Fluid-solid interaction in arteries incorporating the autoregulation concept in boundary conditions

In pre-surgery decisions in hospital emergency cases, fast and reliable results of the solid and fluid mechanics problems are of great interest to clinicians. In the current investigation, an iterative process based on a pressure-type boundary condition is proposed in order to reduce the computational costs of blood flow simulations in arteries, without losing control of the important clinical parameters. The incorporation of cardiovascular autoregulation, together with the well-known impedance boundary condition, forms the basis of the proposed methodology. With autoregulation, the instabilities associated with conventional pressure-type or impedance boundary conditions are avoided without an excessive increase in computational costs. The general behaviour of pulsatile blood flow in arteries, which is important from the clinical point of view, is well reproduced through this new methodology. In addition, the interaction between the blood and the arterial walls occurs via a modified weak coupling, which makes the simulation more stable and computationally efficient. Based on in vitro experiments, the hyperelastic behaviour of the wall is characterised and modelled. The applications and benefits of the proposed pressure-type boundary condition are shown in a model of an idealised aortic arch with and without an ascending aorta dissection, which is a common cardiovascular disorder.

Mitochondrial DNA rearrangements of Podospora anserina are under the control of the nuclear gene grisea

Podospora anserina is a filamentous fungus with a limited life span. Life span is controlled by nuclear and extranuclear genetic traits. Herein we report the nature of four alterations in the nuclear gene grisea that lead to an altered morphology, a defect in the formation of female gametangia, and an increased life span. Three sequence changes are located in the 5′ upstream region of the grisea ORF. One mutation is a G → A transition at the 5′ splice site of the single intron of the gene, leading to a RNA splicing defect. This loss-of-function affects the amplification of the first intron of the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I gene (COI) and the specific mitochondrial DNA rearrangements that occur during senescence of wild-type strains. Our results indicate that the nuclear gene grisea is part of a molecular machinery involved in the control of mitochondrial DNA reorganizations. These DNA instabilities accelerate but are not a prerequisite for the aging of P. anserina cultures.

Spectral bifurcations in dispersive wave turbulence

Dispersive wave turbulence is studied numerically for a class of one-dimensional nonlinear wave equations. Both deterministic and random (white noise in time) forcings are studied. Four distinct stable spectra are observed—the direct and inverse cascades of weak turbulence (WT) theory, thermal equilibrium, and a fourth spectrum (MMT; Majda, McLaughlin, Tabak). Each spectrum can describe long-time behavior, and each can be only metastable (with quite diverse lifetimes)—depending on details of nonlinearity, forcing, and dissipation. Cases of a long-live MMT transient state dcaying to a state with WT spectra, and vice-versa, are displayed. In the case of freely decaying turbulence, without forcing, both cascades of weak turbulence are observed. These WT states constitute the clearest and most striking numerical observations of WT spectra to date—over four decades of energy, and three decades of spatial, scales. Numerical experiments that study details of the composition, coexistence, and transition between spectra are then discussed, including: (i) for deterministic forcing, sharp distinctions between focusing and defocusing nonlinearities, including the role of long wavelength instabilities, localized coherent structures, and chaotic behavior; (ii) the role of energy growth in time to monitor the selection of MMT or WT spectra; (iii) a second manifestation of the MMT spectrum as it describes a self-similar evolution of the wave, without temporal averaging; (iv) coherent structures and the evolution of the direct and inverse cascades; and (v) nonlocality (in k-space) in the transferral process.

Potential effects of gas hydrate on human welfare

For almost 30 years. serious interest has been directed toward natural gas hydrate, a crystalline solid composed of water and methane, as a potential (i) energy resource, (ii) factor in global climate change, and (iii) submarine geohazard. Although each of these issues can affect human welfare, only (iii) is considered to be of immediate importance. Assessments of gas hydrate as an energy resource have often been overly optimistic, based in part on its very high methane content and on its worldwide occurrence in continental margins. Although these attributes are attractive, geologic settings, reservoir properties, and phase-equilibria considerations diminish the energy resource potential of natural gas hydrate. The possible role of gas hydrate in global climate change has been often overstated. Although methane is a “greenhouse” gas in the atmosphere, much methane from dissociated gas hydrate may never reach the atmosphere, but rather may be converted to carbon dioxide and sequestered by the hydrosphere/biosphere before reaching the atmosphere. Thus, methane from gas hydrate may have little opportunity to affect global climate change. However, submarine geohazards (such as sediment instabilities and slope failures on local and regional scales, leading to debris flows, slumps, slides, and possible tsunamis) caused by gas-hydrate dissociation are of immediate and increasing importance as humankind moves to exploit seabed resources in ever-deepening waters of coastal oceans. The vulnerability of gas hydrate to temperature and sea level changes enhances the instability of deep-water oceanic sediments, and thus human activities and installations in this setting can be affected.

