Biogenic volatile organic compounds in tropical, temperate and boreal forest ecosystems

Biogene flüchtige organische Verbindungen (BFOV) werden in großen Mengen aus terrestrischenrnÖkosystemen, insbesondere aus Wäldern und Wiesen, in die untere Troposphäre emittiert. Austausch-rnFlüsse von BFOVs sind in der troposphärischen Chemie wichtig, weil sie eine bedeutende Rolle in derrnOzon- und Aerosolbildung haben. Trotzdem bleiben die zeitliche und räumliche Änderung der BFOVrnEmissionen und ihre Rolle in Bildung und Wachstum von Aerosolen ungewiss.rnDer Fokus dieser Arbeit liegt auf der in-situ Anwendung der Protonen Transfer ReaktionsrnMassenspektrometrie (PTR-MS) und der Messung von biogenen flüchtigen organischen Verbindungen inrnnordländischen, gemäßigten und tropischen Waldökosystemen während drei unterschiedlicherrnFeldmesskampagnen. Der Hauptvorteil der PTR-MS-Technik liegt in der hohen Messungsfrequenz,rnwodurch eine eventuelle Änderung in der Atmosphäre durch Transport, Vermischung und Chemiernonline beobachtet werden kann. Die PTR-MS-Messungen wurden zweimal am Boden aus und einmalrnvon einem Forschungsflugzug durchgeführt.rnIn Kapitel 3 werden die PTR-MS-Daten, gesammelt während der Flugmesskampagne über demrntropischen Regenwald, vorgelegt. Diese Studie zeigt den Belang der Grenzschichtdynamik für diernVerteilung von Spurengasen mittels eines eindimensionalen Säule - Chemie und KlimaModells (SCM).rnDer Tagesablauf von Isopren zeigte zwischen 14:00 und 16:15 Uhr lokaler Zeit einen Mittelwert vonrn5.4 ppbv auf der Höhe der Baumspitzen und von 3.3 ppbv über 300 m Höhe. Dies deutet darauf hin, dassrnsowohl der turbulente Austausch als auch die hohe Reaktionsfähigkeit von Isopren mit den OxidantienrnOH und Ozon eine wichtige Rolle spielen. Nach dem Ausgleich von chemischen Verlusten undrnEntrainment (Ein- und Ausmischung von Luft an der Grenzschicht), wurde ein Fluss vonrn8.4 mg Isopren m-2h-1 unter teilweise bewölkten Bedingungen für den tropischen Regenwald in derrnGuyanregion abgeschätzt. Dies entspricht einem täglichen Emissionsfluss von 28 mg Isopren prornQuadratmeter.rnIm Kapitel 4 werden die Messungen, welche auf einer Hügellage in gemäßigter Breite inrnsüddeutschland stattgefunden haben, diskutiert. Bei diesem Standort ist die Grenzschicht nachts unter diernStandorthöhe abgefallen, was den Einsatzort von Emissionen abgesondert hatte. Während diernGrenzschicht morgens wieder über die Höhe des Einsatzortes anstieg, konnten die eingeschlossenenrnnächtlichen Emissionen innerhalb der bodennahen Schicht beobachtet werden. Außerdem wurde einrndeutlicher Anstieg von flüchtigen organischen Verbindungen gemessen, wenn die Luftmassen überrnMünchen geführt wurden oder wenn verschmutzte Luftmassen aus dem Po-Tal über die Alpen nachrnDeutschland transportiert wurden. Daten von dieser Kampagne wurden genutzt, um die Änderungen inrndem Mischungsverhältnis der flüchtigen organischen Verbindungen, verbunden mit dem Durchfluss vonrnwarmen und kalten Wetterfronten sowie bei Regen zu untersuchen.rnIm Kapitel 5 werden PTR-MS-Messungen aus dem nördlichen Nadelwaldgürtel beschrieben. Starkernnächtliche Inversionen mit einer niedrigen Windgeschwindigkeit fingen die Emissionen vonrnnahegelegenen Kiefernwäldern und andere BFOV-Quellen ab, was zu hohen nächtlichen BFOVMischverhältnissenrnführte. Partikelereignisse wurden für Tag und Nacht detailliert analysiert. Diernnächtlichen Partikelereignisse erfolgten synchron mit starken extremen von Monoterpenen, obwohl dasrnzweite Ereignis Kernbildung einschloss und nicht mit Schwefelsäure korrelierte. Die MonoterpenrnMischungsverhältnisse von über 16 ppbv waren unerwartet hoch für diese Jahreszeit. NiedrigernWindgeschwindigkeiten und die Auswertung von Rückwärtstrajektorien deuten auf eine konzentrierternQuelle in der Nähe von Hyytiälä hin. Die optische Stereoisomerie von Monoterpenen hat bestätigt, dassrndie Quelle unnatürlich ist, da das Verhältnis von [(+)-α-pinen]/[(−)-α-pinen] viel höher ist als dasrnnatürliches Verhältnis der beiden Enantiomeren.

