Biological applications of plasmonic metal nanoparticles

Plasmons in metal nanoparticles respond to changes in their local environment by a spectral shift in resonance. Here, the potential of plasmonic metal nanoparticles for label-free detection and observation of biological systems is presented. Comparing the material silver and gold concerning plasmonic sensitivity, silver nanoparticles exhibit a higher sensitivity but their chemical instability under light exposure limits general usage. A new approach combining results from optical dark-field microscopy and transmission electron microscopy allows localization and quantification of gold nanoparticles internalized into living cells. Nanorods exposing a negatively charged biocompatible polymer seem to be promising candidates to sense membrane fluctuations of adherent cells. Many small nanoparticles being specific sensing elements can build up a sensor for parallel analyte detection without need of labeling, which is easy to fabricate, re-usable, and has sensitivity down to nanomolar concentrations. Besides analyte detection, binding kinetics of various partner proteins interacting with one protein of interest are accessible in parallel. Gold nanoparticles are able to sense local oscillations in the surface density of proteins on a lipid bilayer, which could not be resolved so far. Studies on the fluorescently labeled system and the unlabeled system identify an influence of the label on the kinetics.

Monte Carlo simulation of a dynamic MLC based on a multiple source model

Detailed knowledge of the characteristics of the radiation field shaped by a multileaf collimator (MLC) is essential in intensity modulated radiotherapy (IMRT). A previously developed multiple source model (MSM) for a 6 MV beam was extended to a 15 MV beam and supplemented with an accurate model of an 80-leaf dynamic MLC. Using the supplemented MSM and the MC code GEANT, lateral dose distributions were calculated in a water phantom and a portal water phantom. A field which is normally used for the validation of the step and shoot technique and a field from a realistic IMRT treatment plan delivered with dynamic MLC are investigated. To assess possible spectral changes caused by the modulation of beam intensity by an MLC, the energy spectra in five portal planes were calculated for moving slits of different widths. The extension of the MSM to 15 MV was validated by analysing energy fluences, depth doses and dose profiles. In addition, the MC-calculated primary energy spectrum was verified with an energy spectrum which was reconstructed from transmission measurements. MC-calculated dose profiles using the MSM for the step and shoot case and for the dynamic MLC case are in very good agreement with the measured data from film dosimetry. The investigation of a 13 cm wide field shows an increase in mean photon energy of up to 16% for the 0.25 cm slit compared to the open beam for 6 MV and of up to 6% for 15 MV, respectively. In conclusion, the MSM supplemented with the dynamic MLC has proven to be a powerful tool for investigational and benchmarking purposes or even for dose calculations in IMRT.

