Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre

Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre.

New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

Advanced lithium battery chemistries for sustainable transportation

The specific energy of lithium-ion batteries (LIBs) is today 200 Wh/kg, a value not sufficient to power fully electric vehicles with a driving range of 400 km which requires a battery pack of 90 kWh. To deliver such energy the battery weight should be higher than 400 kg and the corresponding increase of vehicle mass would narrow the driving range to 280 km. Two main strategies are pursued to improve the energy of the rechargeable lithium batteries up to the transportation targets. The first is the increase of LIBs working voltage by using high-voltage cathode materials. The second is the increase of battery capacity by the development of a cell chemistry where oxygen redox reaction (ORR) occurs at the cathode and metal lithium is the anode (Li/O2 battery). This PhD work is focused on the development of high-voltage safe cathodes for LIBs, and on the investigation of the feasibility of Li/O2 battery operating with ionic liquid(IL)-based electrolytes. The use of LiMn1-xFexPO4 as high-voltage cathode material is discussed. Synthesis and electrochemical tests of three different phosphates, more safe cathode materials than transition metal oxides, are reported. The feasibility of Li/O2 battery operating in IL-based electrolytes is also discussed. Three aspects have been investigated: basic aspects of ORR, synthesis and characterization of porous carbons as positive electrode materials and study of limiting factors to the electrode capacity and cycle-life. Regarding LIBs, the findings on LiMnPO4 prepared by soluble precursors demonstrate that a good performing Mn-based olivine is viable without the coexistence of iron. Regarding Li/O2 battery, the oxygen diffusion coefficient and concentration values in different ILs were obtained. This work highlighted that the O2 mass transport limits the Li/O2 capacity at high currents; it gave indications on how to increase battery capacity by using a flow-cell and a porous carbon as cathode.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

IMEX finite volume methods for the shallow water equations

Die Flachwassergleichungen (SWE) sind ein hyperbolisches System von Bilanzgleichungen, die adäquate Approximationen an groß-skalige Strömungen der Ozeane, Flüsse und der Atmosphäre liefern. Dabei werden Masse und Impuls erhalten. Wir unterscheiden zwei charakteristische Geschwindigkeiten: die Advektionsgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit des Massentransports, und die Geschwindigkeit von Schwerewellen, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen, die Energie und Impuls tragen. Die Froude-Zahl ist eine Kennzahl und ist durch das Verhältnis der Referenzadvektionsgeschwindigkeit zu der Referenzgeschwindigkeit der Schwerewellen gegeben. Für die oben genannten Anwendungen ist sie typischerweise sehr klein, z.B. 0.01. Zeit-explizite Finite-Volume-Verfahren werden am öftersten zur numerischen Berechnung hyperbolischer Bilanzgleichungen benutzt. Daher muss die CFL-Stabilitätsbedingung eingehalten werden und das Zeitinkrement ist ungefähr proportional zu der Froude-Zahl. Deswegen entsteht bei kleinen Froude-Zahlen, etwa kleiner als 0.2, ein hoher Rechenaufwand. Ferner sind die numerischen Lösungen dissipativ. Es ist allgemein bekannt, dass die Lösungen der SWE gegen die Lösungen der Seegleichungen/ Froude-Zahl Null SWE für Froude-Zahl gegen Null konvergieren, falls adäquate Bedingungen erfüllt sind. In diesem Grenzwertprozess ändern die Gleichungen ihren Typ von hyperbolisch zu hyperbolisch.-elliptisch. Ferner kann bei kleinen Froude-Zahlen die Konvergenzordnung sinken oder das numerische Verfahren zusammenbrechen. Insbesondere wurde bei zeit-expliziten Verfahren falsches asymptotisches Verhalten (bzgl. der Froude-Zahl) beobachtet, das diese Effekte verursachen könnte.Ozeanographische und atmosphärische Strömungen sind typischerweise kleine Störungen eines unterliegenden Equilibriumzustandes. Wir möchten, dass numerische Verfahren für Bilanzgleichungen gewisse Equilibriumzustände exakt erhalten, sonst können künstliche Strömungen vom Verfahren erzeugt werden. Daher ist die Quelltermapproximation essentiell. Numerische Verfahren die Equilibriumzustände erhalten heißen ausbalanciert.rnrnIn der vorliegenden Arbeit spalten wir die SWE in einen steifen, linearen und einen nicht-steifen Teil, um die starke Einschränkung der Zeitschritte durch die CFL-Bedingung zu umgehen. Der steife Teil wird implizit und der nicht-steife explizit approximiert. Dazu verwenden wir IMEX (implicit-explicit) Runge-Kutta und IMEX Mehrschritt-Zeitdiskretisierungen. Die Raumdiskretisierung erfolgt mittels der Finite-Volumen-Methode. Der steife Teil wird mit Hilfe von finiter Differenzen oder au eine acht mehrdimensional Art und Weise approximniert. Zur mehrdimensionalen Approximation verwenden wir approximative Evolutionsoperatoren, die alle unendlich viele Informationsausbreitungsrichtungen berücksichtigen. Die expliziten Terme werden mit gewöhnlichen numerischen Flüssen approximiert. Daher erhalten wir eine Stabilitätsbedingung analog zu einer rein advektiven Strömung, d.h. das Zeitinkrement vergrößert um den Faktor Kehrwert der Froude-Zahl. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Verfahren sind asymptotisch erhaltend und ausbalanciert. Die asymptotischer Erhaltung stellt sicher, dass numerische Lösung das &amp;amp;quot;korrekte&amp;amp;quot; asymptotische Verhalten bezüglich kleiner Froude-Zahlen besitzt. Wir präsentieren Verfahren erster und zweiter Ordnung. Numerische Resultate bestätigen die Konvergenzordnung, so wie Stabilität, Ausbalanciertheit und die asymptotische Erhaltung. Insbesondere beobachten wir bei machen Verfahren, dass die Konvergenzordnung fast unabhängig von der Froude-Zahl ist.

