Understanding planet formation through high precision photometry and spectroscopy

From studies of protoplanetary disks to extrasolar planets and planetary debris, we aim to understand the full evolution of a planetary system. Observational constraints from ground- and space-based instrumentation allows us to measure the properties of objects near and far and are central to developing this understanding. We present here three observational campaigns that, when combined with theoretical models, reveal characteristics of different stages and remnants of planet formation. The Kuiper Belt provides evidence of chemical and dynamical activity that reveals clues to its primordial environment and subsequent evolution. Large samples of this population can only be assembled at optical wavelengths, with thermal measurements at infrared and sub-mm wavelengths currently available for only the largest and closest bodies. We measure the size and shape of one particular object precisely here, in hopes of better understanding its unique dynamical history and layered composition.

Molecular organic chemistry is one of the most fundamental and widespread facets of the universe, and plays a key role in planet formation. A host of carbon-containing molecules vibrationally emit in the near-infrared when excited by warm gas, T~1000 K. The NIRSPEC instrument at the W.M. Keck Observatory is uniquely configured to study large ranges of this wavelength region at high spectral resolution. Using this facility we present studies of warm CO gas in protoplanetary disks, with a new code for precise excitation modeling. A parameterized suite of models demonstrates the abilities of the code and matches observational constraints such as line strength and shape. We use the models to probe various disk parameters as well, which are easily extensible to others with known disk emission spectra such as water, carbon dioxide, acetylene, and hydrogen cyanide.

Lastly, the existence of molecules in extrasolar planets can also be studied with NIRSPEC and reveals a great deal about the evolution of the protoplanetary gas. The species we observe in protoplanetary disks are also often present in exoplanet atmospheres, and are abundant in Earth's atmosphere as well. Thus, a sophisticated telluric removal code is necessary to analyze these high dynamic range, high-resolution spectra. We present observations of a hot Jupiter, revealing water in its atmosphere and demonstrating a new technique for exoplanet mass determination and atmospheric characterization. We will also be applying this atmospheric removal code to the aforementioned disk observations, to improve our data analysis and probe less abundant species. Guiding models using observations is the only way to develop an accurate understanding of the timescales and processes involved. The futures of the modeling and of the observations are bright, and the end goal of realizing a unified model of planet formation will require both theory and data, from a diverse collection of sources.

Seismic structure along transitions from flat to normal subduction: central Mexico, southern Peru, and southwest Japan

The fine-scale seismic structure of the central Mexico, southern Peru, and southwest Japan subduction zones is studied using intraslab earthquakes recorded by temporary and permanent regional seismic arrays. The morphology of the transition from flat to normal subduction is explored in central Mexico and southern Peru, while in southwest Japan the spatial coincidence of a thin ultra-slow velocity layer (USL) atop the flat slab with locations of slow slip events (SSEs) is explored. This USL is also observed in central Mexico and southern Peru, where its lateral extent is used as one constraint on the nature of the flat-to-normal transitions.

In western central Mexico, I find an edge to this USL which is coincident with the western boundary of the projected Orozco Fracture Zone (OFZ) region. Forward modeling of the 2D structure of the subducted Cocos plate using a finite-difference algorithm provides constraints on the velocity and geometry of the slab’s seismic structure in this region and confirms the location of the USL edge. I propose that the Cocos slab is currently fragmenting into a North Cocos plate and a South Cocos plate along the projection of the OFZ, by a process analogous to that which occurred when the Rivera plate separated from the proto-Cocos plate 10 Ma.

In eastern central Mexico, observations of a sharp transition in slab dip near the abrupt end of the Trans Mexican Volcanic Belt (TMVB) suggest a possible slab tear located within the subducted South Cocos plate. The eastern lateral extent of the USL is found to be coincident with these features and with the western boundary of a zone of decreased seismicity, indicating a change in structure which I interpret as evidence of a possible tear. Analysis of intraslab seismicity patterns and focal mechanism orientations and faulting types provides further support for a possible tear in the South Cocos slab. This potential tear, together with the tear along the projection of the OFZ to the northwest, indicates a slab rollback mechanism in which separate slab segments move independently, allowing for mantle flow between the segments.