Computer simulation studies of vector spin glasses

Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit klassischen Vektor-Spingläsern eine Art von ungeordneten Magneten - auf verschiedenen Gittertypen. Da siernbedeutsam für eine experimentelle Realisierung sind, ist ein theoretisches Verständnis von Spinglas-Modellen mit wenigen Spinkomponenten und niedriger Gitterdimension von großer Bedeutung. Da sich dies jedoch als sehr schwierigrnerweist, sind neue, aussichtsreiche Ansätze nötig. Diese Arbeit betrachtet daher den Limesrnunendlich vieler Spindimensionen. Darin entstehen mehrere Vereinfachungen im Vergleichrnzu Modellen niedriger Spindimension, so dass für dieses bedeutsame Problem Eigenschaften sowohl bei Temperatur Null als auch bei endlichen Temperaturenrnüberwiegend mit numerischen Methoden ermittelt werden. Sowohl hyperkubische Gitter als auch ein vielseitiges 1d-Modell werden betrachtet. Letzteres erlaubt es, unterschiedliche Universalitätsklassen durch bloßes Abstimmen eines einzigen Parameters zu untersuchen. "Finite-size scaling''-Formen, kritische Exponenten, Quotienten kritischer Exponenten und andere kritische Größen werden nahegelegt und mit numerischen Ergebnissen verglichen. Eine detaillierte Beschreibung der Herleitungen aller numerisch ausgewerteter Gleichungen wird ebenso angegeben. Bei Temperatur Null wird eine gründliche Untersuchung der Grundzustände und Defektenergien gemacht. Eine Reihe interessanter Größen wird analysiert und insbesondere die untere kritische Dimension bestimmt. Bei endlicher Temperatur sind der Ordnungsparameter und die Spinglas-Suszeptibilität über die numerisch berechnete Korrelationsmatrix zugänglich. Das Spinglas-Modell im Limes unendlich vieler Spinkomponenten kann man als Ausgangspunkt zur Untersuchung der natürlicheren Modelle mit niedriger Spindimension betrachten. Wünschenswert wäre natürlich ein Modell, das die Vorteile des ersten mit den Eigenschaften des zweiten verbände. Daher wird in Modell mit Anisotropie vorgeschlagen und getestet, mit welchem versucht wird, dieses Ziel zu erreichen. Es wird auf reizvolle Wege hingewiesen, das Modell zu nutzen und eine tiefergehende Beschäftigung anzuregen. Zuletzt werden sogenannte "real-space" Renormierungsgruppenrechnungen sowohl analytisch als auch numerisch für endlich-dimensionale Vektor-Spingläser mit endlicher Anzahl von Spinkomponenten durchgeführt. Dies wird mit einer zuvor bestimmten neuen Migdal-Kadanoff Rekursionsrelation geschehen. Neben anderen Größen wird die untere kritische Dimension bestimmt.

