreading and migration. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Spatial Patterns of Intraseasonal Variability of Chlorophyll and Sea Surface Temperature in the California Current

Six years of daily satellite data are used to quantify and map intraseasonal variability of chlorophyll and sea surface temperature (SST) in the California Current. We define intraseasonal variability as temporal variation remaining after removal of interannual variability and stationary seasonal cycles. Semivariograms are used to quantify the temporal structure of residual time series. Empirical orthogonal function (EOF) analyses of semivariograms calculated across the region isolate dominant scales and corresponding spatial patterns of intraseasonal variability. The mode 1 EOFs for both chlorophyll and SST semivariograms indicate a dominant timescale of similar to 60 days. Spatial amplitudes and patterns of intraseasonal variance derived from mode 1 suggest dominant forcing of intraseasonal variability through distortion of large scale chlorophyll and SST gradients by mesoscale circulation. Intraseasonal SST variance is greatest off southern Baja and along southern Oregon and northern California. Chlorophyll variance is greatest over the shelf and slope, with elevated values closely confined to the Baja shelf and extending farthest from shore off California and the Pacific Northwest. Intraseasonal contributions to total SST variability are strongest near upwelling centers off southern Oregon and northern California, where seasonal contributions are weak. Intraseasonal variability accounts for the majority of total chlorophyll variance in most inshore areas save for southern Baja, where seasonal cycles dominate. Contributions of higher EOF modes to semivariogram structure indicate the degree to which intraseasonal variability is shifted to shorter timescales in certain areas. Comparisons of satellite-derived SST semivariograms to those calculated from co-located and concurrent buoy SST time series show similar features.

Collimated Field Emission Beams from Metal Double-Gate Nanotip Arrays Optically Excited via Surface Plasmon Resonance

The generation of collimated electron beams from metal double-gate nanotip arrays excited by near infrared laser pulses is studied. Using electromagnetic and particle tracking simulations, we showed that electron pulses with small rms transverse velocities are efficiently produced from nanotip arrays by laser-induced field emission with the laser wavelength tuned to surface plasmon polariton resonance of the stacked double-gate structure. The result indicates the possibility of realizing a metal nanotip array cathode that outperforms state-of-the-art photocathodes.

An in situ surface electrochemistry approach towards whole-cell studies: the structure and reactivity of a Geobacter sulfurreducens submonolayer on electrified metal/electrolyte interfaces

A direct electron transfer process between bacterial cells of electrogenic species Geobacter sulfurreducens (Gs) and electrified electrode surfaces was studied to exploit the reactivity of Gs submonolayers on gold and silver surfaces. A submonolayer of Gs was prepared and studied to explore specifically the heterogeneous electron transfer properties at the bacteria/electrode interface. In situ microscopic techniques characterised the morphology of the Gs submonolayers under the operating conditions. In addition, complementary in situ spectroscopic techniques that allowed us to access in situ molecular information of the Gs with high surface selectivity and sensitivity were employed. The results provided clear evidence that the outermost cytochrome C in Gs is responsible for the heterogeneous electron transfer, which is in direct contact with the metal electrode. Feasibility of single cell in situ studies under operating conditions was demonstrated where the combination of surface-electrochemical tools at the nano- and micro-scale with microbiological approaches can offer unique opportunities for the emerging field of electro-microbiology to explore processes and interactions between microorganisms and electrical devices.