Modulated whistler wave packets associated with density perturbations

The parametric interaction between large amplitude whistlers and ponderomotively driven quasistationary density perturbations in plasmas is considered. A cubic nonlinear Schrodinger equation is derived and then solved analytically to show the occurrence of modulational instability as well as the existence of bright and dark envelope solitons, which are referred to as whistlerons. Explicit whistleron profiles are presented and the relevance to space and laboratory plasmas is discussed. (C) 2005 American Institute of Physics.

Nonlinearly coupled whistlers and dust-acoustic perturbations in dusty plasmas

The nonlinear interaction between magnetic-field-aligned coherent whistlers and dust-acoustic perturbations (DAPs) in a magnetized dusty plasma is considered. The interaction is governed by a pair of equations consisting of a nonlinear Schrodinger equation for the modulated whistler wave packet and an equation for the nonresonant DAPs in the presence of the ponderomotive force generated by the whistlers. The coupled equations are employed to investigate the occurrence of modulational instability, in addition to the formation of whistler envelope solitons. This investigation is relevant to amplitude modulated electron whistlers in magnetized space dusty plasmas. (c) 2005 American Institute of Physics.

Predicting community responses to perturbations in the face of imperfect knowledge and network complexity

How best to predict the effects of perturbations to ecological communities has been a long-standing goal for both applied and basic ecology. This quest has recently been revived by new empirical data, new analysis methods, and increased computing speed, with the promise that ecologically important insights may be obtainable from a limited knowledge of community interactions. We use empirically based and simulated networks of varying size and connectance to assess two limitations to predicting perturbation responses in multispecies communities: (1) the inaccuracy by which species interaction strengths are empirically quantified and (2) the indeterminacy of species responses due to indirect effects associated with network size and structure. We find that even modest levels of species richness and connectance (similar to 25 pairwise interactions) impose high requirements for interaction strength estimates because system indeterminacy rapidly overwhelms predictive insights. Nevertheless, even poorly estimated interaction strengths provide greater average predictive certainty than an approach that uses only the sign of each interaction. Our simulations provide guidance in dealing with the trade-offs involved in maximizing the utility of network approaches for predicting dynamics in multispecies communities.

Perturbations to trophic interactions and the stability of complex food webs

The pattern of predator-prey interactions is thought to be a key determinant of ecosystem processes and stability. Complex ecological networks are characterized by distributions of interaction strengths that are highly skewed, with many weak and few strong interactors present. Theory suggests that this pattern promotes stability as weak interactors dampen the destabilizing potential of strong interactors. Here, we present an experimental test of this hypothesis and provide empirical evidence that the loss of weak interactors can destabilize communities in nature. We ranked 10 marine consumer species by the strength of their trophic interactions. We removed the strongest and weakest of these interactors from experimental food webs containing >100 species. Extinction of strong interactors produced a dramatic trophic cascade and reduced the temporal stability of key ecosystem process rates, community diversity and resistance to changes in community composition. Loss of weak interactors also proved damaging for our experimental ecosystems, leading to reductions in the temporal and spatial stability of ecosystem process rates, community diversity, and resistance. These results highlight the importance of conserving species to maintain the stabilizing pattern of trophic interactions in nature, even if they are perceived to have weak effects in the system.

Press perturbations and indirect effects in real food webs

The prediction of the effects of disturbances in natural systems is limited by the general lack of knowledge on the strength of species interactions, i.e., the effect of one species on the population growth rate of another, and by the uncertainty of the effects that may be manifested via indirect pathways within the food web. Here we explored the consequences of changes in species populations for the remaining species within nine exceptionally well-characterized empirical food webs, for which, unlike the vast majority of other published webs, feeding links have been fully quantied. Using the inverse of the Jacobian matrix, we found that perturbations to species with few connections have larger net effects (considering both direct and indirect pathways between two species) on the rest of the food web than do disturbances to species that are highly connected. For 40% of predator-prey links, predators had positive net effects on prey populations, due to the predominance of indirect interactions. Our results highlight the fundamental, but often counterintuitive, role of indirect effects for the maintenance of food web complexity and biodiversity.

The role of the cerebral cortex in postural responses to externally induced perturbations

The ease with which we avoid falling down belies a highly sophisticated and distributed neural network for controlling reactions to maintain upright balance. Although historically these reactions were considered within the sub cortical domain, mounting evidence reveals a distributed network for postural control including a potentially important role for the cerebral cortex. Support for this cortical role comes from direct measurement associated with moments of induced instability as well as indirect links between cognitive task performance and balance recovery. The cerebral cortex appears to be directly involved in the control of rapid balance reactions but also setting the central nervous system in advance to optimize balance recovery reactions even when a future threat to stability is unexpected. In this review the growing body of evidence that now firmly supports a cortical role in the postural responses to externally induced perturbations is presented. Moreover, an updated framework is advanced to help understand how cortical contributions may influence our resistance to falls and on what timescale. The implications for future studies into the neural control of balance are discussed.

