Wave packet propagation in an amplifying medium and its application to the dispersion characteristics and to the generation mechanisms of Pc 1 events

The formulae which give the propagation characteristics of a wave packet in a dispersive and amplifying medium, are established. Application is made to the propagation of Pc 1 elements through a magnetosphere constituted of a cold plasma and a high energy proton population. It is shown that the spectral shape, in a frequency-time coordinate system, of the Pc 1 elements is related to two terms : v = d²ω/dk², which represents the variation of the group velocity with frequency and which depends only on the cold plasma characteristics, and μ = -d²γ/dk², in which γ is the amplification coefficient depending on the frequency and which is related to the high energy particle distribution function. When v ? μ, only the usual dispersion effects occur, but a new method is found for determining the line of force on which the micropulsations are generated, without making any assumption about the cold plasma density distribution inside the magnetosphere. It is also possible to deduce some characteristics about the high energy proton distribution. Theoretical computations are presented, which give the frequency variation of the amplification coefficient as a function of the e-folding energy and the anisotropy factor of these high energy protons. Applications are made to ~30 pearl events which are analysed in detail according to this theory. When μ ? v, other effects do appear. After a preliminary phase, the pearl elements can become parallel for a while, or even re-erect before lying again; the duration of each element gives an indication about the number of interacting particles. The conditions for the validity of the quasi-linear theory, and some other non-linear effects related with the interpretation of Pc 1 micropulsations are also discussed.     

Crustal contamination and fluid/rock interaction in the carbonatites of Fuerteventura (Canary Islands, Spain): a C, O, H isotope study

Fuerteventura—the second largest of the Canary Islands consists of Mesozoic sediments, submarine volcanic rocks, dike swarms and plutons of the Basal Complex, and younger subaerial basaltic and trachytic series. Carbonatites are found in two Basal Complex exposures: the Betancuria Massif in the central part of the island and the Esquinzo area in the north. values of the carbonatites increase progressively from south to north of the island. This phenomenon is attributed to different degrees of assimilation of sedimentary carbonate. Homogeneous, typically magmatic values for carbonatites which have preserved primary igneous textures and minerals suggest a well-mixed reservoir where changes in values result from the storage of carbonate magmas at different structural levels. The magma storage allowed assimilation of sediment to varying degrees before final emplacement of carbonatites. Shifts in towards more positive and negative values from presumed primary compositions are observed in the carbonatites. On the basis of the oxygen isotope compositions of calcite, mica and K-feldspar, and the hydrogen isotope compositions of micas, the changes in the values of the carbonatites can be related to fluid/rock interactions.     

Star count of the North Galactic Pole region in theUBV colour bands

Astrophysics and Space Science -     

Indirect tensile test assessments for rock materials using 3-D disc-type specimens

Indirect test methods are usually the preferred approach for determining the tensile strength of brittle and quasi-brittle materials such as ceramics, rocks, and concrete. In this paper, the tensile strength of a rock material (Iranian Harsin marble) was obtained indirectly by means of two disc type samples. The test samples were the well-known Brazilian disc and semi-disc specimen under three-point bend loading. Since the existing formula for determining the indirect tensile strength is based on 2-D stress assumption which ignores the effects of specimen thickness, a general 3-D tensile strength formulation was derived for each sample by employing finite element analysis. A series of tensile strength tests were conducted on Harsin white marble using disc and semi-disc specimens with different thicknesses in parallel to finite element analysis. The test results using 3-D formulation showed that the tensile strength of the tested marble depends on the thickness/diameter ratio of the specimen and generally decreases from 11.5 to 7 MPa on increasing the thickness of test samples. The average values of tensile strength were about 8.8 MPa for the Brazilian disc specimen and 9.8 MPa for the semi-disc specimen. The good agreement existing between the results of the two specimens suggests that the semi-disc specimen can also be used for determining the rock tensile strength in addition to using the conventional Brazilian test.     

