Chemical evolution of a protoplanetary disk

In this paper we review recent progress in our understanding of the chemical evolution of protoplanetary disks. Current observational constraints and theoretical modeling on the chemical composition of gas and dust in these systems are presented. Strong variations of temperature, density, high-energy radiation intensities in these disks, both radially and vertically, result in a peculiar disk chemical structure, where a variety of processes are active. In hot, dilute and heavily irradiated atmosphere only the most photostable simple radicals and atoms and atomic ions exist, formed by gas-phase processes. Beneath the atmosphere a partly UV-shielded, warm molecular layer is located, where high-energy radiation drives rich ion-molecule and radical-radical chemistry, both in the gas phase and on dust surfaces. In a cold, dense, dark disk midplane many molecules are frozen out, forming thick icy mantles where surface chemistry is active and where complex polyatomic (organic) species are synthesized. Dynamical processes affect disk chemical composition by enriching it in abundances of complex species produced via slow surface processes, which will become detectable with ALMA.Comment: 13 pages, 1 figure, 3 tables, IAU 280 "Molecular Universe" invited pape

Collisionless magnetic reconnection in a plasmoid chain

The kinetic features of plasmoid chain formation and evolution are investigated by two dimensional Particle-in-Cell simulations. Magnetic reconnection is initiated in multiple X points by the tearing instability. Plasmoids form and grow in size by continuously coalescing. Each chain plasmoid exhibits a strong out-of plane core magnetic field and an out-of-plane electron current that drives the coalescing process. The disappearance of the X points in the coalescence process are due to anti-reconnection, a magnetic reconnection where the plasma inflow and outflow are reversed with respect to the original reconnection flow pattern. Anti-reconnection is characterized by the Hall magnetic field quadrupole signature. Two new kinetic features, not reported by previous studies of plasmoid chain evolution, are here revealed. First, intense electric fields develop in-plane normally to the separatrices and drive the ion dynamics in the plasmoids. Second, several bipolar electric field structures are localized in proximity of the plasmoid chain. The analysis of the electron distribution function and phase space reveals the presence of counter-streaming electron beams, unstable to the two stream instability, and phase space electron holes along the reconnection separatrices.Comment: accepted for publication in special issue "Magnetic reconnection and turbulence in space, laboratory and astrophysical systems" of Nonlinear Processes in Geophysic

Life of occam-Pi

This paper considers some questions prompted by a brief review of the history of computing. Why is programming so hard? Why is concurrency considered an “advanced” subject? What’s the matter with Objects? Where did all the Maths go? In searching for answers, the paper looks at some concerns over fundamental ideas within object orientation (as represented by modern programming languages), before focussing on the concurrency model of communicating processes and its particular expression in the occam family of languages. In that focus, it looks at the history of occam, its underlying philosophy (Ockham’s Razor), its semantic foundation on Hoare’s CSP, its principles of process oriented design and its development over almost three decades into occam-? (which blends in the concurrency dynamics of Milner’s ?-calculus). Also presented will be an urgent need for rationalisation – occam-? is an experiment that has demonstrated significant results, but now needs time to be spent on careful review and implementing the conclusions of that review. Finally, the future is considered. In particular, is there a future

A Verified Information-Flow Architecture

SAFE is a clean-slate design for a highly secure computer system, with pervasive mechanisms for tracking and limiting information flows. At the lowest level, the SAFE hardware supports fine-grained programmable tags, with efficient and flexible propagation and combination of tags as instructions are executed. The operating system virtualizes these generic facilities to present an information-flow abstract machine that allows user programs to label sensitive data with rich confidentiality policies. We present a formal, machine-checked model of the key hardware and software mechanisms used to dynamically control information flow in SAFE and an end-to-end proof of noninterference for this model. We use a refinement proof methodology to propagate the noninterference property of the abstract machine down to the concrete machine level. We use an intermediate layer in the refinement chain that factors out the details of the information-flow control policy and devise a code generator for compiling such information-flow policies into low-level monitor code. Finally, we verify the correctness of this generator using a dedicated Hoare logic that abstracts from low-level machine instructions into a reusable set of verified structured code generators

Simulation of sample testing under compression with the help of finite-element model of rocks being broken