Tribologische Untersuchungen am Förderzahnriemen

Zahnriemenfördersysteme haben auf Grund ihrer wirtschaftlichen und technischen Vorteile beim Transport von Stückgütern ein breites Anwendungsfeld in den unterschiedlichen Bereichen der Industrie gefunden und gewinnen weiterhin an Bedeutung. Die Auslegung der Systeme beschränkt sich gegenwärtig im Wesentlichen auf die Zugstrang- und die Zahnfußfestigkeit des Zahnriemens. Grundlagen der Berechnungen sind oft recht vage Aussagen zur Höhe des Reibwertes zwischen dem Zahnriemen und dessen Stützschiene. Die Erhöhung der Kontakttemperatur durch die eingebrachte Reibleistung wird meist völlig vernachlässigt. In der Praxis wird oftmals auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, wobei die Gefahr der Über- bzw. Unterdimensionierung mit erheblichen Auswirkungen auf die Lebensdauer, das Verschleißverhalten und die Betriebssicherheit besteht. 1. Anwendung von Zahnriemenförderern Das Einsatzgebiet der Zahnriemen ist neben der Antriebstechnik in zunehmendem Maße die Fördertechnik, wo diese als Zug- und Tragmittel für den Stückguttransport zur Anwendung kommen. Der Grund dieser Entwicklung lässt sich mit den günstigen Eigenschaften dieser Maschinenelemente erklären. Besonders zu erwähnen sind dabei der geräuscharme Lauf, die geringe Masse und die niedrigen Kosten in Anschaffung und Wartung. Der synchrone Lauf, der mit Zahnriemen wie auch mit Förderketten realisierbar ist, ist ein weiterer wesentlicher Vorteil. Dabei übernehmen die robusten Förderketten den Bereich der Fördertechnik, in dem große Kräfte übertragen werden müssen und stark schmutzintensive Umgebungsbedingungen vorherrschen. Haupteinsatzgebiete der Zahnriemenförderer ist der Bereich der empfindlicheren Güter mit relativ geringen Massen, wobei sich immer mehr abzeichnet, dass auch Einsatzgebiete mit schweren Werkzeugträgern erschlossen werden. Die Transportzahnriemen müssen bei dem Einsatz zahnseitig abgestützt werden, um die Gutmasse aufnehmen zu können. Stückgüter können von Zahnriemen durch Kraft- oder Formschluss transportiert werden. Der Einsatz ist von den technologischen Erfordernissen und der Art des Transportgutes abhängig. Formschluss wird meist über aufgeschweißte Formelemente / Mitnehmer realisiert. Diese Art des Transportes wird verwendet, wenn Teile: • vereinzelt, • genau positioniert, ������ zeitlich exakt getaktet, • über starke Steigungen bis hin zum vertikalen transportiert werden müssen, • bzw. sich gegenseitig nicht berühren dürfen. Abbildung 1: Formschlüssiger Transport mit aufgeschweißten Formelementen Die Art und die Form des auf dem Zahnriemenrücken aufgebrachten Formelementes werden vom Gut selbst und dem Einsatzzweck bestimmt. Eine Vielzahl von verschiedenen Elementen wird von der Industrie standardmäßig angeboten. Bei der kraftschlüssigen Variante können zwei grundlegende Arten unterschieden werden: Zum einen Zahnriemenbeschichtungen mit sehr hohem Reibwert, zum anderen mit sehr niedrigen Reibwerten. Beschichtungen mit sehr hohem Reibwert (z. B. Silikon, PUR-Schaum, Naturkautschuk) eignen sich besonders für Schrägförderer und Abzugsbänder sowie für einfache Positionieraufgaben. Dabei wird eine relative Verschiebung des Gutes zum Zahnriemen durch den hohen Reibwert in der Kontaktzone behindert. Abbildung 2: Abzugsband für biegeschlaffe Flachformkörper z. B. Folie, Textilien Zahnriemenrückenbeschichtungen mit geringen Reibwerten bestehen meist aus Polyamidgewebe und eignen sich besonders gut für den Staubetrieb. Hierbei dient der Zahnriemen selbst als Zwischenspeicher. Bei Bedarf können die Güter freigegeben werden. Dabei muss aber sichergestellt werden, dass auch die Auflagefläche des Fördergutes für einen solchen Einsatzzweck geeignet ist, da es zu einer Relativbewegung zwischen Gut und undZahnriemen kommt. Abbildung 3: Stauförderer Parallelförderer können sowohl als reibschlüssige als auch als formschlüssige Variante ausgeführt werden. Ihr Vorteil liegt darin, dass größere Güter, z. B. Flachglas, Bleche usw. auf zwei oder mehreren Riemen aufliegen und durch die gleiche Geschwindigkeit der synchron angetriebenen Riemen keine Verschiebung des Gutes erfolgt. Würde der Antrieb nicht über Zahnriemen erfolgen, sondern über Flachriemen bzw. Gurte, wäre außerdem ein Zugmittel in der Breite des Fördergutes notwendig. Daraus ergibt sich zusätzlich eine wesentliche Massereduzierung der Zugmittel für den Stückguttransport in der Fördertechnik. Abbildung 4: Parallelförderer für kraftschlüssigen Transport Allen diesen Varianten ist jedoch gemein, dass der Zahnriemen auf einer Stützschiene gleitet und die Normalkraft des Transportgutes in Verbindung mit Riemengeschwindigkeit und Reibwert eine Reibleistung und damit Wärme erzeugt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt fehlen exakte Angaben zu den Reibwerten für die einzelnen Gleitpaarungen. Auch ist eine Veränderung dieser Reibwerte bei Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Belastungsänderung ungeklärt. Des Weiteren ist es auch notwendig, die Belastungsgrenzen für die Auslegung von Zahnriemenförderern zu definieren und das Verschleißverhalten zu kennen. Die derzeit üblichen Auslegungskriterien für diese fördertechnischen Anlagen sind Zugstrangfestigkeit und Zahnfußfestigkeit. Dabei bleibt jedoch die Erwärmung des Zugmittels und der Stützschiene durch die eingebrachte Reibleistung und den sich ändernden Reibwert unbeachtet. Insbesondere bei kurzen Förderstrecken mit großen Lasten bzw. hohen Transportgeschwindigkeiten ist die Gefahr von thermischen Überlastungen gegeben, welche zu erhöhtem Verschleiß bzw. zum Totalausfall der Anlage führen kann. Soll dieses zusätzliche Auslegungskriterium angewandt werden, sind Erkenntnisse aus den Gebieten der Tribologie und der Wärmelehre/Thermodynamik anzuwenden. Zum einen ist eine Bestimmung der entstehenden Reibleistung notwendig und zum anderen der abgeführte Wärmestrom zu ermitteln. Die sehr komplexen Zusammenhänge werden durch konstruktive und technologische Größen beschrieben, welche sich wiederum gegenseitig beeinflussen. 