Assessing the Validity of Brain Glucose Concentration Measurement Using Microdialysis

Brain functions, such as learning, orchestrating locomotion, memory recall, and processing information, all require glucose as a source of energy. During these functions, the glucose concentration decreases as the glucose is being consumed by brain cells. By measuring this drop in concentration, it is possible to determine which parts of the brain are used during specific functions and consequently, how much energy the brain requires to complete the function. One way to measure in vivo brain glucose levels is with a microdialysis probe. The drawback of this analytical procedure, as with many steadystate fluid flow systems, is that the probe fluid will not reach equilibrium with the brain fluid. Therefore, brain concentration is inferred by taking samples at multiple inlet glucose concentrations and finding a point of convergence. The goal of this thesis is to create a three-dimensional, time-dependent, finite element representation of the brainprobe system in COMSOL 4.2 that describes the diffusion and convection of glucose. Once validated with experimental results, this model can then be used to test parameters that experiments cannot access. When simulations were run using published values for physical constants (i.e. diffusivities, density and viscosity), the resulting glucose model concentrations were within the error of the experimental data. This verifies that the model is an accurate representation of the physical system. In addition to accurately describing the experimental brain-probe system, the model I created is able to show the validity of zero-net-flux for a given experiment. A useful discovery is that the slope of the zero-net-flux line is dependent on perfusate flow rate and diffusion coefficients, but it is independent of brain glucose concentrations. The model was simplified with the realization that the perfusate is at thermal equilibrium with the brain throughout the active region of the probe. This allowed for the assumption that all model parameters are temperature independent. The time to steady-state for the probe is approximately one minute. However, the signal degrades in the exit tubing due to Taylor dispersion, on the order of two minutes for two meters of tubing. Given an analytical instrument requiring a five μL aliquot, the smallest brain process measurable for this system is 13 minutes.

