Shape fabric development during progressive deformation

Zusammenfassung:Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis von der Art und Weise wie sich Formregelungsgefüge entwicklen. Auf dieser Basis wird der Nutzen von Formregelungsgefügen für die Geologie evaluiert. Untersuchungsmethoden sind Geländearbeit und -auswertung, numerische Simulationen und Analogexperimente. Untersuchungen an Formregelungsgefügen in Gesteinen zeigen, daß ein Formregelungsgefüge nur zu einem begrenzten Grad als Anzeiger für die Stärke der Verformung benutzt werden kann. Der angenommene Grund hierfür ist der Einfluß des Verhältnisses von ursprünglicher zu rekristallisierter Korngröße auf die Gefügeentwicklung und von der Art und Weise wie dynamische Rekristallisation ein Gefüge verändert. Um diese Beobachtung zu evaluieren, wurden verschiedene numerische Simulationen von dynamischer Rekristallisation durchgeführt. Ein neuer Deformationsapparat, mit dem generelle Fließregime modelliert werden können, wurde entwickelt. Die rheologischen Eigenschaften von Materialien, die für solche Experimente benutzt werden, wurden untersucht und diskutiert. Ergebnisse von Analogexperimenten zeigen, daß die Intensität eines Formregelungsgefüges positiv mit der Abnahme der 'kinematic vorticity number' und einem nicht-Newtonianischen, 'power law' Verhalten des Materixmaterials korreliert ist. Experimente, in denen die Formveränderung von viskosen Einschlüssen während der progressiven Verformung modelliert werden, zeigen, daß verschiedene Viskositätskontraste zwischen Matrix- und Einschlußmaterial in charakteristische Formgefüge resultieren.

Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals in confinement

Monte Carlo simulations are used to study the effect of confinement on a crystal of point particles interacting with an inverse power law potential in d=2 dimensions. This system can describe colloidal particles at the air-water interface, a model system for experimental study of two-dimensional melting. It is shown that the state of the system (a strip of width D) depends very sensitively on the precise boundary conditions at the two ``walls'' providing the confinement. If one uses a corrugated boundary commensurate with the order of the bulk triangular crystalline structure, both orientational order and positional order is enhanced, and such surface-induced order persists near the boundaries also at temperatures where the system in the bulk is in its fluid state. However, using smooth repulsive boundaries as walls providing the confinement, only the orientational order is enhanced, but positional (quasi-) long range order is destroyed: The mean-square displacement of two particles n lattice parameters apart in the y-direction along the walls then crosses over from the logarithmic increase (characteristic for $d=2$) to a linear increase (characteristic for d=1). The strip then exhibits a vanishing shear modulus. These results are interpreted in terms of a phenomenological harmonic theory. Also the effect of incommensurability of the strip width D with the triangular lattice structure is discussed, and a comparison with surface effects on phase transitions in simple Ising- and XY-models is made

Merkmalsbezogene Verifikation hochaufgelöster Niederschlagsvorhersagen für Deutschland

