Atmospheric electrification in dusty, reactive gases in the solar system and beyond

Detailed observations of the solar system planets reveal a wide variety of local atmospheric conditions. Astronomical observations have revealed a variety of extrasolar planets none of which resembles any of the solar system planets in full. Instead, the most massive amongst the extrasolar planets, the gas giants, appear very similar to the class of (young) Brown Dwarfs which are amongst the oldest objects in the universe. Despite of this diversity, solar system planets, extrasolar planets and Brown Dwarfs have broadly similar global temperatures between 300K and 2500K. In consequence, clouds of different chemical species form in their atmospheres. While the details of these clouds differ, the fundamental physical processes are the same. Further to this, all these objects were observed to produce radio and X-ray emission. While both kinds of radiation are well studied on Earth and to a lesser extent on the solar system planets, the occurrence of emission that potentially originate from accelerated electrons on Brown Dwarfs, extrasolar planets and protoplanetary disks is not well understood yet. This paper offers an interdisciplinary view on electrification processes and their feedback on their hosting environment in meteorology, volcanology, planetology and research on extrasolar planets and planet formation.

Climatology and variability of trace gases in extratropical double-tropopause regions from MLS, HIRDLS, and ACE-FTS measurements

Upper tropospheric and lower stratospheric measurements from the Aura Microwave Limb Sounder (MLS), the Aura High Resolution Dynamics Limb Sounder (HIRDLS), and the Atmospheric Chemistry Experiment-Fourier transform spectrometer (ACE-FTS) are used to present the first global climatological comparison of extratropical, nonpolar trace gas distributions in double-tropopause (DT) and single-tropopause (ST) regions. Stratospheric tracers, O3, HNO3, and HCl, have lower mixing ratios ∼2–8 km above the primary (lowermost) tropopause in DT than in ST regions in all seasons, with maximum Northern Hemisphere (NH) differences near 50% in winter and 30% in summer. Southern Hemisphere winter differences are somewhat smaller, but summer differences are similar in the two hemispheres. H2O in DT regions of both hemispheres shows strong negative anomalies in November through February and positive anomalies in July through October, reflecting the strong seasonal cycle in H2O near the tropical tropopause. CO and other tropospheric tracers examined have higher DT than ST values 2–7 km above the primary tropopause, with the largest differences in winter. Large DT-ST differences extend to high NH latitudes in fall and winter, with longitudinal maxima in regions associated with enhanced wave activity and subtropical jet variations. Results for O3 and HNO3 agree closely between MLS and HIRDLS, and differences from ACE-FTS are consistent with its sparse and irregular midlatitude sampling. Consistent signatures in climatological trace gas fields provide strong evidence that transport from the tropical upper troposphere into the layer between double tropopauses is an important pathway for stratosphere-troposphere exchange.

On translational superfluidity and the Landau criterion for Bose gases in the Gross-Pitaevski limit

The two-fluid and Landau criteria for superfluidity are compared for trapped Bose gases. While the two-fluid criterion predicts translational superfluidity, it is suggested, on the basis of the homogeneous Gross-Pitaevski limit, that a necessary part of Landau`s criterion, adequate for non-translationally invariant systems, does not hold for trapped Bose gases in the GP limit. As a consequence, if the compressibility is detected to be very large (infinite by experimental standards), the two-fluid criterion is seen to be the relevant one in case the system is a translational superfluid, while the Landau criterion is the relevant one if translational superfluidity is absent.

