Characterizing dust storms and modeling diffusion in viscous atmospheric aerosol particles

This thesis includes separate research studies on atmospheric dust particles and viscous aerosol particles. In Chapters 2 and 3, the major source points of atmospheric dust particles in the Middle East are studied. We analyze daily images from a moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) sensor as well as deep blue aerosol products to select dust events occurred between 2000-2012. Then, source point identification is performed on the images of dust events using an improved version of Middle East dust index (MEDI). Later, we classify the identified sources based on their intensity and frequency to better understand the contribution of each dust source point in generating dust storms. The findings show that Iraq and Syria have the highest active dust sites among all studied countries in the region. Furthermore, we investigate whether the observed intense and frequent dust activities are linked to desertification occurred over the past three decades. Analyzing Landsat TM images (1984 and 2012), it is found that 39% of identified sources in Iraq and its surrounding areas are located in newly desertified regions. Finally, these results are compared with other studies and the implication of the findings are discussed. In Chapter 4, we describe a mathematical formulation of the water exchange diffusion problem and present analytical solutions for this problem for a spherical particle. Two different boundary conditions, constant and equilibrium concentration on the particle surface, are used to obtain solutions to the water exchange diffusion problem. Then, the effect of these boundary conditions is investigated in the context of isotope tracer experiments. Using dimensionless analysis, it is shown that the predicted sorption with fixed concentration on boundary is always greater than or equal to the model with the equilibrium boundary condition. These findings also suggest there are many physically relevant cases where the difference between these two solutions is inconsequential. We further explore these results using three physical examples of binary solution droplets: aqueous sucrose, aqueous citric acid, and aqueous shikimic acid droplets. Using the two derived analytical models, we study the water exchange lifetime. It is observed that the type of boundary condition becomes very significant when RH is very high in all cases. We conclude by discussing the observed discrepancy in the reported diffusion coefficient between isotopic water exchange and water sorption experiments. In Chapter 5, the nonlinear diffusion of water in highly viscous and glassy aerosol particles is modeled and we discuss tracking the associated diffusion front. This tracking is accomplished by analyzing the optical behavior of spherical particle exposed to electromagnetic radiation during the diffusion process. Currently, the numerical multilayer Mie models require a concentration profile as an input. Obtaining this profile requires solving the nonlinear diffusion problem, which is very time consuming. We present an analytical model to simulate the position of morphology dependent resonances (MDRs) of a core-shell aerosol particle. Then, we compare the core-shell model with the previously developed multilayer Mie model. Results demonstrate that the derived characteristic equation can accurately calculate the positions of MDRs in a much faster way compared to the existing multilayer model. From simulation data, the most sensitive region to the gradient of refractive index is found to be very close to the particle surface. This sensitivity becomes insignificant at low relative humidities and limits the application of this work. Our model eliminates the complexity associated with using traditional numerical calculations based on water transport models to analyze single particle measurements.Cette thèse comprend des études de recherche distinctes sur les particules de poussière atmosphérique et les particules d'aérosol visqueuses. Dans les chapitres 2 et 3, les principales sources de particules de poussière atmosphérique au Moyen-Orient sont étudiées. Nous analysons les images quotidiennes du capteur moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) ainsi que des produits aérosols de Deep Blue pour sélectionner les événements de poussière survenus entre 2000 et 2012. Ensuite, l'identification de la source est effectuée sur les images des événements de poussière en utilisant une version améliorée de l'indice de poussière du Moyen-Orient (MEDI). Par la suite, nous classons les sources identifiées en fonction de leur intensité et de leur fréquence pour mieux comprendre la contribution de chaque source dans la génération des tempêtes de poussière. Les résultats montrent que l'Irak et la Syrie ont les sites de poussière très actifs les plus élevés parmi tous les pays étudiés dans la région. En outre, on étudie si les événements de poussière intenses et fréquentes observées sont liés à la désertification au cours des trois dernières décennies. En analysant les images Landsat TM (1984 et 2012), on constate que 39% des sources identifiées en Irak et dans ses régions environnantes se trouvent dans des régions nouvellement désertes. Enfin, ces résultats sont comparés à d'autres études et l'implication des résultats est discutée. Dans le chapitre 4, nous décrivons une formulation mathématique du problème de diffusion de l'échange d'eau et présentons des solutions analytiques pour ce problème dans le cas d'une particule sphérique. Deux conditions de limites différentes, 1) concentration à constante et 2) concentration à l'équilibrée à la surface de la particule, sont utilisées pour obtenir des solutions au problème de diffusion de l'échange d'eau. Ensuite, l'effet de ces conditions aux limites est étudié dans le cadre d'expériences de traceurs isotopiques. En utilisant une analyse sans dimension, il est démontré que la sorption prédite avec une concentration fixée sur la surface est toujours supérieure ou égale au modèle avec la condition de limite d'équilibre. Ces résultats suggèrent également qu'il existe de nombreux cas physiquement pertinents ou` la différence entre ces deux solutions est sans conséquence. Nous explorons davantage ces résultats en utilisant trois exemples physiques de gouttelettes de solution binaire: sucrose aqueux, acide citrique aqueux et gouttelettes d'acide shikimique aqueux. En utilisant les deux modèles analytiques dérivés, nous étudions la durée de vie de l'échange d'eau. On constate que le type de condition limite devient très significatif lorsque l'humidité relative est très élevé dans tous les cas. Nous concluons en discutant le décalage observé dans le coefficient de diffusion signalé entre les expériences isotopiques d'échange d'eau et de sorption d'eau.Dans le chapitre 5, la diffusion non linéaire de l'eau dans les particules d'aérosol très visqueuses et vitreuses est modélisée et nous discutons du déplacement du front de diffusion associé. Ce suivi est réalisé en analysant le comportement optique de la particule sphérique exposée au rayonnement électromagnétique pendant le processus de diffusion. Présentement, les modèles Mie multicouches numériques nécessitent un profil de concentration en tant qu'entrée. L'obtention de ce profil a besoin de la résolution du problème de diffusion non linéaire, qui prend beaucoup de temps. Nous présentons un modèle analytique pour simuler la position des résonances dépendantes de la morphologie (MDR) d'une particule d'aérosol à noyau- coquille. Ensuite, nous comparons le modèle noyau-coquille avec le modèle Mie multicouches précédemment développé. Les résultats démontrent que l'équation caractéristique dérivée peut calculer avec précision les positions des MDR de manière beaucoup plus rapide par rapport au modèle multicouche existant

