Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

New Advancements of Scalable Statistical Methods for Learning Latent Structures in Big Data

Constant technology advances have caused data explosion in recent years. Accord- ingly modern statistical and machine learning methods must be adapted to deal with complex and heterogeneous data types. This phenomenon is particularly true for an- alyzing biological data. For example DNA sequence data can be viewed as categorical variables with each nucleotide taking four different categories. The gene expression data, depending on the quantitative technology, could be continuous numbers or counts. With the advancement of high-throughput technology, the abundance of such data becomes unprecedentedly rich. Therefore efficient statistical approaches are crucial in this big data era.

Previous statistical methods for big data often aim to find low dimensional struc- tures in the observed data. For example in a factor analysis model a latent Gaussian distributed multivariate vector is assumed. With this assumption a factor model produces a low rank estimation of the covariance of the observed variables. Another example is the latent Dirichlet allocation model for documents. The mixture pro- portions of topics, represented by a Dirichlet distributed variable, is assumed. This dissertation proposes several novel extensions to the previous statistical methods that are developed to address challenges in big data. Those novel methods are applied in multiple real world applications including construction of condition specific gene co-expression networks, estimating shared topics among newsgroups, analysis of pro- moter sequences, analysis of political-economics risk data and estimating population structure from genotype data.

Miniaturized structures for removal or selection of particles from liquid flow

The aim of this work was the development of miniaturized structures useful for retention and/or selection of particles and viscous substances from a liquid flow. The proposed low costs structures are similar to macroscopic wastewater treatment systems, named baffles, and allow disassemble. They were simulated using FEMLAB 3.2b package and manufactured in acrylic with conventional tools. Tests for retention or selection of particles in water or air and viscous fluids in water were carried out. Either in air or water particles with 50 mu m diameter will be retained but not with 13 mu m diameter. In aqueous flow, it is also possible the retention of viscous samples, such as silicone 350 cSt. The simulated results showed good agreement with experimental measurements. These miniaturized structures can be useful in sample pretreatment for chemical analysis and microorganism manipulation. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Solution structures in aqueous SDS micelles of two amyloid beta peptides of A beta(1-28) mutated at the alpha-secretase cleavage site (K16E, K16F)

NMR solution structures are reported for two mutants (K16E, K16F) of the soluble amyloid beta peptide A beta(1-28). The structural effects of these mutations of a positively charged residue to anionic and hydrophobic residues at the alpha-secretase cleavage site (Lys16-Leu17) were examined in the membrane-simulating solvent aqueous SDS micelles. Overall the three-dimensional structures were similar to that for the native A beta(1-28) sequence in that they contained an unstructured N-terminus and a helical C-terminus. These structural elements are similar to those seen in the corresponding regions of full-length A beta peptides A beta(1-40) and A beta(1-42), showing that the shorter peptides are valid model systems. The K16E mutation, which might be expected to stabilize the macrodipole of the helix, slightly increased the helix length (residues 13-24) relative to the K16F mutation, which shortened the helix to between residues 16 and 24. The observed sequence-dependent control over conformation in this region provides an insight into possible conformational switching roles of mutations in the amyloid precursor protein from which A beta peptides are derived. In addition, if conformational transitions from helix to random coil to sheet precede aggregation of A beta peptides in vivo, as they do in vitro, the conformation-inducing effects of mutations at Lys16 may also influence aggregation and fibril formation. (C) 2000 Academic Press.