Nano-engineering of composite material via reactive mechanical alloying/milling (RMA/M)

Attempts to strengthen a chromium-modified titanium trialuminide by a combination of grain size refinement and dispersoid strengthening led to a new means to synthesize such materials. This Reactive Mechanical Alloying/Milling process uses in situ reactions between the metallic powders and elements from a process control agent and/or a gaseous environment to assemble a dispersed small hard particle phase within the matrix by a bottom-up approach. In the current research milled powders of the trialuminide alloy along with titanium carbide were produced. The amount of the carbide can be varied widely with simple processing changes and in this case the milling process created trialuminide grain sizes and carbide particles that are the smallest known from such a process. Characterization of these materials required the development of x-ray diffraction means to determine particle sizes by deconvoluting and synthesizing components of the complex multiphase diffraction patterns and to carry out whole pattern analysis to analyze the diffuse scattering that developed from larger than usual highly defective grain boundary regions. These identified regions provide an important mass transport capability in the processing and not only facilitate the alloy development, but add to the understanding of the mechanical alloying process. Consolidation of the milled powder that consisted of small crystallites of the alloy and dispersed carbide particles two nanometers in size formed a unique, somewhat coarsened, microstructure producing an ultra-high strength solid material composed of the chromium-modified titanium trialuminide alloy matrix with small platelets of the complex carbides Ti2AlC and Ti3AlC2. This synthesis process provides the unique ability to nano-engineer a wide variety of composite materials, or special alloys, and has shown the ability to be extended to a wide variety of metallic materials.

Earth gravity field recovery using GPS, GLONASS, and SLR satellites

The time variable Earth’s gravity field provides the information about mass transport within the system Earth, i.e., the relationship of mass transport between atmosphere, oceans, and land hydrology. We recover the low-degree parameters of the time variable gravity field using microwave observations from GPS and GLONASS satellites and from SLR data to five geodetic satellites, namely LAGEOS-1/2, Starlette, Stella, and AJISAI. GPS satellites are particularly sensitive to specific coefficients of the Earth's gravity field, because of the deep 2:1 orbital resonance with Earth rotation (two revolutions of the GPS satellites per sidereal day). The resonant coefficients cause, among other, a “secular” drift (actually periodic variations of very long periods) of the semi-major axes of up to 5.3 m/day of GPS satellites. We processed 10 years of GPS and GLONASS data using the standard orbit models from the Center of Orbit Determination in Europe (CODE) with a simultaneous estimation of the Earth gravity field coefficients and other parameters, e.g., satellite orbit parameters, station coordinates, Earth rotation parameters, troposphere delays, etc. The weekly GNSS gravity solutions up to degree and order 4/4 are compared to the weekly SLR gravity field solutions. The SLR-derived geopotential coefficients are compared to monthly GRACE and CHAMP results.

Time variable Earth’s gravity field from SLR satellites

The time variable Earth’s gravity field contains information about the mass transport within the system Earth, i.e., the relationship between mass variations in the atmosphere, oceans, land hydrology, and ice sheets. For many years, satellite laser ranging (SLR) observations to geodetic satellites have provided valuable information of the low-degree coefficients of the Earth’s gravity field. Today, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission is the major source of information for the time variable field of a high spatial resolution. We recover the low-degree coefficients of the time variable Earth’s gravity field using SLR observations up to nine geodetic satellites: LAGEOS-1, LAGEOS-2, Starlette, Stella, AJISAI, LARES, Larets, BLITS, and Beacon-C. We estimate monthly gravity field coefficients up to degree and order 10/10 for the time span 2003–2013 and we compare the results with the GRACE-derived gravity field coefficients. We show that not only degree-2 gravity field coefficients can be well determined from SLR, but also other coefficients up to degree 10 using the combination of short 1-day arcs for low orbiting satellites and 10-day arcs for LAGEOS-1/2. In this way, LAGEOS-1/2 allow recovering zonal terms, which are associated with long-term satellite orbit perturbations, whereas the tesseral and sectorial terms benefit most from low orbiting satellites, whose orbit modeling deficiencies are minimized due to short 1-day arcs. The amplitudes of the annual signal in the low-degree gravity field coefficients derived from SLR agree with GRACE K-band results at a level of 77 %. This implies that SLR has a great potential to fill the gap between the current GRACE and the future GRACE Follow-On mission for recovering of the seasonal variations and secular trends of the longest wavelengths in gravity field, which are associated with the large-scale mass transport in the system Earth.

