INVESTIGATIONS ON THE ENERGY-TRANSFER OF EXCITED PARTICLE COLLISION WITH DOUBLE LASER LINES FOR EXCITATION OF LA(I)

Generally speaking, productions of thermally-assisted and stepwise fluorescence are the consequence of energy transfer caused by particle collision. In some circumstances, energy transfer caused by particle collision is considerably intense. We have ever used the fluorescence produced by energy transfer of particle collision to measure the branching ratios in the atomic transitions and acquired good results. To our knowledge, the systematic in

Sand storms: CFD analysis of Reynolds stress and collision stress of particles near sand bed

Sand storm is a serious environmental threat to humans. Sand particles are transported by saltation and suspension, causing soil erosion in one place and deposition in another. In order to prevent and predict sand storms, the causes and the manners of particle motions must be studied in detail. In this paper a standard k-epsilon model is used for the gas phase simulation and the discrete element method (DEM) is used to predict the movements of particles using an in-house procedure. The data are summarized in an Eulerian-Eulerian regime after simulation to get the statistical particle Reynolds stress and particle collision stress. The results show that for the current case the Reynolds stress and the air shear stress predominate in the region 20-250 mm above the initial sand bed surface. However, in the region below 3 mm, the collision stress must be taken into account in predicting particle movement. (C) 2010 Chinese Society of Particuology and Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Proposição e análise de modelos híbridos para o problema de escalonamento de produção em oficina de máquinas

Nas últimas décadas, o problema de escalonamento da produção em oficina de máquinas, na literatura referido como JSSP (do inglês Job Shop Scheduling Problem), tem recebido grande destaque por parte de pesquisadores do mundo inteiro. Uma das razões que justificam tamanho interesse está em sua alta complexidade. O JSSP é um problema de análise combinatória classificado como NP-Difícil e, apesar de existir uma grande variedade de métodos e heurísticas que são capazes de resolvê-lo, ainda não existe hoje nenhum método ou heurística capaz de encontrar soluções ótimas para todos os problemas testes apresentados na literatura. A outra razão basea-se no fato de que esse problema encontra-se presente no diaa- dia das indústrias de transformação de vários segmento e, uma vez que a otimização do escalonamento pode gerar uma redução significativa no tempo de produção e, consequentemente, um melhor aproveitamento dos recursos de produção, ele pode gerar um forte impacto no lucro dessas indústrias, principalmente nos casos em que o setor de produção é responsável por grande parte dos seus custos totais. Entre as heurísticas que podem ser aplicadas à solução deste problema, o Busca Tabu e o Multidão de Partículas apresentam uma boa performance para a maioria dos problemas testes encontrados na literatura. Geralmente, a heurística Busca Tabu apresenta uma boa e rápida convergência para pontos ótimos ou subótimos, contudo esta convergência é frequentemente interrompida por processos cíclicos e a performance do método depende fortemente da solução inicial e do ajuste de seus parâmetros. A heurística Multidão de Partículas tende a convergir para pontos ótimos, ao custo de um grande esforço computacional, sendo que sua performance também apresenta uma grande sensibilidade ao ajuste de seus parâmetros. Como as diferentes heurísticas aplicadas ao problema apresentam pontos positivos e negativos, atualmente alguns pesquisadores começam a concentrar seus esforços na hibridização das heurísticas existentes no intuito de gerar novas heurísticas híbridas que reúnam as qualidades de suas heurísticas de base, buscando desta forma diminuir ou mesmo eliminar seus aspectos negativos. Neste trabalho, em um primeiro momento, são apresentados três modelos de hibridização baseados no esquema geral das Heurísticas de Busca Local, os quais são testados com as heurísticas Busca Tabu e Multidão de Partículas. Posteriormente é apresentada uma adaptação do método Colisão de Partículas, originalmente desenvolvido para problemas contínuos, onde o método Busca Tabu é utilizado como operador de exploração local e operadores de mutação são utilizados para perturbação da solução. Como resultado, este trabalho mostra que, no caso dos modelos híbridos, a natureza complementar e diferente dos métodos Busca Tabu e Multidão de Partículas, na forma como são aqui apresentados, da origem à algoritmos robustos capazes de gerar solução ótimas ou muito boas e muito menos sensíveis ao ajuste dos parâmetros de cada um dos métodos de origem. No caso do método Colisão de Partículas, o novo algorítimo é capaz de atenuar a sensibilidade ao ajuste dos parâmetros e de evitar os processos cíclicos do método Busca Tabu, produzindo assim melhores resultados.

