Aircraft and satellite derived arctic BrO profiles of the tropospheric column

We derive tropospheric column BrO during the ARCTAS and ARCPAC field campaigns in spring 2008 using retrievals of total column BrO from the satellite UV nadir sensors OMI and GOME-2 using a radiative transfer model and stratospheric column BrO from a photochemical simulation. We conduct a comprehensive comparison of satellite-derived tropospheric BrO column to aircraft in-situ observations of BrO and related species. The aircraft profiles reveal that tropospheric BrO, when present during April 2008, was distributed over a broad range of altitudes rather than being confined to the planetary boundary layer (PBL). Perturbations to the total column resulting from tropospheric BrO are the same magnitude as perturbations due to longitudinal variations in the stratospheric component, so proper accounting of the stratospheric signal is essential for accurate determination of satellite-derived tropospheric BrO. We find reasonably good agreement between satellite-derived tropospheric BrO and columns found using aircraft in-situ BrO profiles, particularly when satellite radiances were obtained over bright surfaces (albedo >0.7), for solar zenith angle <80° and clear sky conditions. The rapid activation of BrO due to surface processes (the bromine explosion) is apparent in both the OMI and GOME-2 based tropospheric columns. The wide orbital swath of OMI allows examination of the evolution of tropospheric BrO on about hourly time intervals near the pole. Low surface pressure, strong wind, and high PBL height are associated with an observed BrO activation event, supporting the notion of bromine activation by high winds over snow.

Metallic Fluence Monitors and J-value standards

Utilizing the neutron-irradiation parameter J is one of the major uncertainties in 40Ar/39Ar dating. The associated error of the individual J-value for a sample of unknown age depends on the accuracy of the age of the geological standards, the fast-neutron fluence distribution in the reactor and the distances between standards and samples during irradiation. While it is generally assumed that rotating irradiation evens out radial neutron fluence gradients, we observed axial and radial variations of the J-values in sample irradiations in the rotating channels of two reactors. To quantify them, we included three-dimensionally distributed metallic fast- (Ni) and thermal- (Co) neutron fluence monitors in three irradiations and geological age standards in three more. Two irradiations were carried out under Cd-shielding in the FRG1 reactor in Geesthacht, Germany, and four without Cd-shielding in the LVR-15 reactor in Rez, Czech Republic. The 58Ni(nf,p)58Co activation reaction and ?-spectrometry of the 811 keV peak associated with the subsequent decay of 58Co to 58Fe allow to calculate the fast-neutron fluence. The fast-neutron fluences at known positions in the irradiation container correlate with the J-values determined by mass-spectrometric 40Ar/39Ar measurements of the geological age standards. Ra-dial neutron fluence gradients are up to 1.8 %/cm in FRG1 and up to 2.2 %/cm in LVR-15; the corre-sponding axial gradients are up to 5.9 and 2.1 %/cm. We conclude that sample rotation might not al-ways suffice to meet the needs of high-precision dating and gradient monitoring can be crucial.

Beryllium-10 and aluminium-26 concentration and production rates in glacial deposits from the Quartermain Mountains

Many glacial deposits in the Quartermain Mountains, Antarctica present two apparent contradictions regarding the degradation of unconsolidated deposits. The glacial deposits are up to millions of years old, yet they have maintained their meter-scale morphology despite the fact that bedrock and regolith erosion rates in the Quartermain Mountains have been measured at 0.1-4.0 m/Ma. Additionally, ground ice persists in some Miocene-aged soils in the Quartermain Mountains even though modeled and measured sublimation rates of ice in Antarctic soils suggest that without any recharge mechanisms ground ice should sublimate in the upper few meters of soil on the order of 10**3 to 10**5 years. This paper presents results from using the concentration of cosmogenic nuclides beryllium-10 (10Be) and aluminum-26 (26Al) in bulk sediment samples from depth profiles of three glacial deposits in the Quartermain Mountains. The measured nuclide concentrations are lower than expected for the known ages of the deposits, erosion alone does not always explain these concentrations, and deflation of the tills by the sublimation of ice coupled with erosion of the overlying till can explain some of the nuclide concentration profiles. The degradation rates that best match the data range 0.7-12 m/Ma for sublimation of ice with initial debris concentrations ranging 12-45% and erosion of the overlying till at rates of 0.4-1.2 m/Ma. Overturning of the tills by cryoturbation, vertical mixing, or soil creep is not indicated by the cosmogenic nuclide profiles, and degradation appears to be limited to within a few centimeters of the surface. Erosion of these tills without vertical mixing may partially explain how some glacial deposits in the Quartermain Mountains maintain their morphology and contain ground ice close to the surface for millions of years.