Geostatistical Simulation of Regionalized Pore-Size Distributions Using Min/Max Autocorrelation Factors

In many fields of the Earth Sciences, one is interested in the distribution of particle or void sizes within samples. Like many other geological attributes, size distributions exhibit spatial variability, and it is convenient to view them within a geostatistical framework, as regionalized functions or curves. Since they rarely conform to simple parametric models, size distributions are best characterized using their raw spectrum as determined experimentally in the form of a series of abundance measures corresponding to a series of discrete size classes. However, the number of classes may be large and the class abundances may be highly cross-correlated. In order to model the spatial variations of discretized size distributions using current geostatistical simulation methods, it is necessary to reduce the number of variables considered and to render them uncorrelated among one another. This is achieved using a principal components-based approach known as Min/Max Autocorrelation Factors (MAF). For a two-structure linear model of coregionalization, the approach has the attractive feature of producing orthogonal factors ranked in order of increasing spatial correlation. Factors consisting largely of noise and exhibiting pure nugget–effect correlation structures are isolated in the lower rankings, and these need not be simulated. The factors to be simulated are those capturing most of the spatial correlation in the data, and they are isolated in the highest rankings. Following a review of MAF theory, the approach is applied to the modeling of pore-size distributions in partially welded tuff. Results of the case study confirm the usefulness of the MAF approach for the simulation of large numbers of coregionalized variables.     

Die Wintertemperaturen in Berlin und die Sonnenfleckenrelativzahlen

Zusammenfassung Die zweimal fünffach übergreifende Mittelbildung der 200jährigen Berliner Temperaturreihe entschleiert deren enge Beziehung zur Sonnenfleckentätigkeit, da, von zwei Ausnahmen abgesehen, jede Sonnenfleckenperiode durch eine entsprechende Schwankung der Temperaturkurve in Erscheinung tritt und zugleich keine andere Schwingung auch nur annähernd so deutlich erkennbar ist. Im Mittel waren die dem Sonnenfleckenmaximum folgenden Winter am kältesten und jene 1 1/2 Jahre vor dem Minimum am wärmsten. Insgesamt erreicht diese Schwankung aber, bei fünf- und dreifachem Ausgleich, nicht ganz 1/2°C und damit bei weitem nicht die Amplitude, die die harmonische Analyse z. B. für eine 16jährige Periode ergibt. Dies ist aber ein rein formales Ergebnis, dadurch hervorgerufen, daß die Sonnenfleckenschwingung der Temperatur, die in den Tropen so dominierend in Erscheinung tritt, in Mitteleuropa auch noch einen periodischen Phasenwechsel aufweist, indem die kalten Winter im zweiten Viertel des vorigen und in diesem Jahrhundert kurznach, während der übrigen Zeit dagegen 3 Jahrevor dem Fleckenmaximum eintraten. Dementsprechend ergibt eine damit in Übereinstimmung gebrachte Unterteilung in zwei Phasengruppen den Sonnenfleckeneinfluß außerordentlich klar, wobei die Schwankung in der einen Jahresgruppe 1°, in der anderen beinahe 2° C beträgt. Die Phasensprünge scheinen mit der etwa 89jährigen Schwankung der Sonnenfleckentätigkeit zusammenzuhängen und sind damit wahrscheinlich durch die verschiedene Intensität der Zirkulationsräder und die Vereisung der Polargebiete bestimmt. Dieser langperiodige Einfluß der Sonnenfleckentätigkeit tritt besonders in den vonKöppen berechneten Mitteltemperaturen der ganzen Erde hervor, die bei Fleckenrelativzahlen über 100 fast 0,5° kälter ist als in den Jahren mit einer Relativzahl unter 10.

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Summary The 200 years temperature records for Berlin, twice smoothed by calculating the means of all five values of five year averages, reveal their close connection with the sunspot activity, in that, apart from two exceptions, each sunspot period is associated with a characteristic point of the accompanying temperature cycle, and, furthermore, no other oscillation is clearly discernable. Averaging the whole series of observations, the winters following the sunspot maxima were the coldest, and those 1 1/2 years before the sunspot minimum were the warmest. On the other hand, the amplitude of this oscillation does not even reach 1/2°C., and is far below the value of a 16-years period. However, this results from the fact that the sunspot variation of temperature being such a dominant feature in the tropical regions is subjected to a periodical change in phasis over central Europe in that the cold winter occured closely after the sunspot maximum in the second quarter of the preceding and in the current century contrary to the periods left when they reached their greatest frequency 3 yearsbefore sunspot maximum. Accordingly, by considering both groups of phasis separately, the influence of the sunspot activity becomes distinctly pronounced amounting to about 1°C., or even 2°C., in the respective periods. The leaps in the phasis seem to be associated with the 89-years period of sunspot activity, and thus probably are originated by the respective intensity of the atmospheric circulation and the amount of the ice cover in the polar regions. This long-periodical influence of the sunspot activity is especially clearly shown by mean temperatures of the whole earth calculated byKöppen in that this temperature is nearly 0,5°C. lower in the years distinguished by a sunspot number greater than 100 compared with the years of sunspot numbers below 10.

