Surface mining for coal in the Central Appalachians contributes total dissolved solids (TDS) to headwater streams, especially below larger mines and associated valley fills. My objective was to characterize the geochemical properties of a range of surface soils and associated geologic strata from the Central Appalachian coalfields and to relate those properties to simple field indicators, such as color or rock type. I hypothesized that these indicators can accurately predict certain geochemical properties. Thirty-three vertical weathering sequences were sampled from eight surface mines throughout the Central Appalachian coalfields, for a total of 204 individual samples. No differences were found among sites in overall saturated paste specific conductance (SC; used as a proxy for TDS) levels, but significant geochemical differences existed among samples. Sulfate release dominated SC levels, followed closely by Ca and Mg. Surficial soils and sandstones were yellowish-brown in color, high in citrate dithionite (CD) - extractable Al, Fe, and Mn, and low in SC, compared to underlying sandstones, shales, and mudstones, which were grayish to black, low in CD-extractable Al, Fe, and Mn, and significantly higher in SC. Saturated paste As and P were higher in A horizons, whereas Se was significantly higher in unweathered bedrock than in soil or weathered bedrock. Samples generating exothermic reactions with 30% H2O2 produced higher SC levels, sulfate, Mg, and Se. In conclusion, the mine spoils studied varied widely in geochemical properties. The simple field indicators presented here, such as color, weathering status, rock type, and H2O2 reaction can provide valuable guidance for identifying TDS risk which would greatly improve operator's ability to actively minimize TDS release. I recommend using soil and weathered, yellowish-brown sandstone layers as a source of low TDS spoil material whenever possible. The H2O2 field test is useful for identification of TDS and Se risk. Underlying unweathered bedrock layers should be treated as "potentially high TDS spoils". Particularly high risk spoils include gray to black mudstones and shales, coals, and coal associated shales, mudstones, and clays directly associated with coal seams. I recommend hydrologically isolating these spoils using techniques similar to those used historically for acid-forming materials. / Ph. D.

L'ozone troposphérique est un polluant atmosphérique majeur qui agit comme une phytotoxine. Il pénètre dans les feuilles par les stomates avant d'être dissout dans l'apoplaste en générant des radicaux libres oxygénés (ROS) provoquant ainsi un stress oxydatif. Deux barrières existent pour restreindre les effets de l'ozone : (i) les stomates qui peuvent limiter les flux entrants par contrôle de la conductance stomatique et (ii) le système de détoxication des ROS issus de la dégradation de l'ozone. Nous avons étudié les effets de l'ozone (120 ppb) sur ces deux moyens de défense chez trois génotypes de peuplier euraméricain (Populus deltoides x Populus nigra) placés en conditions contrôlées dans des chambres phytotroniques. Un effet direct de l'ozone sur la photosynthèse et sur les mouvements stomatiques en réponse à des variations de facteurs environnementaux (ralentissement des phénomènes d'ouverture et de fermeture) a été mis en évidence. Les modèles de calcul de la conductance stomatique, sur lesquels se basent les indicateurs de seuil de risque à l'ozone pour la végétation, doivent donc les prendre en compte. De plus, ces travaux ont mis en évidence le rôle prépondérant des concentrations constitutives en antioxidants dans la tolérance à l'ozone ainsi que la complexité de ces mécanismes de détoxication. La notion de flux effectif d'ozone doit prendre en considération ces deux aspects afin de caractériser au mieux les différences de sensibilité à l'ozone intra et inter spécifique / Tropospheric ozone is a major air pollutant that acts as a phytotoxin. It enters the leaf through the stomata before being dissolved in the apoplast by generating reactive oxygen species (ROS) causing oxidative stress. Two defenses exist to restrict the effects of ozone: (i) the stomata which can limit ozone uptake by regulating stomatal conductance and (ii) the detoxification processes of ROS generated by ozone.We studied the effects of ozone (120 ppb) on these two mechanisms of defense in three euramerican poplar genotypes (Populus deltoides x Populus nigra) under controlled conditions in phytotronic chambers. A direct effect of ozone on photosynthesis and stomatal movements in response to changes in environmental factors (by slowing the stomatal opening and closure) has been highlighted. Models of stomatal conductance, on which indicators of critical level of ozone for vegetation are based, must take them into account. In addition, these studies have highlighted the role of constitutive concentrations of antioxidants in tolerance to ozone as well as the complexity of these detoxification mechanisms. The notion of effective ozone flux must consider these two aspects to better characterize the intra-and inter-specific differences in sensitivity to ozone