A dedicated setup for the measurement of the electron transport parameters in gases at large electric fields

Electron transport parameters are important in several areas ranging from particle detectors to plasma-assisted processing reactors. Nevertheless, especially at high fields strengths and for complex gases, relatively few data are published. A dedicated setup has been developed to measure the electron drift velocity and the first Townsend coefficient in parallel plate geometry. An RPC-like cell has been adopted to reach high field strengths without the risk of destructive sparks. The validation data obtained with pure Nitrogen will be presented and compared to a selection of the available literature and to calculations performed with Magboltz 2 version 8.6. The new data collected in pure Isobutane will then be discussed. This is the first time the electron drift velocity in pure Isobutane is measured well into the saturation region. Good agreement is found with expectations from Magboltz. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamical self-stabilization of the Mott insulator: Time evolution of the density and entanglement entropy of out-of-equilibrium cold fermion gases

The time evolution of the out-of-equilibrium Mott insulator is investigated numerically through calculations of space-time-resolved density and entropy profiles resulting from the release of a gas of ultracold fermionic atoms from an optical trap. For adiabatic, moderate and sudden switching-off of the trapping potential, the out-of-equilibrium dynamics of the Mott insulator is found to differ profoundly from that of the band insulator and the metallic phase, displaying a self-induced stability that is robust within a wide range of densities, system sizes and interaction strengths. The connection between the entanglement entropy and changes of phase, known for equilibrium situations, is found to extend to the out-of-equilibrium regime. Finally, the relation between the system`s long time behavior and the thermalization limit is analyzed. Copyright (C) EPLA, 2011

Avaliação da genotoxicidade induzida por emissões de veículos automotores - Ctenomys minutus como organismo bioindicador

Existe um número crescente de componentes químicos lançados ao meio ambiente, muitos dos quais são capazes de induzir efeitos danosos adversos à saúde de animais e humanos, representando uma causa importante de preocupação por seus possíveis efeitos a longo prazo. O impacto ecológico e os riscos a saúde dos organismos associados com a exposição a poluentes ambientais são extremamente difíceis de se avaliar devido a muitos desses componentes serem parte de misturas complexas. Os gases produzidos pelos motores dos veículos à combustão contém diversos poluentes sabidamente genotóxicos, como óxidos de nitrogênio (NOX), monóxido de carbono (CO), óxidos de enxofre (SOx), hidrocarbonetos (HC) e seus derivados, bem como particulados, e metais (cádmio, cromo, cobre, níquel, vanádio, zinco e chumbo). Todos esses compostos isolados ou associados a outros elementos são tóxicos ou de efeito danoso aos organismos, de forma não totalmente esclarecida. Este estudo teve como objetivo verificar o possível efeito genotóxico das emissões dos automóveis em roedor nativo Ctenomys minutus cronicamente exposto, através do Ensaio Cometa (EC), comparando os resultados com o Teste de Micronúcleos (MN), ambos em sangue periférico. Levando em consideração alguns fatores que pudessem influenciar os resultados dos testes de genotoxicidade, este trabalho ainda teve como objetivos: identificar a presença de alguns agentes envolvidos na poluição gerada pelos veículos; verificar possíveis diferenças sazonais, como temperatura e ventos; e se existe influência da idade e sexo dos roedores. Os C. minutus (Octodontidae-Rodentia), foram capturados em dois campos diferentes, ambos ao lado da estrada RS/030, na cidade de Osório, Estado do Rio Grande do Sul (RS): (a) Amaral, e (b) Weber. Animais para controle externo foram capturados no Campo Maribo à cerca de 3 km de distância de outra estrada (RS/389-Osório/RS), conseqüentemente afastada das emissões dos veículos. No final do período desse estudo, foram capturados 123 animais (73 fêmeas e 50 machos).

Derivação e solução de equações modelo da dinâmica de gases rarefeitos

Neste trabalho, duas equações modedlo na área da dinâmica de gases rarefeitos, são derivadas a partir de algumas soluções exatas da equação linearizada de Boltzmann homogênea e não homogênea. Em adição, uma versão analítca do método de ordenadas discretas é usado para resolver problemas clássicos nesta área, descritos pelo "Modelo S". Resultados numéricos são apresentados para os problemas de fluxo de Couette, fluxo de Poiseuille, "Creep" Térmico, Deslizamento Térmico e problema de Kramers.

