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

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

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

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

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

Verificação à fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto)

As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

On the Dynamics of the Adenylate Energy System: Homeorhesis vs Homeostasis

Biochemical energy is the fundamental element that maintains both the adequate turnover of the biomolecular structures and the functional metabolic viability of unicellular organisms. The levels of ATP, ADP and AMP reflect roughly the energetic status of the cell, and a precise ratio relating them was proposed by Atkinson as the adenylate energy charge (AEC). Under growth-phase conditions, cells maintain the AEC within narrow physiological values, despite extremely large fluctuations in the adenine nucleotides concentration. Intensive experimental studies have shown that these AEC values are preserved in a wide variety of organisms, both eukaryotes and prokaryotes. Here, to understand some of the functional elements involved in the cellular energy status, we present a computational model conformed by some key essential parts of the adenylate energy system. Specifically, we have considered (I) the main synthesis process of ATP from ADP, (II) the main catalyzed phosphotransfer reaction for interconversion of ATP, ADP and AMP, (III) the enzymatic hydrolysis of ATP yielding ADP, and (IV) the enzymatic hydrolysis of ATP providing AMP. This leads to a dynamic metabolic model (with the form of a delayed differential system) in which the enzymatic rate equations and all the physiological kinetic parameters have been explicitly considered and experimentally tested in vitro. Our central hypothesis is that cells are characterized by changing energy dynamics (homeorhesis). The results show that the AEC presents stable transitions between steady states and periodic oscillations and, in agreement with experimental data these oscillations range within the narrow AEC window. Furthermore, the model shows sustained oscillations in the Gibbs free energy and in the total nucleotide pool. The present study provides a step forward towards the understanding of the fundamental principles and quantitative laws governing the adenylate energy system, which is a fundamental element for unveiling the dynamics of cellular life.

Influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna na resposta dinâmica de pórticos de aço.

Tradicionalmente, na análise e dimensionamento de estruturas de aço, assume-se que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis (rotuladas). Por outro lado, é de conhecimento geral que a grande maioria das ligações viga-coluna apresenta um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos nos últimos vinte e cinco anos, de forma a estudar o comportamento desse tipo de ligação. Um dos principais objetivos desta investigação é o de propor uma metodologia de análise que represente de forma apropriada a influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna, sobre a resposta dinâmica (linear e não-linear) de estruturas de aço. Outra contribuição desta dissertação diz respeito à investigação do comportamento dinâmico (linear e não-linear) de pórticos de aço, a partir da consideração de ligações viga-coluna simétricas e não-simétricas e especialmente das placas de base. A análise estrutural é desenvolvida com base no emprego do programa de elementos finitos ANSYS [27]. Nos modelos em elementos finitos foram considerados os efeitos de não-linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem), o comportamento não-linear das placas de base e das ligações viga-coluna e, bem como, o efeito de histerese que ocorre quando a estrutura é submetida a cargas cíclicas. Os resultados alcançados indicaram que o fenômeno físico da ressonância não ocorre no que se refere à resposta dinâmica dos modelos semi-rígidos não-lineares. A ressonância não ocorre na resposta dos modelos devido ao fato de que, na análise dinâmica não-linear, o efeito de histerese presente nas ligações (placas de base e viga-coluna), essencialmente com comportamento não-linear, provoca um amortecimento na resposta dinâmica da estrutura.

Biofiltração de compostos orgânicos voláteis e gás sulfídrico em estações de despejos industriais de processamento de hidrocarbonetos.

Neste trabalho foi estudado o tratamento simultâneo por biofiltração de emissões de compostos orgânicos voláteis, COV e gás sulfídrico, H2S, em estações de tratamento de despejos industriais, de refinaria de petróleo, ETDI. A biofiltração dos gases emanados da EDTI mostrou ser uma técnica de alta eficiência, atingindo valores de 95 a 99 % para tratamento simultâneo de COV e H2S em concentrações de 1000 e 100 ppmv, respectivamente. Foram realizados testes em 95 dias consecutivos de operação, em uma planta piloto instalada na Superintendência da Industrialização do Xisto, SIX, em São Mateus do Sul, Paraná, de março a agosto de 2006. O biofiltro foi do tipo fluxo ascendente, com 3,77 m3 de leito orgânico, composto de turfa, carvão ativado, lascas de madeira, serragem brita fina além de outros componentes menores. Foi realizada inoculação biológica com lodo filtrado de estação de tratamento de esgoto sanitário. As vazões de gás aplicadas variaram de 85 a 407 m3/h, resultando em taxas de carga de massa de 11,86 a 193,03 g de COV/h.m3 de leito e tempos de residência de 24 segundos a 6,5 minutos, com tempo ótimo de 1,6 minutos. A capacidade máxima de remoção do sistema encontrada, nas condições testadas, foi de 15 g de COV/h. m3, compatível com os valores encontrados na literatura para depuração biológica de COV na escala praticada. Também foi verificada a redução de componentes específicos de BTX, demonstrando boa degradabilidade dos compostos orgânicos. Finalmente o biofiltro demonstrou boa robustez biológica diante dos desvios operacionais intencionalmente provocados, tais como falta de umidade do leito, baixa temperatura, alta vazão, falta de carga de COV e baixo pH do leito. Depois de retomada a condição de operação estável, a biofiltração rapidamente atingiu o estado de equilíbrio, assegurando o uso eficiente e confiável da técnica no tratamento de gases de EDTI na indústria do hidrocarbonetos ou em refinarias de petróleo.