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Résumé Lorsqu'on étudie la série d'observations de température de 200 ans à Berlin en calculant les valeurs pondérées par la méthode des moyennes quinquennales chevauchées, on fait apparaître la relation étroite entre la température et l'activité des taches solaires; à deux exceptions près, chaque période de taches est accompagnée d'une variation correspondante de la température, et aucune autre variation n'est aussi nette que celle-ci. En moyenne, les hivers succédant aux maxima d'activité solaire sont les plus froids, et ceux qui précèdent d'une année et demie les minima sont les plus chauds. Dans l'ensemble l'amplitude n'atteint pas tout à fait 1/2 degré et reste ainsi bien inférieure à celle que l'analyse harmonique met en évidence par exemple pour une période de 16 ans. Cela n'est qu'un résultat purement formel provenant du fait que la variation de la temperature en relation avec les taches solaires qui apparaît si nettement sous les tropiques présente de plus en Europe centrale un changement périodique de phase, dans ce sens que dans le deuxième quart du siècle dernier et dans le siècle présent les hivers froids ont lieu peu après le maximum des taches, tandis qu'ils précèdent de trois ans ce maximum dans les autres périodes. Si l'on tient compte de cette variation de phase, l'influence des taches solaires apparaît très nettement: dans un des groupes d'années, l'amplitude est de 1°, et dans l'autre de presque 2°. Le changement de phase semble être en rapport avec la période d'environ 89 ans de l'activité solaire et découle probablement de la variation d'intensité de la circulation atmosphérique et de la glaciation des régions polaires. L'effet à longue période de l'activité solaire apparaît particulièrement bien dans les températures moyennes de l'ensemble du globe calculées parKöppen; pour un nombre relatif de taches supérieur à 100, elles sont près de 0,5° plus basses que pendant les années à nombre relatif inférieur à 10.

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Mit 2 Textabbildungen.     

Some remarks on the thermodynamics of cyclones and anticyclones

Summary A quantitative theory of steady-state cyclones and anticyclones is based on a thermodynamic cycle, in which the surface frictional flow of air towards low pressure is compensated by an outflow aloft. It is shown that such a steady-state flow can only be sustained by a distribution of heat sources and sinks, depending on the surface windfield, the frictional drag, and the height of the return flow. When the two latter quantities are specified the steady-state surface wind- and pressure-pattern can be inferred from the disposition of heat sources and sinks in the atmosphere.Given the vertical profile of temperature and humidity it is possible to estimate the net heat added to or subtracted from different levels in the atmosphere by radiation processes. If, in addition, the balance between precipitation and evaporation is known, the distribution of sources and sinks in the free atmosphere may be determined, and this procedure may be made largely routine with such aids as the radiation chart. Hence it is possible to infer the structure, intensity and size of an equilibrium surface pressure-field from the computed disposition of sources and sinks in the atmosphere. In the future it should be possible to carry through such an analysis as part of routine forecasting procedure. It is shown that the surface pressure contrast in such monsoonal systems as the Siberian Winter High is of the order called for by the thermodynamic theory. The sustaining source and sink intensities needed for cyclones and anticyclones of average size and pressure-contrast are of the order of those occurring in nature.Cyclones and anticyclones are conveniently classified according to the nature of the sustaining sources or sinks. In particular, shallow systems, cold highs and warm lows are associated with low level sinks or sources, while systems of great vertical extent, warm highs and cold lows, are associated with sinks and sources at high level.

