Spherical integral formulas for upward/downward continuation of gravitational gradients onto gravitational gradients

New integral formulas for upward/downward continuation of gravitational gradients onto gravitational gradients are derived in this article. They provide more options for continuation of gravitational gradient combinations and extend available mathematical apparatus formulated for this purpose up to now. The starting point represents the analytical solution of the spherical gradiometric boundary value problem in the spatial domain. Applying corresponding differential operators on the analytical solution of the spherical gradiometric boundary value problem, a total of 18 integral formulas are provided. Spatial and spectral forms of isotropic kernels are given and their behaviour for parameters of a GOCE-like satellite is investigated. Correctness of the new integral formulas and the isotropic kernels is tested in a closed-loop simulation. The derived integral formulas and the isotropic kernels form a theoretical basis for validation purposes and geophysical applications of satellite gradiometric data as provided currently by the GOCE mission. They also extend the well-known Meissl scheme.     

Investigating pathways of diagenetic organic matter sulfurization using compound-specific sulfur isotope analysis

We present the results of compound-specific sulfur isotope analyses performed on organic sulfur compounds (OSCs) isolated from sediments deposited in the euxinic Cariaco Basin, Venezuela. Individual OSCs (sulfurized highly branched isoprenoids and malabaricatriene) have sulfur isotope compositions of ca. −15‰, which is ³⁴S enriched by 5-15‰ relative to coeval bulk organic and inorganic sulfur pools. These observed differences in the sulfur isotope composition of bulk organic sulfur in the kerogen and bitumen pools and individual OSCs demonstrate that there are multiple pathways of organic sulfur formation operating simultaneously in marine sediments. Comparison of our measured compound-specific sulfur isotope data with values predicted using simple isotopic mass balance assumptions suggests that the sulfurization process likely involves multiple sources of inorganic sulfur. Further, the isotopic composition of these various precursor inorganic sulfur species and the specific pathway of sulfur incorporation into organic matter (OM) impart distinct isotopic compositions to the resulting organic sulfur compounds. These data represent the first compound-specific sulfur isotope measurements made in marine sediments, and demonstrate the utility of compound-specific sulfur isotope analysis in identification of inorganic sulfur sources for OM sulfurization and tracking pathways of sulfur incorporation, which will lead to a more complete understanding of diagenetic sulfurization of OM.     

Gypsum: a review of its role in the deterioration of building materials

The deterioration of buildings and monuments by gypsum is the result of crystallization cycles of this salt. Although gypsum can dehydrate to a hemihydrate, the mineral bassanite, and to an anhydrate, the mineral anhydrite, this reaction occurs in nature on a geological time scale and therefore it is unlikely to occur when gypsum is found on and in building materials. The CaSO₄–H₂O system appears deceptively simple, however there are still discrepancies between the experimental and thermodynamically calculated data. The reason for the latter can be attributed to the slow crystallization kinetics of anhydrite. Apart from this, the large numbers of studies carried out on this system have focused on industrially important metastable phases, such as the hemihydrate and soluble anhydrite. The paper presents a review of the studies dealing with the phase equilibria of the CaSO₄–H₂O system as well as the influence of other salts on the solubility of gypsum. It tries to glean out the relevant information that will serve to explain the deterioration observed on building materials by the crystallization of gypsum and thus allows developing improved conservation methods.     

Scratch hardness–strength solutions for cohesive‐frictional materials

In this paper we develop analytical solutions for scratch hardness–strength relations for cohesive‐frictional materials of the Mohr–Coulomb and Drucker–Prager type. Based on the lower bound yield design approach, closed‐form solutions are derived for frictionless scratch devices, and validated against computational upper bound and elastoplastic finite element solutions. The influence of friction at the blade–material interface is also investigated, for which a simple computational optimization is proposed. Illustrated for scratch tests on cement paste, we show that the proposed solutions provide a convenient way to determine estimates of cohesion and friction parameters from scratch data, and may serve as a benchmark to identify the relevance of strength models for scratch test analysis. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Potential of time‐lapse photography of snow for hydrological purposes at the small catchment scale