On the possibility of coherently stimulated recombination and cosmological structure generation: recombination instability.

Possible instabilities during cosmological recombination may produce an epoch of nonlinear density growth and fractal-like structural patterns out to the horizon scale at that epoch (approximately 200 Mpc today). With this motivation, we examine the consequences of the change in effective radiative recombination reaction rate coefficients produced by intense stimulated emission. The proton-electron recombination is considered as a natural laser, leading to the formation of spatially nonuniform distributions of neutral matter earlier than the recombination epoch.

On the possibility of coherently stimulated recombination and cosmological structure generation: cosmological consequences.

Given a specific physical mechanism for instabilities during cosmological recombination discussed in an earlier paper, we examine the nonlinear growth of density structures to form fractal-like structural patterns out to the horizon scale at that epoch (approximately 200 Mpc today). A model for such fractal patterns is presented. Such effects could explain observed large-scale structure patterns and the formation of objects at high z, while keeping microwave background anisotropies at the observed minimal levels. We also discuss possible microwave background implications of such a transition and note a potentially observable spectral signature at lambda approximately 0.18 mm as well as a weak line near the peak in the microwave background.

Investigação do mecanismo cinético da reação de redução de oxigênio em solventes não aquosos

O aumento no consumo energético e a crescente preocupação ambiental frente à emissão de gases poluentes criam um apelo mundial favorável para pesquisas de novas tecnologias não poluentes de fontes de energia. Baterias recarregáveis de lítio-ar em solventes não aquosos possuem uma alta densidade de energia teórica (5200 Wh kg-1), o que as tornam promissoras para aplicação em dispositivos estacionários e em veículos elétricos. Entretanto, muitos problemas relacionados ao cátodo necessitam ser contornados para permitir a aplicação desta tecnologia, por exemplo, a baixa reversibilidade das reações, baixa potência e instabilidades dos materiais empregados nos eletrodos e dos solventes eletrolíticos. Assim, neste trabalho um modelo cinético foi empregado para os dados experimentais de espectroscopia de impedância eletroquímica, para a obtenção das constantes cinéticas das etapas elementares do mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o que permitiu investigar a influência de parâmetros como o tipo e tamanho de partícula do eletrocatalisador, o papel do solvente utilizado na RRO e compreender melhor as reações ocorridas no cátodo dessa bateria. A investigação inicial se deu com a utilização de sistemas menos complexos como uma folha de platina ou eletrodo de carbono vítreo como eletrodos de trabalho em 1,2-dimetoxietano (DME)/perclorato de lítio (LiClO4). A seguir, sistemas complexos com a presença de nanopartículas de carbono favoreceu o processo de adsorção das moléculas de oxigênio e aumentou ligeiramente (uma ordem de magnitude) a etapa de formação de superóxido de lítio (etapa determinante de reação) quando comparada com os eletrodos de platina e carbono vítreo, atribuída à presença dos grupos laterais mediando à transferência eletrônica para as moléculas de oxigênio. No entanto, foi observada uma rápida passivação da superfície eletrocatalítica através da formação de filmes finos de Li2O2 e Li2CO3 aumentando o sobrepotencial da bateria durante a carga (diferença de potencial entre a carga e descarga > 1 V). Adicionalmente, a incorporação das nanopartículas de platina (Ptnp), ao invés da folha de platina, resultou no aumento da constante cinética da etapa determinante da reação em duas ordens de magnitude, o qual pode ser atribuído a uma mudança das propriedades eletrônicas na banda d metálica em função do tamanho nanométrico das partículas, e estas modificações contribuíram para uma melhor eficiência energética quando comparado ao sistema sem a presença de eletrocatalisador. Entretanto, as Ptnp se mostraram não específicas para a RRO, catalisando as reações de degradação do solvente eletrolítico e diminuindo rapidamente a eficiência energética do dispositivo prático, devido ao acúmulo de material no eletrodo. O emprego de líquido iônico como solvente eletrolítico, ao invés de DME, promoveu uma maior estabilização do intermediário superóxido formado na primeira etapa de transferência eletrônica, devido à interação com os cátions do líquido iônico em solução, o qual resultou em um valor de constante cinética da formação do superóxido de três ordens de magnitude maior que o obtido com o mesmo eletrodo de carbono vítreo em DME, além de diminuir as reações de degradação do solvente. Estes fatores podem contribuir para uma maior potência e ciclabilidade da bateria de lítio-ar operando com líquidos iônicos.

