Hydrothermal waves and corotating rolls in laterally heated convection in simple liquids.

The stability of a liquid layer with an undeformable interface open to the atmo- sphere, subjected to a horizontal temperature gradient, is theoretically analysed. Buoyancy and surface tension forces give rise to a basic flow for any temperature dif- ference applied on the system. Depending on the liquid depth, this basic flow is desta- bilised either by an oscillatory instability, giving rise to the so-called hydrothermal waves, or by a stationary instability leading to corotating rolls. Oscillatory perturba- tions are driven by the basic flow and therefore one must distinguish between convec- tive and absolute thresholds. The instability mechanisms as well as the di¿erent re- gimes observed in experiments are discussed. The calculations are performed for a fluid used in recent experiments, namely silicone oil of 0.65 cSt ðPr 1?4 10Þ. In partic- ular, it is shown that two branches of absolute instability exist, which may be related to the two types of hydrothermal waves observed experimentally

Hexagons and spiral defect chaos in non-Boussinesq convection at low Prandtl numbers

We study the stability and dynamics of non-Boussinesq convection in pure gases ?CO2 and SF6? with Prandtl numbers near Pr? 1 and in a H2-Xe mixture with Pr= 0.17. Focusing on the strongly nonlinear regime we employ Galerkin stability analyses and direct numerical simulations of the Navier-Stokes equations. For Pr ? 1 and intermediate non-Boussinesq effects we find reentrance of stable hexagons as the Rayleigh number is increased. For stronger non-Boussinesq effects the usual, transverse side-band instability is superseded by a longitudinal side-band instability. Moreover, the hexagons do not exhibit any amplitude instability to rolls. Seemingly, this result contradicts the experimentally observed transition from hexagons to rolls. We resolve this discrepancy by including the effect of the lateral walls. Non-Boussinesq effects modify the spiral defect chaos observed for larger Rayleigh numbers. For convection in SF6 we find that non-Boussinesq effects strongly increase the number of small, compact convection cells and with it enhance the cellular character of the patterns. In H2-Xe, closer to threshold, we find instead an enhanced tendency toward roll-like structures. In both cases the number of spirals and of targetlike components is reduced. We quantify these effects using recently developed diagnostics of the geometric properties of the patterns.

Geometric diagnostics of complex patterns: Spiral defect chaos

Motivated by the observation of spiral patterns in a wide range of physical, chemical, and biological systems, we present an automated approach that aims at characterizing quantitatively spiral-like elements in complex stripelike patterns. The approach provides the location of the spiral tip and the size of the spiral arms in terms of their arc length and their winding number. In addition, it yields the number of pattern components (Betti number of order 1), as well as their size and certain aspects of their shape. We apply the method to spiral defect chaos in thermally driven Rayleigh- Bénard convection and find that the arc length of spirals decreases monotonically with decreasing Prandtl number of the fluid and increasing heating. By contrast, the winding number of the spirals is nonmonotonic in the heating. The distribution function for the number of spirals is significantly narrower than a Poisson distribution. The distribution function for the winding number shows approximately an exponential decay. It depends only weakly on the heating, but strongly on the Prandtl number. Large spirals arise only for larger Prandtl numbers. In this regime the joint distribution for the spiral length and the winding number exhibits a three-peak structure, indicating the dominance of Archimedean spirals of opposite sign and relatively straight sections. For small Prandtl numbers the distribution function reveals a large number of small compact pattern components.

Offshore Measurements of Ocean Waves using Stereo Vision Systems

In recent years, remote sensing imaging systems for the measurement of oceanic sea states have attracted renovated attention. Imaging technology is economical, non-invasive and enables a better understanding of the space-time dynamics of ocean waves over an area rather than at selected point locations of previous monitoring methods (buoys, wave gauges, etc.). We present recent progress in space-time measurement of ocean waves using stereo vision systems on offshore platforms, which focus on sea states with wavelengths in the range of 0.01 m to 10 m. Classical epipolar techniques and modern variational methods are reviewed to reconstruct the sea surface from the stereo pairs sequentially in time. The statistical and spectral properties of the resulting observed waves are analyzed. Current improvements of the variational methods are discussed as future lines of research.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Magnetic pumping of whistler waves by tether current modulation