Spatial and temporal characterisation of ground deformation recorded by geodetic techniques

A critical point in the analysis of ground displacements time series is the development of data driven methods that allow the different sources that generate the observed displacements to be discerned and characterised. A widely used multivariate statistical technique is the Principal Component Analysis (PCA), which allows reducing the dimensionality of the data space maintaining most of the variance of the dataset explained. Anyway, PCA does not perform well in finding the solution to the so-called Blind Source Separation (BSS) problem, i.e. in recovering and separating the original sources that generated the observed data. This is mainly due to the assumptions on which PCA relies: it looks for a new Euclidean space where the projected data are uncorrelated. The Independent Component Analysis (ICA) is a popular technique adopted to approach this problem. However, the independence condition is not easy to impose, and it is often necessary to introduce some approximations. To work around this problem, I use a variational bayesian ICA (vbICA) method, which models the probability density function (pdf) of each source signal using a mix of Gaussian distributions. This technique allows for more flexibility in the description of the pdf of the sources, giving a more reliable estimate of them. Here I present the application of the vbICA technique to GPS position time series. First, I use vbICA on synthetic data that simulate a seismic cycle (interseismic + coseismic + postseismic + seasonal + noise) and a volcanic source, and I study the ability of the algorithm to recover the original (known) sources of deformation. Secondly, I apply vbICA to different tectonically active scenarios, such as the 2009 L'Aquila (central Italy) earthquake, the 2012 Emilia (northern Italy) seismic sequence, and the 2006 Guerrero (Mexico) Slow Slip Event (SSE).

Messungen von salpetriger Säure und Eispartikeln im Nachlauf von Flugzeugen

Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und Einsatz des Atmosphärischen chemischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS für boden- und flugzeuggetragene Messungen von salpetriger Säure (HONO). Für das Massenspektrometer wurden eine mit Gleichspannung betriebene Gasentladungsionenquelle und ein spezielles Druckregelventil entwickelt. Während der Instrumentenvergleichskampagne FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) an einer Atmosphären-Simulationskammer in Valencia (Spanien) wurde AIMS für HONO kalibriert und erstmals eingesetzt. In verschiedenen Experimenten wurden HONO-Mischungsverhältnisse zwischen 100 pmol/mol und 25 nmol/mol erzeugt und mit AIMS interferenzfrei gemessen. Innerhalb der Messunsicherheit von ±20% stimmen die massenspektrometrischen Messungen gut mit den Methoden der Differenziellen Optischen Absorptions-Spektrometrie und der Long Path Absorption Photometrie überein. Die Massenspektrometrie kann somit zum schnellen und sensitiven Nachweis von HONO in verschmutzter Stadtluft und in Abgasfahnen genutzt werden.rnErste flugzeuggetragene Messungen von HONO mit AIMS wurden 2011 bei der Messkampagne CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) auf dem DLR Forschungsflugzeug Falcon durchgeführt. Hierbei konnte eine Nachweisgrenze von < 10 pmol/mol (3σ, 1s) erreicht werden. Bei Verfolgungsflügen wurden im jungen Abgasstrahl von Passagierflugzeugen molare HONO zu Stickoxid-Verhältnisse (HONO/NO) von 2.0 bis 2.5% gemessen. HONO wird im Triebwerk durch die Reaktion von NO mit OH gebildet. Ein gemessener abnehmender Trend der HONO/NO Verhältnisse mit zunehmendem Stickoxid-Emissionsindex wurde bestätigt und weist auf eine OH Limitierung im jungen Abgasstrahl hin.rnNeben den massenspektrometrischen Messungen wurden Flugzeugmessungen der Partikelsonde Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP-300 in jungen Kondensstreifen ausgewertet und analysiert. Aus den gemessenen Partikelgrößenverteilungen wurden Extinktions- und optische Tiefe-Verteilungen abgeleitet und für die Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Fragestellungen, z.B. bezüglich der Partikelform in jungen Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung, zur Verfügung gestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Flugzeug- und Triebwerktyps auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften von Kondensstreifen untersucht. Unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen bezüglich Feuchte, Temperatur und stabiler thermischer Schichtung wurden 2 Minuten alte Kondensstreifen der Passagierflugzeuge vom Typ A319-111, A340-311 und A380-841 verglichen. Im Rahmen der Messunsicherheit wurde keine Änderung des Effektivdurchmessers der Partikelgrößenverteilungen gefunden. Hingegen nehmen mit zunehmendem Flugzeuggewicht die Partikelanzahldichte (162 bis 235 cm-3), die Extinktion (2.1 bis 3.2 km-1), die Absinktiefe des Kondensstreifens (120 bis 290 m) und somit die optische Tiefe der Kondensstreifen (0.25 bis 0.94) zu. Der gemessene Trend wurde durch Vergleich mit zwei unabhängigen Kondensstreifen-Modellen bestätigt. Mit den Messungen wurde eine lineare Abhängigkeit der totalen Extinktion (Extinktion mal Querschnittsfläche des Kondensstreifens) vom Treibstoffverbrauch pro Flugstrecke gefunden und bestätigt.

