Simulating everglades national park hydrology and phosphorus transport under existing and future scenarios using numerical modeling

The Florida Everglades has a long history of anthropogenic changes which have impacted the quantity and quality of water entering the system. Since the construction of Tamiami Trail in the 1920's, overland flow to the Florida Everglades has decreased significantly, impacting ecosystems from the wetlands to the estuary. The MIKE Marsh Model of Everglades National Park (M3ENP) is a numerical model, which simulates Everglades National Park (ENP) hydrology using MIKE SHE/MIKE 11software. This model has been developed to determine the parameters that effect Everglades hydrology and understand the impact of specific flow changes on the hydrology of the system. ^ As part of the effort to return flows to the historical levels, several changes to the existing water management infrastructure have been implemented or are in the design phase. Bridge construction scenarios were programed into the M3ENP model to review the effect of these structural changes and evaluate the potential impacts on water levels and hydroperiods in the receiving Northeast Shark Slough ecosystem. These scenarios have shown critical water level increases in an area which has been in decline due to low water levels. Results from this work may help guide future decisions for restoration designs. ^ Excess phosphorus entering Everglades National Park in South Florida may promote the growth of more phosphorus-opportunistic species and alter the food chain from the bottom up. Two phosphorus transport methods were developed into the M3ENP hydrodynamic model to determine the factors affecting phosphorus transport and the impact of bridge construction on water quality. Results showed that while phosphorus concentrations in surface waters decreased overall, some areas within ENP interior may experience an increase in phosphorus loading which the addition of bridges to Tamiami Trail. Finally, phosphorus data and modeled water level data was used to evaluate the spectral response of Everglades vegetation to increasing phosphorus availability using Landsat imagery.^

Simulating Everglades National Park hydrology and phosphorus transport under existing and future scenarios using numerical modeling

The Florida Everglades has a long history of anthropogenic changes which have impacted the quantity and quality of water entering the system. Since the construction of Tamiami Trail in the 1920's, overland flow to the Florida Everglades has decreased significantly, impacting ecosystems from the wetlands to the estuary. The MIKE Marsh Model of Everglades National Park (M3ENP) is a numerical model, which simulates Everglades National Park (ENP) hydrology using MIKE SHE/MIKE 11software. This model has been developed to determine the parameters that effect Everglades hydrology and understand the impact of specific flow changes on the hydrology of the system. As part of the effort to return flows to the historical levels, several changes to the existing water management infrastructure have been implemented or are in the design phase. Bridge construction scenarios were programed into the M3ENP model to review the effect of these structural changes and evaluate the potential impacts on water levels and hydroperiods in the receiving Northeast Shark Slough ecosystem. These scenarios have shown critical water level increases in an area which has been in decline due to low water levels. Results from this work may help guide future decisions for restoration designs. Excess phosphorus entering Everglades National Park in South Florida may promote the growth of more phosphorus-opportunistic species and alter the food chain from the bottom up. Two phosphorus transport methods were developed into the M3ENP hydrodynamic model to determine the factors affecting phosphorus transport and the impact of bridge construction on water quality. Results showed that while phosphorus concentrations in surface waters decreased overall, some areas within ENP interior may experience an increase in phosphorus loading which the addition of bridges to Tamiami Trail. Finally, phosphorus data and modeled water level data was used to evaluate the spectral response of Everglades vegetation to increasing phosphorus availability using Landsat imagery.

Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour les télécommunications dans les centres de données et leurs applications

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.

Libs in cultural heritage: recognition and identification of objects in an underwater archaeological shipwreck

Nowadays, one of the most important areas of interest in archeology is the characterization of the submersed cultural heritage. Mediterranean Sea is rich in archaeological findings due to storms, accidents and naval battles since prehistoric times. Chemical analysis of submerged materials is an extremely valuable source of information on the origin and precedence of the wrecks, and also the raw materials employed during the manufacturing of the objects found in these sites. Nevertheless, sometimes it is not possible to extract the archaeological material from the marine environment due to size of the sample, the legislation or preservation purposes. In these cases, the in-situ analysis turns into the only alternative for obtaining information. In spite of this demand, no analytical techniques are available for the in-situ chemical characterization of underwater materials. The versatility of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been successfully tested in oceanography 1. Advantages such as rapid and in situ analysis with no sample preparation make LIBS a suitable alternative for field measurements. To further exploit the inherent advantages of the technology, a mobile fiber-based LIBS platform capable of performing remote measurements up to 50 meters range has been designed for the recognition and identification of artworks in underwater archaeological shipwrecks. The LIBS prototype featured both single-pulse (SP-LIBS) and multi-pulse excitation (MP-LIBS) 2. The use of multi-pulse excitation allowed an increased laser beam energy (up to 95 mJ) transmitted through the optical fiber. This excitation mode results in an improved performance of the equipment in terms of extended range of analysis (to a depth of 50 m) and a broader variety of samples to be analyzed (i.e., rocks, marble, ceramics and concrete). In the present work, the design and construction considerations of the instrument are reported and its performance is discussed on the basis of the spectral response, the remote irradiance achieved upon the range of analysis and its influence on plasma properties, as well as the effect of the laser pulse duration and purge gas to the LIBS signal. Also, to check the reliability and reproducibility of the instrument for field analysis several robustness tests were performed outside the lab. Finally, the capability of this instrument was successfully demonstrated in an underwater archaeological shipwreck (San Pedro de Alcántara, Malaga).