Magnetic excitation of whistlers by a square array of electrodynamic tethers is discussed. The array is made of perpendicular rows of tethers that carry equal, uniform, and time-modulated currents at equal frequency with a 90° phase shift. The array would fly vertical in the orbital equatorial plane, which is perpendicular to the geomagnetic field B0 when its tilt is ignored. The array radiates a whistler wave along B0. A parametric instability due to pumping by the background magnetic field through the radiated wave gives rise to two unstable coupled whistler perturbations. The growth rate is maximum for perturbations with wave vector at angles 38.36° and 75.93° from B0. For an experiment involving a wavefront that moves with the orbiting array, which might serve to study nonlinear wave interactions and turbulence in space plasmas, characteristic values of growth rate and parameters, such as the number of tethers and their dimensions and distances in the array, are discussed for low Earth orbit ambient conditions.

Analysis of microscopic magnitudes of radiative blast waves launched in xenon clusters with collisional-radiative steady-state simulations

Radiative shock waves play a pivotal role in the transport energy into the stellar medium. This fact has led to many efforts to scale the astrophysical phenomena to accessible laboratory conditions and their study has been highlighted as an area requiring further experimental investigations. Low density material with high atomic mass is suitable to achieve radiative regime, and, therefore, low density xenon gas is commonly used for the medium in which the radiative shocks such as radiative blast waves propagate. In this work, by means of collisional-radiative steady-state calculations, a characterization and an analysis of microscopic magnitudes of laboratory blast waves launched in xenon clusters are made. Thus, for example, the average ionization, the charge state distribution, the cooling time or photon mean free paths are studied. Furthermore, for a particular experiment, the effects of the self-absorption and self-emission in the specific intensity emitted by the shock front and that is going through the radiative precursor are investigated. Finally, for that experiment, since the electron temperature is not measured experimentally, an estimation of this magnitude is made both for the shock shell and the radiative precursor.

Determination and analysis of plasma radiative properties for numerical simulations of laboratory radiative blast waves launched in xenon clusters

Radiative shock waves play a pivotal role in the transport energy into the stellar medium. This fact has led to many efforts to scale the astrophysical phenomena to accessible laboratory conditions and their study has been highlighted as an area requiring further experimental investigations. Low density material with high atomic mass is suitable to achieve radiative regime, and, therefore, low density xenon plasmas are commonly used for the medium in which the radiative shocks propagate. The knowledge of the plasma radiative properties is crucial for the correct understanding and for the hydrodynamic simulations of radiative shocks. In this work, we perform an analysis of the radiative properties of xenon plasmas in a range of matter densities and electron temperatures typically found in laboratory experiments of radiative shocks launched in xenon plasmas. Furthermore, for a particular experiment, our analysis is applied to make a diagnostics of the electron temperatures of the radiative shocks since they could not be experimentally measured

Background noise and its influence on the brain waves related to attention

In this work, we present a study whose objective is to prove the influence of background noise produced inside university facilities on the brain waves related to attention processes. Recordings of background noise were carried out in study areas inside university facilities. Volunteers were asked to perform an attention test without any background noise but also while being exposed to the sound recordings, and their cerebral activity was recorded through electroencephalography (EEG). After the application of the test in both conditions, changes in the frequency bands related to attention processes (beta 13-30 Hz and theta 4-7 Hz) were studied. The results of this study show that when the students were performing the test while being exposed to background noise, both beta and theta frequency bands decreased statistically significantly. Because attentional improvement is related to increases of the beta and theta waves, we believe that those decreases are directly related to a lack of attention caused by the exposure to background noise. Nevertheless, the results do not allow us to conclude that background noise produced inside university facilities has an influence on the attentional processes.