In southern Peru, observations of a gradual increase in slab dip coupled with a lack of any gaps or vertical offsets in the intraslab seismicity suggest a smooth contortion of the slab. Concentrations of focal mechanisms at orientations which are indicative of slab bending are also observed along the change in slab geometry. The lateral extent of the USL atop the horizontal Nazca slab is found to be coincident with the margin of the projected linear continuation of the subducting Nazca Ridge, implying a causal relationship, but not a slab tear. Waveform modeling of the 2D structure in southern Peru provides constraints on the velocity and geometry of the slab’s seismic structure and confirms the absence of any tears in the slab.

In southwest Japan, I estimate the location of a possible USL along the Philippine Sea slab surface and find this region of low velocity to be coincident with locations of SSEs that have occurred in this region. I interpret the source of the possible USL in this region as fluids dehydrated from the subducting plate, forming a high pore-fluid pressure layer, which would be expected to decrease the coupling on the plate interface and promote SSEs.

Mapeamento geológico em áreas graníticas intemperizadas em regiões montanhosas tropicais: o granito Conselheiro Paulino (Faixa Ribeira)

Neste trabalho foram integrados o mapeamento geológico de campo, os dados regionais aerogeofísicos e as imagens orbitais de alta resolução (1 m) para fornecer um mapa geológico detalhado do Pluton granítico Conselheiro Paulino, na Faixa Ribeira, Brasil. A área estudada possui poucos afloramentos e outras questões que dificultam o mapeamento geológico tradicional. Escorregamentos de terra são comuns na porção mais intemperizada do granito. A utilização de imagens orbitais de alta resolução permitiu a identificação dos poucos afloramentos existentes, além de outros elementos, como ravinas, planícies aluviais, eluviões, vegetação e estradas. Isso foi importante para orientar e otimizar as pesquisas de campo. A disponibilidade de dados aerogeofísicos magnéticos e radiométricos corroboraram nos trabalhos de campo e na petrografia do Pluton granítico Conselheiro Paulino. O pluton pode ser dividido em duas facies distintas, sendo uma de composição microgranítica e outra de composição microgranodiorítica

Solar System Small-Body Demographics with the Palomar Transient Factory Survey

Observational studies of our solar system's small-body populations (asteroids and comets) offer insight into the history of our planetary system, as these minor planets represent the left-over building blocks from its formation. The Palomar Transient Factory (PTF) survey began in 2009 as the latest wide-field sky-survey program to be conducted on the 1.2-meter Samuel Oschin telescope at Palomar Observatory. Though its main science program has been the discovery of high-energy extragalactic sources (such as supernovae), during its first five years PTF has collected nearly five million observations of over half a million unique solar system small bodies. This thesis begins to analyze this vast data set to address key population-level science topics, including: the detection rates of rare main-belt comets and small near-Earth asteroids, the spin and shape properties of asteroids as inferred from their lightcurves, the applicability of this visible light data to the interpretation of ultraviolet asteroid observations, and a comparison of the physical properties of main-belt and Jovian Trojan asteroids. Future sky-surveys would benefit from application of the analytical techniques presented herein, which include novel modeling methods and unique applications of machine-learning classification. The PTF asteroid small-body data produced in the course of this thesis work should remain a fertile source of solar system science and discovery for years to come.