Die Verifikation bewertet die Güte von quantitativen Niederschlagsvorhersagen(QNV) gegenüber Beobachtungen und liefert Hinweise auf systematische Modellfehler. Mit Hilfe der merkmals-bezogenen Technik SAL werden simulierte Niederschlagsverteilungen hinsichtlich (S)truktur, (A)mplitude und (L)ocation analysiert. Seit einigen Jahren werden numerische Wettervorhersagemodelle benutzt, mit Gitterpunktabständen, die es erlauben, hochreichende Konvektion ohne Parametrisierung zu simulieren. Es stellt sich jetzt die Frage, ob diese Modelle bessere Vorhersagen liefern. Der hoch aufgelöste stündliche Beobachtungsdatensatz, der in dieser Arbeit verwendet wird, ist eine Kombination von Radar- und Stationsmessungen. Zum einem wird damit am Beispiel der deutschen COSMO-Modelle gezeigt, dass die Modelle der neuesten Generation eine bessere Simulation des mittleren Tagesgangs aufweisen, wenn auch mit zu geringen Maximum und etwas zu spätem Auftreten. Im Gegensatz dazu liefern die Modelle der alten Generation ein zu starkes Maximum, welches erheblich zu früh auftritt. Zum anderen wird mit dem neuartigen Modell eine bessere Simulation der räumlichen Verteilung des Niederschlags, durch eine deutliche Minimierung der Luv-/Lee Proble-matik, erreicht. Um diese subjektiven Bewertungen zu quantifizieren, wurden tägliche QNVs von vier Modellen für Deutschland in einem Achtjahreszeitraum durch SAL sowie klassischen Maßen untersucht. Die höher aufgelösten Modelle simulieren realistischere Niederschlagsverteilungen(besser in S), aber bei den anderen Komponenten tritt kaum ein Unterschied auf. Ein weiterer Aspekt ist, dass das Modell mit der gröbsten Auf-lösung(ECMWF) durch den RMSE deutlich am besten bewertet wird. Darin zeigt sich das Problem des ‚Double Penalty’. Die Zusammenfassung der drei Komponenten von SAL liefert das Resultat, dass vor allem im Sommer das am feinsten aufgelöste Modell (COSMO-DE) am besten abschneidet. Hauptsächlich kommt das durch eine realistischere Struktur zustande, so dass SAL hilfreiche Informationen liefert und die subjektive Bewertung bestätigt. rnIm Jahr 2007 fanden die Projekte COPS und MAP D-PHASE statt und boten die Möglich-keit, 19 Modelle aus drei Modellkategorien hinsichtlich ihrer Vorhersageleistung in Südwestdeutschland für Akkumulationszeiträume von 6 und 12 Stunden miteinander zu vergleichen. Als Ergebnisse besonders hervorzuheben sind, dass (i) je kleiner der Gitter-punktabstand der Modelle ist, desto realistischer sind die simulierten Niederschlags-verteilungen; (ii) bei der Niederschlagsmenge wird in den hoch aufgelösten Modellen weniger Niederschlag, d.h. meist zu wenig, simuliert und (iii) die Ortskomponente wird von allen Modellen am schlechtesten simuliert. Die Analyse der Vorhersageleistung dieser Modelltypen für konvektive Situationen zeigt deutliche Unterschiede. Bei Hochdrucklagen sind die Modelle ohne Konvektionsparametrisierung nicht in der Lage diese zu simulieren, wohingegen die Modelle mit Konvektionsparametrisierung die richtige Menge, aber zu flächige Strukturen realisieren. Für konvektive Ereignisse im Zusammenhang mit Fronten sind beide Modelltypen in der Lage die Niederschlagsverteilung zu simulieren, wobei die hoch aufgelösten Modelle realistischere Felder liefern. Diese wetterlagenbezogene Unter-suchung wird noch systematischer unter Verwendung der konvektiven Zeitskala durchge-führt. Eine erstmalig für Deutschland erstellte Klimatologie zeigt einen einer Potenzfunktion folgenden Abfall der Häufigkeit dieser Zeitskala zu größeren Werten hin auf. Die SAL Ergebnisse sind für beide Bereiche dramatisch unterschiedlich. Für kleine Werte der konvektiven Zeitskala sind sie gut, dagegen werden bei großen Werten die Struktur sowie die Amplitude deutlich überschätzt. rnFür zeitlich sehr hoch aufgelöste Niederschlagsvorhersagen gewinnt der Einfluss der zeitlichen Fehler immer mehr an Bedeutung. Durch die Optimierung/Minimierung der L Komponente von SAL innerhalb eines Zeitfensters(+/-3h) mit dem Beobachtungszeit-punkt im Zentrum ist es möglich diese zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass bei optimalem Zeitversatz die Struktur und Amplitude der QNVs für das COSMO-DE besser werden und damit die grundsätzliche Fähigkeit des Modells die Niederschlagsverteilung realistischer zu simulieren, besser gezeigt werden kann.

Correlations and Quantum Dynamics of 1D Fermionic Models: New Results for the Kitaev Chain with Long-Range Pairing

In the first part of the thesis, we propose an exactly-solvable one-dimensional model for fermions with long-range p-wave pairing decaying with distance as a power law. We studied the phase diagram by analyzing the critical lines, the decay of correlation functions and the scaling of the von Neumann entropy with the system size. We found two gapped regimes, where correlation functions decay (i) exponentially at short range and algebraically at long range, (ii) purely algebraically. In the latter the entanglement entropy is found to diverge logarithmically. Most interestingly, along the critical lines, long-range pairing breaks also the conformal symmetry. This can be detected via the dynamics of entanglement following a quench. In the second part of the thesis we studied the evolution in time of the entanglement entropy for the Ising model in a transverse field varying linearly in time with different velocities. We found different regimes: an adiabatic one (small velocities) when the system evolves according the instantaneous ground state; a sudden quench (large velocities) when the system is essentially frozen to its initial state; and an intermediate one, where the entropy starts growing linearly but then displays oscillations (also as a function of the velocity). Finally, we discussed the Kibble-Zurek mechanism for the transition between the paramagnetic and the ordered phase.

Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

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.

Gravitational Lensing as a Tool on Galactic and Cosmological Scales

This work considers the reconstruction of strong gravitational lenses from their observed effects on the light distribution of background sources. After reviewing the formalism of gravitational lensing and the most common and relevant lens models, new analytical results on the elliptical power law lens are presented, including new expressions for the deflection, potential, shear and magnification, which naturally lead to a fast numerical scheme for practical calculation. The main part of the thesis investigates lens reconstruction with extended sources by means of the forward reconstruction method, in which the lenses and sources are given by parametric models. The numerical realities of the problem make it necessary to find targeted optimisations for the forward method, in order to make it feasible for general applications to modern, high resolution images. The result of these optimisations is presented in the \textsc{Lensed} algorithm. Subsequently, a number of tests for general forward reconstruction methods are created to decouple the influence of sourced from lens reconstructions, in order to objectively demonstrate the constraining power of the reconstruction. The final chapters on lens reconstruction contain two sample applications of the forward method. One is the analysis of images from a strong lensing survey. Such surveys today contain $\sim 100$ strong lenses, and much larger sample sizes are expected in the future, making it necessary to quickly and reliably analyse catalogues of lenses with a fixed model. The second application deals with the opposite situation of a single observation that is to be confronted with different lens models, where the forward method allows for natural model-building. This is demonstrated using an example reconstruction of the ``Cosmic Horseshoe''. An appendix presents an independent work on the use of weak gravitational lensing to investigate theories of modified gravity which exhibit screening in the non-linear regime of structure formation.

Labeling the human skeleton with 41Ca to assess changes in bone calcium metabolism

Bone research is limited by the methods available for detecting changes in bone metabolism. While dual X-ray absorptiometry is rather insensitive, biochemical markers are subject to significant intra-individual variation. In the study presented here, we evaluated the isotopic labeling of bone using 41Ca, a long-lived radiotracer, as an alternative approach. After successful labeling of the skeleton, changes in the systematics of urinary 41Ca excretion are expected to directly reflect changes in bone Ca metabolism. A minute amount of 41Ca (100 nCi) was administered orally to 22 postmenopausal women. Kinetics of tracer excretion were assessed by monitoring changes in urinary 41Ca/40Ca isotope ratios up to 700 days post-dosing using accelerator mass spectrometry and resonance ionization mass spectrometry. Isotopic labeling of the skeleton was evaluated by two different approaches: (i) urinary 41Ca data were fitted to an established function consisting of an exponential term and a power law term for each individual; (ii) 41Ca data were analyzed by population pharmacokinetic (NONMEM) analysis to identify a compartmental model that describes urinary 41Ca tracer kinetics. A linear three-compartment model with a central compartment and two sequential peripheral compartments was found to best fit the 41Ca data. Fits based on the use of the combined exponential/power law function describing urinary tracer excretion showed substantially higher deviations between predicted and measured values than fits based on the compartmental modeling approach. By establishing the urinary 41Ca excretion pattern using data points up to day 500 and extrapolating these curves up to day 700, it was found that the calculated 41Ca/40Ca isotope ratios in urine were significantly lower than the observed 41Ca/40Ca isotope ratios for both techniques. Compartmental analysis can overcome this limitation. By identifying relative changes in transfer rates between compartments in response to an intervention, inaccuracies in the underlying model cancel out. Changes in tracer distribution between compartments were modeled based on identified kinetic parameters. While changes in bone formation and resorption can, in principle, be assessed by monitoring urinary 41Ca excretion over the first few weeks post-dosing, assessment of an intervention effect is more reliable approximately 150 days post-dosing when excreted tracer originates mainly from bone.