Acurácia da seleção simultânea para caracteres de interesse em milho tropical de segunda safra

O milho de segunda safra, também conhecido como milho safrinha, é definido como aquele semeado entre os meses de janeiro e março. Esta modalidade de cultivo atingiu no ano agrícola de 2013/2014 uma área plantada de 9,18 milhões de hectares, superior a área cultivada com milho primeira safra, que no mesmo período foi de 6,61 milhões de hectares. Na segunda safra, há alto risco de instabilidades climáticas, principalmente em decorrência de baixas temperaturas, geadas, má distribuição de chuvas e redução do fotoperíodo. Todos estes fatores prejudicam a atividade fotossintética do milho, reduzindo sua produtividade. No entanto, dada a importância deste cultivo, empresas públicas, privadas e universidades vêm buscando incrementar a produtividade e a estabilidade. Para isso, alguns caracteres são especialmente preconizados. Devido ao alto risco de perda por adversidades ambientais, muitos produtores investem pouco em adubação, principalmente adubação nitrogenada. Neste contexto, o desenvolvimento de plantas mais eficientes no uso e, ou, tolerantes ao estresse por nitrogênio, resultaria em maior segurança para o produtor. Não obstante, a precocidade tem elevada importância, já que materiais precoces reduzem o risco de perdas neste período. No entanto, a mesma deve estar sempre associada a alta produtividade. Assim, para a seleção simultânea destes caracteres, pode-se lançar mão de índices per se de resposta das plantas ao estresse, análises gráficas e, ou, índices de seleção simultânea. Adicionalmente, os valores genotípicos das linhagens para essas características, além de serem preditos via REML/BLUP single-trait (análise univariada), também podem ser preditos via REML/BLUP multi-trait (análise multivariada). Dessa forma, os valores genotípicos são corrigidos pela covariância existente entre os caracteres. Assim, o objetivo deste trabalho foi verificar a possibilidade de seleção simultânea para eficiência no uso e tolerância ao estresse por nitrogênio, além de plantas precoces e produtivas. Para isto, linhagens de milho tropical foram cultivadas e avaliadas para estes caracteres. Foram então simulados diversos cenários de seleção simultânea. A partir destes resultados, observou-se que o índice per se de resposta das plantas ao estresse Média Harmônica da Performance Relativa (MHPR) foi o mais eficiente na seleção de plantas eficientes no uso e tolerantes ao estresse por nitrogênio. Isto ocorreu devido a forte correlação desfavorável entre os índices que estimam a eficiência e a tolerância, além da superioridade e em acurácia, herdabilidade e ganhos com a seleção deste índice per se. Já para a seleção simultânea da produtividade e precocidade, o índice Aditivo de seleção simultânea, utilizando os valores genotípicos preditos via REML/BLUP single-trait se mostrou o mais eficiente, já que obteve ganhos satisfatórios em todos os caracteres e há a possibilidade de modular, de forma mais satisfatória, os ganhos em cada caractere. Conclui-se que a seleção simultânea tanto para eficiência no uso e tolerância ao estresse por nitrogênio, quanto para produtividade e precocidade são possíveis. Além disso, a escolha do melhor método de seleção simultânea depende da magnitude e do sentido da correlação entre os caracteres.

