A quantitative investigation of the solar modulation of cosmic-ray protons and helium nuclei

The differential energy spectra of cosmic-ray protons and He nuclei have been measured at energies up to 315 MeV/nucleon using balloon- and satellite-borne instruments. These spectra are presented for solar quiet times for the years 1966 through 1970. The data analysis is verified by extensive accelerator calibrations of the detector systems and by calculations and measurements of the production of secondary protons in the atmosphere.

The spectra of protons and He nuclei in this energy range are dominated by the solar modulation of the local interstellar spectra. The transport equation governing this process includes as parameters the solar-wind velocity, V, and a diffusion coefficient, K(r,R), which is assumed to be a scalar function of heliocentric radius, r, and magnetic rigidity, R. The interstellar spectra, j_D, enter as boundary conditions on the solutions to the transport equation. Solutions to the transport equation have been calculated for a broad range of assumed values for K(r,R) and j_D and have been compared with the measured spectra.

It is found that the solutions may be characterized in terms of a dimensionless parameter, ψ(r,R) = ^∞∫_r V dr'/(K(r',R). The amount of modulation is roughly proportional to ψ. At high energies or far from the Sun, where the modulation is weak, the solution is determined primarily by the value of ψ (and the interstellar spectrum) and is not sensitive to the radial dependence of the diffusion coefficient. At low energies and for small r, where the effects of adiabatic deceleration are found to be large, the spectra are largely determined by the radial dependence of the diffusion coefficient and are not very sensitive to the magnitude of ψ or to the interstellar spectra. This lack of sensitivity to j_D implies that the shape of the spectra at Earth cannot be used to determine the interstellar intensities at low energies.

Values of ψ determined from electron data were used to calculate the spectra of protons and He nuclei near Earth. Interstellar spectra of the form j_D α (W - 0.25m)^-2.65 for both protons and He nuclei were found to yield the best fits to the measured spectra for these values of ψ, where W is the total energy and m is the rest energy. A simple model for the diffusion coefficient was used in which the radial and rigidity dependence are separable and K is independent of radius inside a modulation region which has a boundary at a distance D. Good agreement was found between the measured and calculated spectra for the years 1965 through 1968, using typical boundary distances of 2.7 and 6.1 A.U. The proton spectra observed in 1969 and 1970 were flatter than in previous years. This flattening could be explained in part by an increase in D, but also seemed to require that a noticeable fraction of the observed protons at energies as high at 50 to 100 MeV be attributed to quiet-time solar emission. The turnup in the spectra at low energies observed in all years was also attributed to solar emission. The diffusion coefficient used to fit the 1965 spectra is in reasonable agreement with that determined from the power spectra of the interplanetary magnetic field (Jokipii and Coleman, 1968). We find a factor of roughly 3 increase in ψ from 1965 to 1970, corresponding to the roughly order of magnitude decrease in the proton intensity at 250 MeV. The change in ψ might be attributed to a decrease in the diffusion coefficient, or, if the diffusion coefficient is essentially unchanged over that period (Mathews et al., 1971), might be attributed to an increase in the boundary distance, D.

Solar System Small-Body Demographics with the Palomar Transient Factory Survey

Observational studies of our solar system's small-body populations (asteroids and comets) offer insight into the history of our planetary system, as these minor planets represent the left-over building blocks from its formation. The Palomar Transient Factory (PTF) survey began in 2009 as the latest wide-field sky-survey program to be conducted on the 1.2-meter Samuel Oschin telescope at Palomar Observatory. Though its main science program has been the discovery of high-energy extragalactic sources (such as supernovae), during its first five years PTF has collected nearly five million observations of over half a million unique solar system small bodies. This thesis begins to analyze this vast data set to address key population-level science topics, including: the detection rates of rare main-belt comets and small near-Earth asteroids, the spin and shape properties of asteroids as inferred from their lightcurves, the applicability of this visible light data to the interpretation of ultraviolet asteroid observations, and a comparison of the physical properties of main-belt and Jovian Trojan asteroids. Future sky-surveys would benefit from application of the analytical techniques presented herein, which include novel modeling methods and unique applications of machine-learning classification. The PTF asteroid small-body data produced in the course of this thesis work should remain a fertile source of solar system science and discovery for years to come.