The optical design of a far infrared imaging FTS for SPICA

This paper describes the optical design of the far infrared imaging spectrometer for the JAXA's SPICA mission. The SAFARI instrument, is a cryogenic imaging Fourier transform spectrometer (iFTS), designed to perform backgroundlimited spectroscopic and photometric imaging in the band 34-210 μm. The all-reflective optical system is highly modular and consists of three main modules; input optics module, interferometer module (FTS) and camera bay optics. A special study has been dedicated to the spectroscopic performance of the instrument, in which the spectral response and interference of the instrument have been modeled, as the FTS mechanism scans over the total desired OPD range.

Wide-band spectral power fluctuations characterize the response of simulated cortical networks to increasing stimulus intensity

The hippocampus is an anatomically distinct region of the medial temporal lobe that plays a critical role in the formation of declarative memories. Here we show that a computer simulation of simple compartmental cells organized with basic hippocampal connectivity is capable of producing stimulus intensity sensitive wide-band fluctuations of spectral power similar to that seen in real EEG. While previous computational models have been designed to assess the viability of the putative mechanisms of memory storage and retrieval, they have generally been too abstract to allow comparison with empirical data. Furthermore, while the anatomical connectivity and organization of the hippocampus is well defined, many questions regarding the mechanisms that mediate large-scale synaptic integration remain unanswered. For this reason we focus less on the specifics of changing synaptic weights and more on the population dynamics. Spectral power in four distinct frequency bands were derived from simulated field potentials of the computational model and found to depend on the intensity of a random input. The majority of power occurred in the lowest frequency band (3-6 Hz) and was greatest to the lowest intensity stimulus condition (1% maximal stimulus). In contrast, higher frequency bands ranging from 7-45 Hz show an increase in power directly related with an increase in stimulus intensity. This trend continues up to a stimulus level of 15% to 20% of the maximal input, above which power falls dramatically. These results suggest that the relative power of intrinsic network oscillations are dependent upon the level of activation and that above threshold levels all frequencies are damped, perhaps due to over activation of inhibitory interneurons.

Estimates of site response based on spectral ratio between horizontal and vertical components of ambient vibrations in the source zone of 2001 Bhuj earthquake

We investigated the site response characteristics of Kachchh rift basin over the meizoseismal area of the 2001, Mw 7.6, Bhuj (NW India) earthquake using the spectral ratio of the horizontal and vertical components of ambient vibrations. Using the available knowledge on the regional geology of Kachchh and well documented ground responses from the earthquake, we evaluated the H/V curves pattern across sediment filled valleys and uplifted areas generally characterized by weathered sandstones. Although our HIV curves showed a largely fuzzy nature, we found that the hierarchical clustering method was useful for comparing large numbers of response curves and identifying the areas with similar responses. Broad and plateau shaped peaks of a cluster of curves within the valley region suggests the possibility of basin effects within valley. Fundamental resonance frequencies (f(0)) are found in the narrow range of 0.1-2.3 Hz and their spatial distribution demarcated the uplifted regions from the valleys. In contrary, low HIV peak amplitudes (A(0) = 2-4) were observed on the uplifted areas and varying values (2-9) were found within valleys. Compared to the amplification factors, the liquefaction indices (kg) were able to effectively indicate the areas which experienced severe liquefaction. The amplification ranges obtained in the current study were found to be comparable to those obtained from earthquake data for a limited number of seismic stations located on uplifted areas; however the values on the valley region may not reflect their true amplification potential due to basin effects. Our study highlights the practical usefulness as well as limitations of the HIV method to study complex geological settings as Kachchh. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Photocurrent response in a double barrier structure with quantum dots-quantum well inserted in central well

We report the photocurrent response in a double barrier structure with quantum dots-quantum well inserted in central well. When this quantum dots-quantum well hybrid heterostructure is biased beyond + 1 or -I V, the photocurrent response manifests itself as a steplike enhancement, increasing linearly with the light intensity. Most probably, at proper bias condition, the pulling down of the X minimum of GaAs at the outgoing interface of the emitter barrier by the photovoltaic effect in GaAs QW will initiate the r,-X-X tunneling at much lower bias as compared with that in the dark. That gives rise to the observed photocurrent response. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Peculiar photocurrent response due to Gamma-X coupling in a GaAs/AlAs heterostructure

Peculiar current jumps and hysteresis in current-voltage curves are reported in an illuminated heterostructure consisting basically of a thick AlAs layer and a narrow GaAs quantum well. These novel features come from the photon-assisted transfer of electron-hole pairs and the resultant charge polarization in the structure, mainly caused by the resonant Gamma-X coupling at the heterointerfaces. Using the transfer-matrix method, the simulated current density-voltage curve reproduces the main features of the experimental observations in the case where the influence of resonant Gamma-X coupling at the heterointerfaces is included, further confirming the physical mechanism involved. The structure presented here may be used as a new type of photonic memory cell and also as an optically controlled switch.