English Title: Novel concepts for rapid, spatially resolved investigation of the H2O-boundary layer dynamics of single plant leaves and its dependence on the wind speed based on highly sensitive 2.7µm laser hygrometers

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Abstract

Die Phytosphäre stellt mit einem globalen Anteil von 60%, die wichtigste Quelle atmosphärischen Wasserdampfs dar. Dennoch sind die Kopplungsprozesse zwischen Troposphäre und Phytosphäre auf allen Skalen bis zum einzelnen Blatt nur unzureichend untersucht und verstanden. Ziel der Arbeit war primär, die Entwicklung und Anwendung neuer, ortsauflösender, optischer Laserhygrometer, um zerstörungsfrei, d.h. ohne Gasprobennahme, direkt über dem Blatt - mit hoher Zeit- und Ortsauflösung - die Struktur und Dynamik der am Blatt anliegenden H2O-Grenzschicht quantitativ zu untersuchen und ihre Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und lichtinduzierter Photosyntheseaktivität des Blattes zu studieren. Neben Telekomlasern bei 1.37µm wurden dafür neue Laserdioden auf der 2.7µm H2O-Grundschwingungsbande verwendet und eingehend hinsichtlich ihrer statischen und dynamischen Spektraleigenschaften charakterisiert. Eine neue softwarebasierte Routine gestattet die anwendungsspezifische Linienauswahl und somit die Leistungsoptimierung der Spektrometer. Zwei Konzepte zur räumlich aufgelösten H2O-Erfassung (mit DC-Verschiebemotoren bzw. Galvanometerscannern) wurden realisiert und eingehend getestet. Für windgeschwindigkeitsabhängige Untersuchungen der H2O-Grenzschicht unter definierten Randbedingungen wurde erstmals ein geschlossener Miniatur-Windkanal für Blätter (Außenmaß 114 x 58 cm, Querschnitt 4 x 5.4 cm) mit homogenen, laminaren Strömungsbedingungen und Geschwindigkeiten von 0.1-6m/s entwickelt, und in Kombination mit dem Scannerhygrometer erfolgreich zur ersten, räumlich aufgelösten Untersuchung der H2O-Grenzschichtdynamik von Blättern (Gattung Epipremnum Pinnatum) eingesetzt. Die Laserhygrometer ermöglichten dabei bei Absorptionsstrecken von nur 4.4 cm H2O-Konzentrationen mit einer Absolutgenauigkeit von 3% und bis zu einer Nachweisgrenze von 4.6 ppm (=204ppb m) zu bestimmen. Verbesserte Auswerteverfahren erreichten eine Zeitauflösung von bis zu 3ms je Ortspunkt. In Verbindung mit dem Scannerhygrometer ermöglichte dies erstmals, räumlich aufgelöste 2D-Konzentrationsfelder am Einzelblatt (Abstandsbereich bis 16mm vom Blatt) mit einer Ortsauflösung von 0.18mm zu vermessen. Die Erfassung eines Feldes mit 87 Ortspunkten dauerte dabei nur 18s. Hiermit gelang es windgeschwindigkeitsabhängige Grenzschichtdicken von 3.5-7.5mm zu erfassen und unter Anwendung des Fick'schen Gesetzes erstmals bei intakter Blattgrenzschicht physiologisch relevante H2O-Flussraten von 0.17mmol m^-2 s^-1 durch die blattnahe Grenzschicht zu ermitteln. Der modulare Aufbau des neuartigen Systems erlaubt in Zukunft durch die schon vorbereitete Kombination mit Thermographie- und Chlorophyllfluoreszenzmessmethoden weitere, bisher nicht mögliche Einblicke in die Blatttranspiration, Grenzschichtdynamik, und deren Kopplung an den Photosyntheseapparat.

Translation of abstract (English)

With a contribution of over 60% to the total flux, the phytosphere represents the most prominent source of atmospheric water vapour. However, the coupling processes between troposphere and phytosphere are still insufficiently understood on all scales down to those of individual leaves. The primary aim of this work was the development and application of a new type of spatially resolving, optical laser hygrometer for contact-free, in-situ gas analysis in close vicinity of single plant leaves to enable a spatially and temporally highly resolved quantitative observation of the H2O leaf boundary layer and its dependence on wind speed and light induced photosynthetic leaf activity. Next to telecommunication lasers emitting at 1.37µm, new diode lasers emitting at 2.7µm have very recently become available. These were - in the course of this work - fully characterized for their static and dynamic properties, especially in regard to their suitability for probing the 2.7µm H2O fundamental oscillation band. A new software-based routine allowed a custom-designed absorption line selection, thus permitting a spectroscopic spectrometer optimization. Two concepts for spatially resolved H2O-detection (based on a DC motor traversing system and a galvanometer scanner) were realised and tested in detail. A closed-loop small-scale flume (overall size 114 x 58 cm, flow cross section 4 x 5.4 cm) with homogeneous, laminar currents and streaming velocities in the range of 0.1 - 6m/s was developed for the wind speed dependent analysis of plant leaf H2O boundary layers under well defined constraints. In combination with the scanning hygrometer, the flume was successfully applied for the first spatially resolved analysis of H2O-boundary layer dynamics on plant leaves (genus: Epipremnum Pinnatum). Working at an absorption length of only 4.4cm, the laser hygrometers were able to resolve water vapour con-centrations down to a detection limit of 4.6ppm (=204ppb m) within an absolute accuracy of 3%. By applying new, enhanced data evaluation procedures, a temporal resolution of 3ms per individual spatial point was achieved. In combination with the scanning hygrometer, this setup for the first time allowed high resolution (0.18mm pixel size) investigations of 2D-H2O-concentration fields over single plant leaves (max. scanned gradient height of 16mm). Herewith, wind speed dependent boundary layer thicknesses within a range of 3.5-7.5mm were determined. By applying Fick's law on the measured boundary layer structure, physiologically relevant H2O fluxes through the still undisturbed near-field leaf boundary layer of 0.17mmol m^-2 s^-1 could be extracted for the first time. In the near future, the modular setup of the novel hygrometer will allow a combination of 2D-H2O-TDLAS with thermographic and chlorophyll fluorescence methods, which are close to be applied. This will permit numerous new measurements to characterize the physiological status of the leaf and allow deeper, unprecedented insight into plant leaf transpiration, boundary layer dynamics and their coupling with photosynthesis.