Soluções unificadas para modelos com freqüência de colisão variável da dinâmica de gases rarefeitos

Neste trabalho, uma versão analítica do método de ordenadas discretas é usada para desenvolver soluções para alguns problemas da dinÂmica de gases rarefeitos, baseado em um modelo com freqüência de colisão variável (modelo CLF) da equação de Boltzmann linearizada. Em particular, resultados numéricos obtidos para os problemas de salto de temperatura, fluxo de Poiseuille, fluxo de Couette, Kramers, creep-térmico e deslizamento térmico são apresentados e discutidos.

Dinâmica de gases rarefeitos e transferência radiativa : aplicações em geometria cilíndrica

Neste trabalho são investigados problemas formulados em geometria cilíndrica na área da dinâmica de gases rarefeitos bem como na área de transferência radiativa. Com relação á dinâmica de gases rarefeitos, primeiramente são abordadas duas formas diferenciadas de se avaliar numericamente as funções de Chapmann-Enskog e de Burnett, necessárias na composição de soluções gerais nessa geometria. Em seguida é apresentada a derivação de uma equação integral baseada no modelo BGK para descrever o fluxo de um gás rarefeito em um tubo cilíndrico. Problemas relacionados á transferência radiativa, incluindo o caso não-linear acoplado radiação-condução, são solucionados com a aplicação de uma versão reformulada do método de ordenadas discretas, sendo que resultados numéricos relevantes a estes problemas são também apresentados.

Estudo do potencial carcinogênico de poluentes utilizando simulação molecular

Substâncias carcinogênicas são diariamente lançadas no meio ambiente, tanto na atmosfera quanto em corpos hídricos. Estas são capazes de ligar-se a proteínas constituintes de tecidos vivos produzindo um carcinoma, cuja probabilidade de formação depende da afinidade do poluente com os grupos funcionais presentes nos substratos protéicos. Contudo, os mecanismos pelos quais ocorre a formação do carcinoma não estão totalmente esclarecidos. Alguns modelos baseados em propriedades moleculares foram formulados na tentativa de prever quais serão os mecanismos, compostos intermediários e produtos finais de reação. Porém, esses modelos apresentam sérias limitações por não levarem em conta a dinâmica do processo reativo. Para que se possa estimar os mecanismos, é preciso detectar a formação ou ruptura de ligações ao longo do tempo, o que torna necessário utilizar modelos transientes. O presente trabalho apresenta um modelo que resolve a equação de Schrödinger dependente do tempo para verificar qual o mecanismo de reação entre uma substância carcinogênica e um aminoácido. A simulação do cenário transiente proposto requer um baixo tempo de processamento e possibilita uma fácil interpretação dos resultados obtidos.

Simulação da propagação de poluentes no canal do Jacuí e no Rio dos Sinos

No trabalho proposto é apresentado um método analítico para a obtenção da solução da equação advectivo-difusiva que rege a propagação de poluentes em corpos hídricos. Este método utiliza transformações conformes para efetuar o mapeamento de um corpo hídrico com geometria arbitrária em um semi-plano, fornecendo uma solução em forma fechada expressa em termos da função corrente e do potencial velocidade.

Influência de efeitos não-locais na dispersão de poluentes na camada linite planetária

A equação de difusão-advecção é muito utilizada no campo de estudos da poluição atmosférica na determinação da concentração de poluentes. Uma maneira de solucionar o problema de fechamento desta equação está baseada na hipótese de transporte por gradiente que, em analogia com a difusão molecular, assume que o fluxo turbulento de concentração é proporcional à magnitude do gradiente de concentração média. Neste trabalho, diferentemente do modo tradicional, utiliza-se uma equação genérica para a difusão turbulenta considerando-se que o fluxo mais a sua derivada são proporcionais ao gradiente médio. Desta forma, obtém-se uma equação que leva em conta a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos. Portanto, a proposta do presente trabalho é a obtenção da solução analítica desta nova equação utilizando-se a técnica da Transformada de Laplace, considerando-se a Camada Limite Planetária (CLP) como um sistema multicamadas. Os parâmetros que encerram a turbulência sâo derivados da teoria de difusão estatística de Taylor combinada com a teoria de similaridade convectiva válidos para grandes tempos de difusão. Finalmente, na avaliação da performance deste modelo que considera a assimetria no processo de dispersão de poluentes atmosféricos, utilizam-se os dados experimentais de Copenhagen e Prairie Grass.