Plasma loop and strapping field dynamics: reproducing solar eruptions in the laboratory

Coronal mass ejections (CMEs) are dramatic eruptions of large, plasma structures from the Sun. These eruptions are important because they can harm astronauts, damage electrical infrastructure, and cause auroras. A mysterious feature of these eruptions is that plasma-filled solar flux tubes first evolve slowly, but then suddenly erupt. One model, torus instability, predicts an explosive-like transition from slow expansion to fast acceleration, if the spatial decay of the ambient magnetic field exceeds a threshold.

We create arched, plasma filled, magnetic flux ropes similar to CMEs. Small, independently-powered auxiliary coils placed inside the vacuum chamber produce magnetic fields above the decay threshold that are strong enough to act on the plasma. When the strapping field is not too strong and not too weak, expansion force build up while the flux rope is in the strapping field region. When the flux rope moves to a critical height, the plasma accelerates quickly, corresponding to the observed slow-rise to fast-acceleration of most solar eruptions. This behavior is in agreement with the predictions of torus instability.

Historically, eruptions have been separated into gradual CMEs and impulsive CMEs, depending on the acceleration profile. Recent numerical studies question this separation. One study varies the strapping field profile to produce gradual eruptions and impulsive eruptions, while another study varies the temporal profile of the voltage applied to the flux tube footpoints to produce the two eruption types. Our experiment reproduced these different eruptions by changing the strapping field magnitude, and the temporal profile of the current trace. This suggests that the same physics underlies both types of CME and that the separation between impulsive and gradual classes of eruption is artificial.

Solar flare particle propagation--comparison of a new analytic solution with spacecraft measurements

A new analytic solution has been obtained to the complete Fokker-Planck equation for solar flare particle propagation including the effects of convection, energy-change, corotation, and diffusion with ĸ_r = constant and ĸ_Ɵ ∝ r². It is assumed that the particles are injected impulsively at a single point in space, and that a boundary exists beyond which the particles are free to escape. Several solar flare particle events have been observed with the Caltech Solar and Galactic Cosmic Ray Experiment aboard OGO-6. Detailed comparisons of the predictions of the new solution with these observations of 1-70 MeV protons show that the model adequately describes both the rise and decay times, indicating that ĸ_r = constant is a better description of conditions inside 1 AU than is ĸ_r ∝ r. With an outer boundary at 2.7 AU, a solar wind velocity of 400 km/sec, and a radial diffusion coefficient ĸ_r ≈ 2-8 x 10²⁰ cm²/sec, the model gives reasonable fits to the time-profile of 1-10 MeV protons from "classical" flare-associated events. It is not necessary to invoke a scatter-free region near the sun in order to reproduce the fast rise times observed for directly-connected events. The new solution also yields a time-evolution for the vector anisotropy which agrees well with previously reported observations.

In addition, the new solution predicts that, during the decay phase, a typical convex spectral feature initially at energy T_o will move to lower energies at an exponential rate given by T_KINK = T_oexp(-t/Ƭ_KINK). Assuming adiabatic deceleration and a boundary at 2.7 AU, the solution yields Ƭ_KINK ≈ 100h, which is faster than the measured ~200h time constant and slower than the adiabatic rate of ~78h at 1 AU. Two possible explanations are that the boundary is at ~5 AU or that some other energy-change process is operative.

Programa de simulação de sistemas de aquecimento Solar.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um programa computacional que simula o desempenho térmico de um sistema de aquecimento solar de água com circulação forçada, adequado para uso em edificações. O programa trabalha realizando o balanço de massa e de energia no reservatório térmico a cada hora, tendo como valores de entrada dados do ano meteorológico típico da localidade selecionada e a vazão de água quente de consumo. Os componentes do sistema são o reservatório térmico de água quente com aquecedor auxiliar interno, o coletor solar e a bomba de circulação. A base de dados meteorológicos escolhida foi a do projeto SWERA, que contém arquivos no formato padrão TMY disponíveis na internet para um número considerável de cidades, incluindo diversas localidades brasileiras. Foi proposto um modelo de temperatura de água da rede de abastecimento relacionado com a temperatura do solo, dado disponível nos arquivos de entrada utilizados. O programa utilizou como referência para a validação dos modelos de cálculo resultados obtidos pelo programa comercial de simulação TRNSYS. Foram comparados resultados para os modelos de irradiação incidente em superfície inclinada, do coletor solar e do sistema completo. Para isto foram simulados sistemas localizados em quatro cidades distintas com climas diferentes. O tempo total usado nas simulações foi de um ano e os resultados das comparações dos valores resultantes foram considerados satisfatórios.