Purpose of the paper is to develop mathematical model describing nature of argillous and salt samples under compression and to make available microdefects using finite-element method. Methods. To simulate behaviour of cylindrical rock samples under axial strain, finite-element model of rocks, being broken, is applied. In terms of the assumed model, components of medium with the disturbed continuity are calculated as those being continuous with anisotropic deformational and strength properties. Failure is considered as strength loss in terms of displacement and tensile on the anisotropy planes of the element. Within each point of the medium (if finite-element method is applied, then each element is meant) the limited number of planes of possible failure with 45° pitch is considered; they are used within each stage to evaluate potential failure resulting from displacement stresses or tensile ones. Coulomb-Mohr criteria as well as tensile strength are applied to determine potential failure on sites. Findings. It has been determined that mathematical modeling enables observing the process of disturbances within the sample. Stress-deformation diagrams, being a result of the modeling, demonstrate features of the sample behavior during different loading stages (i.e. nonlinear nature up to the peak load; decrease while breaking; residual strength; and hysteresis loops in terms of cyclic loading). It has been proved that if the model parameters are selected adequately, acceptable coincidence of both calculated and laboratory curves describing connections of axial strains and side strains with pressure on the samples of clay, sylvinite, and rock salt can be achieved. Originality. Finite-element has been developed. The model makes it possible to describe processes of strain and failure of rock samples in the context of laboratory tests; moreover, the model differs in the fact that it is added by the description of deformation processes taking place in microfissures and pores. Practical implications. Modeling with the use of finite-element method for rocks under breaking helps reach sufficient coincidence of the calculated diagrams of sample tests with graphs of stresses-deformations connection resulting from the laboratory studies. The obtained positive results confirm applicability of finite-element model of rock deformation and failure in terms of rock pressure problems.Мета. Розробка математичної моделі, яка описує характер процесу руйнування глинистих і соляних зразків при їх випробуванні на стиск, а також наявності мікродефектів на основі методу скінченних елементів. Методика. Для моделювання поведінки циліндричних зразків гірських порід в умовах осьового стиску застосовується скінченно-елементна модель гірських порід, що руйнуються. У прийнятій моделі елементи середовища з порушенням цілісності розраховуються як суцільні з анізотропними деформаційними та міцнісними властивостями. Руйнування розглядається як зниження міцності на зсув і розрив за площинами анізотропії елемента. У кожній точці середовища (при розрахунку методом кінцевих елементів – у кожному елементі) розглядається обмежена кількість площин можливого руйнування із кроком 45°, за якими на кожному етапі навантаження оцінюється можливість руйнування від дії зсувних або розтягальних напружень, що розтягують. Можливість руйнування по майданчиках визначається за допомогою критеріїв Кулона-Мора й міцності при розтягуванні. Результати. Встановлено, що за допомогою математичного моделювання представляється можливим проводити спостереження за процесом розвитку порушень у зразку. Діаграми напружень – деформації, отримані при моделюванні, показують особливості поведінки зразків на різних етапах навантаження (нелінійний характер до максимального навантаження, спад при руйнуванні, залишкова міцність, гістерезисні петлі при циклічному навантаженні). Доведено, що при відповідному підборі параметрів моделі вдається домогтися прийнятного збігу розрахованих і лабораторних кривих, що описують зв’язок осьових та бічних деформацій з тиском на зразки суглинку, сильвініту й кам’яної солі. Наукова новизна. Розроблено скінченно-елементна модель, що дозволяє описувати процеси деформування й руйнування зразків гірських порід при випробуванні у лабораторних умовах і відрізняється тим, що доповнена описанням процесів деформування мікротріщин і пор. Практична значимість. В результаті виконання моделювання методом скінченних елементів гірських порід, що руйнуються, досягається збіг з прийнятною точністю розрахованих діаграм випробувань зразків із графіками зв’язку між напруженнями і деформаціями, отриманими при випробуваннях в лабораторних умовах. Отримані позитивні результати свідчать про можливість застосування скінченно-елементної моделі деформування і руйнування гірських порід у задачах гірського тиску.Цель. Разработка математической модели, описывающей характер процесса разрушения глинистых и соляных образцов при их испытании на сжатие, а также наличия микродефектов на основе метода конечных элементов. Методика. Для моделирования поведения цилиндрических образцов горных пород в условиях осевого сжатия применяется конечно-элементная модель разрушающихся горных пород. В принятой модели элементы среды с нарушением сплошности рассчитываются как сплошные с анизотропными деформационными и прочностными свойствами. Разрушение рассматривается как снижение прочности на сдвиг и разрыв по плоскостям анизотропии элемента. В каждой точке среды (при расчете методом конечных элементов – в каждом элементе) рассматривается ограниченное количество плоскостей возможного разрушения с шагом 45°, по которым на каждом этапе нагружения оценивается возможность разрушения от действия сдвиговых или растягивающих напряжений. Возможность разрушения по площадкам определяется с помощью критериев Кулона-Мора и прочности при растяжении. Результаты. Установлено, что при помощи математического моделирования представляется возможным производить наблюдения за процессом развития нарушений в образце. Диаграммы напряжения – деформации, полученные при моделировании, показывают особенности поведения образцов на разных этапах нагружения (нелинейный характер до максимальной нагрузки, спад при разрушении, остаточная прочность, гистерезисные петли при циклическом нагружении). Доказано, что при соответствующем подборе параметров модели удается добиться приемлемого совпадения рассчитанных и лабораторных кривых, описывающих связи осевых и боковых деформаций с давлением на образцы суглинка, сильвинита и каменной соли. Научная новизна. Разработана конечно-элементная модель, позволяющая описывать процессы деформирования и разрушения образцов горных пород при испытании в лабораторных условиях и отличающаяся тем, что дополнена описанием процессов деформирования микротрещин и пор. Практическая значимость. В результате выполнения моделирования методом конечных элементов разрушающихся горных пород достигается совпадение с приемлемой точностью рассчитанных диаграмм испытаний образцов с графиками связи между напряжениями и деформациями, полученными при испытаниях в лабораторных условиях. Полученные положительные результаты свидетельствуют о применимости конечно-элементной модели деформирования и разрушения горных пород в задачах горного давления.The studies have been supported by the Institute of environmental Geology of the Russian Academy of Sciences (St. Petersburg Faculty of the Geo-Ecological Institute). The materials with the results of laboratory tests of rocks have been provided by “Steady-state analysis of ground” laboratory in “VNIIG im. B.E. Vedeneieva” Ltd (V.V. Sokurov, T.Yu. Vekshina, Yu.V. Zaitsev) and research laboratory of physical and mechanical properties and failure of rocks of St. Petersburg Mining University (M.D. Ilinov, Cand. Sc. (Engineering), V.А. Korshunov, Cand. Sc. (Engineering), D.N. Petrov, Cand. Sc. (Engineering))

