DENSE GAS IN NEARBY GALAXIES .6. A LARGE C-12/C-13 RATIO IN A NUCLEAR STARBURST ENVIRONMENT

Toward the starburst nucleus of NGC 253, C-12/C-13 line intensity ratios from six carbon bearing molecules (CO, CN, CS, HCN, HCO+, and HNC) are used to confine the possible range of carbon and oxygen isotope ratios. A detailed analysis yields C-12/C-13 approximately 40 and O-16/O-18 approximately 200. Also reported are first detections of (CS)-C-13 and of the 0(0) - 1(-1) E line of methanol (CH3OH) in an extragalactic source.

Efficient control of quantum paths via dual-gas high harmonic generation

The accurate control of the relative phase of multiple distinct sources of radiation produced by high harmonic generation is of central importance in the continued development of coherent extreme UV (XUV) and attosecond sources. Here, we present a novel approach which allows extremely accurate phase control between multiple sources of high harmonic radiation generated within the Rayleigh range of a single-femtosecond laser pulse using a dualgas, multi-jet array. Fully ionized hydrogen acts as a purely passive medium and allows highly accurate control of the relative phase between each harmonic source. Consequently, this method allows quantum path selection and rapid signal growth via the full coherent superposition of multiple HHG sources (the so-called quasi-phase-matching). Numerical simulations elucidate the complex interplay between the distinct quantum paths observed in our proof-of-principle experiments.

Characterization of a gamma-ray source based on a laser-plasma accelerator with applications to radiography

The application of high intensity laser-produced gamma rays is discussed with regard to picosecond resolution deep-penetration radiography. The spectrum and angular distribution of these gamma rays is measured using an array of thermoluminescent detectors for both an underdense (gas) target and an overdense (solid) target. It is found that the use of an underdense target in a laser plasma accelerator configuration produces a much more intense and directional source. The peak dose is also increased significantly. Radiography is demonstrated in these experiments and the source size is also estimated. (C) 2002 American Institute of Physics.

Ultrahigh-intensity laser-produced plasmas as a compact heavy ion injection source

The possibility of using high-intensity laser-produced plasmas as a source of energetic ions for heavy ion accelerators is addressed. Experiments have shown that neon ions greater than 6 MeV can be produced from gas jet plasmas, and well-collimated proton beams greater than 20 MeV have been produced from high-intensity Laser solid interactions. The proton beams from the back of thin targets appear to be more collimated and reproducible than are high-energy ions generated in the ablated plasma at the front of the target and may be more suitable for ion injection applications. Lead ions have been produced at energies up to 430 MeV.

Plasma parameter characterization of a reflex plasma source operating in oxygen

A reflex discharge plasma, obtained as a hybrid between a Penning discharge plasma (PDP) and a hollow-cathode discharge (HCD) plasma, is analysed as a possible direction-current, high-density plasma source. The experiment is run in oxygen at pressures of 10 mTorr and 1 mTorr, and for discharge currents of 100 to 200 mA. Although the gas pressure is considerably lower than those used in HCDs, the hollow-cathode effect (HCE) occurs for current levels higher than 100 mA and leads to plasma densities comparable with those obtained using inductive plasma sources. The presence of a constant magnetic field leads to the enhancement of electron emission from cathodes under ion bombardment, and to the decreasing of the ion loss by diffusion to the wall.

LIAD-fs scheme for studies of ultrafast laser interactions with gas phase biomolecules

Laser induced acoustic desorption (LIAD) has been used for the first time to study the parent ion production and fragmentation mechanisms of a biological molecule in an intense femtosecond (fs) laser field. The photoacoustic shock wave generated in the analyte substrate (thin Ta foil) has been simulated using the hydrodynamic HYADES code, and the full LIAD process has been experimentally characterised as a function of the desorption UV-laser pulse parameters. Observed neutral plumes of densities > 10(9) cm(-3) which are free from solvent or matrix contamination demonstrate the suitability and potential of the source for studying ultrafast dynamics in the gas phase using fs laser pulses. Results obtained with phenylalanine show that through manipulation of fundamental femtosecond laser parameters (such as pulse length, intensity and wavelength), energy deposition within the molecule can be controlled to allow enhancement of parent ion production or generation of characteristic fragmentation patterns. In particular by reducing the pulse length to a timescale equivalent to the fastest vibrational periods in the molecule, we demonstrate how fragmentation of the molecule can be minimised whilst maintaining a high ionisation efficiency.

How much gas can we get from grass?