2. Reibwerte in der Gleitpaarung In DIN ISO 7148-2 sind die Besonderheiten bei der tribologischen Prüfung von polymeren Werkstoffen beschrieben. Dabei wird explizit darauf hingewiesen, dass die Prüfanordnung möglichst der praktischen Anwendung entsprechen sollte, um die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse zu gewährleisten. Deshalb wurde ein Versuchsstand konzipiert, der die Kontaktverhältnisse von Zahnriemen und Stützschienen möglichst real abbildet (Abb.5). Abbildung 5: Schematischer Aufbau des Versuchsstandes Für die Untersuchung der Zahnriemenpaarung wird der Zahnriemen mit der Zahnseite nach oben aufgespannt. Auf die nach oben zeigende Zahnseite wird eine planparallele Platte des jeweiligen Gleitschienenmaterials aufgelegt. Die Flächenpressung der Paarung lässt sich über aufgebrachte Massestücke variieren und die Reibkraft über den Kraftsensor direkt über eine Schnittstelle zur Aufzeichnung an einen Rechner weiterleiten. Zur Ermittlung der Kontakttemperaturen wurden Bohrungen in das Gleitschienenmaterial eingebracht, die unmittelbar bis an die Oberfläche der Kontaktfläche reichen und mit Thermoelementen bestückt sind. Die Abstützung des Zahnriemens erfolgt auf einem Flachriemen, der wiederum auf einer Rollenbahn abrollt. Dadurch wird ein zusätzlicher Wärmeeintrag durch eine gleitende Abstützung vermieden. Die Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung auf die Paarung werden in Stufen variiert. Als Versuchszahnriemen dienten PU-Riemen mit und ohne zahnseitiger Polyamidbeschichtung der Abmessung 1250 x 25 T10. Abbildung 6: Reibwertmessungen an PU-Zahnriemen ohne Beschichtung (Kurzzeitversuche) Die ermittelten Messwerte der Gleitreibungszahl µ für verschiedene PU-Zahnriemen – Stützschienenkombinationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Die schraffierten Balken geben die Reibungszahlempfehlungen von Herstellern sowie aus Literaturquellen für diese Paarungen wieder. Oft wird jedoch darauf hingewiesen, dass für einen konkreten Anwendungsfall eigene Untersuchungen durchzuführen sind. Die grauen Balken geben die bei einer Versuchsdauer von bis zu 8 Stunden ermittelten Reibungszahlen wieder. Dabei wurden sowohl die Flächenpressungen als auch die Gleitgeschwindigkeiten variiert. Bei einigen Paarungen (Holz (Abb.7)) konnte ein sehr starker abrasiver Verschleiß am Zahnriemen festgestellt werden. Diese Werkstoffkombinationen sind nur für geringe Belastungen geeignet. Abbildung 7: Oberfläche PU-Zahnriemen, verschlissen an Schichtholz Die Paarungen in Verbindung mit Stahl- bzw. Aluminiumstützschienen neigen zu stick-slip- Erscheinungen verbunden mit starker Geräuschentwicklung. Aufgrund der relativ hohen Reibungszahlen wurden keine Dauerversuche an unbeschichteten PU-Zahnriemen durchgeführt. Für die weiteren Untersuchungen wurden ausschließlich polyamidbeschichtete Zahnriemen verwendet. In Abbildung 8 werden die Ergebnisse der Reibwertuntersuchungen an PAZ-Zahnriemen (Polyamidgewebebeschichtung auf der Zahnseite) dargestellt. Die schraffierten Balken stellen wiederum die bisherigen Empfehlungen dar, die grauen Balken die ermittelten Messwerte im Kurzzeitversuch (bis 8 Stunden) und die schwarzen Balken die Messwerte im Langzeitversuch (zwischen 7 und teilweise bis zu 100 Tagen). Hier ist die Übereinstimmung der Reibungszahlen zwischen Empfehlungen und Kurzzeitmesswerten sehr gut. Der deutliche Anstieg der Werte im weiteren Verlauf der Untersuchungen deutet daraufhin, dass der tribologische Einlauf innerhalb von 8 Stunden meist noch nicht abgeschlossen ist und dass nach fortlaufender Belastung weitere tribologische Phänomene die Kontaktverhältnisse ändern. Abbildung 8: Reibungszahlen an polyamidbeschichteten PU-Zahnriemen (PAZ) in Verbindung mit verschiedenen Gleitschienen Bei den Paarungen mit einer Stützschiene aus Stahl, Aluminium oder Schichtholz konnte eine polymere Filmbildung auf der Gleitfläche beobachtet werden. In Abbildung 9 und 10 ist die Entwicklung am Beispiel von Stahlproben zu sehen. Gemeinsam bei diesen Paarungen ist die fortschreitende Schichtbildung, verbunden mit einer Reibwerterhöhung. Der Verschleiß der Gewebeschicht am Zahnriemen setzt bei größeren Reibungszahlen ein, was zu deren weiterer Erhöhung führt Ein weiterer Einsatz führt zur vollständigen Abtragung der Gewebeschicht und damit zu einer neuen tribologischen Paarung PU-Zahnriemen ��� Polymerschicht. Abbildung 9: beginnende polymere Ablagerung auf Stahlprobe Rz28 Abbildung 10: nahezu geschlossener polymerer Film auf Stahlprobe Rz28 Am Beispiel der Paarung PAZ Zahnriemen – Stahlstützschiene wird die Entwicklung der Reibungszahl über die Zeit des Gleitkontaktes in Abbildung 12 dargestellt. Dabei wurde die Oberflächenrauigkeit (Rz 6,3; Rz 28) durch entsprechende Bearbeitungen variiert. Der relativ starke Anstieg an der Paarung Rz 6,3 