Sediment mobilization deposits from episodic subsurface fluid flow—A new tool to reveal long-term earthquake records?

Subsurface fluid flow can be affected by earthquakes; increased spring activity, mud vol- cano eruptions, groundwater fluctuations, changes in geyser frequency, and other forms of altered subsurface fluid flow have been documented during, after, or even prior to seismic shaking. Recently discovered giant pockmarks on the bottom of Lake Neuchâtel, Switzerland, are the lake-floor expression of subsurface fluid flow. They discharge groundwater from the Jura Mountains karstic aquifers and experience episodically increased subsurface fluid flow documented by subsurface sediment mobilization deposits at the levees of the pockmarks. In this study, we present the spatio-temporal distribution of event deposits from these phases of sediment expulsion and of multiple time-correlative mass-transport deposits. We report five striking instances of concurrent multiple subsurface sediment deposits and multiple mass- transport deposits since late glacial times, for which we propose past earthquakes as a trigger. Comparison of this new event catalogue with historic earthquakes and other independent paleoseismic records suggests that initiation of sediment expulsion requires a minimum mac- roseismic intensity of VII. Thus, our study presents for the first time sedimentary deposits resulting from increased subsurface fluid flow as a paleoseismic proxy.

Gravity potential spherical harmonic series

Time variable gravity fields, reflecting variations of mass distribution in the system Earth is one of the key parameters to understand the changing Earth. Mass variations are caused either by redistribution of mass in, on or above the Earth's surface or by geophysical processes in the Earth's interior. The first set of observations of monthly variations of the Earth gravity field was provided by the US/German GRACE satellite mission beginning in 2002. This mission is still providing valuable information to the science community. However, as GRACE has outlived its expected lifetime, the geoscience community is currently seeking successor missions in order to maintain the long time series of climate change that was begun by GRACE. Several studies on science requirements and technical feasibility have been conducted in the recent years. These studies required a realistic model of the time variable gravity field in order to perform simulation studies on sensitivity of satellites and their instrumentation. This was the primary reason for the European Space Agency (ESA) to initiate a study on ''Monitoring and Modelling individual Sources of Mass Distribution and Transport in the Earth System by Means of Satellites''. The goal of this interdisciplinary study was to create as realistic as possible simulated time variable gravity fields based on coupled geophysical models, which could be used in the simulation processes in a controlled environment. For this purpose global atmosphere, ocean, continental hydrology and ice models were used. The coupling was performed by using consistent forcing throughout the models and by including water flow between the different domains of the Earth system. In addition gravity field changes due to solid Earth processes like continuous glacial isostatic adjustment (GIA) and a sudden earthquake with co-seismic and post-seismic signals were modelled. All individual model results were combined and converted to gravity field spherical harmonic series, which is the quantity commonly used to describe the Earth's global gravity field. The result of this study is a twelve-year time-series of 6-hourly time variable gravity field spherical harmonics up to degree and order 180 corresponding to a global spatial resolution of 1 degree in latitude and longitude. In this paper, we outline the input data sets and the process of combining these data sets into a coherent model of temporal gravity field changes. The resulting time series was used in some follow-on studies and is available to anybody interested.

