A comprehensive numerical simulation of Io’s sublimation-driven atmosphere

Io’s sublimation-driven atmosphere is modeled using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. These rarefied gas dynamics simulations improve upon earlier models by using a three-dimensional domain encompassing the entire planet computed in parallel. The effects of plasma heating, planetary rotation, inhomogeneous surface frost, molecular residence time of SO₂ on the exposed (non-volatile) rocky surface, and surface temperature distribution are investigated. Circumplanetary flow is predicted to develop from the warm dayside toward the cooler nightside. Io’s rotation leads to a highly asymmetric frost surface temperature distribution (due to the frost’s high thermal inertia) which results in circumplanetary flow that is not axi-symmetric about the subsolar point. The non-equilibrium thermal structure of the atmosphere, specifically vibrational and rotational temperatures, is also examined. Plasma heating is found to significantly inflate the atmosphere on both the dayside and nightside. The plasma energy flux causes high temperatures at high altitudes but plasma energy depletion through the dense gas column above the warmest frost permits gas temperatures cooler than the surface at low altitudes. A frost map (Douté, S., Schmitt, B., Lopes-Gautier, R., Carlson, R., Soderblom, L., Shirley, J., and the Galileo NIMS Team [2001]. Icarus 149, 107-132) is used to control the sublimated flux of SO₂ which can result in inhomogeneous column densities that vary by nearly a factor of four for the same surface temperature. A short residence time for SO₂ molecules on the “rock” component is found to smooth lateral atmospheric inhomogeneities caused by variations in the surface frost distribution, creating an atmosphere that looks nearly identical to one with uniform frost coverage. A longer residence time is found to agree better with mid-infrared observations (Spencer, J.R., Lellouch, E., Richter, M.J., López-Valverde, M.A., Jessup, K.L, Greathouse, T.K., Flaud, J. [2005]. Icarus 176, 283-304) and reproduce the observed anti-jovian/sub-jovian column density asymmetry. The computed peak dayside column density for Io assuming a surface frost temperature of 115 K agrees with those suggested by Lyman-α observations (Feaga, L.M., McGrath, M., Feldman, P.D. [2009]. Icarus 201, 570-584). On the other hand, the peak dayside column density at 120 K is a factor of five larger and is higher than the upper range of observations (Jessup, K.L., Spencer, J.R., Ballester, G.E., Howell, R.R., Roesler, F., Vigel, M., Yelle, R. [2004]. Icarus 169, 197-215; Spencer et al., 2005).     

The paleolimnology of a small waterbody in the Pocono Mountains of Pennsylvania,USA: reconstructing 19th–20th century specific conductivity trends in relation to changing land use

Remains of scaled chrysophytes, magnetic minerals and pollen were used to analyze the recent paleolimnological history of a small lake, Lake Waynewood, in the Pocono Mountains of Pennsylvania. Important shifts in all three variables were observed over the 133 years represented by the core. The most significant changes occurred near the turn of the century when the watershed was heavily logged. Before the logging event, species such asSynura sphagnicola, S. spinosa, Mallomonas galeiformis andM. duerrschmidtiae were co-dominant members of the flora. Subsequent to the deforestation of the watershed other taxa, includingM. crassisquama, M. caudata andS. petersenii, increased in relative importance. Concurrent with changes in the scaled chrysophytes was a six-fold increase in the concentrations of magnetic material, presumably the result of increased erosion caused by the logging. Changes in pollen grains also correlate well with the onset of the deforestation event. The scaled chrysophyte inferred specific conductivity of the lake has more than tripled, with the primary increase occurring concurrent with the commencement of logging and the increase in magnetic mineral material. The effects of other human-related disturbances are also discussed.     

Die tertiäre und quartäre Entwicklung im Bereich der Kufrah-Oasen (Zentrale Sahara) unter besonderer Berücksichtigung aktualistischer Vorgänge