Kalibrering av materialparametrar för byggnadselement i trä

Constructing multi floor buildings by light weight material have increased recently. There are many advantages of using light weight material, such as wood, for the environment. However, one of the deficiencies of lightweight material is the acoustic performance. Transmission of sound and vibration through floors in multi floor buildings in wood is a drawback to be considered. There are many studies that have addressed this issue. It is most common to make a finite element models well as experiments in laboratory. In these studies the material properties in the FE model are probably often adjusted to correlate to the laboratory experiments, since there is a large spread in material properties found in literature. This thesis however tries to elaborate on the actual material properties of the included wooden elements. Dynamic testing is done to determine the spread (here spread means gap between material properties) in material properties of wooden elements. The materials tested are chipboards and two types of wooden beams. The examined beams are both normal wooden beams and laminated veneer lumber beams. When the dynamic behaviour is known for the wooden parts, they are assembled to two small floor systems. The floor systems consist of four beams and one wooden board. The assembly is dynamically tested in laboratory and in FE software. The FE model used the known material properties for each individual building part. The results from the FE model correlate well with the laboratory tests. This shows that when material properties are known a FE model can predict the real behaviour. However, the examined material properties show a large spread from beam to beam, etc and a better knowledge about the material properties of used wooden parts is needed.Att bygga flervåningshus med lätta byggmaterial har blivit allt vanligare. Det finns många fördelar med att använda lätta material, såsom trä. En av fördelarna är att det är skonsamt för miljön. Emellertid är en av bristerna i lättviktsmaterial den akustiska prestandan. Överföring av ljud och vibrationer genom golv i flervåningshus i trä är en nackdel att överväga. Det finns flera studier som har behandlat denna fråga. Ofta görs finita element modeller samt tester i laboratorium. I dessa studier justerar man materialegenskaperna i FE-modellen för att korrelera mot laboratorieexperiment. Detta eftersom det finns en stor spridning i materialegenskaperna för trä i litteraturen. Med detta examensarbete, undersöks de faktiska materialegenskaperna hos träelementen genom försök. Dynamiska tester utförs för att bestämma spridningen i materialegenskaper. De testade materialen är spånskivor och två typer av träbalkar. De undersökta balkarna är både normala träreglar och laminerade faner balkar. När det dynamiska beteendet är känt för trädelarna, monteras de ihop till två små golvsystem. Golvsystemen består av fyra balkar och en träskiva. Den assemblerade modellen testas både dynamiskt i ett praktiskt försök och i ett FE program. I FEmodellen används de tidigare framtagna faktiska materialegenskaper för varje ingående enskild byggnadsdel. Resultaten från FE-modellen korrelerar väl med de praktiska experimenten. Med detta examensarbete visas att när materialegenskaperna är kända kan FE-modellen förutsäga det verkliga beteendet. De undersökta materialegenskaperna visar dock en stor spridning från balk till balk, etc. och mer kunskap om materialegenskaper hos trädelar behövs