Three-dimensional structure of RK-1: A novel alpha-defensin peptide

NMR spectroscopy and simulated annealing calculations have been used to determine the three-dimensional structure of RK-1, an antimicrobial peptide from rabbit kidney recently discovered from homology screening based on the distinctive physicochemical properties of the corticostatins/defensins. RK-1 consists of 32 residues, including six cysteines arranged into three disulfide bonds. It exhibits antimicrobial activity against Escherichia coli and activates Ca2+ channels in vitro. Through its physicochemical similarity, identical cysteine spacing, and linkage to the corticostatins/defensins, it was presumed to be a member of this family. However, RK-1 lacks both a large number of arginines in the primary sequence and a high overall positive charge, which are characteristic of this family of peptides. The three-dimensional solution structure, determined by NMR, consists of a triple-stranded antiparallel beta -sheet and a series of turns and is similar to the known structures of other alpha -defensins. This has enabled the definitive classification of RK-1 as a member of this family of antimicrobial peptides. Ultracentrifuge measurements confirmed that like rabbit neutrophil defensins, RK-1 is monomeric in solution, in contrast to human neutrophil defensins, which are dimeric.

Determination of the solution structures of conantokin-G and conantokin-T by CD and NMR spectroscopy

Conantokin-G and conantokin-T are two paralytic polypeptide toxins originally isolated from the venom of the fish-hunting cone snails of the genus Conus. Conantokin-G and conantokin-T are the only naturally occurring peptidic compounds which possess N-methyl-D-aspartate receptor antagonist activity, produced by a selective non-competitive antagonism of polyamine responses, They are also structurally unusual in that they contain a disproportionately large number of acid labile post-translational gamma-carboxyglutamic acid (Gla) residues, Although no precise structural information has previously been published for these peptides, early spectroscopic measurements have indicated that both conantokin-G and conantokin-T form alpha-helical structures, although there is some debate whether the presence of calcium ions is required for these peptides to adopt this fold, We now report a detailed structural study of synthetic conantokin-G and conantokin-T in a range of solution conditions using CD and H-1 NMR spec troscopy. The three-dimensional structures of conantokin-T and conantokin-G were calculated from H-1 NMR-derived distance and dihedral restraints. Both conantokins were found to contain a mixture of alpha- and 3(10) helix, that give rise to curved and straight helical conformers. Conantokin-G requires the presence of divalent cations (Zn2+, Ca2+, Cu2+, Or Mg2+) to form a stable iv-helix, while conantokin-T adopts a stable alpha-helical structure in aqueous conditions, in the presence or absence of divalent cations (Zn2+, Ca2+, Cu2+, Or Mg2+).

Peroxisome proliferator-activated receptor structures: ligand specificity, molecular switch and interactions with regulators.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) compose a family of nuclear receptors that mediate the effects of lipidic ligands at the transcriptional level. In this review, we highlight advances in the understanding of the PPAR ligand binding domain (LBD) structure at the atomic level. The overall structure of PPARs LBD is described, and important protein ligand interactions are presented. Structure-activity relationships between isotypes structures and ligand specificity are addressed. It is shown that the numerous experimental three-dimensional structures available, together with in silico simulations, help understanding the role played by the activating function-2 (AF-2) in PPARs activation and its underlying molecular mechanism. The relation between the PPARs constitutive activity and the intrinsic stability of the active conformation is discussed. Finally, the interactions of PPARs LBD with co-activators or co-repressors, as well as with the retinoid X receptor (RXR) are described and considered in relation to PPARs activation.