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide : a modelling study

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide: A modelling study.rnrnThis study aims at an improved understanding of the stable carbon and oxygen isotope composition of the carbon monoxide (CO) in the global atmosphere by means of numerical simulations. At first, a new kinetic chemistry tagging technique for the most complete parameterisation of isotope effects has been introduced into the Modular Earth Submodel System (MESSy) framework. Incorporated into the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) general circulation model, an explicit treatment of the isotope effects on the global scale is now possible. The expanded model system has been applied to simulate the chemical system containing up to five isotopologues of all carbon- and oxygen-bearing species, which ultimately determine the δ13C, δ18O and Δ17O isotopic signatures of atmospheric CO. As model input, a new stable isotope-inclusive emission inventory for the relevant trace gases has been compiled. The uncertainties of the emission estimates and of the resulting simulated mixing and isotope ratios have been analysed. The simulated CO mixing and stable isotope ratios have been compared to in-situ measurements from ground-based observatories and from the civil-aircraft-mounted CARIBIC−1 measurement platform.rnrnThe systematically underestimated 13CO/12CO ratios of earlier, simplified modelling studies can now be partly explained. The EMAC simulations do not support the inferences of those studies, which suggest for CO a reduced input of the highly depleted in 13C methane oxidation source. In particular, a high average yield of 0.94 CO per reacted methane (CH4) molecule is simulated in the troposphere, to a large extent due to the competition between the deposition and convective transport processes affecting the CH4 to CO reaction chain intermediates. None of the other factors, assumed or disregarded in previous studies, however hypothesised to have the potential in enriching tropospheric CO in 13C, were found significant when explicitly simulated. The inaccurate surface emissions, likely underestimated over East Asia, are responsible for roughly half of the discrepancies between the simulated and observed 13CO in the northern hemisphere (NH), whereas the remote southern hemisphere (SH) compositions suggest an underestimated fractionation during the oxidation of CO by the hydroxyl radical (OH). A reanalysis of the kinetic isotope effect (KIE) in this reaction contrasts the conventional assumption of a mere pressure dependence, and instead suggests an additional temperature dependence of the 13C KIE, which is driven by changes in the partitioning of the reaction exit channels. This result is yet to be confirmed in the laboratory.rnrnApart from 13CO, for the first time the atmospheric distribution of the oxygen mass-independent fractionation (MIF) in CO, Δ17O, has been consistently simulated on the global scale with EMAC. The applicability of Δ17O(CO) observations to unravelling changes in the tropospheric CH4-CO-OH system has been scrutinised, as well as the implications of the ozone (O3) input to the CO isotope oxygen budget. The Δ17O(CO) is confirmed to be the principal signal for the CO photochemical age, thus providing a measure for the OH chiefly involved in the sink of CO. The highly mass-independently fractionated O3 oxygen is estimated to comprise around 2% of the overall tropospheric CO source, which has implications for the δ18O, but less likely for the Δ17O CO budgets. Finally, additional sensitivity simulations with EMAC corroborate the nearly equal net effects of the present-day CH4 and CO burdens in removing tropospheric OH, as well as the large turnover and stability of the abundance of the latter. The simulated CO isotopologues nonetheless hint at a likely insufficient OH regeneration in the NH high latitudes and the upper troposphere / lower stratosphere (UTLS).rn

