Tailoring the nonlinear frequency coupling between odd harmonics for the optimisation of charged particle dynamics in capacitively coupled oxygen plasmas

The influence of nonlinear frequency coupling in an oxygen plasma excited by two odd harmonics at moderate pressure is investigated using a numerical model. Through variations in the voltage ratio and phase shift between the frequency components changes in ionization dynamics and sheath voltages are demonstrated. Furthermore, a regime in which the voltage drop across the plasma sheath is minimised is identified. This regime provides a significantly higher ion flux than a single frequency discharge driven by the lower of the two frequencies alone. These operating parameters have potential to be exploited for plasma processes requiring low ion bombardment energies but high ion fluxes. 

Particle-in-cell simulation study of the interaction between a relativistically moving leptonic micro-cloud and ambient electrons

Context. The jets of compact accreting objects are composed of electrons and a mixture of positrons and ions. These outflows impinge on the interstellar or intergalactic medium and both plasmas interact via collisionless processes. Filamentation (beam-Weibel) instabilities give rise to the growth of strong electromagnetic fields. These fields thermalize the interpenetrating plasmas. 

Aims. Hitherto, the effects imposed by a spatial non-uniformity on filamentation instabilities have remained unexplored. We examine the interaction between spatially uniform background electrons and a minuscule cloud of electrons and positrons. The cloud size is comparable to that created in recent laboratory experiments and such clouds may exist close to internal and external shocks of leptonic jets. The purpose of our study is to determine the prevalent instabilities, their ability to generate electromagnetic fields and the mechanism, by which the lepton micro-cloud transfers energy to the background plasma. 

Methods. A square micro-cloud of equally dense electrons and positrons impinges in our particle-in-cell (PIC) simulation on a spatially uniform plasma at rest. The latter consists of electrons with a temperature of 1 keV and immobile ions. The initially charge- and current neutral micro-cloud has a temperature of 100 keV and a side length of 2.5 plasma skin depths of the micro-cloud. The side length is given in the reference frame of the background plasma. The mean speed of the micro-cloud corresponds to a relativistic factor of 15, which is relevant for laboratory experiments and for relativistic astrophysical outflows. The spatial distributions of the leptons and of the electromagnetic fields are examined at several times. 

Results. A filamentation instability develops between the magnetic field carried by the micro-cloud and the background electrons. The electromagnetic fields, which grow from noise levels, redistribute the electrons and positrons within the cloud, which boosts the peak magnetic field amplitude. The current density and the moduli of the electromagnetic fields grow aperiodically in time and steadily along the direction that is anti-parallel to the cloud's velocity vector. The micro-cloud remains conjoined during the simulation. The instability induces an electrostatic wakefield in the background plasma. 

Conclusions. Relativistic clouds of leptons can generate and amplify magnetic fields even if they have a microscopic size, which implies that the underlying processes can be studied in the laboratory. The interaction of the localized magnetic field and high-energy leptons will give rise to synchrotron jitter radiation. The wakefield in the background plasma dissipates the kinetic energy of the lepton cloud. Even the fastest lepton micro-clouds can be slowed down by this collisionless mechanism. Moderately fast charge- and current neutralized lepton micro-clouds will deposit their energy close to relativistic shocks and hence they do not constitute an energy loss mechanism for the shock.

SIMLA: Simulating particle dynamics in intense laser and other electromagnetic fields via classical and quantum electrodynamics

We present the Fortran program SIMLA, which is designed for the study of charged particle dynamics in laser and other background fields. The dynamics can be determined classically via the Lorentz force and Landau–Lifshitz equations or, alternatively, via the simulation of photon emission events determined by strong-field quantum-electrodynamics amplitudes and implemented using Monte-Carlo routines. Multiple background fields can be included in the simulation and, where applicable, the propagation direction, field type (plane wave, focussed paraxial, constant crossed, or constant magnetic), and time envelope of each can be independently specified.