137Cs concentrations in the southeastern Baltic Sea in 1997-2000

Variations of 137Cs concentration in the southeastern Baltic Sea were investigated over the period 1997-2000, i.e. in 11-14 years after the Chernobyl Nuclear Power Plant accident. Rate of "self-cleaning" proved to be very slow. Some results obtained in 1999 were almost the same as those measured after the accident, in 1986. Calculated results showed that "Chernobyl" caesium-137 would be "cleaned" in the Baltic Sea by 2020-2022. In 2000 average concentration had to be about 50-60 Bq/m**3. Sometimes mentioned concentrations were observed. In some cases higher concentrations averaging from 67 to 80 Bq/m**3 were registered in the southeastern Baltic Sea in 1999; and in some samples 137Cs concentrations were very high. They varied from 110 to 212 Bq/m**3. No steady correlation was observed between 137Cs concentration, salinity and temperature in surface water of the area. Distribution of radionuclide concentration sometimes depends on direction of water mass transport. Abnormally high concentrations of 137Cs in the southeastern Baltic Sea may result from additional radioactive waste discharge.

Physical properties and geochemical pore-water analysis of sediment core GeoB16423-1

Several studies indicate that the 2011 Tohoku-Oki earthquake (Mw 9.0) off the Pacific coast of Japan has induced slip to the trench and triggered landslides in the Japan Trench. In order to better understand these processes, detailed mapping and shallow-coring landslides at the trench as well as Integrated Ocean Drilling Program (IODP) deep drilling to recover the plate boundary décollement (Japan Trench Fast Earthquake Drilling Project, JFAST) have been conducted. In this study we report sediment core data from the rapid response R/V SONNE cruise (SO219A) to the Japan Trench, evidencing a Mass Transport Deposit (MTD) in the uppermost section later drilled at this JFAST-site during IODP Expedition 343. A 8.7 m long gravity core (GeoB16423-1) recovered from ~7,000 m water depth reveals a 8 m sequence of semi-consolidated mud clast breccias embedded in a distorted chaotic sediment matrix. The MTD is covered by a thin veneer of 50 cm hemipelagic, bioturbated diatomaceous mud. This stratigraphic boundary can be clearly distinguished by using physical properties data from Multi Sensor Core Logging and from fall-cone penetrometer shear strength measurements. The geochemical analysis of the pore-water shows undisturbed linear profiles measured from the seafloor downcore across the stratigraphic contact between overlying younger background-sediment and MTD below. This indicates that the investigated section has not been affected by a recent sediment destabilization in the course of the giant Tohoku-Oki earthquake event. Instead, we report an older landslide which occurred between 700 and 10,000 years ago, implying that submarine mass movements are dominant processes along the Japan Trench. However, they occur on local sites and not during each megathrust earthquake.

A numerical discrete element study on the influence of an embedded viscoelastic-plastic layer at different viscosity values

The major aim of this study was to examine the influence of an embedded viscoelastic-plastic layer at different viscosity values on accretionary wedges at subduction zones. To quantify the effects of the layer viscosity, we analysed the wedge geometry, accretion mode, thrust systems and mass transport pattern. Therefore, we developed a numerical 2D 'sandbox' model utilising the Discrete Element Method. Starting with a simple pure Mohr Coulomb sequence, we added an embedded viscoelastic-plastic layer within the brittle, undeformed 'sediment' package. This layer followed Burger's rheology, which simulates the creep behaviour of natural rocks, such as evaporites. This layer got thrusted and folded during the subduction process. The testing of different bulk viscosity values, from 1 × 10**13 to 1 × 10**14 (Pa s), revealed a certain range where an active detachment evolved within the viscoelastic-plastic layer that decoupled the over- and the underlying brittle strata. This mid-level detachment caused the evolution of a frontally accreted wedge above it and a long underthrusted and subsequently basally accreted sequence beneath it. Both sequences were characterised by specific mass transport patterns depending on the used viscosity value. With decreasing bulk viscosities, thrust systems above this weak mid-level detachment became increasingly symmetrical and the particle uplift was reduced, as would be expected for a salt controlled forearc in nature. Simultaneously, antiformal stacking was favoured over hinterland dipping in the lower brittle layer and overturning of the uplifted material increased. Hence, we validated that the viscosity of an embedded detachment strongly influences the whole wedge mechanics, both the respective lower slope and the upper slope duplex, shown by e.g. the mass transport pattern.