Exclusive vector meson production in pp collisions at the COMPASS experiment

Produktionsmechanismen für Teilchenproduktion im mittleren Energiebereich wurden in Proton-Proton Kollisionen innerhalb der COMPASS-Kollaboration mit Hilfe des COMPASS-Spektrometers am SPS Beschleuniger am CERN untersucht. Die verschiedenen Produktionsmechanismen werden mittels Produktion der Vektormesonen omega und phi studiert und können die diffraktive Anregung des Strahlteilchens mit anschliessendem Zerfall der Resonanz, zentrale Produktion und den damit verwandten “Shake-off” Mechanismus enthalten. Die für diese Arbeit verwendeten Daten wurden in den Jahren 2008 und 2009 mit 190 GeV/c-Protonen aufgenommen, die auf ein Flüssigwasserstofftarget trafen. Das Target war von einem Rückstoßprotonendetektor umgeben, der ein integraler Bestandteil des neuentwickelten Hadrontriggersystems ist. Für dieses System wurden außerdem einige neue Detektoren gebaut. Die Leistungsfähigkeit des Rückstoßprotonendetektors und des Triggersystems wird untersucht und Effizienzen extrahiert. Außerdem wird sowohl eine Methode zur Rekonstruktion von Rückstoßprotonen als auch eine Methode zur Kalibration des Rückstoßprotonendetektors entwickelt und beschrieben. Die Produktion von omega-Mesonen wurde in der Reaktion pp -> p omega p, omega -> pi+pi-pi0 und die Produktion von phi-Mesonen in der Reaktion pp -> p phi p, phi -> K+K- bei einem Impulsübertrag zwischen 0.1 (GeV/c)^2 und 1 (GeV/c)^2 gemessen. Das Produktionsverhältnis s(pp -> p phi p)/s(pp -> p omega p) wird als Funktion des longitudinalen Impulsanteils xF bestimmt und mit der Vorhersage durch die Zweigregel verglichen. Es ergibt sich eine signifikante Verletzung der Zweigregel, die abhängig von xF ist. Die Verletzung wird in Verbindung zu resonanten Strukturen im pomega-Massenspektrum diskutiert. Die xF-Abhängigkeit verschwindet, wenn man die Region niedriger pomega- und pphi-Masse entfernt, die solche resonanten Strukturen aufweist. Zusätzlich wird die Spinausrichtung bzw. das Spindichtematrixelement rho00 für omega- und phi-Mesonen untersucht. Die Spinausrichtung wird im Helizitätssystemrnanalysiert, welches für eine Abgrenzung von resonanten, diffraktiven Anregungen geeignet ist. Außerdem wird die Spinausrichtung in einem Referenzsystem mit Bezug auf die Richtung des Impulsübertrags untersucht, mit dessen Hilfe zentrale Prozesse wie zentrale Produktion oder “shake-off” abgegrenzt werden. Auch hier wird eine Abhängigkeit von xF und der invarianten Masse des pomega-Systems beobachtet. Diese Abhängigkeit kann wieder auf die resonanten Strukturen in der Produktion von omega-Mesonen zurückgeführt werden. Die Ergebnisse werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen Produktionsmechanismen diskutiert.

Variation of vector quantisation and speech waveform coding

A new idea for waveform coding using vector quantisation (VQ) is introduced. This idea makes it possible to deal with codevectors much larger than before for a fixed bit per sample rate. Also a solution to the matching problem (inherent in the present context) in the &-norm describing a measure of neamess is presented. The overall computational complexity of this solution is O(n3 log, n). Sample results are presented to demonstrate the advantage of using this technique in the context of coding of speech waveforms.