Desarrollo de una aplicación software para la monitorización de una instalación solar fotovoltaica.

[ES]El Dpto de Ingeniería Eléctrica en la ETSI de Bilbao dispone, en uno de sus laboratorios destinados a la docencia e investigación, de una instalación de generación solar fotovoltaica. Este TFG ha realizado una aplicación software que monitoriza dicha instalación, con el objetivo de poder posteriormente supervisar y analizar el funcionamiento óptimo de la misma.

SUNLIGHT: a computer program for calculation of daily solar radiation

This paper presents an algorithm and software (available from ICLARM) for estimating the possible amount of sunlight that may fall on any location of the earth, any day of the year, as might be required for ecological modelling.

Estudo Comparativo de Controladores Fuzzy Aplicados a um Sistema Solar Fotovoltaico.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador.

Emprego da energia solar para pré-aquecimento de água de reposição de caldeira.

Apresenta-se uma avaliação técnico-econômica para o préaquecimento solar da água de reposição em caldeiras de sistemas de vapor abertos. São empregados, para compor um estudo de caso, os dados de uma indústria de laticínios de médio porte situada próximo da cidade do Rio de Janeiro. Quarenta e oito simulações computacionais do sistema de aquecimento solar (SAS) foram realizadas em TRNSYS, correspondendo aos 5% melhores resultados econômicos de uma série de 2.700 simulações mais simples (método φ-f-chart), programados em MATLAB. Foram empregados dados horários de ano típico meteorológico (TMY) para a cidade do Rio de Janeiro. O ganho econômico foi baseado no consumo evitado dos três combustíveis mais comuns na indústria de laticínios, enquanto o custo de investimento foi composto a partir de valores comerciais e da literatura. Os resultados da avaliação econômica mostraram-se desfavoráveis para a substituição de óleo combustível, favoráveis no caso de caldeiras a gás natural, condicionado a existência de subsídios, e bem competitivos para a substituição de GLP. A eficiência térmica do sistema mostrou ser o parâmetro técnico chave para o desempenho econômico, consequentemente, uma vez que a eficiência se mostrou inversamente proporcional tanto ao volume do reservatório quanto à área de coletores, não há uma configuração ótima para o sistema. Não obstante, os resultados permitiram a proposição de políticas públicas para incentivar o uso da energia solar na indústria leiteira e, consequentemente, contribuir para a preservação ambiental.

Potencial de energia solar e de geração com sistemas fotovoltaicos conectados à rede em Moçambique.

A energia solar fotovoltaica é uma alternativa de energia limpa que está se tornando uma importante opção para se utilizar eletricidade em regiões desprovidas de energia elétrica. Um estudo das condições energéticas da região através de consulta às concessionárias de energia elétrica (Eletricidade de Moçambique - EDM no caso de Moçambique) e do Ministério de Energia do Governo, são fontes importantes de dados para se conhecer o cenário energético de cada região. Outra fonte de dados importante para se estimar o potencial de geração de energia solar fotovoltaico sãoos indices de irradiação da região. Estes podemser obtidos através do órgão meteorológico da região (INAM no caso de Moçambique) que forneceesses dados para as principais cidades através de suas estações meteorológicas espalhadas na região. Laboratórios de pesquisa internacionais sãooutra importante fonte de dados solarimétricos, pois utilizam satélites capazes de cobrir todo globo terrestre e os dados obtidos são publicados e permitem, a partir das coordenadas do local, identificar a irradiação solar em diversos locais do mundo. Os dados desses laboratórios podem ser comparados com dados de órgãos oficiais da região. Utilizando o banco de dados solarimétricospode-se calcular o potencial fotovoltaico de geração de energia de cada localização e também definir qual região seria mais propícia a utilização de energiasolar fotovoltaica conectada à rede.