Biofilm Complexity Controls Fine Particle Dynamics in Streams

Most models of riverine eco-hydrology and biogeochemistry rely upon bulk parameterization of fluxes. However, the transport and retention of carbon and nutrients in headwater streams is strongly influenced by biofilms (surface-attached microbial communities), which results in strong feedbacks between stream hydrodynamics and biogeochemistry. Mechanistic understanding of the interactions between streambed biofilms and nutrient dynamics is lacking. Here we present experimental results linking microscale observations of biofilm community structure to the deposition and resuspension of clay-sized mineral particles in streams. Biofilms were grown in identical 3 m recirculating flumes over periods of 14-50 days. Fluorescent particles were introduced to each flume, and their deposition was traced over 30 minutes. Particle resuspension from the biofilms was then observed under an increased stream flow, mimicking a flood event. We quantified particle fluxes using flow cytometry and epifluorescence microscopy. We directly observed particle adhesion to the biofilm using a confocal laser scanning microscope. 3-D Optical Coherence Tomography was used to determine biofilm roughness, areal coverage and void space in each flume. These measurements allow us to link biofilm complexity to particle retention during both baseflow and floodflow. The results suggest that increased biofilm complexity favors deposition and retention of fine particles in streams.

Using particle dispersal models to assist in the conservation and recovery of the overexploited native oyster (Ostrea edulis) in an enclosed sea lough

Oyster populations around the world have seen catastrophic decline which has been largely attributed to overexploitation, disease and pollution. While considerable effort and resources have been implemented into restoring these important environmental engineers, the success of oyster populations is often limited by poor understanding of site-specific dispersal patterns of propagules. Water-borne transport is a key factor controlling or regulating the dispersal of the larval stage of benthic marine invertebrates which have limited mobility. The distribution of the native oyster Ostrea edulis in Strangford Lough, Northern Ireland, together with their densities and population structure at subtidal and intertidal sites has been documented at irregular intervals between 1997 and 2013. This paper revisits this historical data and considers whether different prevailing environmental conditions can be used to explain the distribution, densities and population structure of O. edulis in Strangford Lough. The approach adopted involved comparing predictive 2D hydrodynamic models coupled with particle tracking to simulate the dispersal of oyster larvae with historical and recent field records of the distribution of both subtidal and intertidal, populations since 1995. Results from the models support the hypothesis that commercial stocks of O. edulis introduced into Strangford Lough in the 1990s resulted in the re-establishment of wild populations of oysters in the Northern Basin which in turn provided a potential source of propagules for subtidal populations. These results highlight that strategic site selection (while inadvertent in the case of the introduced population in 1995) for the re-introduction of important shellfish species can significantly accelerate their recovery and restoration.

Particle acceleration with laser and applications

The biological effectiveness of laser driven protons on cells at high dose rate in a single exposure has been studied. V79 cell lines were irradiated with laser driven protons.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Distribuição por tamanhos do aerosol atmosférico na Península Ibérica