Proton-Coupled Reduction of N2 Facilitated by Molecular Fe Complexes

The activation of Fe-coordinated N₂ via the formal addition of hydrogen atom equivalents is explored in this thesis. These reactions may occur in nitrogenase enzymes during the biological conversion of N₂ to NH₃. To understand these reactions, the N₂ reactivity of a series of molecular Fe(N₂) platforms is investigated. A trigonal pyramidal, carbon-ligated Fe^I complex was prepared that displays a similar geometry to that of the resting state 'belt' Fe atoms of nitrogenase. Upon reduction, this species was shown to coordinate N₂, concomitant with significant weakening of the C-Fe interaction. This hemilability of the axial ligand may play a critical role in mediating the interconversion of Fe(N_xH_y) species during N₂ conversion to NH₃. In fact, a trigonal pyramidal borane-ligated Fe complex was shown to catalyze this transformation, generating up to 8.49 equivalents of NH₃. To shed light on the mechanistic details of this reaction, protonation of a borane-ligated Fe(N₂) complex was investigated and found to give rise to a mixture of species that contains an iron hydrazido(2-) [Fe(NNH₂)] complex. The identification of this species is suggestive of an early N-N bond cleavage event en route to NH₃ production, but the highly-reactive nature of this complex frustrated direct attempts to probe this possibility. A structurally-analogous silyl-ligated Fe(N₂) complex was found to react productively with hydrogen atom equivalents, giving rise to an isolable Fe(NNH₂) species. Spectroscopic and crystallographic studies benefited from the enhanced stability of this complex relative to the borane analogue. One-electron reduction of this species initiates a spontaneous disproportionation reaction with an iron hydrazine [Fe(NH₂NH₂)] complex as the predominant reaction product. This transformation provides support for an Fe-mediated N₂ activation mechanism that proceeds via a late N-N bond cleavage. In hopes of gaining more fundamental insight into these reactions, a series of Fe(CN) complexes were prepared and reacted with hydrogen-atom equivalents. Significant quantities of CH₄ and NH₃ are generated in these reactions as a result of complete C-N bond activation. A series of Fe(CNH_x) were found to be exceptionally stable and may be intermediates in these reactions. The stability of these compounds permitted collection of thermodynamic parameters pertinent to the unique N-H bonds. This data is comparatively discussed with the theoretically-predicted data of the N₂-derived Fe(NNH_x) species. Exceptionally-weak N-H bond enthalpies are found for many of these compounds, and sheds light on their short-lived nature and tendency to evolve H₂. As a whole, these works both establish and provide a means to understand Fe-mediated N₂ activation via the addition of hydrogen atom equivalents.

Metallogenic Provinces of the Southwestern United States and Northern Mexico

Some of the metallogenic provinces of the southwestern United States and northern Mexico are defined by the geographic distribution of trace elements in the primary sulfide minerals chalcopyrite and sphalerite. The elements investigated include antimony, arsenic, bismuth, cadmium, cobalt, gallium, germanium, indium, manganese, molybdenum, nickel, silver, tellurium, thallium, and tin. Of these elements, cobalt, gallium, germanium, indium, nickel, silver, and tin exhibit the best defined geographic distribution.

The data indicate that chalcopyrite is the preferred host for tin and perhaps molybdenum; sphalerite is the preferred host for cadmium, gallium, germanium, indium, and manganese; galena is the preferred host for antimony, bismuth, silver, tellurium, and thallium; and pyrite is the preferred host for cobalt, nickel, and perhaps arsenic. With respect to the two minerals chalcopyrite and sphalerite, antimony, arsenic, molybdenum, nickel, silver, and tin prefer chalcopyrite; and bismuth, cadmium, cobalt, gallium, germanium, indium, manganese, and thallium prefer sphalerite. This distribution probably is the result of the interaction of several factors, among which are these: the various radii of the elements, the association due to chemical similarities of the major and trace elements, and the degree of ionic versus covalent and metallic character of the metal-sulfur bonds in chalcopyrite and sphalerite. The type of deposit, according to a temperature classification, appears to be of minor importance in determining the trace element content of chalcopyrite and sphalerite.

A preliminary investigation of large single crystals of sphalerite and chalcopyrite indicates that the distribution within a single crystal of some elements such as cadmium in sphalerite and indium and silver in chalcopyrite is relatively uniform, whereas the distribution of some other elements such as cobalt and manganese in sphalerite is somewhat less uniform and the distribution of tin in sphalerite is extremely erratic. The variations in trace element content probably are due largely to variations in the composition of the fluids during the growth of the crystals, but the erratic behavior of tin in sphalerite perhaps is related to the presence of numerous cavities and inclusions in the crystal studied.

Maps of the geographic distribution of trace elements in chalcopyrite and sphalerite exhibit three main belts of greater than average trace element content, which are called the Eastern, Central, and Western belts. These belts are consistent in trend and position with a beltlike distribution of copper, gold, lead, zinc, silver, and tungsten deposits and with most of the major tectonic features. However, there appear to be no definite time relationships, for as many as four metallogenic epochs, from Precambrian to late Tertiary, are represented by ore deposits within the Central belt.