Nous nous intéressons dans un premier temps à l'étude des propriétés spectrale de localisation dynamique pour des opérateurs de Schrödinger ainsi qu'a leurs classifications. Nous introduirons trois classes de propriétés équivalentes en cherchant à établir le lien entre elles d'une façon optimale et illustrée par des contre-exemples. Certaines de ces propriétés s'avèrent jouer un rôle crucial dans l'étude mathématique de plusieurs phénomènes issus de la physique, notamment la quantifi cation de la conductance de Hall et l'apparition des plateaux dûs aux états localisés. Nous nous intéressons ainsi dans la seconde partie, aux conductances de Hall et de bord pour des modèles désordonnés continus et en présence d'un mur électrique aussi bien que magnétique. Nous expliquons comment les murs entrent en jeu pour pouvoir définir la conductance de bord, en tenant compte de la contribution des états localisés et la régularisation que les systèmes désordonnés requièrent. Nous établissons l'égalité de ces deux conductances directement et non par quantification séparée.

Stomatal conductance and mesophyll conductance for CO2 transport are two key components of diffusive limitations of photosynthesis, since they restrict CO2 flux from the leaf surface to the sub-stomatal cavity and from there to the sites of carboxylation. This thesis summarizes our findings in the field of nature of mesophyll conductance to CO2 transport and its regulation per se and in respect to stomatal conductance.

L’intérêt pour les propriétés thermiques de matériaux nanostructurés est croissant. Ces matériaux sont conçus pour être inclus dans les dispositifs micro-électroniques et les systèmes micro électromécaniques (MEMS) dont le comportement et la fiabilité dépendent fortement de l’évacuation de la chaleur générée. Les matériaux multicouches diélectrique/métal sont de bons candidats pour la conversion thermoélectrique et leur utilisation est envisagée pour diminuer les températures maximales dans les systèmes microélectroniques. La diminution de l’épaisseur des couches permet de diminuer la conductivité thermique, conduisant à un plus grand facteur de mérite de conversion thermoélectrique. Cette diminution est due à la diminution de la conductivité thermique intrinsèque de chaque couche lorsque leur épaisseur décroit jusqu’à des dimensions du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des porteurs de chaleur et à l’influence croissante de la conductance d’interface. La prédiction de la conductivité thermique de tels systèmes passe donc par une simulation fiable du transfert de chaleur aux interfaces. La dynamique moléculaire (DM) est un outil particulièrement bien adapté à ce type d’études. Cependant les résultats des simulations dépendent fortement des potentiels interatomiques utilisés. La comparaison des propriétés prédites à l’aide des différents potentiels interatomiques avec les valeurs expérimentales permet de valider les potentiels pour prédire les propriétés concernées. Dans le premier chapitre, les fonctions mathématiques et les paramètres utilisés dans les potentiels interatomiques sont explicités. Dans le deuxième chapitre, l’objectif est de proposer une méthodologie pour sélectionner les potentiels les plus appropriés pour les études de transfert de chaleur. Cette méthodologie est illustrée pour le Si qui est le semi-conducteur le plus utilisé au sein de dispositifs microélectroniques et MEMS ainsi que pour l’Au, l’Ag et le Cu qui sont les métaux les plus souvent considérés. La conductivité thermique du Si massif est calculée, en utilisant la dynamique moléculaire hors d’équilibre (DMNE) avec trois potentiels parmi les cinq évalués précédemment pour valider cette évaluation. Le système diélectrique/métal qui a été le plus étudié avec la dynamique moléculaire mais également de manière expérimentale jusqu’à présent est certainement le système Si/Au. Les films de Cu et Ag sur des substrats de Si orienté sont les principales combinaisons dans les circuits intégrés de grande échelle. Une paramétrisation du potentiel de type MEAM est développée pour calculer les interactions Si/Au, Si/Ag et Si/Cu dans la troisième partie de ce travail. Les potentiels croisés sont utilisés pour prédire la conductance d’interface et développer les courbes de densité d’états pour les interfaces Si/Au Si/Ag et Si/Cu. / Interest in thermal properties of nanostructuredmaterials is growing. These materials are designed to be included in microelectronic devices and micro electromechanical systems (MEMS) whose behavior and reliability depend strongly on the dissipation of generated heat. Multilayer materials dielectric/metal are good candidates for thermoelectric conversion and their use is considered to reduce the maximum temperatures in microelectronic systems. The decrease in the thickness of the layers reduces the thermal conductivity, leading to a larger figure of merit of thermoelectric conversion. This decreasing is due to the decrease of intrinsic thermal conductivity of each layer when the thickness decreases to the dimensions of the same order of magnitude as the mean free path of heat carriers and bigger influence of the interface conductance. Predicting the thermal conductivity of such systems therefore requires a reliable simulation of heat transfer at interfaces. Molecular dynamics is a tool particularly well suited to this type of study. However the simulation results depend strongly on interatomic potentials used. The comparison of properties predicted using different interatomic potentials with experimental results validates the potential for predicting the properties concerned. In the first chapter, the mathematical functions and parameters used in the interatomic potentials are explained. In the second chapter, the objective is to propose a methodology to select the most appropriate potential for studying heat transfer. This methodology is illustrated for Si, the semiconductor most used in microelectronic devices and MEMS as well as for Au, Ag and Cu which are the metals most often seen. The thermal conductivity of bulk Si is calculated using the nonequilibrium molecular dynamics with three potential among the five previously evaluated to confirm this assessment. The system dielectric/metal that has been most studied with molecular dynamics but also experimentally is certainly the system Si/Au. The Cu and Ag films on oriented Si substrates are in the main combinations of large-scale integrated circuits. A parametrisation of MEAM cross-potential is developed to calculate interactions Si/Au, Si/Ag and Si/Cu in the third part of this work. The cross-potentials are used to predict the interfacial thermal conductance and to predict the density of states curves for the interfaces Si/Au Si/Ag and Si/Cu.