kann zum einen auf die hohe Gleitgeschwindigkeit und den damit entsprechend langen Gleitweg zurückgeführt werden, zum anderen auf den höheren adhäsiven Anteil durch die relativ glatte Oberfläche und der damit erhöhten Kontaktfläche. Abbildung 11 zeigt einen verschlissenen Zahnkopf. Abbildung 9: Verschlissene Zahnkopfflanke, PAZ - Stahl Abbildung 10: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PA – Stahl Die Erhöhung der Reibungszahlen an der Paarung PE UHMW - polyamidbeschichteter Zahnriemen kann nicht unmittelbar auf direkte Verschleißerscheinungen zurückgeführt werden. Sowohl die Gleitfläche als auch der Zahnriemen weisen auch nach längerem Kontakt keine sichtbaren Schäden auf: Es bildet sich kein polymerer Film auf der PE- UHMW- Gleitfläche heraus. In Abbildung 11 wird die Änderung der Reibungszahl dargestellt. Es wurden Paarungen mit steigendem p•v-Wert gewählt. Mit höheren Werten für die eingebrachte Leistung pro Flächeneinheit ist ein schnellerer Anstieg der Reibungszahlen zu verzeichnen. Abbildung 11: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PAZ – PE UHMW Die Erhöhung der Reibwerte zieht nicht nur eine Steigerung der Antriebsleistung nach sich, sondern auch eine Zunahme der Reibleistung und damit einen Anstieg der Kontakttemperatur. Hat diese einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zum Aufschmelzen der Gleitflächen und damit zum Totalausfall der Paarung (Abbildungen 14, 15, 16). Ebenfalls tritt durch die Reibwerterhöhung eine höhere Belastung des Zugstranges und der Zahnfüße im Einlauf des Zahnriemens auf. Für eine konstruktive Auslegung entsprechender Zahnriemenförderer ist dies durch entsprechende Sicherheitsfaktoren zu berücksichtigen. Abbildung 12: Aufgeschmolzene PE-Laufschiene, 2-fach vergrößert Abbildung 13: geschmolzene Faserbündel 20- fach Abbildung 14: zerstörtes Gewebe in Folge thermischer Überlastung 3. Thermische Zusammenhänge Die Temperaturerhöhung in der Wirkstelle zwischen Zahnriemen und Stützschiene kann im stationären Zustand in der vereinfachten Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche a Wärmeübergangskoeffizient l Wärmeleitwert Abbildung 15: Kontaktmodell dargestellt werden. Dabei werden verschiedene Vereinfachungen angenommen: • Reibleistung wird auf die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt, • Wärmestrom erfolgt nur in Normalenrichtung zur Gleitfläche, • konstante Reibleistung über die gesamte Zeit, • keine Ableitung des Wärmestromes über Stirn- und Seitenflächen, • eingeschwungener Gleichgewichtszustand der Temperaturverteilung, • gleiche Temperatur über der jeweiligen Oberfläche, • gleiche Strömungsverhältnisse und -bedingungen an der jeweiligen Oberfläche, • konstante - und - Werte über der gesamten Fläche. Der Temperaturverlauf für verschiedene Materialpaarungen ist in Abbildung 16 dargestellt. Der unterschiedliche Verlauf der Kurven kann mit den verschiedenen eingebrachten Reibleistungen durch sich unterschiedlich einstellende Reibungszahlen und durch die unterschiedlichen Wärmeleitwerte und Wärmekapazitäten der Gleitschienen erklärt werden. Ist eine stationäre Temperatur erreicht, so gilt vereinfacht die Vorstellung von Abbildung 15. Abbildung 16: thermischer Einlauf verschiedener Stützschienenmaterialien Die sich einstellende Gleitflächentemperatur ist im Wesentlichen von den in Abbildung 17 dargestellten Einflüssen abhängig. Da die Kontakttemperatur die Grenztemperatur (ca. 65°C) nicht überschreiten darf, um eine thermische Schädigung zu vermeiden, sind die entsprechenden Einflussgrößen zweckmäßig zu wählen. Die Parameter Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung sind meist durch die technologischen Erfordernisse vorgegeben, die Reibungszahl stellt sich entsprechend der tribologischen Paarung ein und die Wärmeleitfähigkeit ist ein kaum zu verändernder Stoffwert. Die Einflussmaßnahmen erstrecken sich also meist auf die Schichtstärke s der Abstützung und den Wärmeübergang zur Umgebung. Abbildung 17: Technologische und konstruktive Einflüsse auf die Gleitflächentemperatur in der Wirkstelle 4. Zusammenfassung Die Kenntnis der sich nach einer entsprechenden Einlaufphase einstellenden Reibungszahlen für verschiedene Zahnriemen – Stützschienenkombinationen ist für die Anwender und Entwickler wichtig, da damit eine optimale Auslegung von Zahnriemenförderern erfolgen kann. Diese optimale Auslegung realisiert dann in der Anwendung eine ökonomische Lebensdauer bei verbesserter konstruktiver Auslegung. Die bisher weitgehend unbeachtete Temperaturerhöhung in der Gleitschienen – Zahnriemenkombination durch die eingebrachte Reibleistung sollte zukünftig ein weiteres Auslegungskriterium darstellen. Eine erste Annäherung an dieses Problem kann durch die Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche K Wärmeabgabekoeffizient DT max. zul. Temperaturerhöhung K= f (µ, p, v, Gleitschienenmaterial, Zahnriemenausführung, Maschinenkonstante…) gezeigt werden. Für die Ermittlung des Wärmeabgabekoeffizienten sind entsprechende Untersuchungen durchzuführen und Zusammenhänge zu ermitteln. Bestimmte Praxiseinflüsse (Umgebungstemperaturschwankungen, Verschmutzung, Stöße, Montagefehler) sind in die bisherigen Untersuchungen noch nicht eingeflossen, sollten aber nicht unbeachtet bleiben. Durch eine vorteilhafte Auslegung der Förderanlagen kann eine höhere Zuverlässigkeit bei geringeren Wechselintervallen und niedrigeren Kosten für den Betrieb erreicht werden.

