Reynolds stresses and mean fields generated by pure waves: applications to shear flows and convection in a rotating shell

A general reformulation of the Reynolds stresses created by two-dimensional waves breaking a translational or a rotational invariance is described. This reformulation emphasizes the importance of a geometrical factor: the slope of the separatrices of the wave flow. Its physical relevance is illustrated by two model systems: waves destabilizing open shear flows; and thermal Rossby waves in spherical shell convection with rotation. In the case of shear-flow waves, a new expression of the Reynolds–Orr amplification mechanism is obtained, and a good understanding of the form of the mean pressure and velocity fields created by weakly nonlinear waves is gained. In the case of thermal Rossby waves, results of a three-dimensional code using no-slip boundary conditions are presented in the nonlinear regime, and compared with those of a two-dimensional quasi-geostrophic model. A semi-quantitative agreement is obtained on the flow amplitudes, but discrepancies are observed concerning the nonlinear frequency shifts. With the quasi-geostrophic model we also revisit a geometrical formula proposed by Zhang to interpret the form of the zonal flow created by the waves, and explore the very low Ekman-number regime. A change in the nature of the wave bifurcation, from supercritical to subcritical, is found

Bistability and hysteresis of dipolar dynamos generated by turbulent convection in rotating spherical shells

Bistability and hysteresis of magnetohydrodynamic dipolar dynamos generated by turbulent convection in rotating spherical fluid shells is demonstrated. Hysteresis appears as a transition between two distinct regimes of dipolar dynamos with rather different properties including a pronounced difference in the amplitude of the axisymmetric poloidal field component and in the form of the differential rotation. The bistability occurs from the onset of dynamo action up to about 9 times the critical value of the Rayleigh number for onset of convection and over a wide range of values of the ordinary and the magnetic Prandtl numbers including the value unity

Planetary Dynamos

The MAGSAT-program has added significantly to our knowledge of planetary magnetism. The accuracy of observations has been improved such that a reliable extrapolation of the magnetic field to the core surface is now much more feasible than it has been before, and the prospect of further MAGSAT missions raises the expectation that the time dependence of the geomagnetic field will be known with similar accuracy in the future. In the research support it has been attempted to develop dynamo theory with these applications in mind

Magneto-inertial convection in rotating fluid spheres

The onset of convection in the form of magneto-inertial waves in a rotating fluid sphere permeated by a constant axial electric current is studied through a perturbation analysis. Explicit expressions for the dependence of the Rayleigh number on the azimuthal wavenumber are derived in the limit of high thermal diffusivity. Results for the cases of thermally infinitely conducting and of nearly thermally insulating boundaries are obtained.Comment: 10 pages, 5 figures, to be submitted for publicatio