L'efficience intrinsèque d'utilisation de l'eau (Wi) définit comme le rapport de l'assimilation nette de CO2 (A) sur la conductance stomatique à la vapeur d'eau (gs) est un estimateur au niveau foliaire du compromis fait par la plante entre l'accumulation de biomasse et sa consommation en eau. De nombreuses études ont révélé une forte diversité inter et intra-spécifique de ce trait intégré dans le temps dont l'origine est encore mal connue. Les travaux réalisés sur les variations journalières de A et gs ont jusqu'à maintenant révélé un rôle plus important de la diversité de gs dans la diversité de Wi. Une approche de modélisation inversée a permis de décomposer les variations de gs, observées lors de cinétiques journalières, sous la forme de paramètres décrivant les réponses stomatiques aux différentes variables microclimatiques. Comparé aux modèles décrivant les variations de gs en régime permanent, le développement d'un nouveau modèle dynamique a permis d'ajouter une dimension temporelle essentielle décrivant la réponse temporelle des stomates aux variations microclimatiques. La diversité des réponses temporelles des stomates détectée ne semble pas dépendre de leur densité ou de leur taille. Elle présente toutefois une asymétrie entre l'ouverture et la fermeture des stomates qui participe à la diversité des variations journalières de gs et impacte le bilan hydrique journalier au niveau du plant entier. Ainsi, on peut distinguer deux composantes aux variations journalières de Wi liées à gs : une composante temporelle due à la lente réponse des stomates et une autre composante due aux différences de perception des variations du microclimat / Intrinsic water use efficiency (Wi), defined as the ratio between net CO2 assimilation rate (A) and stomatal conductance to water vapour (gs), is a leaf level estimator of the trade-off between biomass accumulation and water loss at the plant level. A number of studies have shown a strong inter and intra-specific diversity, usually using a time integrated estimator of this trait. However, the origin of this diversity is not yet well known. Up to now, research on the daily variations of Wi have shown a stronger influence of gs on the diversity of Wi as compared to A. An inverse modelling approach has allowed partitioning the variations of gs observed during daily time-courses into parameters, which describe the stomatal responses to different microclimatic variables. Compared to steady-state gs models, the development of a new dynamic model of gs has allowed adding a necessary temporal dimension, which describes the temporal response of stomata to environmental variations. The observed diversity of these temporal stomatal responses was not related to stomatal density or size. The temporal responses of stomata were shown to be asymmetric between opening and closing, which impacts the observed diversity of gs during daily time courses as well as whole plant water relations. Overall these results suggest two components that determine the variations of Wi related to gs during daily time courses: one component due to the temporal response of stomata in itself, and one component which is due to differences in the sensing of microclimate variations

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21805号 / 農博第2318号 / 新制||農||1065(附属図書館) / 学位論文||H31||N5177(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科農学専攻 / (主査)教授 白岩 立彦, 教授 奥本 裕, 教授 稲村 達也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Drylands are the largest terrestrial biome on the planet, and the critically important systems that produce approximately 40% of global net primary productivity to support nearly 2.5 billion of global population. Climate change, increasing populations and resulting anthropogenic effects are all expected to impact dryland regions over the coming decades. Considering that approximately 90% of the more than 2 billion people living in drylands are geographically located within developing countries, improved understanding of these systems is an international imperative. Although considerable progress has been made in recent years in understanding climate change impacts on hydrological cycles, there are still a large number of knowledge gaps in the field of dryland ecohydrology. These knowledge gaps largely hinder our capability to better understand and predict how climate change will affect the hydrological cycles and consequently the soil-vegetation interactions in drylands. The present study used recent technical advances in remote sensing and stable isotopes, and filled some important knowledge gaps in the understanding of the dryland systems. My study presents a novel application of the combined use of customized chambers and a laser-based isotope analyzer to directly quantify isotopic signatures of transpiration (T), evaporation (E) and evapotranspiration (ET) in situ and examine ET partitioning over a field of forage sorghum under extreme environmental conditions. We have developed a useful framework of using satellite data and trend analysis to facilitate the understanding of temporal and spatial rainfall variations in the areas of Africa where the in situ observations are scarce. By using a meta-analysis approach, we have also illustrated that higher concentrations of atmospheric CO2 induce plant water saving and the consequent available soil water increases are a likely driver of the observed greening phenomena. We have further demonstrated that Leuning’s modified Ball-Berry model and RuBP limited optimization model can generally provide a good estimate of stomatal conductance response to CO2 enrichment under different environmental conditions. All these findings provide important insights into dryland water-soil-vegetation interactions.

