Ionization induced scattering of femtosecond intense laser pulses in cluster plasmas

The 45 degrees scattering of a femtosecond (60 fs) intense laser pulse with a 20 nm FWHM (the full width at half maximum) spectrum centered at 790 nm has been studied experimentally while focused in argon clusters at intensity similar to 10(16) W/cm(2). Scattering spectra under different backing pressures and laser-plasma interaction lengths were obtained, which showed spectral blueshifting, beam refraction and complex modulation. These ionization-induced effects reveal the modulation of laser pulses propagating in plasmas and the existing obstacle in laser cluster interaction at high laser intensity and high electron density.

Low Climate Stabilisation under Diverse Growth and Convergence Scenarios

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Experimental Investigation of Thrust Fault Rupture Mechanics

Thrust fault earthquakes are investigated in the laboratory by generating dynamic shear ruptures along pre-existing frictional faults in rectangular plates. A considerable body of evidence suggests that dip-slip earthquakes exhibit enhanced ground motions in the acute hanging wall wedge as an outcome of broken symmetry between hanging and foot wall plates with respect to the earth surface. To understand the physical behavior of thrust fault earthquakes, particularly ground motions near the earth surface, ruptures are nucleated in analog laboratory experiments and guided up-dip towards the simulated earth surface. The transient slip event and emitted radiation mimic a natural thrust earthquake. High-speed photography and laser velocimeters capture the rupture evolution, outputting a full-field view of photo-elastic fringe contours proportional to maximum shearing stresses as well as continuous ground motion velocity records at discrete points on the specimen. Earth surface-normal measurements validate selective enhancement of hanging wall ground motions for both sub-Rayleigh and super-shear rupture speeds. The earth surface breaks upon rupture tip arrival to the fault trace, generating prominent Rayleigh surface waves. A rupture wave is sensed in the hanging wall but is, however, absent from the foot wall plate: a direct consequence of proximity from fault to seismometer. Signatures in earth surface-normal records attenuate with distance from the fault trace. Super-shear earthquakes feature greater amplitudes of ground shaking profiles, as expected from the increased tectonic pressures required to induce super-shear transition. Paired stations measure fault parallel and fault normal ground motions at various depths, which yield slip and opening rates through direct subtraction of like components. Peak fault slip and opening rates associated with the rupture tip increase with proximity to the fault trace, a result of selective ground motion amplification in the hanging wall. Fault opening rates indicate that the hanging and foot walls detach near the earth surface, a phenomenon promoted by a decrease in magnitude of far-field tectonic loads. Subsequent shutting of the fault sends an opening pulse back down-dip. In case of a sub-Rayleigh earthquake, feedback from the reflected S wave re-ruptures the locked fault at super-shear speeds, providing another mechanism of super-shear transition.

Effects on the proton production from explosions of hydrogen clusters subjected to intense femtosecond laser fields

The dependence of the maximum and average energies of protons, which were produced in the interaction of an intense laser pulse (similar to 1 x 10(16) W cm(-2), 65 fs) with hydrogen clusters in a gas jet backed up to 80 bar at liquid nitrogen temperature (similar to 80 K), on the backing pressure has been studied. The general trend of the proton energy dependence on the square of the average cluster radius, which is determined by a calibrated Rayleigh scattering measurement, is similar to that described by theory under the single size approximation. Calculations are made to fit the experimental results under a simplified model by taking into account both a log-normal cluster size distribution and the laser intensity attenuation in the interaction volume. A very good agreement between the experimental proton energy spectra and the calculations is obtained in the high- energy part of the proton energy distributions, but a discrepancy of the fits is revealed in the low-energy part at higher backing pressures which are associated with denser flows. A possible mechanism which would be responsible for this discrepancy is discussed. Finally, from the fits, a variation of the cluster size distributions was revealed to be dependent on the gas backing pressure as well as on the evolving time of the gas flow of clusters.

Wind-driven desertification: process modeling, remote monitoring, and forecasting

Arid and semiarid landscapes comprise nearly a third of the Earth's total land surface. These areas are coming under increasing land use pressures. Despite their low productivity these lands are not barren. Rather, they consist of fragile ecosystems vulnerable to anthropogenic disturbance.

The purpose of this thesis is threefold: (I) to develop and test a process model of wind-driven desertification, (II) to evaluate next-generation process-relevant remote monitoring strategies for use in arid and semiarid regions, and (III) to identify elements for effective management of the world's drylands.