Phytoplankton Scales of Variability in the California Current System: 1. Interannual and Cross-Shelf Variability

In the California Current System, strong mesoscale variability associated with eddies and meanders of the coastal jet play an important role in the biological productivity of the area. To assess the dominant timescales of variability, a wavelet analysis is applied to almost nine years (October 1997 to July 2006) of 1-km-resolution, 5-day-averaged, Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) chlorophyll a (chl a) concentration data. The dominant periods of chlorophyll variance, and how these change in time, are quantified as a function of distance offshore. The maximum variance in chlorophyll occurs with a period of similar to 100-200 days. A seasonal cycle in the timing of peak variance is revealed, with maxima in spring/summer close to shore (20 km) and in autumn/winter 200 km offshore. Interannual variability in the magnitude of chlorophyll variance shows maxima in 1999, 2001, 2002, and 2005. There is a very strong out-of-phase correspondence between the time series of chlorophyll variance and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) index. We hypothesize that positive PDO conditions, which reflect weak winds and poor upwelling conditions, result in reduced mesoscale variability in the coastal region, and a subsequent decrease in chlorophyll variance. Although the chlorophyll variance responds to basin-scale forcing, chlorophyll biomass does not necessarily correspond to the phase of the PDO, suggesting that it is influenced more by local-scale processes. The mesoscale variability in the system may be as important as the chl a biomass in determining the potential productivity of higher trophic levels.