Selenium (Se) is an essential element for human and livestock with antioxidant and anticancer characteristics. Although Se is not an essential element for plants, it has been reported that it can improve plant growth. This experiment was conducted at the Isfahan University of Technology in winter 2010. The experiment was factorial based on a completely randomized design (CRD) with 4 replications. Se was added to nutrient solution in 4 concentrations 2, 4, and 6 mg/l sodium selenite (Na2SeO3). Root volume, fresh and dry weights of shoots and roots, number and weight of fruits, chlorophyll content and photosynthesis traits (photosynthesis rate, stomata internal carbon dioxide (CO2) concentration, stomata conductance) were measured. Results showed that Se increased root dry weight. Fresh and dry weights of shoot increased in the 2 mg/l Se treatment and decreased at the higher level of Se. Chlorophyll content and photosynthesis rate were not affected by Se. Stomata internal CO2 concentration and stomata conductance decreased by Se addition. Overall, Se at 2 mg/l application rate was effective in some physiological characteristics of cucumber.

Monitoring stress in real-time, in a non-laboratory environment can be benecial in several applications. One of these, which have been the motivation for this thesis, is to to perform this measurement during Attention decit hyperactivity disorder (ADHD) diagnosis. Monitoring several physiological responses to internal or external stimuli in a single soft-real-time system is nota solution widely used in an application like this. The thesis starts by studying several stress related responses in detail. Sensors for all of the responses are not implemented nor is it possible toimplement in to the desired system. After the study is was decided to implement two measurement modules. The first a Photo-plethysmogrophy (PPG) measurement module to measure heart rate and also estimate breathing. This module is prepared for estimating arterial blood oxygen levels but the calculation or verification have not been done. The second is Skin Conductance (SC) measurement module and in to both ofthese add a temperature sensor to measure the temperature of the skin. Time constraints limit the SC module to only be presented in theory. The PPG module on the other hand have been realisedin a prototype. This prototype performs the measurement in transmissive mode on the left earlobe, which leaves the hands free and it does not affect the hearing on that ear. The prototype giveout acceptable signal quality when good contact with the measurement site is achieved. The signalinterpretation, such as performing the signal analysis to count the beats per minute, is outside thescope of this thesis and will therefore not be presented but the signals can be seen in figures. / Att mäta stress i realtid i verkliga situationer kan vara fördelaktigt för flera applikationer. Det som har legat som grund för denna uppsats är att kunna mäta stress under ADHD diagnostisering. Genom att kombinera de vanliga testerna med stressnivåer hos patienten hoppas man kunna utveckla nya metoder för diagnostisering. Att mäta fera parametrar samtidigt i realtid är inte något ofta utförs idag. För att komma igång har fera kroppsliga funktioner som påverkas på olika sätt av stress studerats. Alla dessa funktioner kan inte inkluderas i det system som önskas konstrueras antingen på grund av systemets karaktär eller på grund tidsbrist. Efter att undersökningen var klar beslutades det att konstruera två moduler. Den första använder en mätteknik som kallas PPG och används för att mäta hjärtfrekvens, även andningsfrekvensen estimeras och modulen är förberedd för att estimera blodsyre nivåa men signalbehandling och validering för detta är inte gjord. Den andra modulen mäter resistans i huden. I dessa moduler lades även till en temperatur sensor för att mäta hudtemperaturen. Tidsbrist har gjort att endast en av dem två modulerna kunnat realiserats. Den som realiserat är PPG modulen och modulen för hudresistans presenteras endast teoretiskt. PPG modulen genomför matningen med en transmissiv teknik på vänster öra och ger ut en acceptabel signal kvalité om sensorn får bra kontakt. Arbetet är avgränsat och inkluderar inte signalanalysen av signalen däremot visualiseras signalen i figurer.