Theory of a probe in a strong magnetic field

An asymptotic analysis of the Langmuir-probe problem in a quiescent, fully ionized plasma in a strong magnetic field is performed, for electron cyclotron radius and Debye length much smaller than probe radius, and this not larger than either ion cyclotron radius or mean free path. It is found that the electric potential, which is not confined to a sheath, controls the diffusion far from the probe; inside the magnetic tube bounded by the probe cross section the potential overshoots to a large value before decaying to its value in the body of the plasma. The electron current is independent of the shape of the body along the field and increases with ion temperature; due to the overshoot in the potential, (1) the current at negative voltages does not vary exponentially, (2) its magnitude is strongly reduced by the field, and (3) the usual sharp knee at space potential, disappears. In the regions of the C-V diagram studied the ion current is negligible or unaffected by the field. Some numerical results are presented.The theory, which fails beyond certain positive voltage, fields useful results for weak fields, too.

Far wake structure in rarefied plasma flows past charged bodies

The asymptotic structure of the far-wake behind a charged body in a rarefied plasma flow is investigated under the assumption of small ion-to-electron temperature ratio and of flow speed hypersonic with respect to the ions but not with respect to the electrons. It is found that waves are excited even if the flow is subacoustic (flow velocity less than the ion-acoustic speed). For both superacoustic and subacoustic velocities a steep wave front develops separating the weakly perturbed, quasineutral plasma ahead, from the region behind where ion waves appear. Near the axis a trailing front develops;the region between this and the axis is quasineutral for superacoustic speeds. The decay laws in all of these regions, the self-similar structure of the fronts and the general character of the waves are determined.The damping of the waves and special flow detail for bodies large and small compared with the Debye length are discussed. A nonlinear analysis of the leading wave front in superacoustic flow is carried out. A hyperacoustic equivalence principle is presented.

Ion-temperature-sensitive effect in transient langmuir probe response

A theory is presented for a method, recently proposed by Hester and Sonin, of determining the ion temperature in a plasma by measuring the transient current to a cylindrical Langmuir probe after applying a potential Vp{ — eVpy>KTe) under conditions where collection is collision free and the ratio of probe radius to Debye length is small. The ion component of the current does not approach its final steady-state value monotonicalfy, but exhibits a strong, ion-temperature-dependent overshoot in the first few ion-plasma periods following the biasing of the probe. Analytical formulas are derived for the case of a Maxwellian plasma, and convenient graphical results are presented. The possible masking of the overshoot by a transient displacement current is discussed; it is shown how to avoid such displacement effects. For the overshoot to be sensitive to the ion temperature T the probe must be near plasma (zero) potential before applying V1,(eVp~<0.lKTe, VP~ being that initial potential); this is not a drawback of the method, but, on the contrary, it can be used to accurately determine plasma potential along with T.

End effect in Langimur probe reponse under ionospheric satellite conditions

A theory is presented for an end effect in the current response of a highly negative, cylindrical Langmuir probe in a collisionless plasma flow. Under conditions where the ratio of probe radius to debye length is small and the ion-acoustic Mach number is large, the current exhibits a strong peak when the probe axis is brought into alignment with the flow direction. Closed formulas are given for the maximum and angular half-width of the peak, and universal graphical results are presented for the entire peak structure. The theory shows very good agreement with experimental data. The use of the end effect for diagnostic purposes, in particular, for the determination of the ion temperature, is discussed.

The orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes

An asymptotic analysis of electron collection at high bias Fp serves to determine the domain of validity of the orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes, which is basic for the workings of conductive bare tethers. The radius of a wire collecting OML current in an unmagnetized plasma at rest cannot exceed a value, Rmax , which is found to exhibit a minimum as a function of Fp ; atFp values of interest, Rmax is already increasing and is larger than the electron Debye length lDe . The breakdown of the regime relates to conditions far fromthe probe, at electron energies comparable to the ion thermal energy, kTi ; Rmax is found to increase with Ti . It is also found that ~1! the maximumwidth of a thin tape, if used instead of a wire, is 4Rmax ; ~2! the electron thermal gyroradius must be larger than both R and lDe for magnetic effects to be negligible; and ~3! conditions applying to the tether case are such that trapped-orbit effects are negligible.