In developing the process model of wind-driven desertification in arid and semiarid lands, field, remote sensing, and modeling observations from a degraded Mojave Desert shrubland are used. This model focuses on aeolian removal and transport of dust, sand, and litter as the primary mechanisms of degradation: killing plants by burial and abrasion, interrupting natural processes of nutrient accumulation, and allowing the loss of soil resources by abiotic transport. This model is tested in field sampling experiments at two sites and is extended by Fourier Transform and geostatistical analysis of high-resolution imagery from one site.

Next, the use of hyperspectral remote sensing data is evaluated as a substantive input to dryland remote monitoring strategies. In particular, the efficacy of spectral mixture analysis (SMA) in discriminating vegetation and soil types and detennining vegetation cover is investigated. The results indicate that hyperspectral data may be less useful than often thought in determining vegetation parameters. Its usefulness in determining soil parameters, however, may be leveraged by developing simple multispectral classification tools that can be used to monitor desertification.

Finally, the elements required for effective monitoring and management of arid and semiarid lands are discussed. Several large-scale multi-site field experiments are proposed to clarify the role of wind as a landscape and degradation process in dry lands. The role of remote sensing in monitoring the world's drylands is discussed in terms of optimal remote sensing platform characteristics and surface phenomena which may be monitored in order to identify areas at risk of desertification. A desertification indicator is proposed that unifies consideration of environmental and human variables.

Low Climate Stabilisation under Diverse Growth and Convergence Scenarios

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Advanced density functional theory methods for materials science

In this work we chiefly deal with two broad classes of problems in computational materials science, determining the doping mechanism in a semiconductor and developing an extreme condition equation of state. While solving certain aspects of these questions is well-trodden ground, both require extending the reach of existing methods to fully answer them. Here we choose to build upon the framework of density functional theory (DFT) which provides an efficient means to investigate a system from a quantum mechanics description.

Zinc Phosphide (Zn₃P₂) could be the basis for cheap and highly efficient solar cells. Its use in this regard is limited by the difficulty in n-type doping the material. In an effort to understand the mechanism behind this, the energetics and electronic structure of intrinsic point defects in zinc phosphide are studied using generalized Kohn-Sham theory and utilizing the Heyd, Scuseria, and Ernzerhof (HSE) hybrid functional for exchange and correlation. Novel 'perturbation extrapolation' is utilized to extend the use of the computationally expensive HSE functional to this large-scale defect system. According to calculations, the formation energy of charged phosphorus interstitial defects are very low in n-type Zn₃P₂ and act as 'electron sinks', nullifying the desired doping and lowering the fermi-level back towards the p-type regime. Going forward, this insight provides clues to fabricating useful zinc phosphide based devices. In addition, the methodology developed for this work can be applied to further doping studies in other systems.

Accurate determination of high pressure and temperature equations of state is fundamental in a variety of fields. However, it is often very difficult to cover a wide range of temperatures and pressures in an laboratory setting. Here we develop methods to determine a multi-phase equation of state for Ta through computation. The typical means of investigating thermodynamic properties is via ’classical’ molecular dynamics where the atomic motion is calculated from Newtonian mechanics with the electronic effects abstracted away into an interatomic potential function. For our purposes, a ’first principles’ approach such as DFT is useful as a classical potential is typically valid for only a portion of the phase diagram (i.e. whatever part it has been fit to). Furthermore, for extremes of temperature and pressure quantum effects become critical to accurately capture an equation of state and are very hard to capture in even complex model potentials. This requires extending the inherently zero temperature DFT to predict the finite temperature response of the system. Statistical modelling and thermodynamic integration is used to extend our results over all phases, as well as phase-coexistence regions which are at the limits of typical DFT validity. We deliver the most comprehensive and accurate equation of state that has been done for Ta. This work also lends insights that can be applied to further equation of state work in many other materials.