Multi-scale micro-structure generation strategy for up-scaling transport in clays

Clays and claystones are used as backfill and barrier materials in the design of waste repositories, because they act as hydraulic barriers and retain contaminants. Transport through such barriers occurs mainly by molecular diffusion. There is thus an interest to relate the diffusion properties of clays to their structural properties. In previous work, we have developed a concept for up-scaling pore-scale molecular diffusion coefficients using a grid-based model for the sample pore structure. Here we present an operational algorithm which can generate such model pore structures of polymineral materials. The obtained pore maps match the rock’s mineralogical components and its macroscopic properties such as porosity, grain and pore size distributions. Representative ensembles of grains in 2D or 3D are created by a lattice Monte Carlo (MC) method, which minimizes the interfacial energy of grains starting from an initial grain distribution. Pores are generated at grain boundaries and/or within grains. The method is general and allows to generate anisotropic structures with grains of approximately predetermined shapes, or with mixtures of different grain types. A specific focus of this study was on the simulation of clay-like materials. The generated clay pore maps were then used to derive upscaled effective diffusion coefficients for non-sorbing tracers using a homogenization technique. The large number of generated maps allowed to check the relations between micro-structural features of clays and their effective transport parameters, as is required to explain and extrapolate experimental diffusion results. As examples, we present a set of 2D and 3D simulations and investigated the effects of nanopores within particles (interlayer pores) and micropores between particles. Archie’s simple power law is followed in systems with only micropores. When nanopores are present, additional parameters are required; the data reveal that effective diffusion coefficients could be described by a sum of two power functions, related to the micro- and nanoporosity. We further used the model to investigate the relationships between particle orientation and effective transport properties of the sample.

CHARACTERIZATION OF THE COUNT RATE PERFORMANCE AND EVALUATION OF THE EFFECTS OF HIGH COUNT RATES ON MODERN GAMMA CAMERAS

CHARACTERIZATION OF THE COUNT RATE PERFORMANCE AND EVALUATION OF THE EFFECTS OF HIGH COUNT RATES ON MODERN GAMMA CAMERAS Michael Stephen Silosky, B.S. Supervisory Professor: S. Cheenu Kappadath, Ph.D. Evaluation of count rate performance (CRP) is an integral component of gamma camera quality assurance and measurement of system dead time (τ) is important for quantitative SPECT. The CRP of three modern gamma cameras was characterized using established methods (Decay and Dual Source) under a variety of experimental conditions. For the Decay method, input count rate was plotted against observed count rate and fit to the paralyzable detector model (PDM) to estimate τ (Rates method). A novel expression for observed counts as a function of measurement time interval was derived and the observed counts were fit to this expression to estimate τ (Counts method). Correlation and Bland-Altman analysis were performed to assess agreement in estimates of τ between methods. The dependencies of τ on energy window definition and incident energy spectrum were characterized. The Dual Source method was also used to estimate τ and its agreement with the Decay method under identical conditions and the effects of total activity and the ratio of source activities were investigated. Additionally, the effects of count rate on several performance metrics were evaluated. The CRP curves for each system agreed with the PDM at low count rates but deviated substantially at high count rates. Estimates of τ for the paralyzable portion of the CRP curves using the Rates and Counts methods were highly correlated (r=0.999) but with a small (~6%) difference. No significant difference was observed between the highly correlated estimates of τ using the Decay or Dual Source methods under identical experimental conditions (r=0.996). Estimates of τ increased as a power-law function with decreasing ratio of counts in the photopeak to the total counts and linearly with decreasing spectral effective energy. Dual Source method estimates of τ varied as a quadratic with the ratio of the single source to combined source activities and linearly with total activity used across a large range. Image uniformity, spatial resolution, and energy resolution degraded linearly with count rate and image distorting effects were observed. Guidelines for CRP testing and a possible method for the correction of count rate losses for clinical images have been proposed.