The PLATO 2.0 mission

PLATO 2.0 has recently been selected for ESA’s M3 launch opportunity (2022/24). Providing accurate key planet parameters (radius, mass, density and age) in statistical numbers, it addresses fundamental questions such as: How do planetary systems form and evolve? Are there other systems with planets like ours, including potentially habitable planets? The PLATO 2.0 instrument consists of 34 small aperture telescopes (32 with 25 s readout cadence and 2 with 2.5 s candence) providing a wide field-of-view (2232 deg 2) and a large photometric magnitude range (4–16 mag). It focusses on bright (4–11 mag) stars in wide fields to detect and characterize planets down to Earth-size by photometric transits, whose masses can then be determined by ground-based radial-velocity follow-up measurements. Asteroseismology will be performed for these bright stars to obtain highly accurate stellar parameters, including masses and ages. The combination of bright targets and asteroseismology results in high accuracy for the bulk planet parameters: 2 %, 4–10 % and 10 % for planet radii, masses and ages, respectively. The planned baseline observing strategy includes two long pointings (2–3 years) to detect and bulk characterize planets reaching into the habitable zone (HZ) of solar-like stars and an additional step-and-stare phase to cover in total about 50 % of the sky. PLATO 2.0 will observe up to 1,000,000 stars and detect and characterize hundreds of small planets, and thousands of planets in the Neptune to gas giant regime out to the HZ. It will therefore provide the first large-scale catalogue of bulk characterized planets with accurate radii, masses, mean densities and ages. This catalogue will include terrestrial planets at intermediate orbital distances, where surface temperatures are moderate. Coverage of this parameter range with statistical numbers of bulk characterized planets is unique to PLATO 2.0. The PLATO 2.0 catalogue allows us to e.g.: - complete our knowledge of planet diversity for low-mass objects, - correlate the planet mean density-orbital distance distribution with predictions from planet formation theories,- constrain the influence of planet migration and scattering on the architecture of multiple systems, and - specify how planet and system parameters change with host star characteristics, such as type, metallicity and age. The catalogue will allow us to study planets and planetary systems at different evolutionary phases. It will further provide a census for small, low-mass planets. This will serve to identify objects which retained their primordial hydrogen atmosphere and in general the typical characteristics of planets in such low-mass, low-density range. Planets detected by PLATO 2.0 will orbit bright stars and many of them will be targets for future atmosphere spectroscopy exploring their atmosphere. Furthermore, the mission has the potential to detect exomoons, planetary rings, binary and Trojan planets. The planetary science possible with PLATO 2.0 is complemented by its impact on stellar and galactic science via asteroseismology as well as light curves of all kinds of variable stars, together with observations of stellar clusters of different ages. This will allow us to improve stellar models and study stellar activity. A large number of well-known ages from red giant stars will probe the structure and evolution of our Galaxy. Asteroseismic ages of bright stars for different phases of stellar evolution allow calibrating stellar age-rotation relationships. Together with the results of ESA’s Gaia mission, the results of PLATO 2.0 will provide a huge legacy to planetary, stellar and galactic science.

Debris discs around M stars: non-existence versus non-detection

Motivated by the reported dearth of debris discs around M stars, we use survival models to study the occurrence of planetesimal discs around them. These survival models describe a planetesimal disc with a small number of parameters, determine if it may survive a series of dynamical processes and compute the associated infrared excess. For the Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) satellite, we demonstrate that the dearth of debris discs around M stars may be attributed to the small semimajor axes generally probed if either: (1) the dust grains behave like blackbodies emitting at a peak wavelength coincident with the observed one; (2) or the grains are hotter than predicted by their blackbody temperatures and emit at peak wavelengths that are shorter than the observed one. At these small distances from the M star, planetesimals are unlikely to survive or persist for time-scales of 300 Myr or longer if the disc is too massive. Conversely, our survival models allow for the existence of a large population of low-mass debris discs that are too faint to be detected with current instruments. We gain further confidence in our interpretation by demonstrating the ability to compute infrared excesses for Sun-like stars that are broadly consistent with reported values in the literature. However, our interpretation becomes less clear and large infrared excesses are allowed if only one of these scenarios holds: (3) the dust grains are hotter than blackbody and predominantly emit at the observed wavelength; (4) or are blackbody in nature and emit at peak wavelengths longer than the observed one. Both scenarios imply that the parent planetesimals reside at larger distances from the star than inferred if the dust grains behaved like blackbodies. In all scenarios, we show that the infrared excesses detected at 22 μm (via WISE) and 70 μm (via Spitzer) from AU Mic are easily reconciled with its young age (12 Myr). Conversely, the existence of the old debris disc (2–8 Gyr) from GJ 581 is due to the large semimajor axes probed by the Herschel PACS instrument. We elucidate the conditions under which stellar wind drag may be neglected when considering dust populations around M stars. The WISE satellite should be capable of detecting debris discs around young M stars with ages ∼10 Myr.

Evolution of 1996-1999 La Niña and El Niño Conditions Off the Western Coast of South America: A Remote Sensing Perspective

We present the evolution of oceanographic conditions off the western coast of South America between 1996 and 1999, including the cold periods of 1996 and 1998-1999 and the 1997-1998 El Niño, using satellite observations of sea level, winds, sea surface temperature (SST), and chlorophyll concentration. Following a period of cold SST and low sea levels in 1996, both were anomalously high between March 1997 and May 1998. The anomalies were greatest between 5 degrees S and 15 degrees S, although they extended beyond 40 degrees S. Two distinct peaks in sea level and SST occurred in June-July 1997 and December 1997 to January 1998, separated by a relaxation period (August-November) of weaker anomalies. Satellite winds were upwelling favorable throughout the time period for most of the region and in fact increased between November 1997 and March 1998 between 5 degrees S and 25 degrees S. Satellite-derived chlorophyll concentrations are available for November 1996 to June 1997 (Ocean Color and Temperature Sensor (OCTS)) and then from October 1997 to present (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS)). Near-surface chlorophyll concentrations fell from May to June 1997 and from December 1997 to March 1998. The decrease was more pronounced in northern Chile than off the coast of Peru or central Chile and was stronger for larger cross-shelf averaging bins since nearshore concentrations remained relatively high.