Mechanismen der Pikosekunden-Infrarot-Laser-Desorption/Ionisation

Direct analysis of tissues and cells by mass spectrometry is an emerging approach in guided laser surgery, high-throughput clinical bio-diagnostics, and mass spectrometry imaging. Especially for the analysis of labile compounds such as large proteins and non-covalently bound complexes, a soft sampling technique which preserves the integrity of the analyte molecules is desirable. Infrared (IR) laser desorption is a promising method for soft material extraction as it provides high spatial resolution, requires minimal sample preparation, and can be easily coupled to purification and separation techniques such as liquid chromatography. A core limitation to be overcome is the relatively low ionization efficiency when compared to other techniques commonly used with mass spectrometry, such as matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) or electrospray ionization (ESI). By using a picosecond infrared laser (PIRL) at 3µm wavelength, desorption by impulsive vibrational excitation (DIVE) establishes optimal ablation conditions. Depositing energy at a higher rate than it can be dissipated by mechanical relaxation leads to a maximal pressure buildup before material ejection ensues, and to less collateral material damage since dissipation channels corresponding to thermal as well as acoustic damage to the specimen are reduced. This leaves even large biomolecules intact for subsequent analysis. Within the scope of this thesis, the ablation and ionization characteristics of PIRL-DIVE were investigated in two different scenarios: first, the material ejection at atmospheric pressure was characterized using time-resolved digital interference microscopy, a photographic technique which showed high contrast for otherwise transparent objects such as acoustic shocks and ejected water vapor. Different ablation regimes exhibiting varying amounts of liquid and vapor-phase material were identified, and droplet generation could be suppressed when smaller volumes of liquid were irradiated. This opened up possibilities to further investigate the role of droplet generation and desolvation in analyte ionization. Second, the suitability of PIRL-DIVE for mass spectrometry imaging was investigated in a custom-built time-of-flight mass analyzer. Substantial improvements in signal strength, stability, and reproducibility were achieved compared to previous IR laser desorption ionization studies performed under vacuum conditions. The influence of several parameters such as laser fluence, extraction voltage, and pH value of the sample solution was investigated. The sample preparation protocol had significant impact on the observed signal quality. The obtained results potentially pave the way towards high-resolution, high-sensitivity mass spectrometry imaging from frozen cryo-sections of tissues and cells using the DIVE process.Die direkte massenspektrometrische Analyse von Geweben und Zellen ist ein relativ neuer Ansatz in der computergestützten Laser-Chirurgie, in der klinischen Biodiagnostik und im Gebiet der massenspektrometrischen Bildgebung. Vor allem für die Analyse labiler Stoffe wie besonders großer Moleküle und nicht-kovalent gebundener Komplexe ist eine Untersuchungsmethode wünschenswert, welche die Integrität der Analytmoleküle bewahrt. Die Infrarot (IR) Laserdesorption ist eine vielversprechende Methode zur "weichen" Probenentnahme, die eine hohe räumliche Auflösung bei minimaler Probenvorbereitung bietet und sich leicht an Aufreinigungs- und Separationstechniken wie die Flüssigchromatographie koppeln lässt. Bisher limitierend ist die relativ niedrige Ionisationseffizienz im Vergleich mit anderen Massenspektrometrie-Methoden wie zum Beispiel der Matrix-unterstützten Laserdesorption und Ionisation (MALDI) und der Elektrospray Ionisation (ESI). Optimale Ablationsbedingungen können durch die Nutzung eines Pikosekunden Infrarot Lasers (PIRL) mit einer Wellenlänge von 3µm erreicht werden, ein Verfahren welches auch Desorption by Impulsive Vibrational Excitation (DIVE) genannt wird. Wird die Energie schneller zugeführt als sie durch mechanische Relaxation abgebaut werden kann, wird ein maximaler Ablationsdruck erreicht und das umliegenden Gewebe weniger beansprucht, da sowohl thermische als auch akustische Dissipationskanäle, die zu Schäden an der Probe führen könnten, vermieden werden. Selbst große Biomoleküle bleiben so für die weitere Analyse intakt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der PIRL Ablation und Ionisation in zwei unterschiedlichen Szenarien: Zunächst wurde der Materialausstoß unter Atmosphärendruck mittels zeitaufgelöster digitaler Interferenzmikroskopie charakterisiert, ein photographisches Verfahren mit welchem ein hoher Kontrast für ansonsten transparente Objekte wie Druckwellen und Wasserdampf erzielt werden konnte. Verschiedene Regimes der Materialablation wiesen unterschiedliche Verhältnisse von flüssigem zu gasförmigem Material auf, wobei die Tröpfchenbildung für die Ablation von mikroskopischen Flüssigkeitsvolumen vollständig unterdrückt werden konnte. Dies zeigte eine Möglichkeit zur weiteren Untersuchung der Rolle der Tröpfchenbildung und -desolvatisierung für die Ionisierung von Analytmolekülen auf. Des Weiteren wurde die Eignung von PIRL-DIVE für die massenspektrometrische Bildgebung untersucht. Dazu wurde ein Flugzeit-Massenspektrometer aufgebaut und charakterisiert und der Einfluss mehrerer Parameter wie der Laser-Fluenz, der Extraktionsspannung und des pH-Werts geprüft. Es konnte eine wesentliche Verbesserung der Signalstärke, -stabilität und -reproduzierbarkeit im Vergleich zu vorhergehenden Studien der IR Laserdesorption und Ionisation unter Vakuumbedingungen demonstriert werden. Zudem wurde gezeigt, dass besonders die Probenvorbereitung eine wichtige Rolle für die Signalqualität spielte. Die erzielten Ergebnisse ebnen potenziell den Weg für eine hochauflösende und hoch-sensible massenspektrometrische Bildgebung von gefrorenen Probenschnitten mittels DIVE