The evidence suggests that the beltlike features have a deep seated origin, perhaps in the sub-crust or outer parts of the mantle, and that the deposits within each belt might be genetically related through a beltlike compositional heterogeneity in the source regions of the ores. Hence, the belts are regarded as metallogenic provinces.

Crioterapia: tecnologia não-invasiva de cuidado da enfermeira obstétrica para alívio da dor em parturientes

Pesquisa piloto de intervenção com dados prospectivos, grupo único de intervenção, cujo desfecho é a medida da dor de mulheres em trabalho de parto. Apresenta como objetivo discutir os efeitos da crioterapia no alívio da dor das parturientes. Como referencial teórico este trabalho apresentou o descrito por Soares e Low, onde se encontra que os mecanismos de ação do gelo para alívio da dor propiciam o decréscimo da transmissão das fibras de dor, a diminuição da excitabilidade nas terminações livres, a redução no metabolismo tecidual aumentando o limiar das fibras de dor e a liberação de endorfinas. Baseou-se ainda nos princípios da desmedicalização e do emprego de tecnologias não-invasivas de cuidado de enfermagem obstétrica conforme descritos por Vargens e Progianti. A pesquisa foi realizada no Centro Obstétrico do Hospital Municipal Maternidade Carmela Dutra, no Rio de Janeiro de abril a agosto de 2011. O gelo foi aplicado, utilizando-se para tal uma bolsa-cinta ajustável à região tóraco-lombar de 36 gestantes. A bolsa/cinta é descartável, de tecido TNT, com abertura na parte superior para introdução de gelo picado envolto em plástico. As aplicações se deram aos cinco centímetros de dilatação do colo uterino; e/ou aos sete centímetros de dilatação do colo uterino; e/ou aos nove centímetros de dilatação uterina, totalizando ao final das três aplicações um tempo de 60 minutos, que corresponde ao somatório de 20 minutos para cada uma. O gelo foi produzido em fôrma exclusiva para o projeto, em freezer da unidade. Os dados referentes à avaliação da dor foram coletados através de entrevista estruturada guiada por formulário previamente elaborado. Os resultados evidenciaram que a crioterapia produziu extinção ou alívio da dor quando aplicada na região tóraco-lombar das parturientes aos cinco, sete ou nove centímetros de dilatação do colo uterino, dando-lhes maiores condições de vivenciar o seu trabalho de parto; produziu um relaxamento geral e local (na região lombar) das parturientes; não interferiu na dinâmica uterina e, não causou dano ao binômio mãe-filho. Concluiu-se que a crioterapia, na forma como descrita no presente estudo, pode ser considerada uma tecnologia não-invasiva de cuidado de enfermagem obstétrica para alivio da dor no trabalho de parto.

Análise da tectônica de colocação de diques cretácicos na região de São Sebastião, SP