Zusammenfassung Im Verlauf der Oberkreide und des Tertiärs bestand im Bereich der Kufrah-Oasen eine Einebnungstendenz, die mit der Bildung einer Peneplain ihre Vollendung fand. Die Umlagerungsprodukte, nur wenige Meter mächtige Sande und Feinkiese, wurden während einer warmfeuchten Klimaperiode lateritisiert und anschließend unter semiariden Bedingungen zur Eisenkruste I verhärtet. Auf den geringfügig höher gelegenen Iateritfreien Erosionsflächen kam es zur Ausbildung einer Silikatkruste. Ein Wechsel zu feuchterem Klima und eventuelle schwache epirogenetische Hebungen des Gebietes bewirkten eine teilweise Erosion der Silikat- und der Eisenkruste sowie der Sedimente der Nubischen Serie. Dabei entstanden teils brecciöse, teils fanglomeratartige Sedimente, die sowohl auf der Eisenkruste I als auch auf dem mesozoischen Untergrund abgelagert wurden. Erneute Klimaveränderungen führten jetzt zur Laterisierung und Verhärtung der vorliegenden maximal 10–12 m mächtigen Sedimente und zur Entstehung der Eisenkruste II.Eine Tiefenerosion setzte ein, die die bestehende Peneplain in Insel- und Tafelberge auflöste. Eine kurzzeitige Unterbrechung der Erosion im Altquartär begünstigte die Sedimentation von Kiesen und von Grobschutt auf einem ca. 50 m unterhalb der ehemaligen Peneplain gelegenen Niveau. Der Grobschutt wurde ebenfalls lateritisiert zur Eisenkruste III.Eine Analyse des fossilen aquatischen Systems zeigt ein stark verzweigtes Flußsystem, das das gesamte Gebiet der Kufrah-Oasen von SW nach NE entwässerte. Die Erosionsprodukte wurden zum größten Teil abtransportiert. Daher sind nur geringmächtige fluviatile Sedimente erhalten.Mit dem Ende des Pleistozän wurde die aquatische Erosionstätigkeit durch Wechsel von feuchtem zu trockenem Klima mit wenigen Ausnahmen beendet. Es kam zur Ablagerung feinklastischer limnischer Sedimente in lokalen Depressionen, denen äolische Sande zwischengeschaltet wurden. In dieser Übergangsphase bildeten sich Schwemmfächer am Fuße von Schichtstufen und Inselbergen, wobei zum Teil bereits existierende Sanddünen überlagert wurden. Es vollzog sich alternierend ein Wechsel von feuchtem zu trockenem Klima. Der Beginn einer ariden Klimaentwicklung kann in die Zeit um 6000 B. P. gesetzt werden.Die meteorologischen Daten der Station Kufrah seit 1933 zeigen nur noch eine äolische Aktivität als Wechselwirkung von Erosion und Sedimentation an. Reliktflächen sind die Hammada- und Serirflächen; überwiegend Sedimentation findet in der Ausbildung von Dünen und Sandtennen statt. Die Sandtennen sind in multimodale ebene und bimodale undulierende Tennen zu unterteilen. Die Bimodalität ist eine Funktion des selektiven Abtransportes mittlerer Korngrößen und deren Anreicherung als Sanddünen oder Sandanwehungen. Die undulierenden Sandtennen sind daher eine Weiterentwicklung ebener Sandtennen. Dünen existieren in Form von Seif- und Barchandünen oder als eine Kombination aus beiden.Die aktualistischen Vorgänge des vollariden Gebietes der Kufrah-Oasen zeigen eine Tendenz zum erneuten Reliefausgleich durch Deflation und Korrasion exponierter Areale und Sedimentation in Depressionen.

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During the Upper Cretaceous and Tertiary time a tendency of relief deplaning existed in the Kufrah-Oasis area which was completed by the development of a peneplain. The eroded material, sands and gravels of a thickness of only a few meters became lateritic during a period of warm and moist and was hardened to ironcrust I during a semiarid climat. On the slightly higher erosional planes without laterite a silicacrust was developed. A change to a more humid climat and possibly slight epirogenic lifting of the territory brought about an in part erosion of the silicacrust, the ironcrust I and the mesozoic rocks. Thereby breccious and fanglomeratic sediments were deposited and after laterization and hardening the ironcrust LI was formed. An indeep erosion began and disolved the existing peneplain into mesas and inselbergs. A short interruption in the erosional activity during Early Quarternary favoured the sedimentation of coarse grained material which was laterized to ironcrust III. An analysis of the fossil aquatic system shows an extensively branched river system which drained the whole territory of the Kufrah area from SW to NE. The eroded material was flushed away to a great extent, so that only some very thin beds of fluvial sediments still exist. At the close of the Pleistocene the aquatic erosional activity ended by a change from humid to arid climate. Only fine clastic limnic sediments were deposited in some local depressions often alternating with aeolian sands. In this transition period alluvial fans developed on the foot of mesas, in some locations sedimentated on top of already existing-sanddunes. The begin of an arid desert climat can be put at approximately 6 000 years before present.The data of the Kufrah meteorological station since 1933 show the possibility of only aeolic activity in form of mutual erosion and sedimentation. The relic planes are the hammada and serir planes. Sedimentation is responsible for the creation of dunes and sandflats. The sandflats can be differenciated into multimodal even flats and bimodal gently undulating flats. The bimodality is a function of the selective removal of sand grains with distinctive diameters and their accumulation as dunes or sand drifts. The undulating sandflats therefore are a further development of the even sandflats. Dunes exist in form of seifdunes or barchan dunes or as combinations of both types.The actualistic events in the fully arid area of the Kufrah-Oasis again show a tendency towards levelling out of the relief by deflation and corrasion of exposed areas and sedimentation in depressions.