Mechanismen der Pikosekunden-Infrarot-Laser-Desorption/Ionisation

Direct analysis of tissues and cells by mass spectrometry is an emerging approach in guided laser surgery, high-throughput clinical bio-diagnostics, and mass spectrometry imaging. Especially for the analysis of labile compounds such as large proteins and non-covalently bound complexes, a soft sampling technique which preserves the integrity of the analyte molecules is desirable. Infrared (IR) laser desorption is a promising method for soft material extraction as it provides high spatial resolution, requires minimal sample preparation, and can be easily coupled to purification and separation techniques such as liquid chromatography. A core limitation to be overcome is the relatively low ionization efficiency when compared to other techniques commonly used with mass spectrometry, such as matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) or electrospray ionization (ESI). By using a picosecond infrared laser (PIRL) at 3µm wavelength, desorption by impulsive vibrational excitation (DIVE) establishes optimal ablation conditions. Depositing energy at a higher rate than it can be dissipated by mechanical relaxation leads to a maximal pressure buildup before material ejection ensues, and to less collateral material damage since dissipation channels corresponding to thermal as well as acoustic damage to the specimen are reduced. This leaves even large biomolecules intact for subsequent analysis. Within the scope of this thesis, the ablation and ionization characteristics of PIRL-DIVE were investigated in two different scenarios: first, the material ejection at atmospheric pressure was characterized using time-resolved digital interference microscopy, a photographic technique which showed high contrast for otherwise transparent objects such as acoustic shocks and ejected water vapor. Different ablation regimes exhibiting varying amounts of liquid and vapor-phase material were identified, and droplet generation could be suppressed when smaller volumes of liquid were irradiated. This opened up possibilities to further investigate the role of droplet generation and desolvation in analyte ionization. Second, the suitability of PIRL-DIVE for mass spectrometry imaging was investigated in a custom-built time-of-flight mass analyzer. Substantial improvements in signal strength, stability, and reproducibility were achieved compared to previous IR laser desorption ionization studies performed under vacuum conditions. The influence of several parameters such as laser fluence, extraction voltage, and pH value of the sample solution was investigated. The sample preparation protocol had significant impact on the observed signal quality. The obtained results potentially pave the way towards high-resolution, high-sensitivity mass spectrometry imaging from frozen cryo-sections of tissues and cells using the DIVE process.Die direkte massenspektrometrische Analyse von Geweben und Zellen ist ein relativ neuer Ansatz in der computergestützten Laser-Chirurgie, in der klinischen Biodiagnostik und im Gebiet der massenspektrometrischen Bildgebung. Vor allem für die Analyse labiler Stoffe wie besonders großer Moleküle und nicht-kovalent gebundener Komplexe ist eine Untersuchungsmethode wünschenswert, welche die Integrität der Analytmoleküle bewahrt. Die Infrarot (IR) Laserdesorption ist eine vielversprechende Methode zur "weichen" Probenentnahme, die eine hohe räumliche Auflösung bei minimaler Probenvorbereitung bietet und sich leicht an Aufreinigungs- und Separationstechniken wie die Flüssigchromatographie koppeln lässt. Bisher limitierend ist die relativ niedrige Ionisationseffizienz im Vergleich mit anderen Massenspektrometrie-Methoden wie zum Beispiel der Matrix-unterstützten Laserdesorption und Ionisation (MALDI) und der Elektrospray Ionisation (ESI). Optimale Ablationsbedingungen können durch die Nutzung eines Pikosekunden Infrarot Lasers (PIRL) mit einer Wellenlänge von 3µm erreicht werden, ein Verfahren welches auch Desorption by Impulsive Vibrational Excitation (DIVE) genannt wird. Wird die Energie schneller zugeführt als sie durch mechanische Relaxation abgebaut werden kann, wird ein maximaler Ablationsdruck erreicht und das umliegenden Gewebe weniger beansprucht, da sowohl thermische als auch akustische Dissipationskanäle, die zu Schäden an der Probe führen könnten, vermieden werden. Selbst große Biomoleküle bleiben so für die weitere Analyse intakt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der PIRL Ablation und Ionisation in zwei unterschiedlichen Szenarien: Zunächst wurde der Materialausstoß unter Atmosphärendruck mittels zeitaufgelöster digitaler Interferenzmikroskopie charakterisiert, ein photographisches Verfahren mit welchem ein hoher Kontrast für ansonsten transparente Objekte wie Druckwellen und Wasserdampf erzielt werden konnte. Verschiedene Regimes der Materialablation wiesen unterschiedliche Verhältnisse von flüssigem zu gasförmigem Material auf, wobei die Tröpfchenbildung für die Ablation von mikroskopischen Flüssigkeitsvolumen vollständig unterdrückt werden konnte. Dies zeigte eine Möglichkeit zur weiteren Untersuchung der Rolle der Tröpfchenbildung und -desolvatisierung für die Ionisierung von Analytmolekülen auf. Des Weiteren wurde die Eignung von PIRL-DIVE für die massenspektrometrische Bildgebung untersucht. Dazu wurde ein Flugzeit-Massenspektrometer aufgebaut und charakterisiert und der Einfluss mehrerer Parameter wie der Laser-Fluenz, der Extraktionsspannung und des pH-Werts geprüft. Es konnte eine wesentliche Verbesserung der Signalstärke, -stabilität und -reproduzierbarkeit im Vergleich zu vorhergehenden Studien der IR Laserdesorption und Ionisation unter Vakuumbedingungen demonstriert werden. Zudem wurde gezeigt, dass besonders die Probenvorbereitung eine wichtige Rolle für die Signalqualität spielte. Die erzielten Ergebnisse ebnen potenziell den Weg für eine hochauflösende und hoch-sensible massenspektrometrische Bildgebung von gefrorenen Probenschnitten mittels DIVE