Cylindrical Langmuir probes beyond the orbital-motion-limited regime

The current I to a cylindrical probe at rest in an unmagnetized plasma, with probe bias highly positive, is determined. The way I lags behind the orbital-motion-limited OMLcurrent, 1 OML R, as the radius R exceeds the maximum radius for the OML regime to hold, is of interest for space-tether applications. The ratio I/I OML is roughly a decreasing function of R/lD R max /lDe , which is independent of bias, with lDe the electron Debye length and Rmax /l De roughly an increasing function of the temperature ratio, Ti /Te. The dependence of current on ion energy is used to discuss the effect of probe motion through the plasma, a case applying to tethers in low orbit.

A new basic effect in retarding potential analyzers

The Retarding Potential Analyzer (RPA) is the standard instrument for in situ measurement of ion temperature and other ionospheric parameters. The fraction of incoming ions rejected by a RPA produces perturbations that reach well ahead of a thin Debye sheath, a feature common to all collisionless, hypersonic flows past ion-rejecting bodies. This phenomenon is here found to result in a correction to Whipple’s classical law for the current characteristic of an ideal RPA sheath thin; inverse ram ion Mach number M-1, and ram angle of RPA aperture u, small or moderately small.

Análisis de la aplicación de Soldadura de acero de calidad "A" mediante láser de Neodimio-YAG en construcción naval

El proceso de soldadura por láser desarrollado en los últimos años ha puesto de manifiesto las posibilidades de aplicación de esta tecnología en diferentes sectores productivos, principalmente en la industria automovilística, en la cual se han demostrado sus ventajas en términos de productividad, eficiencia y calidad. El uso de la tecnología láser, ya sea híbrida o pura, reduce el input térmico al limitar la zona afectada por el calor, sin crear deformaciones y, por tanto, disminuye los re-trabajos post-soldadura necesarios para eliminarlas. Asimismo, se aumenta la velocidad de soldadura, incrementando la productividad y calidad de las uniones. En la última década, el uso de láseres híbridos, (láser + arco) de gran potencia de Neodimio YAG, (Nd: YAG) ha sido cada vez más importante. La instalación de este tipo de fuentes de láser sólido de gran potencia ha sido posible en construcción naval debido a sus ventajas con respecto a las instalaciones de láser de C02 existentes en los astilleros que actualmente utilizan esta tecnología. Los láseres de C02 están caracterizados por su gran potencia y la transmisión del haz a través de espejos. En el caso de las fuentes de Nd:YAG, debido a la longitud de onda a la cual se genera el haz láser, su transmisión pueden ser realizada a través de fibra óptica , haciendo posible la utilización del cabezal láser a gran distancia de la fuente, aparte de la alternativa de integrar el cabezal en unidades robotizadas. El proceso láser distribuye el calor aportado de manera uniforme. Las características mecánicas de dichas uniones ponen de manifiesto la adecuación de la soldadura por láser para su uso en construcción naval, cumpliendo los requerimientos exigidos por las Sociedades de Clasificación. La eficiencia energética de los láseres de C02, con porcentajes superiores al 20%, aparte de las ya estudiadas técnicas de su instalación constituyen las razones por las cuales este tipo de láser es el más usado en el ámbito industrial. El láser de gran potencia de Nd: YAG está presente en el mercado desde hace poco tiempo, y por tanto, su precio es relativamente mayor que el de C02, siendo sus costes de mantenimiento, tanto de lámparas como de diodos necesarios para el bombeo del sólido, igualmente mayores que en el caso del C02. En cambio, el efecto de absorción de parte de la energía en el plasma generado durante el proceso no se produce en el caso del láser de Nd: YAG, utilizando parte de esa energía en estabilizar el arco, siendo necesaria menos potencia de la fuente, reduciendo el coste de