Mapping financial stability

The ongoing global financial crisis has demonstrated the importance of a systemwide, or macroprudential, approach to safeguarding financial stability. An essential part of macroprudential oversight concerns the tasks of early identification and assessment of risks and vulnerabilities that eventually may lead to a systemic financial crisis. Thriving tools are crucial as they allow early policy actions to decrease or prevent further build-up of risks or to otherwise enhance the shock absorption capacity of the financial system. In the literature, three types of systemic risk can be identified: i ) build-up of widespread imbalances, ii ) exogenous aggregate shocks, and iii ) contagion. Accordingly, the systemic risks are matched by three categories of analytical methods for decision support: i ) early-warning, ii ) macro stress-testing, and iii ) contagion models. Stimulated by the prolonged global financial crisis, today's toolbox of analytical methods includes a wide range of innovative solutions to the two tasks of risk identification and risk assessment. Yet, the literature lacks a focus on the task of risk communication. This thesis discusses macroprudential oversight from the viewpoint of all three tasks: Within analytical tools for risk identification and risk assessment, the focus concerns a tight integration of means for risk communication. Data and dimension reduction methods, and their combinations, hold promise for representing multivariate data structures in easily understandable formats. The overall task of this thesis is to represent high-dimensional data concerning financial entities on lowdimensional displays. The low-dimensional representations have two subtasks: i ) to function as a display for individual data concerning entities and their time series, and ii ) to use the display as a basis to which additional information can be linked. The final nuance of the task is, however, set by the needs of the domain, data and methods. The following ve questions comprise subsequent steps addressed in the process of this thesis: 1. What are the needs for macroprudential oversight? 2. What form do macroprudential data take? 3. Which data and dimension reduction methods hold most promise for the task? 4. How should the methods be extended and enhanced for the task? 5. How should the methods and their extensions be applied to the task? Based upon the Self-Organizing Map (SOM), this thesis not only creates the Self-Organizing Financial Stability Map (SOFSM), but also lays out a general framework for mapping the state of financial stability. This thesis also introduces three extensions to the standard SOM for enhancing the visualization and extraction of information: i ) fuzzifications, ii ) transition probabilities, and iii ) network analysis. Thus, the SOFSM functions as a display for risk identification, on top of which risk assessments can be illustrated. In addition, this thesis puts forward the Self-Organizing Time Map (SOTM) to provide means for visual dynamic clustering, which in the context of macroprudential oversight concerns the identification of cross-sectional changes in risks and vulnerabilities over time. Rather than automated analysis, the aim of visual means for identifying and assessing risks is to support disciplined and structured judgmental analysis based upon policymakers' experience and domain intelligence, as well as external risk communication.

Reentrant quantum Hall effect in bilayer system at high filling factors

We report on the measurements of the quantum Hall effect states in double quantum well structures at the filling factors v = 4N + 1 and 4N + 3, where N is the Landau index number, in the presence of the in-plane magnetic field. The quantum Hall states at these filling factors vanish and reappear several times. Repeated reentrance of the transport gap occurs due to the periodic vanishing of the tunneling amplitude in the presence of the in-plane field. When the gap vanishes, the transport becomes anisotropic. The anisotropy persist at half-odd filling factors, when bilayer quantum Hall states are recovered with increase of the tilt angle. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Miniaturized structures for removal or selection of particles from liquid flow

The aim of this work was the development of miniaturized structures useful for retention and/or selection of particles and viscous substances from a liquid flow. The proposed low costs structures are similar to macroscopic wastewater treatment systems, named baffles, and allow disassemble. They were simulated using FEMLAB 3.2b package and manufactured in acrylic with conventional tools. Tests for retention or selection of particles in water or air and viscous fluids in water were carried out. Either in air or water particles with 50 mu m diameter will be retained but not with 13 mu m diameter. In aqueous flow, it is also possible the retention of viscous samples, such as silicone 350 cSt. The simulated results showed good agreement with experimental measurements. These miniaturized structures can be useful in sample pretreatment for chemical analysis and microorganism manipulation. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bioinformática estrutural aplicada ao estudo de enzimas da via metabólica do ácido chiquímico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência de estruturas geológicas bidimensionais no campo geoeletromagnético na presença do eletrojato equatorial