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Generating power from waves on a breakwater.

Outlines the possibility for wave power generation at artificial islands by construction of a breakwater. Reviews the development of wave energy systems, and describes several wave generators, e.g. the Mauritius lagoon system, the Nodding Duck, the oscillating cylinder, the oscillating water column and the Lancaster Bag. Applications and costs are outlined. (C.J.U.)

The evolution of cooperation in asymmetric systems

Explaining "Tragedy of the Commons" of evolution of cooperation remains one of the greatest problems for both biology and social science. Asymmetrical interaction, which is one of the most important characteristics of cooperative system, has not been sufficiently considered in the existing models of the evolution of cooperation. Considering the inequality in the number and payoff between the cooperative actors and recipients in cooperation systems, discriminative density-dependent interference competition will occur in limited dispersal systems. Our model and simulation show that the local but not the global stability of a cooperative interaction can be maintained if the utilization of common resource remains unsaturated, which can be achieved by density-dependent restraint or competition among the cooperative actors. More intense density dependent interference competition among the cooperative actors and the ready availability of the common resource, with a higher intrinsic contribution ratio of a cooperative actor to the recipient, will increase the probability of cooperation. The cooperation between the recipient and the cooperative actors can be transformed into conflict and, it oscillates chaotically with variations of the affecting factors under different environmental or ecological conditions. The higher initial relatedness (i.e. similar to kin or reciprocity relatedness), which is equivalent to intrinsic contribution ratio of a cooperative actor to the recipient, can be selected for by penalizing less cooperative or cheating actors but rewarding cooperative individuals in asymmetric systems. The initial relatedness is a pivot but not the aim of evolution of cooperation. This explains well the direct conflict observed in almost all cooperative systems.

A probabilistic energy model for non-domestic building sectors applied to analysis of school buildings in greater London

The diversity of non-domestic buildings at urban scale poses a number of difficulties to develop models for large scale analysis of the stock. This research proposes a probabilistic, engineering-based, bottom-up model to address these issues. In a recent study we classified London's non-domestic buildings based on the service they provide, such as offices, retail premise, and schools, and proposed the creation of one probabilistic representational model per building type. This paper investigates techniques for the development of such models. The representational model is a statistical surrogate of a dynamic energy simulation (ES) model. We first identify the main parameters affecting energy consumption in a particular building sector/type by using sampling-based global sensitivity analysis methods, and then generate statistical surrogate models of the dynamic ES model within the dominant model parameters. Given a sample of actual energy consumption for that sector, we use the surrogate model to infer the distribution of model parameters by inverse analysis. The inferred distributions of input parameters are able to quantify the relative benefits of alternative energy saving measures on an entire building sector with requisite quantification of uncertainties. Secondary school buildings are used for illustrating the application of this probabilistic method. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Local Frustration Determines Molecular and Macroscopic Helix Structures

The effect of displaying cytochromes from an amyloid fibre is modelled as perturbation of -strands in a bilayer of helical -sheets, thereby explaining the spiral morphology of decorated amyloid and the dynamic response of morphology to cytochrome conformation. The morphology of the modelled fibre, which consists of minimal energy assemblies of rigid building blocks containing two anisotropic interacting units, depends primarily on the rigid constraints between units rather than the soft interactions between them. The framework is a discrete version of the bilayered frustration principle that drives morphology in Bauhinia seedpods. We show that self-assembly of frustrated long range structures can occur if the building blocks themselves are internally frustrated, e.g. amyloid morphology is governed by the conformation of the misfolded protein nucleating the fibre. Our model supports the idea that any peptide sequence can form amyloid if bilayers can form first, albeit stabilised by additional material such as chaperones or cytochromes. Analysis of experimentally derived amyloid structures supports our conclusions and suggests a range of frustration effects, which natural amyloid fibres may exploit. From this viewpoint, amyloid appears as a molecular example of a more general universal bilayered frustration principle, which may have profound implications for materials design using fibrous systems. Our model provides quantitative guidance for such applications. The relevance to longer length scales was proved by designing the morphology of a series of macroscopic magnetic stacks. Finally, this work leads to the idea of mixing controlled morphologically defined species to generate higher-order assembly and complex functional behaviour. The systematic kinking of decorated fibres and the nested frustration of the Bauhinia seed pod are two outstanding examples.