Interannual Variability in Timing of Bloom Initiation in the California Current System

In the California Current System the spring transition from poleward to equatorward alongshore wind stress heralds the beginning of upwelling-favorable conditions. The phytoplankton response to this transition is investigated using 8 years ( 1998-2005) of daily, 4-km resolution, Sea-viewing Wide Field of view Sensor ( SeaWiFS) chlorophyll a concentration data. Cluster analysis of the chlorophyll a time series at each location is used to separate the inshore upwelling region from offshore and oligotrophic areas. An objective method for estimating the timing of bloom initiation is used to construct a map of the mean bloom start date. Interannual variability in bloom timing and magnitude is investigated in four regions: 45 degrees N - 50 degrees N, 40 degrees N - 45 degrees N, 35 degrees N - 40 degrees N and 20 degrees N - 35 degrees N. Daily satellite derived wind data ( QuikSCAT) allow the timing of the first episode of persistently upwelling favorable winds to be estimated. Bloom initiation generally coincides with the onset of upwelling winds ( +/- 15 days). South of similar to 35 degrees N, where winds are southward year-round, the timing of increased chlorophyll concentration corresponds closely to timing of the seasonal increase in upwelling intensity. A 1-D model and satellite derived photosynthetically available radiation data are used to estimate time series of depth- averaged irradiance. In the far north of the region (> 46 degrees N) light is shown to limit phytoplankton growth in early spring. In 2005 the spring bloom in the northern regions (> 35 degrees N) had a "false start''. A sharp increase in chl a in February quickly receded, and a sustained increase in biomass was delayed until July. We hypothesize that this resulted in a mismatch in timing of food availability to higher trophic levels.

Satellite-Measured Chlorophyll and Temperature Variability Off Northern Chile During the 1996-1998 La Niña and El Niño

Time series of satellite measurements are used to describe patterns of surface temperature and chlorophyll associated with the 1996 cold La Nina phase and the 1997-1998 warm El Nino phase of the El Nino - Southern Oscillation cycle in the upwelling region off northern Chile. Surface temperature data are available through the entire study period. Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) data first became available in September 1997 during a relaxation in El Nino conditions identified by in situ hydrographic data. Over the time period of coincident satellite data, chlorophyll patterns closely track surface temperature patterns. Increases both in nearshore chlorophyll concentration and in cross-shelf extension of elevated concentrations are associated with decreased coastal temperatures during both the relaxation in El Nino conditions in September-November 1997 and the recovery from EI Nino conditions after March 1998. Between these two periods during austral summer (December 1997 to March 1998) and maximum El Nino temperature anomalies, temperature patterns normally associated with upwelling were absent and chlorophyll concentrations were minimal. Cross-shelf chlorophyll distributions appear to be modulated by surface temperature frontal zones and are positively correlated with a satellite-derived upwelling index. Frontal zone patterns and the upwelling index in 1996 imply an austral summer nearshore chlorophyll maximum, consistent with SeaWiFS data from I 1998-1999, after the El Nino. SeaWiFS retrievals in the data set used here are higher than in situ measurements by a factor of 2-4; however, consistency in the offset suggests relative patterns are valid.

Effects of Surface Forcing on Interannual Variability of the Fall Phytoplankton Bloom in the Gulf of Maine Revealed Using a Process-Oriented Model

SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) chlorophyll data revealed strong interannual variability in fall phytoplankton dynamics in the Gulf of Maine, with 3 general features in any one year: (1) rapid chlorophyll increases in response to storm events in fall; (2) gradual chlorophyll increases in response to seasonal wind-and cooling-induced mixing that gradually deepens the mixed layer; and (3) the absence of any observable fall bloom. We applied a mixed-layer box model and a 1-dimensional physical-biological numerical model to examine the influence of physical forcing (surface wind, heat flux, and freshening) on the mixed-layer dynamics and its impact on the entrainment of deep-water nutrients and thus on the appearance of fall bloom. The model results suggest that during early fall, the surface mixed-layer depth is controlled by both wind-and cooling-induced mixing. Strong interannual variability in mixed-layer depth has a direct impact on short-and long-term vertical nutrient fluxes and thus the fall bloom. Phytoplankton concentrations over time are sensitive to initial pre-bloom profiles of nutrients. The strength of the initial stratification can affect the modeled phytoplankton concentration, while the timing of intermittent freshening events is related to the significant interannual variability of fall blooms.