Expanded polytetrafluoroethylene graft for bypass surgery using the excimer laser-assisted nonocclusive anastomosis technique

OBJECT: Patients with complex craniocerebral pathophysiologies such as giant cerebral aneurysms, skull base tumors, and/or carotid artery occlusive disease are candidates for a revascularization procedure to augment or preserve cerebral blood flow. However, the brain is susceptible to ischemia, and therefore the excimer laser-assisted nonocclusive anastomosis (ELANA) technique has been developed to overcome temporary occlusion. Harvesting autologous vessels of reasonable quality, which is necessary for this technique, may at times be problematic or impossible due to the underlying systemic vascular disease. The use of artificial vessels is therefore an alternative graft for revascularization. Note, however, that it is unknown to what degree these grafts are subject to occlusion using the ELANA anastomosis technique. Therefore, the authors studied the ELANA technique in combination with an expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) graft. METHODS: The experimental surgeries involved bypassing the abdominal aorta in the rabbit. Ten rabbits were subjected to operations representing 20 ePTFE graft-ELANA end-to-side anastomoses. Intraoperative blood flow, followup angiograms, and long-term histological characteristics were assessed 75, 125, and 180 days postoperatively. Angiography results proved long-term patency of ePTFE grafts in all animals at all time points studied. Data from the histological analysis showed minimal intimal reaction at the anastomosis site up to 180 days postoperatively. Endothelialization of the ePTFE graft was progressive over time. CONCLUSIONS: The ELANA technique in combination with the ePTFE graft seems to have favorable attributes for end-to-side anastomoses and may be suitable for bypass procedures.

Comparing satellite and ground-based observations of paroxysmal degassing events at Etna volcano, Italy

Mount Etna, Italy, is one of the most active volcanoes in the world, and is also regarded as one of the strongest volcanic sources of sulfur dioxide (SO2) emissions to the atmosphere. Since October 2004, an automated ultraviolet (UV) spectrometer network (FLAME) has provided ground-based SO2 measurements with high temporal resolution, providing an opportunity to validate satellite SO2 measurements at Etna. The Ozone Monitoring Instrument (OMI) on the NASA Aura satellite, which makes global daily measurements of trace gases in the atmosphere, was used to compare SO2 amount released by the volcano during paroxysmal lava-fountaining events from 2004 to present. We present the first comparison between SO2 emission rates and SO2 burdens obtained by the OMI transect technique and OMI Normalized Cloud-Mass (NCM) technique and the ground-based FLAME Mini-DOAS measurements. In spite of a good data set from the FLAME network, finding coincident OMI and FLAME measurements proved challenging and only one paroxysmal event provided a good validation for OMI. Another goal of this work was to assess the efficacy of the FLAME network in capturing paroxysmal SO2 emissions from Etna, given that the FLAME network is only operational during daylight hours and some paroxysms occur at night. OMI measurements are advantageous since SO2 emissions from nighttime paroxysms can often be quantified on the following day, providing improved constraints on Etna’s SO2 budget.

Comparisons between OMI SO2 data and ground-based SO2 measurements at Turrialba volcano

Turrialba is one of the largest and most active stratovolcanoes in the Central Cordillera of Costa Rica and an excellent target for validation of satellite data using ground based measurements due to its high elevation, relative ease of access, and persistent elevated SO2 degassing. The Ozone Monitoring Instrument (OMI) aboard the Aura satellite makes daily global observations of atmospheric trace gases and it is used in this investigation to obtain volcanic SO2 retrievals in the Turrialba volcanic plume. We present and evaluate the relative accuracy of two OMI SO2 data analysis procedures, the automatic Band Residual Index (BRI) technique and the manual Normalized Cloud-mass (NCM) method. We find a linear correlation and good quantitative agreement between SO2 burdens derived from the BRI and NCM techniques, with an improved correlation when wet season data are excluded. We also present the first comparisons between volcanic SO2 emission rates obtained from ground-based mini-DOAS measurements at Turrialba and three new OMI SO2 data analysis techniques: the MODIS smoke estimation, OMI SO2 lifetime, and OMI SO2 transect techniques. A robust validation of OMI SO2 retrievals was made, with both qualitative and quantitative agreements under specific atmospheric conditions, proving the utility of satellite measurements for estimating accurate SO2 emission rates and monitoring passively degassing volcanoes.