la inversión. En función de la aplicación industrial, se deberá realizar el análisis de viabilidad económica correspondiente. Dependiendo de la potencia de la fuente y del tipo de láser utilizado, y por tanto de la longitud de onda a la que se propaga la radiación electromagnética, pueden existen riesgos para la salud. El láser de neodimio se propaga en una longitud de onda, relativamente cercana al rango visible, en la cual se pueden producir daños en los ojos de los operadores. Se deberán establecer las medidas preventivas para evitar los riesgos a los que están expuestos dichos operadores en la utilización de este tipo de energía. La utilización del láser de neodimio: YAG ofrece posibilidades de utilización en construcción naval económicamente rentables, debido su productividad y las buenas características mecánicas de las uniones. Abstract The laser welding process development of the last years shows broad application possibilities in many sectors of industry, mostly in automobile production. The advantages of the laser beam process produce higher productivity, increasing the quality and thermal efficiency. Laser technology, arc-hybrid or pure laser welding, reduces thermal input and thus a smaller heat-affected zone at the work piece. This means less weldment distortion which reduces the amount of subsequent post-weld straightening work that needs to be done. A higher welding speed is achieved by use of the arc and the laser beam, increasing productivity and quality of the joining process. In the last decade use of hybrid technology (laser-GMA hybrid method) with high power sources Nd:YAG lasers, gained in importance. The installation of this type of higher power solid state laser is possible in shipbuilding industrial applications due to its advantages compare with the C02 laser sources installed in the shipyards which use this technology. C02 lasers are characterised by high power output and its beam guidance is via inelastic system of mirrors. In the case of Nd:YAG laser, due to its wavelength, the laser beam can be led by means of a flexible optical fibre even across large distances, which allows three dimensional welding jobs by using of robots. Laser beam welding is a process during which the heat is transferred to the welded material uniformly and the features of the process fulfilled the requirements by Classification Societies. So that, its application to the shipbuilding industry should be possible. The high quantum efficiency of C02 laser, which enabled efficiency factors up to 20%, and relative simple technical possibilities of implementation are the reasons for the fact that it is the most important laser in industrial material machining. High power Nd: YAG laser is established on the market since short time, so that its price is relatively high compared with the C02 laser source and its maintenance cost, lamp or diode pumped solid state laser, is also higher than in the case of C02 lasers. Nevertheless effect of plasma shielding does not exist with Nd:YAG lasers, so that for the gas-shielding welding process the optimal gases can be used regarding arc stability, thus power source are saved and the costs can be optimised. Each industrial application carried out needs its cost efficiency analysis. Depending on the power output and laser type, the dangerousness of reflected irradiation, which even in some meters distance, affects for the healthy operators. For the YAG laser process safety arrangements must be set up in order to avoid the laser radiation being absorbed by the human eye. Due to its wavelength of radiation, being relatively close to the visible range, severe damage to the retina of the eye is possible if sufficient precautions are not taken. Safety aspects are of vital importance to be able to shield the operator as well as other personal. The use of Nd:YAG lasers offers interesting and economically attractive applications in shipbuilding industry. Higher joining rates are possible, and very good mechanical/technological parameters can be achieved.