Um dos principais fatores que afetam negativamente a qualidade do ambiente em muitas cidades em todo o mundo é o material particulado (PM). A sua presença na atmosfera pode ter impactos negativos na saúde humana, clima, património edificado e ecossistemas. Muitos dos estudos realizados em áreas urbanas focam apenas as frações respiráveis (PM10 e PM2,5). No entanto, os processos de formação, a identificação das fontes emissoras e os efeitos dependem muito da distribuição granulométrica das partículas. A atenção tem recaído na análise de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), devida à sua carcinogenicidade e a informação disponível sobre outros compostos é escassa. O presente estudo consistiu na obtenção do PM distribuído por diferentes frações de tamanho e na análise detalhada da sua composição química, em dois locais urbanos da Península Ibérica (Madrid e Lisboa). Dado que os veículos representam uma das principais fontes emissoras em ambientes urbanos, efetuou-se uma caracterização mais detalhada deste tipo de emissões, conduzindo uma campanha de amostragem num túnel rodoviário (Marquês de Pombal, Lisboa). As amostragens, em ambas as cidades, decorreram durante um mês, quer no verão quer no inverno, em dois locais urbanos distintos, um junto a uma via com influência de tráfego e outro numa área urbana de fundo. No túnel a amostragem foi realizada apenas durante uma semana. Em Madrid e no túnel, o PM foi recolhido utilizando um amostrador de elevado volume com impactor em cascata com quatro tamanhos: 10-2,5, 2,5-0,95, 0,95-0,49 e < 0,49 μm. Em Lisboa, foi utilizado um impactor em cascata com apenas dois tamanhos, 10- 2,5 e < 2,5 μm. As amostras foram quimicamente analisadas e determinadas as concentrações de compostos carbonados (OC, EC e carbonatos), iões inorgânicos solúveis em água (Cl−, NO3−, SO42−, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+),metais e compostos orgânicos. Em Madrid, as concentrações médias de PM10 foram 44 e 48% maiores nas amostras recolhidas junto à estrada do que as de fundo urbano no verão e inverno, respetivamente. A fração grosseira e o PM0,5 apresentaram concentrações mais elevadas no verão do que no inverno devido às condições climatéricas pouco usuais. No verão, as amostragens decorreram num mês em que as temperaturas foram muito elevadas e em que ocorreram vários episódios de intrusão de poeira africana. Durante o período de amostragem de inverno, as temperaturas foram muito baixas e registaram-se vários dias de precipitação quer sob a forma de chuva, quer sob a forma de neve. As situações meteorológicas sinóticas mais comuns, incluindo aquelas que causam o transporte de massas de ar com poeiras Africanas, foram identificadas em ambas as estações do ano. As concentrações mássicas de PM10, EC e OC foram encontrados predominantemente na fração de tamanho ultrafino em ambos os locais de amostragem e estações do ano. Nas restantes frações não se observou nenhuma tendência sazonal. O carbono orgânico secundário (SOC) mostrou um claro padrão sazonal, com concentrações muito mais elevadas no verão do que no inverno, em ambos os lugares. A partir do balanço mássico de iões, observou-se que, no verão, a formação de compostos inorgânicos secundários (SIC) conduziu a um enriquecimento pouco comum de Ca2+ na fração submicrométrica, quer nas amostras de tráfego, quer em fundo urbano. Os alcanos, PAHs, os álcoois e os ácidos foram as classes de compostos orgânicos identificados e quantificados no material particulado. Globalmente, representaram 0,26 e 0,11 μg m−3 no verão e inverno, respetivamente, no local de tráfego e 0,28 e 0,035 μg m−3 na área urbana de fundo. Os diferentes compostos orgânicos também apresentaram padrões sazonais, sugerindo fontes de emissão (e.g. escapes dos veículos e fontes biogénicas) ou processos de formação com contribuições variáveis ao longo do ano. As concentrações de benzoapireno equivalente foram menores que 1 ng m-3 e o risco carcinogénico estimado é baixo. No verão, os maiores enriquecimentos de metais ocorreram na fração submicrométrica, e no inverno na fração grosseira. No verão, os enriquecimentos foram ≥ 80% para o Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb e Co, no inverno, estes traçadores de emissões do tráfego foram menores, exceto para o Zn. Em Lisboa, a concentração média de PM10 foi de 48 μg m-3 no verão e de 44 μg m-3 no inverno, junto à estrada. Na área de fundo urbano, registaram-se níveis comparáveis nas duas estações (27 μg m-3 e 26 μg m-3). A média do rácio PM2,5/PM10 foi de 65% no verão e 44% no inverno na área de tráfego e 62% e 59% na área urbana de fundo. Estes resultados significam que o PM2,5 é um dos principais contaminantes que afetam a qualidade do ar no centro da cidade de Lisboa. A relação OC/EC, que reflete a composição das emissões de combustão dos veículos, variou entre 0,3 e 0,4 no interior do túnel. Os rácios de OC/EC mínimos obtidos junto às vias de tráfego em Madrid e em Lisboa encontram-se entre os do túnel e os registados em atmosferas urbanas de fundo, sugerindo que os valores mínimos habitualmente obtidos para este parâmetro em ambientes urbanos abertos sobrestimam as emissões diretas de OC pelo transporte rodoviário. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para suprir, pelo menos em parte, as lacunas de informação quer sobre a composição de várias granulometrias de PM, quer sobre fontes e processos de formação em atmosferas urbanas. Como a exposição a poluentes do ar ultrapassa o controle dos indivíduos e exige ação das autoridades públicas a nível nacional, regional e até mesmo internacional, é importante propor medidas mitigadoras focadas nas principais fontes de emissão identificadas.