Comunidades de anfíbios anuros em duas fitofisionomias do Parque Estadual da Serra do Tabuleiro, estado de Santa Catarina

O estado de Santa Catarina possuía sua área inteiramente coberta por Mata Atlântica, um dos biomas mais ameaçados mundialmente. Mesmo com o crescente aumento de informações sobre os anfíbios no estado, ainda existe muitas lacunas de informações para este grupo e o desconhecimento é alto mesmo no interior das Unidades de Conservação. O Parque Estadual da Serra do Tabuleiro é a maior unidade de conservação de proteção integral de Santa Catarina e ainda assim possui inúmeras ameaças e pressões antrópicas. Os objetivos deste estudo foram estudar os anfíbios anuros em duas fitofisionomias, restinga e floresta ombrófila densa submontana, do Parque Estadual da Serra do Tabuleiro, verificar as diferenças dos parâmetros da comunidade entre três mesohábitats na restinga, compreender em que extensão algumas variáveis estruturais do hábitat afetam a riqueza e abundância dos anuros na restinga e na floresta ombrófila densa submontana, conhecer os anuros de folhiço na área de floresta e, adicionalmente, verificar o atual conhecimento sobre os anuros de folhiço no mundo. Os anuros no parque foram amostrados por meio dos métodos de procura ativa em transecções, armadilhas de queda com cerca guia e parcelas no chão da floresta durante três anos consecutivos com amostragens trimestrais, de julho de 2007 a abril de 2010. As variáves estruturais foram medidas nos locais amostrados enquanto que os dados climáticos foram obtidos da estação meteorológica mais próxima da área de estudo. A revisão sobre os anuros de folhiço no mundo foi realizada por uma busca na base de dados ISI Web if Science entre os anos de 1945 e 2008. Foram registradas 39 espécies de anuros no Parque, sendo 15 espécies para a restinga, 31 espécies na floresta. No folhiço do chão da floresta, a comunidade foi composta por 13 espécies de anuros. No total, 66% dos anuros registrados aqui, foram endêmicos da Mata Atlântica, 17% possuíram distribuição restrita à Santa Catarina e quatro espécies foram consideradas como vulneráveis na lista de espécies ameaçadas de extinção de Santa Catarina. Na restinga, a área aberta e a mata de restinga foram as mais dissimilares com relação à composição e abundância de anuros e também para as variáveis estruturais do hábitat. Na floresta ombrófila densa, a cobertura de dossel e o número de corpos dágua foram as variáveis mais importantes para a riqueza e abundância das espécies de anuros. Também para os anuros de folhiço do parque, a cobertura de dossel foi importante, conjuntamente com a umidade do ar e a profundidade de folhiço. O atual conhecimento sobre os anuros de folhiço no mundo se concentra nas regiões tropicais, sendo que o Brasil possui o maior número de estudos. Algumas tendências para as comunidades de anuros de folhiço puderam ser identificadas, mas estudos adicionais são necessários para que mais inferências possam ser feitas. O presente estudo contribuiu para preencher parte das lacunas de conhecimento existentes para a biodiversidade dos anuros do estado de Santa Catarina e em especial para o Parque Estadual da Serra do Tabuleiro.

Comunidade de mamíferos em uma paisagem fragmentada no município de Cachoeiras de Macacu, RJ

A Mata Atlântica sofre fortes pressões antrópicas desde o descobrimento do Brasil. Desse contexto surge a necessidades de estudos que busquem os efeitos dessa degradação sobre a biodiversidade desse bioma. Mamíferos são bons bioindicadores da qualidade ambiental dos ecossistemas a eles associados. Sendo assim, esse estudo objetivou a busca da relação entre a estrutura da comunidade de mamíferos e a estrutura da cobertura vegetal de uma paisagem do município de Cachoeiras de Macacu, RJ. Os resultados apontaram para uma relação entre a distância entre os fragmentos e sua composição, ou seja, quanto mais próximos os fragmentos estão entre si, mais semelhantes eles são em relação a composição da comunidade de mamíferos. Nessa perspectiva, refletimos sobre a importância da Teoria de Biogeografia de Ilhas e da Teoria de Metapopulações no pensar de estratégias conservacionistas e entendemos que elas podem ajudar na construção de modelos complexos sobre a composição das espécies de mamíferos.