Comportamiento estructural de tuberías forzadas y blindajes en saltos hidroeléctricos : propuestas de diseño y cálculo

En los últimos años ha aumentado el interés en el desarrollo de proyectos en el ámbito de las centrales hidroeléctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales están diseñadas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva túneles de gran diámetro y alta presión y a menudo son esquemas subterráneos. Por ello, los estudios relativos a revestimientos de túneles en presión y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una mayor relevancia. En las décadas de los 60 y 70 se realizó una importante labor de investigación coincidiendo con el desarrollo hidroeléctrico en Europa y Norteamérica, que sin embargo ha quedado sin continuidad hasta esta década, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo de nuevos proyectos hidroeléctricos de gran magnitud. La adecuación de los métodos de cálculo de blindajes supone una herramienta imprescindible en el correcto desarrollo técnico de los nuevos proyectos hidroeléctricos, así como para la evaluación de la seguridad de los saltos hidroeléctricos existentes en operación. En la presente Tesis se realiza un análisis del comportamiento estructural de las galerías en presión de saltos hidroeléctricos, así como una discusión y revisión de los métodos de cálculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos: •Descripción y comparación de las formulaciones existentes para el cálculo de blindajes tanto a presión exterior como interior. •Aplicación del Método de Elementos Finitos para la modelización y cálculo resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presión exterior. •Análisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un blindaje sometido a presión exterior. Discusión sobre el comportamiento de blindajes con rigidizadores. Estudio paramétrico de la capacidad resistente y de la estabilidad de los blindajes con rigidizadores. •Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector. •Detalles constructivos y de durabilidad de las galerías en presión. •Desarrollo de una metodología para el cálculo de blindajes y tuberías forzadas a fatiga derivada de las variaciones de presión de la conducción. •Análisis de un caso real de una tubería forzada sometida a procesos de variación de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga. El cálculo de blindajes en galerías forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y que no permiten la definición del problema con exactitud, tales como las características del macizo rocoso y su permeabilidad, la determinación del nivel freático, la holgura existente entre el blindaje y el revestimiento del trasdós y sus posibles defectos geométricos. Por estas incertidumbres, el cálculo de blindajes supone una materia compleja y que debe ser abordada desde la cautela y el análisis de otros trabajos y/o análisis realizados con anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un análisis de sensibilidad de los diversos parámetros que intervienen en el cálculo. En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de cálculo de blindajes de galerías forzadas sometidas a presión interior y exterior; se ha constatado que existe una gran diversidad y que de su aplicación no se llega a resultados concluyentes. Las formulaciones clásicas utilizadas en el cálculo de blindajes lisos y con rigidizadores sometidos a presión exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de aplicación general. Además, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un sobredimensionamiento del blindaje en otros casos. En las formulaciones tradicionales de diseño se han tenido en cuenta como imperfecciones la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de espesores reducidos en zonas de corrosión. En el caso práctico analizado sometido a presión exterior, se ha comprobado el funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos se obtienen presiones más bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los rigidizadores se habría obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector. Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presión debidas a la regulación secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobación de tuberías forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga. Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuberías forzadas de una central reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulación secundaria. Se ha concluido, como en otros casos analizados en la bibliografía, que las pulsaciones derivadas de la regulación secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero. Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variación importante de la presión en la conducción. Sin embargo, el moderado número de ciclos permite asegurar la integridad de la tubería frente a fenómenos de fatiga. Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios), and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about penstocks and in particular those related to steel liners. During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade. The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing hydroelectric power plants in operation. In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectric schemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are included. In particular, the following issues have been considered: •Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to both external and internal pressure. •Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure. •Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to external pressure. •A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of liner with stiffeners. •Constructive aspects and durability of pressure galleries. •Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners sue to pressure changes. •Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of its safety against fatigue. The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability, the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of the backfill, the geometric imperfections... Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various parameters involved in the calculation should be performed. In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does not lead to conclusive results. The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield both conservative and non-conservative results in large ranges of application. Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by thickness loss in corroded areas. In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter, welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener. Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue processes. Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II, Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to account for fatigue of steel. Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the penstock against fatigue phenomena.

Efecto de extremo en la respuesta de una sonda cilíndrica de Langmuir

Tanto en plasmas de laboratorio como en la ionosfera, se ha observado recientemente un fenómeno nuevo en la respuesta de una sonda cilindrica de Langmuir que se mueve en un plasma rarificado. Bajo condiciones tales que: a) el potencial de la sonda respecto al plasma sea muy negativo; b)su velocidad sea mucho mayor que la velocidad de las ondas iono-acústicas del plasma; y c) la longitud de Debye sea grande comparada con el radio de la sonda pero pequeña con respecto a su longitud, la corriente eléctrica registrada por aquella muestra un máximo muy agudo cuando el ángulo entre la dirección del movimiento y el eje de la sonda pasa por cero. En la presente tesis se desarrolla una teoría de este fenómeno, la cual conduce a una expresión analítica para la corriente eléctrica recogida por la sonda; se obtienen fórmuías sencillas para la altura y semiancliura del máximo de la corriente y resultados gráficos universales para la estructura de dicho máximo. La teoría está en muy buen acuerdo con los datos experimentales existentes.Se muestra cómo puede hacerse uso del efecto en la corriente para medir las variables de estado en los plasmas, y en particular para la medida de la temperatura iónica.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Electrostatic plasma instabilities excited by a high-frequency electric field. AT(30-1)-1238-MATT-669

An analysis of the electrostatic plasma instabilities excited by the application of a strong, uniform, alternating electric field is made on the basis of the Vlasov equation. A very general dispersion relation is obtained and discussed. Under the assumption W 2 O » C 2 pi. (where wO is the applied frequency and wpi the ion plasma frequency) a detailed analysis is given for wavelengths of the order of or large compared with the Debye length. It is found that there are two types of instabilities: resonant (or parametric) and nonresonant. The second is caused by the relative streaming of ions and electrons, generated by the field; it seems to exist only if wO is less than the electron plasma frequency wpe. The instability only appears if the field exceeds a certain threshold, which is found.