Instabilidades MHD no Tokamak TCABR

Este trabalho descreve o estudo das instabilidades magneto-hidro-dinâmicas (MHD) comumente observadas nas descargas elétricas de plasma no tokamak TCABR, do Instituto de Física da USP. Dois diagnósticos principais foram empregados para observar essas instabilidades: um conjunto poloidal de 24 bobinas magnéticas (bobinas de Mirnov) colocadas próximas à borda do plasma e um medidor de emissões na faixa do Ultra Violeta e de raios X moles com 20 canais (sistema SXR), cujo circuito de condicionamento de sinais foi aprimorado como parte deste trabalho. Esses diagnósticos foram escolhidos porque fornecem informações complementares, uma vez que o sistema SXR observa a parte central da coluna de plasma, enquanto as bobinas de Mirnov detectam as instabilidades MHD na região mais externa da coluna. As informações coletadas por esses diagnósticos foram submetidas à análise espectral com resolução temporal e espacial, possibilitando determinar a evolução das características espectrais e espaciais das instabilidades MHD observadas. Essas análises revelaram que durante a etapa inicial da formação do plasma (quando a corrente de plasma ainda está aumentando) ilhas magnéticas com números de onda decrescente, identificadas como sendo modos kink de borda, são detectadas nas bobinas de Mirnov. Após a formação do plasma, quando os parâmetros de equilíbrio estão relativamente estáveis (platô), oscilações são detectadas tanto nas bobinas de Mirnov quanto no sistema de SXR, indicando a presença de instabilidades MHD em toda a coluna de plasma. Em geral as oscilações medidas nas bobinas de Mirnov tem baixa amplitude e correspondem a pequenas ilhas magnéticas que foram identificadas como sendo modos de ruptura (modos tearing). Por outro lado, as instabilidades na região central foram identificadas como dentes de serra, que correspondem a relaxações periódicas da região interna à superfície magnética com fator de segurança q=1 e que são acompanhadas de oscilações precursoras, cuja amplitude depende da fase do ciclo de relaxação. Devido à essa modulação de amplitude, aparecem picos de frequência satélite nos espectrogramas dos sinais do SXR. Além disso, devido ao fato dos ciclos de relaxação não serem sinusoidais, os harmônicos da frequência de relaxação também aparecem nesses espectrogramas. No entanto, em muitas descargas do TCABR, a intensidade das oscilações medidas nas bobinas de Mirnov aumentam significativamente durante o platô, com efeitos sobre a frequência de todas as instabilidades MHD, até mesmo sobre os dentes de serra localizados na região central da coluna. Em todos os casos, observou-se que durante o platô a frequência das ilhas magnéticas coincide com a frequência das oscilações precursoras do dente de serra, apesar de serem duas instabilidades distintas, localizadas em posições radiais muito diferentes. Essa coincidência de frequências possibilitou descrever a evolução em frequência de todas as oscilações detectadas em diversos diagnósticos com base em apenas duas frequências básicas: a dos ciclos de relaxação dente de serra e a das ilhas magnéticas.

Aplicação de mapas auto-organizáveis na classificação de padrões de escoamento bifásico

O escoamento bifásico de gás-líquido é encontrado em muitos circuitos fechados que utilizam circulação natural para fins de resfriamento. O fenômeno da circulação natural é importante nos recentes projetos de centrais nucleares para a remoção de calor. O circuito de circulação natural (Circuito de Circulação Natural - CCN), instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN / CNEN, é um circuito experimento concebido para fornecer dados termo-hidráulicos relacionados com escoamento monofásico ou bifásico em condições de circulação natural. A estimativa de transferência de calor tem sido melhorada com base em modelos que requerem uma previsão precisa de transições de padrão de escoamento. Este trabalho apresenta testes experimentais desenvolvidos no CCN para a visualização dos fenômenos de instabilidade em ciclos de circulação natural básica e classificar os padrões de escoamento bifásico associados aos transientes e instabilidades estáticas de escoamento. As imagens são comparadas e agrupadas utilizando mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), aplicados em diferentes características da imagem digital. Coeficientes da Transformada Discreta de Cossenos de Quadro Completo (FFDCT) foram utilizados como entrada para a tarefa de classificação, levando a bons resultados. Os protótipos de FFDCT obtidos podem ser associados a cada padrão de escoamento possibilitando uma melhor compreensão da instabilidade observada. Uma metodologia sistemática foi utilizada para verificar a robustez do método.