Numerical and experimental study of the parametric rolling of a fisihing vessel in regular head waves

The dynamic behaviour of a fishing vessel in waves is studied in order to reveal its parametric rolling characteristics. This paper presents experimental and numerical results in longitudinal regular waves. The experimental results are compared against the results of a time-domain non-linear strip theory model of ship motions in six degrees-of-freedom. These results contribute to the validation of the parametric rolling prediction method, so that it can be used as an assessment tool to evaluate both the susceptibility and severity of occurrence of parametric rolling at the early design stage of these types of vessels.

Offshore stereo measurements of gravity waves

Stereo video techniques are effective for estimating the space-time wave dynamics over an area of the ocean. Indeed, a stereo camera view allows retrieval of both spatial and temporal data whose statistical content is richer than that of time series data retrieved from point wave probes. To prove this, we consider an application of the Wave Acquisition Stereo System (WASS) for the analysis of offshore video measurements of gravity waves in the Northern Adriatic Sea. In particular, we deployed WASS at the oceanographic platform Acqua Alta, off the Venice coast, Italy. Three experimental studies were performed, and the overlapping field of view of the acquired stereo images covered an area of approximately 1100 m2. Analysis of the WASS measurements show that the sea surface can be accurately estimated in space and time together, yielding associated directional spectra and wave statistics that agree well with theoretical models. From the observed wavenumber-frequency spectrum one can also predict the vertical profile of the current flow underneath the wave surface. Finally, future improvements of WASS and applications are discussed.

Chaos in non lineal Alfven waves using the DNLS equations

The electro-dynamical tethers emit waves in structured denominated Alfven wings. The Derivative Nonlineal Schrödinger Equation (DNLS) possesses the capacity to describe the propagation of circularly polarized Alfven waves of finite amplitude in cold plasmas. The DNLS equation is truncated to explore the coherent, weakly nonlinear, cubic coupling of three waves near resonance, one wave being linearly unstable and the other waves damped. In this article is presented a theoretical and numerical analysis when the growth rate of the unstable wave is next to zero considering two damping models: Landau and resistive. The DNLS equation presents a chaotic dynamics when is consider only three wave truncation. The evolution to chaos possesses three routes: hard transition, period-doubling and intermittence of type I.

Contribution to the Analysis of Waveguides and Design of Passive Components at Millimeter and Submillimeter-Waves

Esta tesis está dedicada al análisis de las guías de onda y el diseño de los componentes pasivos con énfasis en aplicaciones de alta frecuencia. En primer lugar, se lleva a cabo el análisis de las guías de onda con conductores metálicos no ideales, con el objetivo de establecer el límite superior en frecuencia de las aproximaciones habitualmente utilizadas en microondas para el cálculo de las pérdidas óhmicas. Posteriormente, se presenta el diseño de diferentes componentes pasivos de guía de ondas: filtros, transductores de modos ortogonales (OMT), polarizadores, duplexores y alimentadores de antena, funcionando en frecuencias desde 10 a 750 GHz. Para el correcto diseño de componentes a altas frecuencias se requiere, en primer lugar, comprender los nuevos procesos de fabricación y después adecuar los diversos componentes para cumplir especificaciones eléctricas y geométricas simultáneamente. Para esto, se presentan modificaciones y nuevas geometrías de guiado de ondas para diferentes aplicaciones y procesos tecnológicos. Además se discuten sus ventajas sobre las soluciones ya existentes. Además, el trabajo presentado en esta tesis se ocupa del desarrollo completo de dispositivos: diseño, fabricación y caracterización de los componentes ya mencionados. Por último, algunos de los dispositivos desarrollados han sido diseñados para ser integrados en diferentes sistemas. De esta forma, se mejoran las prestaciones y capacidades de dichos sistemas.

Dynamic earth pressures against a retaining wall caused by Rayleigh waves

An approximate procedure for studying harmonic soil-structure interaction problems is presented. The presence of Rayleigh waves is considered and the resulting governing equations of the dynamic soil-structure system are solved in the time domain. With this method the transient and steady states of a vibratory motion and also the nonlinear behaviour of the soil can be studied. As an example, the dynamic earth pressure against a rigid retaining wall is investigated. The loads are assumed to be harmonic Rayleigh waves with both static and dynamic surface surcharges. The dependence of the results on the excitation frequency is shown.