Time‐lapse photography provides an attractive source of information about snow cover characteristics, especially at the small catchment scale. The objective of this study was to design and test a monitoring system, which allows multi‐resolution observations of snow cover characteristics. The main aim was to simultaneously investigate the spatio‐temporal patterns of snow cover, snow depth and snowfall interception in the area very close to the camera, and the spatio‐temporal patterns of snow cover in the far range. The multi‐resolution design was tested at three sites in the eastern part of the Austrian Alps (Hochschwab‐Rax region). Digital photographs were taken at hourly time steps between 6:00 and 18:00 in the period November, 2004 to December, 2006. The results showed that the time‐lapse photography allows effective mapping of the snow depths at high temporal resolution in the region close to the digital camera at many snow stake locations. It is possible to process a large number of photos by using an automatic procedure for accurate snow depth readings. The digital photographs can also be used to infer the settling characteristics of the snow pack and snow interception during the day. Although it is not possible to directly estimate the snow interception mass, the photos may indeed give very useful information on the snow processes on and beneath the forest canopy. The main advantage of using time‐lapse photography in the far range of the digital camera is to observe the spatio‐temporal patterns of snow cover over different landscape configurations. The results illustrate that digital photographs can be very useful for parameterising processes such as sloughing on steep slopes, snow deposition in gullies and snow erosion on mountain ridges in a distributed snow model. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Role of single-domain magnetic particles in creation of inverse magnetic fabrics in volcanic rocks: A mathematical model study

The role of single-domain (SD) magnetic particles in creation of inverse magnetic fabrics is investigated on simple mathematical models using a realistic estimate for SD intrinsic susceptibility. In contrast to the fraction created by multi-domain (MD) particles, in which the anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) is controlled by both the grain AMS and intensity of the preferred orientation of the particles, the AMS of the SD fraction is controlled solely by the intensity of the preferred orientation. The degree of AMS of ensemble of SD grains with a preferred orientation is therefore much higher than that of the same ensemble of MD particles implying the existence of frequent inverse magnetic fabrics. However, the occurrence of inverse magnetic fabrics due to SD particles is more the exception than the rule. Consequently, the amounts of SD particles is probably in general low. Nevertheless, the presence of SD particles in amounts insufficient to create inverse magnetic fabrics may diminish the whole rock AMS substantially. This can be one of the reasons for relatively low AMS in volcanic rocks whose magnetic particles may be really small obeying the conditions for the existence of SD particles.     