A Terra atua como um grande magneto esférico, cujo campo assemelha-se àquele gerado por um dipolo magnético. Este campo apresenta mudanças de intensidade que variam com a localização e a hora local. A parte principal do campo geomagnético se origina no interior da Terra através de processos eletromagnéticos. Extensivos estudos mostraram ainda que existem contribuições de origem externa ao planeta, principalmente de origem solar. Dentre estas fontes há anomalias do campo magnético que surgem a partir de um aumento diurno da corrente elétrica em uma estreita faixa da ionosfera, de direção leste-oeste, centrada no equador magnético e denominada Eletrojato Equatorial (EEJ). Ocasionalmente estas correntes podem apresentar reversões de fluxo, sendo denominadas Contra-Eletrojato (CEJ). Vários autores têm estudado os efeitos do EEJ e CEJ sobre as observações geoeletromagnéticas. Eles estão interessados no efeito combinado do EEJ e estruturas geológicas condutivas 1-D e 2-D. Nestes trabalhos a estrutura 2-D sempre se apresentava paralela ao eletrojato, o que é uma hipótese bastante restritiva ao se modelar ambientes geológicos mais realistas, em que corpos bidimensionais podem ter qualquer strike em relação ao EEJ. Neste trabalho apresentamos a solução deste problema sem esta restrição. Assim, mostramos os campos geoeletromagnéticos devidos a estruturas bidimensionais que possuam strike oblíquo em relação ao EEJ, através de perfis dos campos elétrico e magnéticos calculados na superfície e formando direção arbitrária à heterogeneidade condutiva 2-D. Com esta resposta avaliamos ainda qual a influência que estruturas bidimensionais exercem sobre a resposta magnetotelúrica, sob influência do Eletrojato Equatorial. Durante o desenvolvimento deste trabalho, utilizamos o método de elementos finitos, tendo por fonte eletromagnética o EEJ e o CEJ, que por sua vez foram representados por uma combinação de distribuições gaussianas de densidade de corrente. Estas fontes foram decompostas nas direções paralela e perpendicular à estrutura 2-D, resultando nos modos de propagação TE₁ e TE₂ e TM acoplados, respectivamente. Resolvemos o modo acoplado aplicando uma Transformada de Fourier nas equações de Maxwell e uma Transformada Inversa de Fourier na solução encontrada. De acordo com os experimentos numéricos realizados em um modelo interpretativo da Anomalia Condutiva da Bacia do Parnaíba, formado por uma enorme estrutura de 3000 ohm-m dentro de um corpo externo condutivo (1 ohm-m), concluímos que a presença do CEJ causa uma inversão na anomalia, se compararmos com o resultado do EEJ. Concluímos também que para as frequências mais altas as componentes do campo elétrico apresentam menor influência da parte interna do corpo 2-D do que da parte externa. Já para frequências mais baixas este comportamento se observa com as componentes do campo magnético. Com relação à frequência, vimos os efeitos do “skin-depth”, principalmente nas respostas magnéticas. Além disso, quando a estrutura 2-D está paralela ao eletrojato, o campo elétrico é insensível à estrutura interna do modelo para todos os valores de frequência utilizados. Com respeito ao ângulo θ_h entre a heterogeneidade e a fonte, vimos que o modo TM se manifesta naturalmente quando θ_h é diferente de 0°. Neste caso, o modo TE é composto por uma parte devido à componente da fonte paralela à heterogeneidade e a outra devido à componente da fonte perpendicular, que é acoplada ao modo TM. Assim, os campos calculados têm relação direta com o valor de θ_h. Analisando a influência do ângulo entre a direção do perfil dos campos e o strike da heterogeneidade verificamos que, à medida que θ_h se aproxima de 90°, os campos primários tornam-se variáveis para valores de θ_p diferentes de 90°. Estas variações causam uma assimetria na anomalia e dão uma idéia da inclinação da direção do perfil em relação aos corpos. Finalmente, concluímos que uma das influências que a distância entre o centro do EEJ e o centro da estrutura 2-D, causa sobre as componentes dos campos está relacionado às correntes reversas do EEJ e CEJ, pois a 500 km do centro da fonte estas correntes têm máxima intensidade. No entanto, com o aumento da distância, as anomalias diminuem de intensidade. Nas sondagens MT, nós também usamos o EEJ e o CEJ como fonte primária e comparamos nossos resultados com a resposta da onda plana. Deste modo observamos que as componentes do campo geoeletromagnético, usadas para calcular a impedância, têm influência do fator de acoplamento entre os modos TE₂ e TM. Além disso, esta influência se torna maior em meios resistivos e nas frequências mais baixas. No entanto, o fator de acoplamento não afeta os dados magnetotelúricos em frequências maiores de 10^-2 Hz. Para frequências da ordem de 10^-4 Hz os dados MT apresentam duas fontes de perturbação: a primeira e mais evidente é devido à presença fonte 2-D (EEJ e CEJ), que viola a hipótese da onda plana no método MT; e a segunda é causada pelo acoplamento entre os modos TE₂ e TM, pois quando a estrutura bidimensional está obliqua à fonte 2-D temos correntes elétricas adicionais ao longo da heterogeneidade. Concluimos assim, que o strike de uma grande estrutura condutiva bidimensional relativamente à direção do EEJ ou CEJ tem de fato influência sobre o campo geomagnético. Por outro lado, para estudos magnetotelúricos rasos (frequências maiores de 10^-3 Hz) o efeito do ângulo entre a estrutura geológica 2-D e a direção do EEJ não é tão importante. Contudo, em estudos de litosfera frequências menores de 10^-3 Hz) o acoplamento entre os modos TE₂ e TM não pode ser ignorado.