CANDELS: The progenitors of compact quiescent galaxies at z ~ 2

We combine high-resolution Hubble Space Telescope/WFC3 images with multi-wavelength photometry to track the evolution of structure and activity of massive (M_*> 10^10 M_☉) galaxies at redshifts z = 1.4-3 in two fields of the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey. We detect compact, star-forming galaxies (cSFGs) whose number densities, masses, sizes, and star formation rates (SFRs) qualify them as likely progenitors of compact, quiescent, massive galaxies (cQGs) at z = 1.5-3. At z≲2, cSFGs present SFR = 100-200 M_☉ yr^–1, yet their specific star formation rates (sSFR ~ 10^–9 yr^–1) are typically half that of other massive SFGs at the same epoch, and host X-ray luminous active galactic nuclei (AGNs) 30 times (~30%) more frequently. These properties suggest that cSFGs are formed by gas-rich processes (mergers or disk-instabilities) that induce a compact starburst and feed an AGN, which, in turn, quench the star formation on dynamical timescales (few 10^8 yr). The cSFGs are continuously being formed at z = 2-3 and fade to cQGs down to z ~ 1.5. After this epoch, cSFGs are rare, thereby truncating the formation of new cQGs. Meanwhile, down to z = 1, existing cQGs continue to enlarge to match local QGs in size, while less-gas-rich mergers and other secular mechanisms shepherd (larger) SFGs as later arrivals to the red sequence. In summary, we propose two evolutionary tracks of QG formation: an early (z≲2), formation path of rapidly quenched cSFGs fading into cQGs that later enlarge within the quiescent phase, and a late-arrival (z≳2) path in which larger SFGs form extended QGs without passing through a compact state.

On the nature of candidate luminous blue variables in M 33

Context. Luminous blue variables (LBVs) are a class of highly unstable stars that have been proposed to play a critical role in massive stellar evolution as well as being the progenitors of some of the most luminous supernovae known. However the physical processes underlying their characteristic instabilities are currently unknown. Aims. In order to provide observational constraints on this behaviour we have initiated a pilot study of the population of (candidate) LBVs in the Local Group galaxy M 33. Methods. To accomplish this we have obtained new spectra of 18 examples within M 33. These provide a baseline of ≥ 4 yr with respect to previous observations, which is well suited to identifying LBV outbursts. We also employed existing multi-epoch optical and mid-IR surveys of M 33 to further constrain the variability of the sample and search for the presence of dusty ejecta. Results. Combining the datasets reveals that spectroscopic and photometric variability appears common, although in the majority of cases further observations will be needed to distinguish between an origin for this behavour in short lived stochastic wind structure and low level photospheric pulsations or coherent long term LBV excursions. Of the known LBVs we report a hitherto unidentified excursion of M 33 Var C between 2001-5, while the transition of the WNLh star B517 to a cooler B supergiant phase between 1993−2010 implies an LBV classification. Proof-of-concept quantitative model atmosphere analysis is provided for Romano’s star; the resultant stellar parameters being consistent with the finding that the LBV excursions of this star are accompanied by changes in bolometric luminosity. The combination of temperature and luminosity of two stars, the BHG [HS80] 110A and the cool hypergiant B324, appear to be in violation of the empirical Humphreys-Davidson limit. Mid-IR observations demonstrate that a number of candidates appear associated with hot circumstellar dust, although no objects as extreme as η Car are identified. The combined dataset suggests that the criteria employed to identify candidate LBVs results in a heterogeneous sample, also containing stars demonstrating the B[e] phenomenon. Of these, a subset of optically faint, low luminosity stars associated with hot dust are of particular interest since they appear similar to the likely progenitor of SN 2008S and the 2008 NGC 300 transient (albeit suffering less intrinsic extinction). Conclusions. The results of such a multiwavelength observational approach, employing multiplexing spectrographs and supplemented with quantitative model atmosphere analysis, appears to show considerable promise in both identifying and characterising the physical properties of LBVs as well as other short lived phases of massive stellar evolution.