Physical modeling of air injection as a scour remediation technique near gated weir stilling basins

The South Florida Water Management District (SFWMD) manages and operates numerous water control structures that are subject to scour. In an effort to reduce scour downstream of these gated structures, laboratory experiments were performed to investigate the effect of active air-injection downstream of the terminal structure of a gated spillway on the depth of the scour hole. A literature review involving similar research revealed significant variables such as the ratio of headwater-to-tailwater depths, the diffuser angle, sediment uniformity, and the ratio of air-to-water volumetric discharge values. The experimental design was based on the analysis of several of these non-dimensional parameters. Bed scouring at stilling basins downstream of gated spillways has been identified as posing a serious risk to the spillway’s structural stability. Although this type of scour has been studied in the past, it continues to represent a real threat to water control structures and requires additional attention. A hydraulic scour channel comprised of a head tank, flow straightening section, gated spillway, stilling basin, scour section, sediment trap, and tail-tank was used to further this analysis. Experiments were performed in a laboratory channel consisting of a 1:30 scale model of the SFWMD S65E spillway structure. To ascertain the feasibility of air injection for scour reduction a proof-of-concept study was performed. Experiments were conducted without air entrainment and with high, medium, and low air entrainment rates for high and low headwater conditions. For the cases with no air entrainment it was found that there was excessive scour downstream of the structure due to a downward roller formed upon exiting the downstream sill of the stilling basin. When air was introduced vertically just downstream of, and at the same level as, the stilling basin sill, it was found that air entrainment does reduce scour depth by up to 58% depending on the air flow rate, but shifts the deepest scour location to the sides of the channel bed instead of the center. Various hydraulic flow conditions were tested without air injection to verify which scenario caused more scour. That scenario, uncontrolled free, in which water does not contact the gate and the water elevation in the stilling basin is lower than the spillway crest, would be used for the remainder of experiments testing air injection. Various air flow rates, diffuser elevations, air hole diameters, air hole spacings, diffuser angles and widths were tested in over 120 experiments. Optimal parameters include air injection at a rate that results in a water-to-air ratio of 0.28, air holes 1.016mm in diameter the entire width of the stilling basin, and a vertically orientated injection pattern. Detailed flow measurements were collected for one case using air injection and one without. An identical flow scenario was used for each experiment, namely that of a high flow rate and upstream headwater depth and a low tailwater depth. Equilibrium bed scour and velocity measurements were taken using an Acoustic Doppler Velocimeter at nearly 3000 points. Velocity data was used to construct a vector plot in order to identify which flow components contribute to the scour hole. Additionally, turbulence parameters were calculated in an effort to help understand why air-injection reduced bed scour. Turbulence intensities, normalized mean flow, normalized kinetic energy, and anisotropy of turbulence plots were constructed. A clear trend emerged that showed air-injection reduces turbulence near the bed and therefore reduces scour potential.

Reaction Control in Quiescent Systems of Free-Radical Retrograde-Precipitation Polymerization