O trabalho foi desenvolvido no litoral norte do estado de São Paulo, onde ocorrem boas exposições de rochas intrusivas da porção meridional do Enxame de Diques da Serra do Mar, de idade eocretácica. O objetivo principal da dissertação é caracterizar os regimes tectônicos associados à colocação e à deformação de diques máficos na área de São Sebastião (SP) e sua distribuição espacial, a partir de interpretações de imagens de sensores remotos, análise de dados estruturais de campo e descrição petrográfica das rochas ígneas. A área apresenta grande complexidade no tocante ao magmatismo, uma vez que ocorrem diques de diabásios toleítico e alcalino, lamprófiro e rochas alcalinas félsicas como fonolitos, traquitos e sienitos, estes sob a forma diques, sills e plugs. Os diabásios toleíticos tem idades em torno 134 Ma, correlatas com o início do rifteamento sul-atlântico, enquanto que as rochas alcalinas datam de 86 Ma e estão relacionadas com um magmatismo intraplaca posterior. Os lineamentos estruturais orientam-se majoritariamente na direção ENE-WSW, paralela às foliações metamórficas e zonas de cisalhamento observadas no campo e descritas na literatura, referentes ao Domínio Costeiro da Faixa Ribeira. Os diques se orientam na direção NE-SW, com azimute semelhante porém ângulos de mergulho discordantes da foliação em grande parte da área, onde as foliações são de baixo ângulo. Um segundo conjunto de lineamentos orientado NW-SE ocorre como um importante conjunto de fraturas que cortam tanto as rochas do embasamento proterozóico quanto as rochas alcalinas neocretácicas. Diques com esta orientação são escassos. Um terceiro conjunto NNE-SSW ocorre na porção oeste da área, associado à presença de diques de diabásio que por vezes mostram indicadores de movimentação sinistral. A análise cinemática dos diques mostra um predomínio de distensão pura durante sua colocação, com um tensor de compressão mínima de orientação NW-SE, ortogonal ao principal trend dos diques. Componentes direcionais, por vezes ambíguas, são comumente observadas, com um discreto predomínio de componente sinistral. O mesmo padrão cinemático é observado para os diques toleíticos e para os alcalinos, sugerindo que o campo de tensões local pouco variou durante o Cretáceo. Embora o embasamento não tenha sido diretamente reativado durante a colocação dos diques, sua anisotropia pode ter controlado de certa forma a orientação do campo de tensões local durante o Cretáceo. Os mapas geofísicos da bacia de Santos existentes na literatura sugerem certo paralelismo entre as estruturas observadas na área de estudo e aquelas interpretadas na bacia. As estruturas NNE-SSW são paralelas ao trend das sub-bacias e ao gráben de Merluza, enquanto que as estruturas NW-SE são paralelas a zonas de transferência descritas na literatura.

Diversidade, diferenciação e biogeografia de pequenos mamíferos não-voadores na Mata Atlântica ao norte do rio São Francisco Centro de Endemismo Pernambuco

As florestas tropicais brasileiras (Amazônia e a Mata Atlântica) possuem alta diversidade de espécies e atualmente estão separadas por um cinturão de vegetação aberta. Parte deste cinturão é ocupada pela Caatinga, onde se encontram os Brejos de Altitude, testemunhos das conexões históricas entre a Mata Atlântica e a Amazônia. O Centro de Endemismos Pernambuco (CEPE) é a unidade biogeográfica que compõe a Mata Atlântica ao norte do rio São Francisco e contém diversos táxons endêmicos. Esta região apresenta uma mastofauna compartilhada com a Amazônia, devido às conexões existentes durante o Cenozóico. A presença do rio São Francisco em seu limite sul pode atuar como barreira ao fluxo gênico e explicar os endemismos encontrados no CEPE. Contrastando com sua situação peculiar, a mastofauna do CEPE ainda carece de estudos aprofundados sobre a identificação de suas espécies, padrões geográficos e relações filogenéticas. Revisões recentes têm identificado espécies diferentes ao norte e ao sul do rio São Francisco, mas poucos trabalhos têm proposto hipóteses biogeográficas para o CEPE. Para ampliar o conhecimento sobre a identidade e distribuição geográfica dos pequenos mamíferos do CEPE e sua estrutura filogeográfica, foram realizados levantamentos de espécies e análises de diversidade genética e morfométrica para algumas espécies. Os levantamentos consistiram de visitas às coleções científicas a fim de identificar as espécies ocorrentes no CEPE e excursões de coleta com 5 a 17 noites consecutivas em 12 localidades ao longo do CEPE, que totalizaram 64691 armadilhas noites e resultaram na coleta de 476 exemplares de 31 espécies. As espécies foram identificadas com base na morfologia externa e craniana e por análises citogenéticas. Para investigar a biogeografia do CEPE, análises de genética de populações, filogeográficas e morfométricas foram realizadas para os marsupiais Caluromys philander, Didelphis aurita, Marmosa murina, Metachirus nudicaudatus e os roedores Akodon cursor, Oecomys catherinae e Rhipidomys mastacalis para avaliar a existência de diferenciação nas populações do CEPE e suas relações com as linhagens Amazônicas e Atlânticas. Estes resultados mostraram que a diversificação dos pequenos mamíferos do CEPE ocorreu tanto no Terciário quanto no Quaternário. Algumas populações, como em Caluromys philander e Oecomys catherinae, mostraram afinidades com linhagens amazônicas, enquanto outras, como em Metachirus nudicaudatus e Rhipidomys mastacalis, apresentaram afinidades com linhagens atlânticas. Os pequenos mamíferos do CEPE apresentaram diferenciação em relação às suas linhagens irmãs, com algumas linhagens podendo tratar-se de espécies ainda não descritas (e.g. Didelphis aff. aurita e Rhipidomys aff. mastacalis). Esta diferenciação provavelmente foi causada pelos eventos cíclicos de flutuações climáticas que provocaram elevações no nível do mar e retração das florestas tropicais, isolando as populações do CEPE. Por fim, para auxiliar na identificação das espécies em novas coletas, de suas distribuições geográficas e de suas características citogenéticas e ecológicas, foi elaborado um guia reunindo todas as informações disponíveis sobre as espécies de pequenos mamíferos do CEPE.