Physical properties and sedimentology on core GeoB1510-1

Detailed information about the sediment properties and microstructure can be provided through the analysis of digital ultrasonic P wave seismograms recorded automatically during full waveform core logging. The physical parameter which predominantly affects the elastic wave propagation in water-saturated sediments is the P wave attenuation coefficient. The related sedimentological parameter is the grain size distribution. A set of high-resolution ultrasonic transmission seismograms (ca. 50-500 kHz), which indicate downcore variations in the grain size by their signal shape and frequency content, are presented. Layers of coarse-grained foraminiferal ooze can be identified by highly attenuated P waves, whereas almost unattenuated waves are recorded in fine-grained areas of nannofossil ooze. Color-encoded pixel graphics of the seismograms and instantaneous frequencies present full waveform images of the lithology and attenuation. A modified spectral difference method is introduced to determine the attenuation coefficient and its power law a = kfn. Applied to synthetic seismograms derived using a "constant Q" model, even low attenuation coefficients can be quantified. A downcore analysis gives an attenuation log which ranges from ca. 700 dB/m at 400 kHz and a power of n = 1-2 in coarse-grained sands to few decibels per meter and n ? 0.5 in fine-grained clays. A least squares fit of a second degree polynomial describes the mutual relationship between the mean grain size and the attenuation coefficient. When it is used to predict the mean grain size, an almost perfect coincidence with the values derived from sedimentological measurements is achieved.

Grain size analysis of sediment core GeoB1510-2

Detailed information about the sediment properties and microstructure can be provided through the analysis of digital ultrasonic P wave seismograms recorded automatically during full waveform core logging. The physical parameter which predominantly affects the elastic wave propagation in water-saturated sediments is the P wave attenuation coefficient. The related sedimentological parameter is the grain size distribution. A set of high-resolution ultrasonic transmission seismograms (-50-500 kHz), which indicate downcore variations in the grain size by their signal shape and frequency content, are presented. Layers of coarse-grained foraminiferal ooze can be identified by highly attenuated P waves, whereas almost unattenuated waves are recorded in fine-grained areas of nannofossil ooze. Color -encoded pixel graphics of the seismograms and instantaneous frequencies present full waveform images of the lithology and attenuation. A modified spectral difference method is introduced to determine the attenuation coefficient and its power law a = kF. Applied to synthetic seismograms derived using a "constant Q" model, even low attenuation coefficients can be quantified. A downcore analysis gives an attenuation log which ranges from -700 dB/m at 400 kHz and a power of n=1-2 in coarse-grained sands to few decibels per meter and n :s; 0.5 in fine-grained clays. A least squares fit of a second degree polynomial describes the mutual relationship between the mean grain size and the attenuation coefficient. When it is used to predict the mean grain size, an almost perfect coincidence with the values derived from sedimentological measurements is achieved.

Turbulence models of gravitational clustering.

Large-scale structure formation can be modeled as a nonlinear process that transfers energy from the largest scales to successively smaller scales until it is dissipated, in analogy with Kolmogorov’s cascade model of incompressible turbulence. However, cosmic turbulence is very compressible, and vorticity plays a secondary role in it. The simplest model of cosmic turbulence is the adhesion model, which can be studied perturbatively or adapting to it Kolmogorov’s non-perturbative approach to incompressible turbulence. This approach leads to observationally testable predictions, e.g., to the power-law exponent of the matter density two-point correlation function.

Community Structurein Soil Porous System.

Soil is well recognized as a highly complex system. The interaction and coupled physical, chemical, and biological processes and phenomena occurring in the soil environment at different spatial and temporal scales are the main reasons for such complexity. There is a need for appropriate methodologies to characterize soil porous systems with an interdisciplinary character. Four different real soil samples, presenting different textures, have been modeled as heterogeneous complex networks, applying a model known as the heterogeneous preferential attachment. An analytical study of the degree distributions in the soil model shows a multiscaling behavior in the connectivity degrees, leaving an empirically testable signature of heterogeneity in the topology of soil pore networks. We also show that the power-law scaling in the degree distribution is a robust trait of the soil model. Last, the detection of spatial pore communities, as densely connected groups with only sparser connections between them, has been studied for the first time in these soil networks. Our results show that the presence of these communities depends on the parameter values used to construct the network. These findings could contribute to understanding the mechanisms of the diffusion phenomena in soils, such as gas and water diffusion, development and dynamics of microorganisms, among others.

A non-perturbative Kolmogorov turbulence approach to the cosmic web structure

The Kolmogorov approach to turbulence is applied to the Burgers turbulence in the stochastic adhesion model of large-scale structure formation. As the perturbative approach to this model is unreliable, here a new, non-perturbative approach, based on a suitable formulation of Kolmogorov's scaling laws, is proposed. This approach suggests that the power-law exponent of the matter density two-point correlation function is in the range 1–1.33, but it also suggests that the adhesion model neglects important aspects of the gravitational dynamics.