The response of reworked aerosols to climate through estimation of inter-particle forces

This paper describes the first use of inter-particle force measurement in reworked aerosols to better understand the mechanics of dust deflation and its consequent ecological ramifications. Dust is likely to carry hydrocarbons and micro-organisms including human pathogens and cultured microbes and thereby is a threat to plants, animals and human. Present-day global aerosol emissions are substantially greater than in 1850; however, the projected influx rates are highly disputable. This uncertainty, in part, has roots in the lack of understanding of deflation mechanisms. A growing body of literature shows that whether carbon emission continues to increase, plant transpiration drops and soil water retention enhances, allowing more greenery to grow and less dust to flux. On the other hand, a small but important body of geochemistry literature shows that increasing emission and global temperature leads to extreme climates, decalcification of surface soils containing soluble carbonate polymorphs and hence a greater chance of deflation. The consistency of loosely packed reworked silt provides background data against which the resistance of dust’s bonding components (carbonates and water) can be compared. The use of macro-scale phenomenological approaches to measure dust consistency is trivial. Instead, consistency can be measured in terms of inter-particle stress state. This paper describes a semi-empirical parametrisation of the inter-particle cohesion forces in terms of the balance of contact-level forces at the instant of particle motion. We put forward the hypothesis that the loss of Ca2+-based pedogenic salts is responsible for much of the dust influx and surficial drying pays a less significant role.

Determination of Alternaria spp. Habitats Using 7-Day Volumetric Spore Trap, Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model and Geographic Information System

There are many species among the Alternaria genus, which hosts on economically important crops causing significant yield losses. Less attention has been paid to fungi hosting on plants constituting substantial components of pastures and meadows. Alternaria spp. spores are also recognised as important allergens. A 7-day volumetric spore trap was used to monitor the concentration of airborne fungal spores. Air samples were collected in Worcester, England (2006–2010). Days with a high spore count were then selected. The longest episode that occurred within a five year study was chosen for modelling. Two source maps presenting distribution of crops under rotation and pastures in the UK were produced. Back trajectories were calculated using the HYSPLIT model. In ArcGIS clusters of trajectories were studied in connection with source maps by including the height above ground level and the speed of the air masses. During the episode no evidence for a long distance transport from the continent of Alternaria spp. spores was detected. The overall direction of the air masses fell within the range from South-West to North. The back trajectories indicated that the most important sources of Alternaria spp. spores were located in the West Midlands of England.

Particle swarm optimization based approaches to vehicle-to-grid scheduling

This paper addresses the problem of energy resources management using modern metaheuristics approaches, namely Particle Swarm Optimization (PSO), New Particle Swarm Optimization (NPSO) and Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO). The addressed problem in this research paper is intended for aggregators’ use operating in a smart grid context, dealing with Distributed Generation (DG), and gridable vehicles intelligently managed on a multi-period basis according to its users’ profiles and requirements. The aggregator can also purchase additional energy from external suppliers. The paper includes a case study considering a 30 kV distribution network with one substation, 180 buses and 90 load points. The distribution network in the case study considers intense penetration of DG, including 116 units from several technologies, and one external supplier. A scenario of 6000 EVs for the given network is simulated during 24 periods, corresponding to one day. The results of the application of the PSO approaches to this case study are discussed deep in the paper.