Remoção de metais pesados de efluentes sintéticos aquosos por nanofiltração

O objetivo deste trabalho foi estudar a remoção de metais pesados de efluentes sintéticos aquosos através de nanofiltração, com utilização de membrana de poliamida. A membrana utilizada constituída de poliamida apresentou uma boa permeabilidade hidráulica, constatada pela linearidade de fluxo com a variação de pressão de trabalho. Os metais estudados foram cobre, cádmio, zinco, chumbo e níquel com especiação de nitrato e sulfato. O desempenho do sistema foi verificado pela variação dos parâmetros operacionais (pressão e fluxo), associados também com a variação da salinidade e da concentração do metal. Em uma etapa inicial estudou-se a remoção de metais (nitrato e sulfato) isoladamente em uma mesma concentração molar, na pressão de 10 bar, comparando-se as rejeições com e sem agente complexante (EDTA). Em uma segunda etapa, estudou-se o desempenho da membrana, com misturas dos metais (nitrato) e mistura de metais (sulfato), também com e sem agente complexante, os resultados mostraram que a presença de agente complexante melhorou a rejeição dos metais. Nestas misturas estudaram-se os efeitos das concentrações (0,001; 0,0005 e 0,0001mol/L) e das pressões (5; 7; 10 e 12,5 bar) no sistema de remoção, constatou-se que o aumento da concentração e diminuição da pressão afeta a remoção. Em uma terceira etapa, estudou-se a influência da salinidade pela mistura de dois metais de mesma especiação (sulfato), comparando a remoção na pressão de 10 bar. Os resultados atestaram uma rejeição maior que 94 % para todos metais, na pressão de 10 bar, indicando um excelente desempenho e fluxo adequado, daí viabilidade de processo para todas as concentrações testadas. A pertinência do teste se justifica pela adequação do permeado ao atendimento aos padrões ambientais de concentração de metais e confirmam a eficácia do sistema de nanofiltração na remoção de metais pesados

Determinação da viscosidade de misturas assimétricas em alta pressão usando regras de mistura

O conhecimento de propriedades de transporte de misturas a diferentes pressões e temperaturas é importante em projetos, operação, controle e otimização de processos industriais. Nestes processos, frequentemente, o fluido é uma mistura binária ou multicomponente de hidrocarbonetos, como fluidos de petróleo. Propriedades experimentais de misturas, especialmente, a viscosidade absoluta como função de temperatura e pressão, podem fornecer importantes informações sobre o comportamento do fluido em diferentes composições e são usadas no desenvolvimento de modelos e correlações e na caracterização de misturas complexas. Diversas regras de mistura têm sido propostas na literatura para cálculo de viscosidade de misturas. Estas regras de mistura preveem o comportamento da mistura à pressão atmosférica usando propriedades dos componentes puros. Porém, em diversas aplicações é necessário estimar a viscosidade de misturas a altas pressões. Neste estudo, foram avaliadas regras de mistura comumente usadas como Refutas, Fator de Mistura, Índice de Mistura, Grunberg e Nissan, Kendall-Monroe e Eyring bem como Aditividade Molar, usando dados de viscosidade experimental de misturas em altas pressões. Inicialmente, foram realizadas medidas de viscosidade absoluta para a mistura altamente assimétrica de ciclohexano e n-hexadecano na faixa de temperatura entre (318,15 a 413,15) K e pressões até 62,053 MPa e, para este sistema, um modelo foi proposto para cálculo dos componentes puros para dada temperatura e pressão. Além disso, dados experimentais de viscosidade de trinta misturas cujos componentes diferem em forma, tamanho ou flexibilidade foram selecionados na literatura e modelados empregando-se regras de mistura. As viscosidades das misturas foram estimadas a partir de dados de viscosidade experimental dos componentes puros medidos nas mesmas temperaturas e pressões. A altas pressões, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura apresentaram os melhores resultados para todos os sistemas estudados. Mesmo para moléculas bastante assimétricas, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura podem ser usados.

Simulation of shock-induced bubble collapse with application to vascular injury in shockwave lithotripsy

Shockwave lithotripsy is a noninvasive medical procedure wherein shockwaves are repeatedly focused at the location of kidney stones in order to pulverize them. Stone comminution is thought to be the product of two mechanisms: the propagation of stress waves within the stone and cavitation erosion. However, the latter mechanism has also been implicated in vascular injury. In the present work, shock-induced bubble collapse is studied in order to understand the role that it might play in inducing vascular injury. A high-order accurate, shock- and interface-capturing numerical scheme is developed to simulate the three-dimensional collapse of the bubble in both the free-field and inside a vessel phantom. The primary contributions of the numerical study are the characterization of the shock-bubble and shock-bubble-vessel interactions across a large parameter space that includes clinical shockwave lithotripsy pressure amplitudes, problem geometry and tissue viscoelasticity, and the subsequent correlation of these interactions to vascular injury. Specifically, measurements of the vessel wall pressures and displacements, as well as the finite strains in the fluid surrounding the bubble, are utilized with available experiments in tissue to evaluate damage potential. Estimates are made of the smallest injurious bubbles in the microvasculature during both the collapse and jetting phases of the bubble's life cycle. The present results suggest that bubbles larger than 1 μm in diameter could rupture blood vessels under clinical SWL conditions.