Problemas inversos em processos difusivos com retenção

Um Estudo para a solução numérica do modelo de difusão com retenção, proposta por Bevilacqua et al. (2011), é apresentado, bem como uma formulação implícita para o problema inverso para a estimativa dos parâmetros envolvidos na formulação matemática do modelo. Através de um estudo minucioso da análise de sensibilidade e do cálculo do coeficiente de correlação de Pearson, são identificadas as chances de se obter sucesso na solução do problema inverso através do método determinístico de Levenberg-Marquardt e dos métodos estocásticos Algoritmo de Colisão de Partículas (Particle Collision Algorithm - PCA) e Evolução Diferencial (Differential Evolution - DE). São apresentados os resultados obtidos através destes três métodos de otimização para três casos de conjunto de parâmetros. Foi observada uma forte correlação entre dois destes três parâmetros, o que dificultou a estimativa simultânea dos mesmos. Porém, foi obtido sucesso nas estimativas individuais de cada parâmetro. Foram obtidos bons resultados para os fatores que multiplicam os termos diferenciais da equação que modela o fenômeno de difusão com retenção.

Determinação de uma fonte de contaminantes no estuário do Rio Macaé através da técnica de problemas inversos

Um grande desafio da atualidade é a preservação dos recursos hídricos, bem como o correto manejo dos mesmos, frente à expansão das cidades e às atividades humanas. A qualidade de um corpo hídrico é usualmente avaliada através da análise de parâmetros biológicos, físicos e químicos. O comportamento de tais parâmetros pode convenientemente ser simulado através de modelos matemáticos e computacionais, que surgem assim como uma ferramenta bastante útil, por sua capacidade de geração de cenários que possam embasar, por exemplo, tomadas de decisão. Nesta tese são discutidas técnicas de estimação da localização e intensidade de uma fonte de contaminante conservativo, hipoteticamente lançado na região predominantemente fluvial de um estuário. O lançamento aqui considerado se dá de forma pontual e contínua e a região enfocada compreendeu o estuário do Rio Macaé, localizado na costa norte do Rio de Janeiro. O trabalho compreende a solução de um problema direto, que consiste no transporte bidimensional (integrado na vertical) desse contaminante hipotético, bem como a aplicação de técnicas de problemas inversos. Para a solução do transporte do contaminante, aqui modelada pela versão 2D horizontal da equação de advecção-difusão, foram utilizados como métodos de discretização o Método de Elementos Finitos e o Método de Diferenças Finitas. Para o problema hidrodinâmico foram utilizados dados de uma solução já desenvolvida para estuário do Rio Macaé. Analisada a malha de acordo com o método de discretização, foram definidas a geometria do estuário e os parâmetros hidrodinâmicos e de transporte. Para a estimação dos parâmetros propostos foi utilizada a técnica de problemas inversos, com o uso dos métodos Luus-Jaakola, Algoritmo de Colisão de Partículas e Otimização por Colônia de Formigas para a estimação da localização e do método Seção Áurea para a estimação do parâmetro de intensidade da fonte. Para a definição de uma fonte, com o objetivo de propor um cenário experimental idealizado e de coleta de dados de amostragem, foi realizada a análise de sensibilidade quanto aos parâmetros a serem estimados. Como os dados de amostragem de concentração foram sintéticos, o problema inverso foi resolvido utilizando-os com e sem ruído, esse introduzido de forma artificial e aleatória. Sem o uso de ruído, os três métodos mostraram-se igualmente eficientes, com uma estimação precisa em 95% das execuções. Já com o uso de dados de amostragem com ruídos de 5%, o método Luus-Jaakola mostrou-se mais eficiente em esforço e custo computacional, embora todos tenham estimado precisamente a fonte em 80% das execuções. Considerando os resultados alcançados neste trabalho tem-se que é possível estimar uma fonte de constituintes, quanto à sua localização e intensidade, através da técnica de problemas inversos. Além disso, os métodos aplicados mostraram-se eficientes na estimação de tais parâmetros, com estimações precisas para a maioria de suas execuções. Sendo assim, o estudo do comportamento de contaminantes, e principalmente da identificação de fontes externas, torna-se uma importante ferramenta para a gestão dos recursos hídricos, possibilitando, inclusive, a identificação de possíveis responsáveis por passivos ambientais.