ALMA observations of the molecular gas in the debris disk of the 30 Myr old star HD 21997

The 30 Myr old A3-type star HD 21997 is one of the two known debris dust disks having a measurable amount of cold molecular gas. With the goal of understanding the physical state, origin, and evolution of the gas in young debris disks, we obtained CO line observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Here we report on the detection of 12CO and 13CO in the J=2-1 and J=3-2 transitions and C18O in the J=2-1 line. The gas exhibits a Keplerian velocity curve, one of the few direct measurements of Keplerian rotation in young debris disks. The measured CO brightness distribution could be reproduced by a simple star+disk system, whose parameters are r_in < 26 AU, r_out = 138 +/- 20 AU, M_*=1.8 +0.5 -0.2 M_Sun, and i = 32.6 +/- 3.1 degrees. The total CO mass, as calculated from the optically thin C18O line, is about (4-8) x 10^-2 M_Earth, while the CO line ratios suggest a radiation temperature on the order of 6-9 K. Comparing our results with those obtained for the dust component of the HD 21997 disk from the ALMA continuum observations by Mo\'or et al., we conclude that comparable amounts of CO gas and dust are present in the disk. Interestingly, the gas and dust in the HD 21997 system are not co-located, indicating a dust-free inner gas disk within 55 AU of the star. We explore two possible scenarios for the origin of the gas. A secondary origin, which involves gas production from colliding or active planetesimals, would require unreasonably high gas production rates and would not explain why the gas and dust are not co-located. We propose that HD 21997 is a hybrid system where secondary debris dust and primordial gas coexist. HD 21997, whose age exceeds both the model predictions for disk clearing and the ages of the oldest T Tauri-like or transitional gas disks in the literature, may be a key object linking the primordial and the debris phases of disk evolution.Comment: 8 pages, 4 figures, accepted for publication in Ap