Phytoplankton Scales of Variability in the California Current System: 2. Latitudinal Variability

The California Current System encompasses a southward flowing current which is perturbed by ubiquitous mesoscale variability. The extent to which latitudinal patterns of physical variability are reflected in the distribution of biological parameters is poorly known. To investigate the latitudinal distribution of chlorophyll variance, a wavelet analysis is applied to nearly 9 years (October 1997 to July 2006) of 1-km-resolution Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) chlorophyll concentration data at 5-day resolution. Peaks in the latitudinal distribution of chlorophyll variance coincide with features of the coastal topography. Maxima in variance are located offshore of Vancouver Island and downstream of Heceta Bank, Cape Blanco, Point Arena, and possibly Point Conception. An analysis of dominant wavelengths in the chlorophyll data reveals a transfer of energy into smaller scales is generated in the vicinity of the coastal capes. The latitudinal distribution of variance in sea level anomaly corresponds closely to the chlorophyll variance in the nearshore region (<100 km offshore), suggesting that the same processes determine the distribution of both. Farther offshore, there is no correspondence between latitudinal patterns of sea level anomaly and chlorophyll variance. This likely represents a transition from physical to biological control of the phytoplankton distribution.

Pigment data set from the SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System (1961-1996)

The oceans play a critical role in the Earth's climate, but unfortunately, the extent of this role is only partially understood. One major obstacle is the difficulty associated with making high-quality, globally distributed observations, a feat that is nearly impossible using only ships and other ocean-based platforms. The data collected by satellite-borne ocean color instruments, however, provide environmental scientists a synoptic look at the productivity and variability of the Earth's oceans and atmosphere, respectively, on high-resolution temporal and spatial scales. Three such instruments, the Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) onboard ORBIMAGE's OrbView-2 satellite, and two Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers (MODIS) onboard the National Aeronautic and Space Administration's (NASA) Terra and Aqua satellites, have been in continuous operation since September 1997, February 2000, and June 2002, respectively. To facilitate the assembly of a suitably accurate data set for climate research, members of the NASA Sensor Intercomparison and Merger for Biological and Interdisciplinary Oceanic Studies (SIMBIOS) Project and SeaWiFS Project Offices devote significant attention to the calibration and validation of these and other ocean color instruments. This article briefly presents results from the SIMBIOS and SeaWiFS Project Office's (SSPO) satellite ocean color validation activities and describes the SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System (SeaBASS), a state-of-the-art system for archiving, cataloging, and distributing the in situ data used in these activities.

Analytic design method for optimal imaging: coupling three ray sets using two free-form lens profiles

In this work, a new two-dimensional optics design method is proposed that enables the coupling of three ray sets with two lens surfaces. The method is especially important for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. Fermat’s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The presented general analytic solution makes it possible to calculate the lens profiles. Ray tracing results for calculated 15th order Taylor polynomials describing the lens profiles demonstrate excellent imaging performance and the versatility of this new analytic design method.

Analysis of QoS Parameter in AODV a DSR in Mobile Ad Hoc Networks

Providing QoS in the context of Ad Hoc networks includes a very wide field of application from the perspective of every level of the architecture in the network. Saying It in another way, It is possible to speak about QoS when a network is capable of guaranteeing a trustworthy communication in both extremes, between any couple of the network nodes by means of an efficient Management and administration of the resources that allows a suitable differentiation of services in agreement with the characteristics and demands of every single application.The principal objective of this article is the analysis of the quality parameters of service that protocols of routering reagents such as AODV and DSR give in the Ad Hoc mobile Networks; all of this is supported by the simulator ns-2. Here were going to analyze the behavior of some other parameters like effective channel, loss of packages and latency in the protocols of routering. Were going to show you which protocol presents better characteristics of Quality of Service (QoS) in the MANET networks.

Perfect imaging of three object points with only two analytic lens surfaces in two dimensions

In this work, a new two-dimensional analytic optics design method is presented that enables the coupling of three ray sets with two lens profiles. This method is particularly promising for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. However, this coupling can only be achieved if different ray sets will use different portions of the second lens profile. Based on a very basic example of a single thick lens, the Simultaneous Multiple Surfaces design method in two dimensions (SMS2D) will help to provide a better understanding of the practical implications on the design process by an increased lens thickness and a wider field of view. Fermat?s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The transformation of these functional differential equations into an algebraic linear system of equations allows the successive calculation of the Taylor series coefficients up to an arbitrary order. The evaluation of the solution space reveals the wide range of possible lens configurations covered by this analytic design method. Ray tracing analysis for calculated 20th order Taylor polynomials demonstrate excellent performance and the versatility of this new analytical optics design concept.