Grass biomethane has been shown to be a sustainable gaseous transport biofuel, with a good energy balance, and significant potential for economic viability. Of issue for the designer is the variation in characteristics of the grass depending on location of source, time of cut and species. Further confusion arises from the biomethane potential tests (BMP) which have a tendency to give varying results. This paper has dual ambitions. One of these is to highlight the various results for biomethane potential that may be obtained from the same grass silage. The results indicated that methane potential from the same grass silage varied from 350 to 493 L CH4 kg−1 VS added for three different BMP procedures. The second ambition is to attempt to compare two distinct digestion systems again using the same grass: a two stage continuously stirred tank reactor (CSTR); and a sequentially fed leach bed reactor connected to an upflow anaerobic sludge blanket (SLBR–UASB). The two engineered systems were designed, fabricated, commissioned and operated at small pilot scale until stable optimal operating conditions were reached. The CSTR system achieved 451 L CH4 kg−1 VS added over a 50 day retention period. The SLBR–UASB achieved 341 L CH4 kg−1 VS added at a 30 day retention time.

Photo-ionized neon plasmas induced by radiation pulses of a laser-plasma EUV source and a free electron laser FLASH

In this work, a laser-produced plasma extreme ultraviolet source and a free electron laser were used to create Ne photo-ionized plasmas. In both cases, a radiation beam was focused onto a gas stream injected into a vacuum chamber synchronously with the radiation pulse. Extreme ultraviolet radiation from the plasma spanned a wide spectral range with pronounced maximum centered at lambda = 11 +/- 1 nm while the free electron laser pulses were emitted at a wavelength of 32 nm. The power density of the focused plasma radiation was approximately 2 x 10(7) W/cm(2) and was seven orders of magnitude lower compared with the focused free electron laser beam. Radiation fluences in both experimental conditions were comparable. Despite quite different spectral characteristics and extremely different power densities, emission spectra of both photo-ionized plasmas consist of the same spectral lines within a wavelength range of 20 to 50 nm, however, with different relative intensities of the corresponding lines. The dominating spectral lines originated from singly charged ions (Ne II); however, Ne III lines were also detected. Additionally, computer simulations of the emission spectra, obtained for photo-ionized plasmas, driven by the plasma extreme ultraviolet source, were performed. The corresponding measured and calculated spectra are presented. An electron temperature and ionic composition were estimated. Differences between the experimental spectra, obtained for both irradiation conditions, were analyzed. The differences were attributed mainly to different energies of driving photons.

Proton irradiation of DNA nucleosides in the gas phase

The four DNA nucleosides guanosine, adenosine, cytidine and thymidine have been produced in the gas phase by a laser thermal desorption source, and irradiated by a beam of protons with 5 keV kinetic energy. The molecular ions as well as energetic neutrals formed have been analyzed by mass spectrometry in order to shed light on the ionization and fragmentation processes triggered by proton collision. A range of 8-20 eV has been estimated for the binding energy of the electron captured by the proton. Glycosidic bond cleavage between the base and sugar has been observed with a high probability for all nucleosides, resulting in predominantly intact base ions for guanosine, adenosine, and cytidine but not for thymidine where intact sugar ions are dominant. This behavior is influenced by the ionization energies of the nucleobases (G < A < C < T), which seems to determine the localization of the charge following the initial ionization. This charge transfer process can also be inferred from the production of protonated base ions, which have a similar dependence on the base ionization potential. Other dissociation pathways have also been identified, including further fragmentation of the base and sugar moieties for thymidine and guanosine, respectively, and partial breakup of the sugar ring without glycosidic bond cleavage mainly for adenosine and cytidine. These results show that charge localization following ionization by proton irradiation is important in determining dissociation pathways of isolated nucleosides, which could in turn influence direct radiation damage in DNA.

Hierarchical energy management system for multi-source multi-product microgrids

This paper proposes a hierarchical energy management system for multi-source multi-product (MSMP) microgrids. Traditional energy hub based scheduling method is combined with a hierarchical control structure to incorporate transient characteristics of natural gas flow and dynamics of energy converters in microgrids. The hierarchical EMS includes a supervisory control layer, an optimizing control layer, and an execution control layer. In order to efficiently accommodate the systems multi time-scale characteristics, the optimizing control layer is decomposed into three sub-layers: slow, medium and fast. Thermal, gas and electrical management systems are integrated into the slow, medium, and fast control layer, respectively. Compared with wind energy, solar energy is easier to integrate and more suitable for the microgrid environment, therefore, potential impacts of the hierarchical EMS on MSMP microgrids is investigated based on a building energy system integrating photovoltaic and microturbines. Numerical studies indicate that by using a hierarchical EMS, MSMP microgrids can be economically operated. Also, interactions among thermal, gas, and electrical system can be effectively managed.