A study of singular integral operators with shift

Nesta tese, consideram-se operadores integrais singulares com a acção extra de um operador de deslocacamento de Carleman e com coeficientes em diferentes classes de funções essencialmente limitadas. Nomeadamente, funções contínuas por troços, funções quase-periódicas e funções possuíndo factorização generalizada. Nos casos dos operadores integrais singulares com deslocamento dado pelo operador de reflexão ou pelo operador de salto no círculo unitário complexo, obtêm-se critérios para a propriedade de Fredholm. Para os coeficientes contínuos, uma fórmula do índice de Fredholm é apresentada. Estes resultados são consequência das relações de equivalência explícitas entre aqueles operadores e alguns operadores adicionais, tais como o operador integral singular, operadores de Toeplitz e operadores de Toeplitz mais Hankel. Além disso, as relações de equivalência permitem-nos obter um critério de invertibilidade e fórmulas para os inversos laterais dos operadores iniciais com coeficientes factorizáveis. Adicionalmente, aplicamos técnicas de análise numérica, tais como métodos de colocação de polinómios, para o estudo da dimensão do núcleo dos dois tipos de operadores integrais singulares com coeficientes contínuos por troços. Esta abordagem permite também a computação do inverso no sentido Moore-Penrose dos operadores principais. Para operadores integrais singulares com operadores de deslocamento do tipo Carleman preservando a orientação e com funções contínuas como coeficientes, são obtidos limites superiores da dimensão do núcleo. Tal é implementado utilizando algumas estimativas e com a ajuda de relações (explícitas) de equivalência entre operadores. Focamos ainda a nossa atenção na resolução e nas soluções de uma classe de equações integrais singulares com deslocamento que não pode ser reduzida a um problema de valor de fronteira binomial. De forma a atingir os objectivos propostos, foram utilizadas projecções complementares e identidades entre operadores. Desta forma, as equações em estudo são associadas a sistemas de equações integrais singulares. Estes sistemas são depois analisados utilizando um problema de valor de fronteira de Riemann. Este procedimento tem como consequência a construção das soluções das equações iniciais a partir das soluções de problemas de valor de fronteira de Riemann. Motivados por uma grande diversidade de aplicações, estendemos a definição de operador integral de Cauchy para espaços de Lebesgue sobre grupos topológicos. Assim, são investigadas as condições de invertibilidade dos operadores integrais neste contexto.

Existence results for elliptic equations with singular terms

Esta dissertação estuda em detalhe três problemas elípticos: (I) uma classe de equações que envolve o operador Laplaciano, um termo singular e nãolinearidade com o exponente crítico de Sobolev, (II) uma classe de equações com singularidade dupla, o expoente crítico de Hardy-Sobolev e um termo côncavo e (III) uma classe de equações em forma divergente, que envolve um termo singular, um operador do tipo Leray-Lions, e uma função definida nos espaços de Lorentz. As não-linearidades consideradas nos problemas (I) e (II), apresentam dificuldades adicionais, tais como uma singularidade forte no ponto zero (de modo que um "blow-up" pode ocorrer) e a falta de compacidade, devido à presença do exponente crítico de Sobolev (problema (I)) e Hardy-Sobolev (problema (II)). Pela singularidade existente no problema (III), a definição padrão de solução fraca pode não fazer sentido, por isso, é introduzida uma noção especial de solução fraca em subconjuntos abertos do domínio. Métodos variacionais e técnicas da Teoria de Pontos Críticos são usados para provar a existência de soluções nos dois primeiros problemas. No problema (I), são usadas uma combinação adequada de técnicas de Nehari, o princípio variacional de Ekeland, métodos de minimax, um argumento de translação e estimativas integrais do nível de energia. Neste caso, demonstramos a existência de (pelo menos) quatro soluções não triviais onde pelo menos uma delas muda de sinal. No problema (II), usando o método de concentração de compacidade e o teorema de passagem de montanha, demostramos a existência de pelo menos duas soluções positivas e pelo menos um par de soluções com mudança de sinal. A abordagem do problema (III) combina um resultado de surjectividade para operadores monótonos, coercivos e radialmente contínuos com propriedades especiais do operador de tipo Leray- Lions. Demonstramos assim a existência de pelo menos, uma solução no espaço de Lorentz e obtemos uma estimativa para esta solução.