Problemas direto e inverso de processos de separação em leito móvel simulado mediante mecanismos cinéticos de adsorção

Diversas aplicações industriais relevantes envolvem os processos de adsorção, citando como exemplos a purificação de produtos, separação de substâncias, controle de poluição e umidade entre outros. O interesse crescente pelos processos de purificação de biomoléculas deve-se principalmente ao desenvolvimento da biotecnologia e à demanda das indústrias farmacêutica e química por produtos com alto grau de pureza. O leito móvel simulado (LMS) é um processo cromatográfico contínuo que tem sido aplicado para simular o movimento do leito de adsorvente, de forma contracorrente ao movimento do líquido, através da troca periódica das posições das correntes de entrada e saída, sendo operado de forma contínua, sem prejuízo da pureza das correntes de saída. Esta consiste no extrato, rico no componente mais fortemente adsorvido, e no rafinado, rico no componente mais fracamente adsorvido, sendo o processo particularmente adequado a separações binárias. O objetivo desta tese é estudar e avaliar diferentes abordagens utilizando métodos estocásticos de otimização para o problema inverso dos fenômenos envolvidos no processo de separação em LMS. Foram utilizados modelos discretos com diferentes abordagens de transferência de massa, com a vantagem da utilização de um grande número de pratos teóricos em uma coluna de comprimento moderado, neste processo a separação cresce à medida que os solutos fluem através do leito, isto é, ao maior número de vezes que as moléculas interagem entre a fase móvel e a fase estacionária alcançando assim o equilíbrio. A modelagem e a simulação verificadas nestas abordagens permitiram a avaliação e a identificação das principais características de uma unidade de separação do LMS. A aplicação em estudo refere-se à simulação de processos de separação do Baclofen e da Cetamina. Estes compostos foram escolhidos por estarem bem caracterizados na literatura, estando disponíveis em estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção nos resultados experimentais. De posse de resultados experimentais avaliou-se o comportamento do problema direto e inverso de uma unidade de separação LMS visando comparar os resultados obtidos com os experimentais, sempre se baseando em critérios de eficiência de separação entre as fases móvel e estacionária. Os métodos estudados foram o GA (Genetic Algorithm) e o PCA (Particle Collision Algorithm) e também foi feita uma hibridização entre o GA e o PCA. Como resultado desta tese analisouse e comparou-se os métodos de otimização em diferentes aspectos relacionados com o mecanismo cinético de transferência de massa por adsorção e dessorção entre as fases sólidas do adsorvente.

Previsão do comportamento hidráulico de um rio com base na estimativa de coeficientes que controlam seu escoamento. Estudo de caso: Rio Bengalas, Nova Friburgo-RJ

Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro.

Aplicação de Inteligência Computacional para a Solução de Problemas Inversos de Transferência Radiativa em Meios Participantes Unidimensionais

Esta pesquisa consiste na solução do problema inverso de transferência radiativa para um meio participante (emissor, absorvedor e/ou espalhador) homogêneo unidimensional em uma camada, usando-se a combinação de rede neural artificial (RNA) com técnicas de otimização. A saída da RNA, devidamente treinada, apresenta os valores das propriedades radiativas [ω, τ0, ρ1 e ρ2] que são otimizadas através das seguintes técnicas: Particle Collision Algorithm (PCA), Algoritmos Genéticos (AG), Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e Busca Tabu (BT). Os dados usados no treinamento da RNA são sintéticos, gerados através do problema direto sem a introdução de ruído. Os resultados obtidos unicamente pela RNA, apresentam um erro médio percentual menor que 1,64%, seria satisfatório, todavia para o tratamento usando-se as quatro técnicas de otimização citadas anteriormente, os resultados tornaram-se ainda melhores com erros percentuais menores que 0,04%, especialmente quando a otimização é feita por AG.