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Zusammenfassung Eine quantitative Theorie stationärer Zyklonen und Antizyklonen wird auf einen thermodynamischen Kreisprozeß, basiert, in dem die reibungsbedingte Luftströmung an der Erdoberfläche gegen das Tiefdruckzentrum durch ein Abfließen in der Höhe kompensiert wird. Es wird gezeigt, daß eine solche stationäre Strömung nur durch eine Verteilung von Wärmequellen und Sinkstellen aufrecht erhalten werden kann, die durch das Windfeld am Boden, die Reibungsverzögerung und die Höhe des Rückkehrstromes bedingt ist. Wenn die zwei letztgenannten Größen bestimmt sind, kann aus der Verteilung der Wärmequellen und Sinkstellen in der Atmosphäre auf das Wind- und Druckfeld des stationären Zustandes am Boden geschlossen werden.Aus dem Vertikalprofil von Temperatur und Feuchtigkeit ist es möglich, den durch Strahlungsvorgänge in verschiedenen Höhen erzeugten Wärmeüberschuß oder-verlust abzuschätzen. Wenn außerdem die Bilanz zwischen Niederschlag und Verdunstung bekannt ist, kann auch die Verteilung der Quellen und Sinkstellen in der Atmosphäre bestimmt werden und dieses Verfahren kann auf Grund von Strahlungskarten Eingang in die tägliche Praxis finden. Damit ist es möglich, aus der berechneten Verteilung von Quellen und Sinkstellen Schlüsse auf die Struktur, die Intensität und die Ausdehnung eines im Gleichgewicht befindlichen Druckfeldes zu ziehen. In Zukunft mag sich auch die Möglichkeit ergeben, eine solche Analyse als Teil des täglichen Wetterdienstes durchzuführen.Es wird gezeigt, daß die Druckunterschiede am Boden in solchen Monsunsystemen wie dem sibirischen Winterhoch von der gleichen Größenordnung sind, wie sie sich aus der thermodynamischen Theorie voraussagen lassen. Die Intensität von Quellen und Sinkstellen, die in der freien Atmosphäre auftreten, hat die richtige Größe, um die Aufrechterhaltung von Zyklonen und Antizyklonen mit den Dimensionen und Druckunterschieden zu erklären, wie sie in der Natur beobachtet werden.Zyklonen und Antizyklonen werden praktischerweise auf Grund der Beschaffenheit der Quellen oder Sinkstellen eingeteilt, die sie aufrecht erhalten. Im speziellen sind seichte Systeme, wie Kältehoch und Wärmetief, mit Quellen oder Sinkstellen im tieferen Niveau verknüpft, während Systeme mit großer Vertikalerstreckung, wie Wärmehoch und Kältetief, mit Quellen oder Sinkstellen in größerer Höhe verbunden sind.

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Résumé On développe une théorie quantitative des dépressions et anticyclones stationnaires sur la base d'un cycle thermodynamique fermé dans lequel le courant soumis au frottement et dirigé vers le centre dépressionnaire est compensé par un écoulement divergent en altitude. On montre qu'un tel système stationnaire ne peut se maintenir que par une répartition des sources et des puits de chaleur conditionnée par le champ de vent au sol, le retard dû au frottement et l'altitude du courant de retour. Si les deux dernières grandeurs sont déterminées, on peut connaître le champ de vent et de pression de l'état stationnaire au sol à partir de la répartition des sources chaudes et des puits dans l'atmosphère.Grâce au profil vertical de température et d'humidité, il est possible d'évaluer l'excès ou le défaut de chaleur produits par les processus radiatifs à différents niveaux. Si en outre le bilan entre les précipitations et l'évaporation est connu, on peut aussi déterminer la distribution des sources et des puits dans l'atmosphère et ce procédé pourra entrer dans le travail de routine à l'aide de cartes de rayonnement. Ainsi il est possible, à partir de la distribution calculée des sources et des puits, de tirer des conclusions sur la structure, l'intensité et l'étendue d'un champ de pression en équilibre. On peut envisager dans l'avenir la possibilité d'adjoindre une telle analyse à la prévision journalière du temps.On montre que les différences de pression au sol dans des systèmes de mousson tels que celui de l'anticyclone hivernal sibérien sont de l'ordre de grandeur prévu par la théorie thermodynamique. L'intensité des sources et des puits qui apparaissent dans l'atmosphère libre a la valeur voulue pour entretenir les dépressions et les anticyclones avec les dimensions et les différences de pression que l'on observe dans la nature.On peut classer les dépressions et les anticyclones d'une manière pratique d'après la nature des sources et des puits qui les entretiennent. En particulier, des systèmes de peu d'épaisseur comme des anticyclones froids et des dépressions chaudes sont liés à des sources et des puits situés à basse altitude; par contre des systèmes de grande ampleur verticale comme des anticyclones chauds et des dépressions froides sont liés à des sources ou des puits à haute altitude.

     

A method for detecting the diffusion of silver iodide particles in the atmosphere

Summary A technique is described which allows the study of the concentration of silver-iodide particles produced by a ground generator. It consists of marking these particles with Iodine 131, then filtering the air at the required places with air-borne filters. The iodine is extracted chemically, concentrated in a very small silver iodide disc which is then placed upon a nulcear emulsion. After two weeks the activity is measured by electron track counting. Limitations of the method are given.The paper has been published in extenso in the «Zeitschrift für angewandte Mathematik and Physik» (ZAMP), XIa, p. 375, 1958.