Numerical simulations of rotating sunspots

A numerical model of idealized, axisymmetric, rotating sunspots is presented. The model contains a compressible plasma described by the nonlinear MHD equations, with density and temperature gradients simulating the upper layer of the sun’s convection zone. The solution forms a central flux tube in the cylindrical numerical domain, with convection cells pushing the magnetic field to the axis. When the numerical domain is rotated with a constant angular velocity, the umbra rotates as a rigid body while the surrounding convection cells show a swirling, vortical flow. As a result, the azimuthal velocity and magnetic field have their maximum values close to the flux tube, inside the innermost convection cell

Detection of fixed points in spatiotemporal signals by clustering method

We present a method to determine fixed points in spatiotemporal signals. A 144-dimensioanl simulated signal, similar to a Kueppers-Lortz instability, is analyzed and its fixed points are reconstructed.Comment: 3 pages, 3 figure

Adherence to secondary stroke prevention strategies - Results from the German stroke data bank

Only very limited data are available concerning patient adherence to antithrombotic medication intended to prevent a recurrent stroke. Reduced adherence and compliance could significantly influence the effects of any stroke prevention strategies. This study from a large stroke data bank provides representative data concerning the rate of stroke victims adhering to their recommended preventive medication. During a 2-year period beginning January 1, 1998, all patients with acute stroke or TIA in 23 neurological departments with an acute stroke unit were included in the German Stroke Data Bank. Data were collected prospectively, reviewed, validated and processed in a central data management unit. Only 12 centers with a follow-up rate of 80% or higher were included in this evaluation. 3,420 patients were followed up after 3 months, and 2,640 patients were followed up one year after their stroke. After one year, 96% of all patients reported still adhere to at least one medical stroke prevention strategy. Of the patients receiving aspirin at discharge, 92.6% reported to use that medication after 3 months and 84% after one year, while 81.6 and 61.6% were the respective figures for clopidogrel, and 85.2 and 77.4% for oral anticoagulation. Most patients who changed medication switched from aspirin to clopidogrel. Under the conditions of this observational study, adherence to stroke prevention strategies is excellent. The highest adherence rate is noticed for aspirin and oral anticoagulation. After one year, very few patients stopped taking stroke preventive medication. Copyright (C) 2003 S. Karger AG, Basel