An overview of Earth's global electric circuit and atmospheric conductivity

The Earth’s global atmospheric electric circuit depends on the upper and lower atmospheric boundaries formed by the ionosphere and the planetary surface. Thunderstorms and electrified rain clouds drive a DC current (∼1 kA) around the circuit, with the current carried by molecular cluster ions; lightning phenomena drive the AC global circuit. The Earth’s near-surface conductivity ranges from 10−7 S m−1 (for poorly conducting rocks) to 10−2 S m−1 (for clay or wet limestone), with a mean value of 3.2 S m−1 for the ocean. Air conductivity inside a thundercloud, and in fair weather regions, depends on location (especially geomagnetic latitude), aerosol pollution and height, and varies from ∼10−14 S m−1 just above the surface to 10−7 S m−1 in the ionosphere at ∼80 km altitude. Ionospheric conductivity is a tensor quantity due to the geomagnetic field, and is determined by parameters such as electron density and electron–neutral particle collision frequency. In the current source regions, point discharge (coronal) currents play an important role below electrified clouds; the solar wind-magnetosphere dynamo and the unipolar dynamo due to the terrestrial rotating dipole moment also apply atmospheric potential differences. Detailed measurements made near the Earth’s surface show that Ohm’s law relates the vertical electric field and current density to air conductivity. Stratospheric balloon measurements launched from Antarctica confirm that the downward current density is ∼1 pA m−2 under fair weather conditions. Fortuitously, a Solar Energetic Particle (SEP) event arrived at Earth during one such balloon flight, changing the observed atmospheric conductivity and electric fields markedly. Recent modelling considers lightning discharge effects on the ionosphere’s electric potential (∼+250 kV with respect to the Earth’s surface) and hence on the fair weather potential gradient (typically ∼130 V m−1 close to the Earth’s surface. We conclude that cloud-to-ground (CG) lightning discharges make only a small contribution to the ionospheric potential, and that sprites (namely, upward lightning above energetic thunderstorms) only affect the global circuit in a miniscule way. We also investigate the effects of mesoscale convective systems on the global circuit.

An overview of Earth’s global electric circuit and atmospheric conductivity

The Earth’s global atmospheric electric circuit depends on the upper and lower atmospheric boundaries formed by the ionosphere and the planetary surface. Thunderstorms and electrified rain clouds drive a DC current (∼1 kA) around the circuit, with the current carried by molecular cluster ions; lightning phenomena drive the AC global circuit. The Earth’s near-surface conductivity ranges from 10−7 S m−1 (for poorly conducting rocks) to 10−2 S m−1 (for clay or wet limestone), with a mean value of 3.2 S m−1 for the ocean. Air conductivity inside a thundercloud, and in fair weather regions, depends on location (especially geomagnetic latitude), aerosol pollution and height, and varies from ∼10−14 S m−1 just above the surface to 10−7 S m−1 in the ionosphere at ∼80 km altitude. Ionospheric conductivity is a tensor quantity due to the geomagnetic field, and is determined by parameters such as electron density and electron–neutral particle collision frequency. In the current source regions, point discharge (coronal) currents play an important role below electrified clouds; the solar wind-magnetosphere dynamo and the unipolar dynamo due to the terrestrial rotating dipole moment also apply atmospheric potential differences. Detailed measurements made near the Earth’s surface show that Ohm’s law relates the vertical electric field and current density to air conductivity. Stratospheric balloon measurements launched from Antarctica confirm that the downward current density is ∼1 pA m−2 under fair weather conditions. Fortuitously, a Solar Energetic Particle (SEP) event arrived at Earth during one such balloon flight, changing the observed atmospheric conductivity and electric fields markedly. Recent modelling considers lightning discharge effects on the ionosphere’s electric potential (∼+250 kV with respect to the Earth’s surface) and hence on the fair weather potential gradient (typically ∼130 V m−1 close to the Earth’s surface. We conclude that cloud-to-ground (CG) lightning discharges make only a small contribution to the ionospheric potential, and that sprites (namely, upward lightning above energetic thunderstorms) only affect the global circuit in a miniscule way. We also investigate the effects of mesoscale convective systems on the global circuit.

A intermediação da noção de probabilidade na construção de conceitos relacionados à cinética química

Este trabalho procurou identificar como estudantes do Ensino Médio se apropriam de conceitos e elaboram determinados modelos inseridos em cinética química, especificamente o modelo cinético de colisão de partículas numa reação (Teoria das Colisões). Esta análise e as reflexões que a seguiram foram baseadas, sobretudo, nos estudos realizados por Piaget, Piaget e Inhelder, Jun e Fischbein. Utilizamos como documentos as transcrições das entrevistas (pré e pós-testes) realizadas individualmente com cada aluno. Inicialmente, os estudantes foram entrevistados (pré-testes) com o intuito de identificar a familiaridade com a noção de evento probabilístico ou aleatório. Numa segunda etapa (pós-testes), esse conhecimento (ou a ausência parcial/total dele) foi posto à prova numa tentativa de se estabelecerem relações com um conteúdo específico da Química (Teoria das Colisões). Os resultados obtidos apontam para grandes discrepâncias entre o modelo cinético de colisões elaborado pelos estudantes e aquele cientificamente aceito.

Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

Turbulent collision of inertial particles: point-particle based, hybrid simulations and beyond

Point-particle based direct numerical simulation (PPDNS) has been a productive research tool for studying both single-particle and particle-pair statistics of inertial particles suspended in a turbulent carrier flow. Here we focus on its use in addressing particle-pair statistics relevant to the quantification of turbulent collision rate of inertial particles. PPDNS is particularly useful as the interaction of particles with small-scale (dissipative) turbulent motion of the carrier flow is mostly relevant. Furthermore, since the particle size may be much smaller than the Kolmogorov length of the background fluid turbulence, a large number of particles are needed to accumulate meaningful pair statistics. Starting from the relative simple Lagrangian tracking of so-called ghost particles, PPDNS has significantly advanced our theoretical understanding of the kinematic formulation of the turbulent geometric collision kernel by providing essential data on dynamic collision kernel, radial relative velocity, and radial distribution function. A recent extension of PPDNS is a hybrid direct numerical simulation (HDNS) approach in which the effect of local hydrodynamic interactions of particles is considered, allowing quantitative assessment of the enhancement of collision efficiency by fluid turbulence. Limitations and open issues in PPDNS and HDNS are discussed. Finally, on-going studies of turbulent collision of inertial particles using large-eddy simulations and particle- resolved simulations are briefly discussed.

Accurate stratospheric particle-size distributions from a flat-plate collection surface

The first representative chemical, structural, and morphological analysis of the solid particles from a single collection surface has been performed. This collection surface sampled the stratosphere between 17 and 19km in altitude in the summer of 1981, and therefore before the 1982 eruptions of El Chichón. A particle collection surface was washed free of all particles with rinses of Freon and hexane, and the resulting wash was directed through a series of vertically stacked Nucleopore filters. The size cutoff for the solid particle collection process in the stratosphere is found to be considerably less than 1 μm. The total stratospheric number density of solid particles larger than 1μm in diameter at the collection time is calculated to be about 2.7×10−1 particles per cubic meter, of which approximately 95% are smaller than 5μm in diameter. Previous classification schemes are expanded to explicitly recognize low atomic number material. With the single exception of the calcium-aluminum-silicate (CAS) spheres all solid particle types show a logarithmic increase in number concentration with decreasing diameter. The aluminum-rich particles are unique in showing bimodal size distributions. In addition, spheres constitute only a minor fraction of the aluminum-rich material. About 2/3 of the particles examined were found to be shards of rhyolitic glass. This abundant volcanic material could not be correlated with any eruption plume known to have vented directly to the stratosphere. The micrometeorite number density calculated from this data set is 5×10−2 micrometeorites per cubic meter of air, an order of magnitude greater than the best previous estimate. At the collection altitude, the maximum collision frequency of solid particles >5μm in average diameter is calculated to be 6.91×10−16 collisions per second, which indicates negligible contamination of extraterrestrial particles in the stratosphere by solid anthropogenic particles.

Numerical approaches to new particle formation and growth in the atmosphere

Aerosols impact the planet and our daily lives through various effects, perhaps most notably those related to their climatic and health-related consequences. While there are several primary particle sources, secondary new particle formation from precursor vapors is also known to be a frequent, global phenomenon. Nevertheless, the formation mechanism of new particles, as well as the vapors participating in the process, remain a mystery. This thesis consists of studies on new particle formation specifically from the point of view of numerical modeling. A dependence of formation rate of 3 nm particles on the sulphuric acid concentration to the power of 1-2 has been observed. This suggests nucleation mechanism to be of first or second order with respect to the sulphuric acid concentration, in other words the mechanisms based on activation or kinetic collision of clusters. However, model studies have had difficulties in replicating the small exponents observed in nature. The work done in this thesis indicates that the exponents may be lowered by the participation of a co-condensing (and potentially nucleating) low-volatility organic vapor, or by increasing the assumed size of the critical clusters. On the other hand, the presented new and more accurate method for determining the exponent indicates high diurnal variability. Additionally, these studies included several semi-empirical nucleation rate parameterizations as well as a detailed investigation of the analysis used to determine the apparent particle formation rate. Due to their high proportion of the earth's surface area, oceans could potentially prove to be climatically significant sources of secondary particles. In the lack of marine observation data, new particle formation events in a coastal region were parameterized and studied. Since the formation mechanism is believed to be similar, the new parameterization was applied in a marine scenario. The work showed that marine CCN production is feasible in the presence of additional vapors contributing to particle growth. Finally, a new method to estimate concentrations of condensing organics was developed. The algorithm utilizes a Markov chain Monte Carlo method to determine the required combination of vapor concentrations by comparing a measured particle size distribution with one from an aerosol dynamics process model. The evaluation indicated excellent agreement against model data, and initial results with field data appear sound as well.