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Résumé Au cours du Crétacé supérieur et du Tertiaire, dans la région des Oasis de Koufra eut lieu un aplanissement dont la phase finale a abouti à une pénéplaine. Les produits du remaniement, des sables et des graviers de faible puissance, ont été látéritisés pendant une période chaude et humide indurés sous un climat semi-aride en croute ferrugineuse I. Sur les surfaces d'érosion plus élevées sans latérite se développait une croûte siliceuse. Le changement vers un climat plus humide et de faibles soulèvements tectoniques provoquèrent une érosion partielle des croûtes ferrugineuses et siliceuses et des sédiments de la série nubienne. Par ce remaniement se formaient des brèches et des fanglomérats qui se sont sédimentées aussi bien sur la croûte ferrugineuse I que sur le substratum méozoique. Un nouveau changement de climat provoqua la latéritisation et le durcissement des sédiment bréchiques et fanglomératiques la formation de la croûte ferrugineuse II.A la limite Tertiaire/Quaternaire commenca une érosion intense qui façonna la pénéplaine existente en inselbergs et tafelbergs. Une interruption brève de l'érosion au Quaternaire inférieur favorisa la sédimentation de graviers et blocs à un niveau d'à peu près 50 m inférieur à l'ancienne pénéplaine. Les graviers et les blocs ont été latéritisés ensemble pour former la croûte ferrugineuse III.Une anlyse du système hydrographique du Pleistocéne montre que toute la région des oasis de Koufra était drainée vers le Nord, période durant laquelle aucune sédimentation n'a eu lieu. A la fin du Pleitocène le climat changea une nouvelle fois pour devenir plus sec et l'érosion fluviatile se termina. Dans la phase de transition se déposèrent, au pied des corniches et des inselbergs, des éventails alluviaux en alternance avec le sable éolien. Le changement à un climat plus aride peut être daté à peu près 6000 B. P.Les données météorologiques de la station de Koufra, depuis 1933, ne permettent qu'une activité éolienne soit comme sédimentation soit comme érosion. Les surfaces »Hammada« et »Serir« sont des surfaces d'érosion résiduelles. La sédimentation se manifeste sous la forme de dunes et de plaines de sable. Les dunes existent sous forme de barchanes et de seifs; les plaines de sable sont à subdiviser du point de vue de la granulométrie en aires multimodales et en aires ondulées bimodales. La bimodalité est und fonction du transport sélectif des grains moyens.Le processus exogène récent dans la région des oasis de Koufra montre la tendance à un nouvel aplainissement effectué par une déflation et corrasion des terrains en relief et une sédimentation dans les dépressions.

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, . — — , , 1. , . , , . , , 1, . 10–12 . , , 50 . 3. , -. . . , , . . , . . 6000 . e 1933 . . ; ( ): . , . — . , . .

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Gekürzte Dissertation D 77.     

Noise-Storm Continua: Power Estimates for Electron Acceleration

We use a generic stochastic acceleration formalism to examine the power L_in (erg s^-1) input to non-thermal electrons that cause noise-storm continuum emission. The analytical approach includes the derivation of the Greens function for a general second-order Fermi process, and its application to obtain the particular solution for the non-thermal electron distribution resulting from the acceleration of a Maxwellian source in the corona. We compare L_in with the power L_out observed in noise-storm radiation. Using typical values for the various parameters, we find that L_in 10²³–10²⁶ erg s^-1, yielding an efficiency estimate L_out/L_in in the range 10^-10 10^-6 for this non-thermal acceleration/radiation process. These results reflect the efficiency of the overall process, starting from electron acceleration and culminating in the observed noise-storm emission.