Free-radical retrograde-precipitation polymerization, FRRPP in short, is a novel polymerization process discovered by Dr. Gerard Caneba in the late 1980s. The current study is aimed at gaining a better understanding of the reaction mechanism of the FRRPP and its thermodynamically-driven features that are predominant in controlling the chain reaction. A previously developed mathematical model to represent free radical polymerization kinetics was used to simulate a classic bulk polymerization system from the literature. Unlike other existing models, such a sparse-matrix-based representation allows one to explicitly accommodate the chain length dependent kinetic parameters. Extrapolating from the past results, mixing was experimentally shown to be exerting a significant influence on reaction control in FRRPP systems. Mixing alone drives the otherwise severely diffusion-controlled reaction propagation in phase-separated polymer domains. Therefore, in a quiescent system, in the absence of mixing, it is possible to retard the growth of phase-separated domains, thus producing isolated polymer nanoparticles (globules). Such a diffusion-controlled, self-limiting phenomenon of chain growth was also observed using time-resolved small angle x-ray scattering studies of reaction kinetics in quiescent systems of FRRPP. Combining the concept of self-limiting chain growth in quiescent FRRPP systems with spatioselective reaction initiation of lithography, microgel structures were synthesized in a single step, without the use of molds or additives. Hard x-rays from the bending magnet radiation of a synchrotron were used as an initiation source, instead of the more statistally-oriented chemical initiators. Such a spatially-defined reaction was shown to be self-limiting to the irradiated regions following a polymerization-induced self-assembly phenomenon. The pattern transfer aspects of this technique were, therefore, studied in the FRRP polymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAm) and methacrylic acid (MAA), a thermoreversible and ionic hydrogel, respectively. Reaction temperature increases the contrast between the exposed and unexposed zones of the formed microgels, while the irradiation dose is directly proportional to the extent of phase separation. The response of Poly (NIPAm) microgels prepared from the technique described in this study was also characterized by small angle neutron scattering.

Survey on haptic rendering of data sets: Exploration of scalar and vector fields

Complementary to automatic extraction processes, Virtual Reality technologies provide an adequate framework to integrate human perception in the exploration of large data sets. In such multisensory system, thanks to intuitive interactions, a user can take advantage of all his perceptual abilities in the exploration task. In this context the haptic perception, coupled to visual rendering, has been investigated for the last two decades, with significant achievements. In this paper, we present a survey related to exploitation of the haptic feedback in exploration of large data sets. For each haptic technique introduced, we describe its principles and its effectiveness.

Study of mineral dust entrainment in the planetary boundary layer by lidar depolarisation technique

Measurements on 27 June 2011 were performed over the Southern Iberian Peninsula at Granada EARLINET station, using active and passive remote sensing and airborne and surface in-situ data in order to study the entrainment processes between aerosols in the free troposphere and those in the planetary boundary layer (PBL). To this aim the temporal evolution of the lidar depolarisation, backscatter-related Angström exponent and potential temperature profiles were used in combination with the PBL contribution to the aerosol optical depth (AOD). Our results show that the mineral dust entrainment in the PBL was caused by the convective processes which ‘trapped’ the lofted mineral dust layer, distributing the mineral dust particles within the PBL. The temporal evolution of ground-based in-situ data evidenced the impact of this process at surface level. Finally, the amount of mineral dust in the atmospheric column available to be dispersed into the PBL was estimated by means of POLIPHON (Polarizing Lidar Photometer Networking). The dust mass concentration derived from POLIPHON was compared with the coarse-mode mass concentration retrieved with airborne in-situ measurements. Comparison shows differences below 50 µg/m³ (30% relative difference) indicating a relative good agreement between both techniques.

Bufferless Compression of Asynchronously Sampled ECG Signals in Cubic Hermitian Vector Space.

Asynchronous level crossing sampling analog-to-digital converters (ADCs) are known to be more energy efficient and produce fewer samples than their equidistantly sampling counterparts. However, as the required threshold voltage is lowered, the number of samples and, in turn, the data rate and the energy consumed by the overall system increases. In this paper, we present a cubic Hermitian vector-based technique for online compression of asynchronously sampled electrocardiogram signals. The proposed method is computationally efficient data compression. The algorithm has complexity O(n), thus well suited for asynchronous ADCs. Our algorithm requires no data buffering, maintaining the energy advantage of asynchronous ADCs. The proposed method of compression has a compression ratio of up to 90% with achievable percentage root-mean-square difference ratios as a low as 0.97. The algorithm preserves the superior feature-to-feature timing accuracy of asynchronously sampled signals. These advantages are achieved in a computationally efficient manner since algorithm boundary parameters for the signals are extracted a priori.