Über die Auswahl der Sterne bei der Methode der Gleichen Höhen

В статье рассматривается вопрос наиболее целесообразного выбора звезд по методу равных высот. Были рассмотрены равномерные выборы звезд, симметричные вокруг двух взаимно пернендикулярных осей. Такие выборы не определяют с одинаковой точностью координаты ? и λ. Расположение обеих взаимно перпендикулярных осей относительно меридиана или первого вертикала может быть также произвольным, причем точность определения ? и л сохраняется неизменной. К таким выборам относятся секторные выборы, как напр. ранее применяемый выбор вокруг меридиана и ? вертикала [2] а также равномерное распределение по всему альмукантарату. В целях получения однородного материала в обеих координатах по методу равных высот, выбор звезд не должен быть равномерный. Для симметричного выбора звезд (имеющего то достоинство, что при нем погашается влияние возможных систематических изменений высоты в течение измерений на ? и λ и не предоставляющего преимущества звездам в некотором квадранте) и для наиболее равномерного распределения звезд по альмукантарату, при одновременном вынолнении условия равноточности получается выбор звезд таким образом, что их распределение в экваториальных областях имеет равномерный характер и что звезды с возрастанием широты неуклонно все более и более сгущаются вокруг ? вертикала, в то время как вокруг меридиана их число убывает. На более высоких широтах, превышающих 70°, метод равных высот, собственно говоря, превращается в метод Цингера, так как практически все звезды (конечного числаn одной серии наблюдений) расположены в секторах ±30° вокруг первого вертикала. Это значит, что на более высоких щиротах с помощью этого метода оказалось бы возможным определить обе координаты так, как бы измерялосьz отдельных пар или как бы все пары проходили на равной высоте. Однородный выбор (обозначим его через ?) одновременно обеспечивает определение каждой координаты с наибольщей точнбстью. А это по той причине, что никакой симметрический выбор не обеспечивает определение обеих координат с больщей точностью или одной из координат с одинаковой точностью, а другой с больщей точностью, чем однородный выбор ?. Если же в результате иного симметрического выбора точность определения одной из координат повысится, то точность определения другой по сравнению с ? всегда понижается. Отыскивался симметрический выбор (обозначим его через Ω), который обладал бы наибольщей общей точностью, что касается положепия определяемого места. Такой выбор существует. Аналогично тому, как это было следано у ?, определялось снова наиболее равномерное распределение выбора Ω. В основном, выбор Ω походит на ?, У Ω звезды с возрастанием щироты сгущаются вокруг ? вертикала несколько менее, чем у ?. В области 35° вокруг экватора оба выбора практически совпадают. В качестве пригодных выборов можно принять все выборы, расположенные между ? и Ω. Все эти выборы с наблюдательской точки зрения вытодны, так как распределение звезд находится в хорошем согласии с естественной частотой прохождений через альмукантарат. В качестве предела для метода точных симультанных определений (применясмого для определення положения точек Лапласа в астрономо-геодезической сети) была найдена щирота, соответствующая примерно полярным кругам. Для высокоточной работы этот предел будет несколько ниже и будет находиться примерно на 60°. Метод равных высот более выгоден для определения ?, чем для λ. После математической обработки было применено идеализированное распределение звезд, которое в программе наблюдений практически никогда не может быть вынолнено. Однако для теоретического анализа идеализирование пригодно и принимается в качестве масщтаба и примера для действительных случаев, более или менее приближающихся к идеальным случаям. При составлении программы наблюдений достаточно лищь учитывать общие принципы, касающиеся распределения звезд на определенной щироте и сохранять лищь число звезд, находящихся в теоретическом распределении между ? и Ω, в интервалах азимутов, проходящих по 20° или 30° и заполняющих весь альмукантарат.     

Seismically induced variations in Mariánské Lázně fault gas composition in the NW Bohemian swarm quake region, Czech Republic — A continuous gas monitoring

A continuously operated gas monitoring station was emplaced within the epicentral area of the NW Bohemian swarm earthquakes overlying directly the active Mariánské Lázně fault. The recordings of 8-month continuous monitoring period are presented. The variations in radon concentrations are similarly to variations in CO₂, i.e. CO₂ is considered to be the carrier gas for radon. Very small diurnal variations in gas concentration are caused by the earth tides, as daily variations in meteorological conditions cannot explain a short daily minimum at midday times. Sudden changes in gas concentration, which clearly exceed these diurnal variations occur and are always linked with seismic activities. Decreased gas concentration may indicate compression resulting in reduced fault permeability as is implied by negative peaks following local earthquake swarms. A sudden increase in CO₂ and Rn concentration may indicate an increased fault permeability caused by stress redistribution, giving rise to opening of migration pathways. This implies a repeatedly sudden rise in gas concentration before local earthquake swarms. Several variations in gas concentration were monitored linked with remote earthquakes of ground motion amplitudes  >1 μm. These seismic events are accompanied by an interference of the diurnal gas concentration–stress-cycle along the Mariánské Lázně fault. However, if shocks of remote earthquake can alter properties of the migrating fluids or the fault properties it can be suggested that these are able to trigger local seismicity, as indicated in the case of the Slovenia earthquake on 12th July 2004.     

Contribution to Evaluation of Analytical Data On Reference Samples

For evaluating the analytical data on reference samples, the following approach is proposed: 1. Analytical methods used are critically reviewed. 2. Outliers are eliminated. 3. Normality of the results is tested. 4. If normality of the results can be accepted, arithmetic mean, its confidence interval and coefficient of the precision are computed. 5. If the results are not normally distributed, median and its statistical characteristics are given. 6. For sets of data with anomalous skewness, logarithmic and lambda transformations are useful approaches.