Modelagem numérica da influência do eletrojato equatorial em dados magnetotelúricos produzidos por estruturas tridimensionais

A América do Sul apresenta várias peculiaridades geomagnéticas, uma delas, é a presença do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influência do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes distâncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na exploração magnetotelúrica no Brasil. A influência do eletrojato equatorial na prospecção magnetotelúrica tem sido modelada para meios geológicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de soluções analíticas fechadas e de técnicas numéricas tais como elementos finitos e diferenças finitas. Em relação aos meios geológicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais próprias da geofísica da prospecção. Com tal finalidade, utilizamos o esquema numérico da equação integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influência do eletrojato equatorial somente acontece em frequências menores que 10^-1 Hz. Este efeito decresce com a distância, mantendo-se até uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presença de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espaço homogêneo, indica que a influência do eletrojato é notável neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localização também muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-elétricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e não mostra muitas diferenças entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipação da energia eletromagnética devido à presença da estratificação e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagnética tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localização do corpo, da frequência, do tipo de eletrojato e do meio geológico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presença da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, há uma aproximação entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em relação à resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequências as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequências se mostram com os mesmos valores, com exceção dos eletrojatos ondulantes com parâmetros de ondulação α = —2 e —3. Nossos resultados também mostram que características geométricas próprias das estruturas tridimensionais, tais como sua orientação em relação à direção do eletrojato e a dimensão da sua direção principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em comparação com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional é rotacionada de 90°, em relação à direção do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polarizações nas resistividades dos resultados, mas não existem mudanças nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, porém, se percebe facilmente alterações nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posição original. Isto se deve à persistência dos efeitos galvânicos no centro da estrutura e à presença de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a direção principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotelúricas vão se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polarização XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados estão muito longe de se considerar próximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Porém, os efeitos do eletrojato em estruturas com direção principal alongada, são muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferenças entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito é causado pelo acanalamento das correntes ao longo da direção principal da estrutura. O modelamento de estruturas geológicas da Bacia de Marajó confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes distâncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freqüência (nas proximidades de 10^-1 Hz e para freqüências menores que 10^-3 Hz), possivelmente influenciados pela presença do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freqüências as sondagens magnetotelúricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galvânicos da estrutura tridimensional como pela presença da influência do eletrojato. Conseqüêntemente, interpretações errôneas dos dados de campo podem ser cometidas, se não se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, não se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard.

Modular Hyperthermostable Bacterial Endo-beta-1, 4-Mannanase: Molecular Shape, Flexibility and Temperature-Dependent Conformational Changes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structure of the polypeptide crotamine from the Brazilian rattlesnake Crotalus durissus terrificus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)