First Detection of Gas-phase Methanol in a Protoplanetary Disk

The first detection of gas-phase methanol in a protoplanetary disk (TW Hya) is presented. In addition to being one of the largest molecules detected in disks to date, methanol is also the first disk organic molecule with an unambiguous ice chemistry origin. The stacked methanol emission, as observed with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, is spectrally resolved and detected across six velocity channels (>3σ), reaching a peak signal-to-noise of 5.5σ, with the kinematic pattern expected for TW Hya. Using an appropriate disk model, a fractional abundance of 3 x 10^-12 – 4 x 10^-11 (with respect to H₂) reproduces the stacked line profile and channel maps, with the favored abundance dependent upon the assumed vertical location (midplane versus molecular layer). The peak emission is offset from the source position, suggesting that the methanol emission has a ring-like morphology: the analysis here suggests it peaks at ≈30 au, reaching a column density ≈3–6 x 10¹² cm⁻². In the case of TW Hya, the larger (up to millimeter-sized) grains, residing in the inner 50 au, may thus host the bulk of the disk ice reservoir. The successful detection of cold gas-phase methanol in a protoplanetary disk implies that the products of ice chemistry can be explored in disks, opening a window into studying complex organic chemistry during planetary system formation.

High-resolution seismic reflection investigation of gas accumulation and seepage in the tidal channels of the Ria of Aveiro barrier lagoon (Portugal)

O metano é um gás de estufa potente e uma importante fonte de energia. A importância global e impacto em zonas costeiras de acumulações e escape de gás metano são ainda pouco conhecidas. Esta tese investiga acumulações e escape de gás em canais de maré da Ria de Aveiro com dados de cinco campanhas de reflexão sísmica de alta resolução realizadas em 1986, 1999, 2002 e 2003. Estas incluem três campanhas de Chirp (RIAV99, RIAV02 e RIAV02A) e duas campanhas de Boomer (VOUGA86 e RIAV03). O processamento dos dados de navegação incluíram filtros de erros, correcções de sincronização de relógios de sistemas de aquisição de dados, ajuste de “layback” e estimativa da posição de “midpoint”. O processamento do sinal sísmico consistiu na correcção das amplitudes, remoção de ruído do tipo “burst”, correcções estáticas, correcção do “normal move-out”, filtragem passabanda, desconvolução da assinatura e migração Stolt F-K. A análise da regularidade do trajecto de navegação, dos desfasamentos entre horizontes e dos modelos de superfícies foi utilizada para controlo de qualidade, e permitiu a revisão e melhoria dos parâmetros de processamento. A heterogeneidade da cobertura sísmica, da qualidade do sinal, da penetração e da resolução, no seu conjunto constrangeram o uso dos dados a interpretações detalhadas, mas locais, de objectos geológicos da Ria. É apresentado um procedimento para determinar a escolha de escalas adequadas para modelar os objectos geológicos, baseado na resolução sísmica, erros de posicionamento conhecidos e desfasamentos médios entre horizontes. As evidências de acumulação e escape de gás na Ria de Aveiro incluem turbidez acústica, reflexões reforçadas, cortinas acústicas, domas, “pockmarks” e alinhamentos de “pockmarks” enterradas, horizontes perturbados e plumas acústicas na coluna de água (flares). A estratigrafia e a estrutura geológica controlam a distribuição e extensão das acumulações e escape de gás. Ainda assim, nestes sistemas de baixa profundidade de água, as variações da altura de maré têm um impacto significativo na detecção de gás com métodos acústicos, através de alterações nas amplitudes originais de reflexões reforçadas, turbidez acústica e branqueamento acústico em zonas com gás. Os padrões encontrados confirmam que o escape de bolhas de gás é desencadeado pela descida da maré. Há acumulações de gás em sedimentos Holocénicos e no substrato de argilas e calcários do Mesozóico. Evidências directas de escape de gás em sondagens em zonas vizinhas, mostraram gás essencialmente biogénico. A maioria do gás na área deve ter sido gerado em sedimentos lagunares Holocénicos. No entanto, a localização e geometria de estruturas de escape de fluidos em alguns canais de maré, seguem o padrão de fracturas do substrato Mesozóico, indicando uma possível fonte mais profunda de gás e que estas fracturas funcionam como condutas preferenciais de migração dos fluidos e exercem um controlo estrutural na ocorrência de gás na Ria.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Natural gas system operation: lagrangean optimization techniques

To comply with natural gas demand growth patterns and Europe´s import dependency, the gas industry needs to organize an efficient upstream infrastructure. The best location of Gas Supply Units – GSUs and the alternative transportation mode – by phisical or virtual pipelines, are the key of a successful industry. In this work we study the optimal location of GSUs, as well as determining the most efficient allocation from gas loads to sources, selecting the best transportation mode, observing specific technical restrictions and minimizing system total costs. For the location of GSUs on system we use the P-median problem, for assigning gas demands nodes to source facilities we use the classical transportation problem. The developed model is an optimisation-based approach, based on a Lagrangean heuristic, using Lagrangean relaxation for P-median problems – Simple Lagrangean Heuristic. The solution of this heuristic can be improved by adding a local search procedure - the Lagrangean Reallocation Heuristic. These two heuristics, Simple Lagrangean and Lagrangean Reallocation, were tested on a realistic network - the primary Iberian natural gas network, organized with 65 nodes, connected by physical and virtual pipelines. Computational results are presented for both approaches, showing the location gas sources and allocation loads arrangement, system total costs and gas transportation mode.