Les effets de la réouverture de l'embouchure du fleuve Comoé sur le végétation littorale lagunaire (Lagune Ebrié - Côte d'Ivoire)

The results of floristic data collected during two surveys in the eastern region of Ebrié lagoon in 1987 (before the reopening of the inlet) and in 1988 (after the reopening of the inlet) are discussed in this article. Salinity increase (from 4‰ to 30‰) as a result of the reopening in September 1987 of the channel of Comoé river, profoundly modified qualitatively and quantitatively, the plant population. Floating or fixed macrophytes have been completely destroyed. Mangrove forest being the hydrophytic belt of the lagunar rives.

Proveniência sedimentar do grupo São Fidélis, terreno oriental da Faixa Ribeira com base em dados U-Pb

O Domínio Costeiro integra o Terreno Oriental, no segmento central da Faixa Ribeira e abriga rochas ortoderivadas com afinidade de arcos magmáticos (Complexo Rio Negro, ca. 790-605 Ma). Os ortognaisses deste complexo possuem clara assinatura para ambientes de zonas de subducção, encaixados em rochas metassedimentares de alto grau, integrantes do Grupo São Fidélis. O conjunto acima descrito é ainda intrudido por várias de rochas granitóides sin a tardi- colisionais, relacionadas às várias etapas de desenvolvimento da Orogenia Brasiliana neste setor do orógeno (ca. 605-480 Ma). Idades U-Pb (LA-ICP-MS) em zircões detríticos de rochas quartzíticas do Grupo São Fidélis indicam um amplo espectro com modas significativas no Mesoproterozóico e Paleoproterozoico, além de zircões do Neoproterozóico e do Arqueano. Sinteticamente os resultados obtidos foram: a) Idades concordantes Arqueanas com ca. 2,85, 2,84 e 2,70 Ga; b) zircões Paleoproterozóicos (ca. 2,3 a 1,7 Ga), com máxima concentração em torno de ca. 2,2 Ga, representando a segunda maior moda; c) Idades Mesoproterozóicas (ca. 1,3 -1,1 Ga) com idades de espectro dominantes, com moda em ca. 1,5 Ga; d) Zircões Neoproterozóicos com idades de ca. 0,95-90 Ga e 0,86-0,61 Ga. Em vários grãos detríticos observou-se sobrecrescimento metamórfico em ca. 602-570 Ma. Dados U-Pb (LA-ICP-MS) obtidos para zircões para Ortognaisse Rio Grande e o Biotita Ortognaisse, intrudidos na unidade basal do Grupo São Fidélis, apresentam idades em ca. 620 Ma e são equivalentes ao período pré-colisional de geração de rochas do arco magmático Rio Negro. Combinando estas idades com os núcleos de zircões detríticos mais jovens, com assinatura do Arco Rio Negro em ca. 613 Ma, pode-se definir o intervalo máximo de sedimentação da unidade superior do Grupo São Fidélis no Neoproterozóico. Cristais de monazitas selecionadas para análise U-Pb (ID-TIMS) apresentam relações com os principais episódios tectono-metamórficos da Faixa Ribeira. Dois cristais de uma amostra quartzítica e dois do ortognaisse Rio Grande alinham-se em uma discórdia que gerou idade de 603 Ma, referente ao metamorfismo progressivo descrito na literatura, durante a Orogenia Brasiliana. Enquanto a idade concordante obtida em 535 Ma, adquirida em uma amostra quartzítica, é correspontente ao último metamorfismo colisional da Faixa Ribeira.