Solução analítica da equação de difusão-advenção pelo método GILTT aplicada à dispersão de poluentes atmosféricos

O objetivo deste trabalho é obter uma nova solução analítica para a equação de advecção-difusão. Para tanto, considera-se um problema bidimensional difusivo-advectivo estacionário com coeficiente de difusão turbulenta vertical variável que modela a dispersão de poluentes na atmosfera. São utilizados três coeficientes difusivos válidos na camada limite convectiva e que dependem da altura, da distância da fonte e do perfil de velocidade. A abordagem utilizada para a resolução do problema é a técnica da Transformada Integral Generalizada, na qual a equação transformada do problema difusivo-advectivo é resolvida pela técnica da Transformada de Laplace com inversão analítica. Nenhuma aproximação é feita durante a derivação da solução, sendo assim, esta é exata exceto pelo erro de truncamento. O modelo ´e avaliado em condições moderadamente instáveis usando o experimento de Copenhagen. Apresentam-se os resultados numéricos e estatísticos, comparando os resultados obtidos com dados experimentais e com os resultados da literatura. O modelo proposto mostrou-se satisfatório em relação aos dados dos experimentos difusivos considerados.

Modelagem e simulação da câmara de reação de uma caldeira a carvão pulverizado

O presente trabalho é parte integrante de um projeto multidisciplinar cujo objetivo é construir uma ferramenta computacional capaz de simular a operação de uma Usina Termoelétrica tratando, especificamente, da câmara de reação (local da caldeira onde se desenvolve a queima do combustível). Foi desenvolvido um modelo matemático dinâmico, pseudo-homogêneo, unidimensional e, com propriedades físicas variáveis, com o objetivo de descrever a conversão do calor gerado pela combust em energia térmica, que está baseado em balanços de massa e energia. Este modelo foi implementado no simulador gPROMS e seus parâmetros foram estimados utilizando o módulo gEST deste software (método da máxima verossimilhança), com base em dados de operação da Usina e dados cinéticos de literatura. Para a simulação dinâmica da câmara de reação foi utilizado um método de integração implícita de passos múltiplos com ordem e passo variáveis. A câmara de combustão foi dividida em três zonas, sendo realizados, em cada zona, os balanços de massa e energia, adotando-se a hipótese de mistura perfeita. O modelo desenvolvido prevê o perfil de temperatura ao longo da câmara, as correntes de saída e a composição dos gases de combustão em cada zona; incluindo uma previsão aproximada da concentração dos poluentes formados, principalmente monóxido de nitrogênio e dióxido de enxofre. Os resultados apresentados mostraram que o modelo prediz satisfatoriamente a composição do gás de combustão na saída da câmara de reação e que a divisão da câmara em diferentes zonas de combustão é apropriada para avaliar a geração e o aproveitamento energético na caldeira.

Efeitos de superfície na dinâmica de gases rarefeitos : uma análise baseada no núcleo de espalhamento de Cercignani-Lampis

Neste trabalho, uma versão analítica do método de ordenadas discretas (ADO) é usada para resolver problemas da dinâmica de gases rarefeitos, enfocando a interação do gás com a superfície, que é modulada pela lei de Cercignani-Lampis, a qual inclui a consideração de dois coeficientes de acomodação. Os problemas para uma espécie (Fluxo de Poiseuille, problema Creep Térmico, Fluxo de Couette, problema de Deslizamento Térmico, problema de Deslizamento Viscoso e problema de Salto de Temperatura) são formulados a partir dos modelos BGK e S da equação linearizada de Boltzmann. Para o caso de problemas de mistura binária de gases (problema de Salto de Temperatura, problema de Deslizamento Térmico e problema de Deslizamento Viscoso) é usado o modelo de McCormack. A solução em ordenadas discretas analítica se mostra eficiente e precisa e uma série de resultados é apresentada no sentido de estabelecer uma análise detalhada da influência dos efeitos de superfície para todos os problemas.