Applying reactive models to column experiments to assess the hydrogeochemistry of seawater intrusion: optimising ACUAINTRUSION and selecting cation exchange coefficients with PHREEQC

Three sets of laboratory column experimental results concerning the hydrogeochemistry of seawater intrusion have been modelled using two codes: ACUAINTRUSION (Chemical Engineering Department, University of Alicante) and PHREEQC (U.S.G.S.). These reactive models utilise the hydrodynamic parameters determined using the ACUAINTRUSION TRANSPORT software and fit the chloride breakthrough curves perfectly. The ACUAINTRUSION code was improved, and the instabilities were studied relative to the discretisation. The relative square errors were obtained using different combinations of the spatial and temporal steps: the global error for the total experimental data and the partial error for each element. Good simulations for the three experiments were obtained using the ACUAINTRUSION software with slight variations in the selectivity coefficients for both sediments determined in batch experiments with fresh water. The cation exchange parameters included in ACUAINTRUSION are those reported by the Gapon convention with modified exponents for the Ca/Mg exchange. PHREEQC simulations performed using the Gains-Thomas convention were unsatisfactory, with the exchange coefficients from the database of PHREEQC (or range), but those determined with fresh water – natural sediment allowed only an approximation to be obtained. For the treated sediment, the adjusted exchange coefficients were determined to improve the simulation and are vastly different from those from the database of PHREEQC or batch experiment values; however, these values fall in an order similar to the others determined under dynamic conditions. Different cation concentrations were simulated using two different software packages; this disparity could be attributed to the defined selectivity coefficients that affect the gypsum equilibrium. Consequently, different calculated sulphate concentrations are obtained using each type of software; a smaller mismatch was predicted using ACUAINTRUSION. In general, the presented simulations by ACUAINTRUSION and PHREEQC produced similar results, making predictions consistent with the experimental data. However, the simulated results are not identical to the experimental data; sulphate (total S) is overpredicted by both models, most likely due to such factors as the kinetics of gypsum, the possible variations in the exchange coefficients due to salinity and the neglect of other processes.

Characterization of the instability mechanisms affecting slopes on carbonatic Flysch: Alicante (SE Spain), case study

The studied Flysch sequence of Alicante occupies a widely populated area crossed by main communication routes. The slopes existing on this area usually suffer slope instabilities that cause substantial damage and a very high maintenance cost. In order to assess the type of instability mechanisms affecting these heterogeneous carbonatic slopes, in this paper a wide inventory of 194 Flysch rock slopes has been performed, reporting the existing lithologies, their competence and their relative arrangement and the geometrical relationship between bedding and the slope and the associated instability mechanism. All these data have been jointly used for performing an instability mechanisms characterization. For systematically characterizing the wide type of complex rock exposures existing in the study area, they are divided into basic units referred as lithological pattern columns to which the different observed instability mechanisms are associated. Inventoried instability mechanisms are diverse and sometimes are combined with each other. Rockfalls are a very common instability mechanism associated to the differential weathering and sapping of the marly lithologies which are present in a wide number of geometrical combinations. The other instability mechanisms closely depend on the combination of the geometrical and lithological parameters. Therefore, this work provides a new basic tool which can be easily used during preliminary project stages for knowing the instability mechanisms which can affect rock slopes excavated on carbonatic Flysch heterogeneous geological formations.

Seismically-induced landslides by a low-magnitude earthquake: The Mw 4.7 Ossa De Montiel event (central Spain)

The Ossa de Montiel (2015/02/23, Mw 4.7) earthquake struck the central part of Spain and was felt far from the epicenter (> 300 km). Even though ground shaking was slight (Imax = V, EMS-98 scale), the earthquake triggered many small rock falls, most at distances of 20–30 km from the epicenter, greater than previously recorded in S Spain (16 km) for earthquakes of similar magnitudes. The comparative analysis of available data for this event with records from other quakes of the Betic cordillera (S and SE Spain) seems to indicate a slower pattern of ground-motion attenuation in central Spain. This could explain why slope instabilities occurred at larger distances. Instability was more frequent, and occurred at larger distances, in road cuts than in natural slopes, implying that such slope types are highly susceptible to seismically induced landslides.