Trabalhos prévios mostram que a variabilidade do gelo marinho antártico em diversas escalas temporais está intimamente relacionada a mecanismos de teleconexões trópicos-extratrópicos. Com base nesta hipótese, este trabalho pretende estabelecer a resposta da passagem dos trens de ondas em latitudes médias, associados a fenômenos de escala intrasazonal (20-100 dias) como a Oscilação de Madden-Julian (Madden-Julian Oscillation ou MJO), nas camadas superiores do Oceano Austral (OA) e impactos no gelo marinho antártico. O período investigado neste estudo é 19892007, com ênfase no inverno e sobre o mar de Ross, localizado no setor Pacífico austral (região diretamente afetada pela passagem dos trens de ondas de latitudes médias). Composições com defasagens (lag composites) de anomalias intrasazonais da tensão de cisalhamento do vento (zonal e meridional) mostram que correntes oceânicas são geradas em resposta a essa forçante atmosférica sobre o oceano no setor Pacífico austral. O transporte zonal e meridional de massa na camada de Ekman oceânica indica que divergência de massa nessa camada precede os eventos extremos intrasazonais de retração do gelo marinho em Ross (EIR). Em contraste, convergência precede períodos de eventos extremos intrasazonais de expansão do gelo marinho em Ross (EIE). A divergência (convergência) de massa na camada de Ekman associada com anomalias intrasazonais do bombeamento de Ekman resulta em ressurgência (subsidência) que precede a ocorrência de EIR (EIE). Alguns trabalhos mostram que águas intermediárias antárticas, que são relativamente mais quentes no inverno em relação às águas superficiais que estão próximas ao ponto de congelamento (ou congeladas), são dirigidas para a superfície do oceano pelo bombeamento de Ekman e ocasionam o derretimento do gelo marinho. Anomalias do transporte meridional de calor na camada de Ekman oceânica mostram que durante os EIR (EIE), calor é transportado para dentro (fora) do mar de Ross entre 15 e 8 dias (12 e 8 dias) precedentes aos EIR (EIE). Anomalias intrasazonais do fluxo de calor na interface ar-mar mostram que precedendo o dia de observação dos EIR (EIE) o fluxo de calor é direcionado da atmosfera para o oceano (do oceano para a atmosfera), sendo essa configuração associada a um ganho (perda) de calor no oceano superior em Ross. Em todas as composições, observa-se a mudança de fase das anomalias nos dias posteriores (lags positivos) ao dia dos EIG e são consistentes com a propagação do modo conhecido como Pacific-South-American (PSA), identificado nesse trabalho por meio de anomalias intrasazonais da altura geopotencial em 200 hPa. Além disso, uma diferença notada em alguns casos nas lag-composities é que em períodos de MJO ativa, as anomalias parecem estar mais deslocadas para o sul do que em períodos de MJO inativa. Em períodos de MJO inativa foram observados 15 (13) eventos de EIR (EIE), enquanto que, em períodos de MJO ativa observou-se 25 (24) eventos de EIR (EIE). Observa-se ainda que há uma maior quantidade de ciclones quando a MJO está presente. Por exemplo, o número de ciclones com duração a partir de 12 horas para períodos sem MJO foi igual a 146 para os EIR e 130 para os EIE. Já o número de ciclones para períodos com MJO foi igual a 311 para os EIR e 278 para os EIE. Com isso, observa-se claramente o papel da MJO na circulação de latitudes média e possíveis associações com o gelo marinho, pois é sabido que a atividade ciclônica está relacionada à advecção de massas de ar sobre o gelo marinho, além da advecção do próprio gelo marinho. Para investigar em detalhes a interação oceano-atmosfera-gelo marinho foram examinados casos persistentes de EIR e EIE. Os casos mais persistentes de EIR (EIE) tiveram durações de 34 e 30 (26 e 25) dias, sendo esses os casos analisados. Mostra-se que as anomalias intrasazonais da circulação atmosférica em baixos níveis (em 850 hPa) estão associadas a advecções quentes (frias) na proporção de aproximadamente 0,5 1 (0,1 1) m.s-1 em períodos precedentes aos EIR (EIE). No geral, anomalias em latitudes médias da circulação atmosférica ciclônicas (anti-ciclônicas) e divergência (convergência) das correntes oceânicas superficiais aparecem relacionadas à ressurgência (subsidência) da ordem de 0,1 0,3 m2.s-1 em algumas pêntadas anteriores a pêntada que corresponde ao início dos supercasos de EIR (EIE). Os padrões mudam de fase com o tempo, o que sugere a propagação de um padrão de onda em escala intrasazonal. Estas anomalias mostram-se abrangendo dimensões espaciais que compreendem grande parte do setor Pacífico austral, incluindo o mar de Ross. Impactos associados a estas anomalias podem ser verificados diretamente no mar de Ross através das análises da concentração do gelo marinho em Ross. Anomalias intrasazonais negativas (positivas) da concentração do gelo marinho predominam sobre o campo do gelo marinho do mar de Ross nas primeiras pêntadas a partir daquela que indica o início dos casos persistentes de EIR (EIE). Durante os períodos de EIR, as anomalias intrasazonais negativas da concentração do gelo mostram-se da ordem de aproximadamente 5% a 10% no interior do mar de Ross e entre 15% a 30% nas bordas do gelo marinho de Ross. Já durante os períodos de EIE, as anomalias intrasazonais positivas da concentração do gelo marinho em Ross mostram-se da ordem de 10% a 30% nas bordas do gelo marinho do mar de Ross. Esse resultado mostra que a resposta do gelo marinho aos padrões atmosféricos e oceânicos em escala intrasazonal possui uma defasagem entre 5 e 1 pêntada(s). No geral, este trabalho cumpriu o objetivo de verificar as respostas do oceano às anomalias da circulação atmosférica e impactos associados no gelo marinho, em escala intrasazonal. / Previous works show that antarctic sea ice variability on several time-scales is close related to tropics-extratropics teleconections mechanisms. Based on this hyphotesis, this work intend to verify the responses in oceanic upper layers of Austral Ocean on intraseasonal time-scale (20-100 days) phenomenom and impacts on sea ice due to anomalous atmospheric circulation associated to the Madden-Julian Oscillation (MJO). The period analysed in this study is from 1989 to 2007, with emphasis on winter season and on Ross Sea (located at austral Pacific sector). Lag composities of zonal and meridional intraseasonal wind stress anomalies show that oceanic currents are generated as a response of these atmospheric forcings on austral Pacific sector. Zonal and meridional mass transport on oceanic Ekman layer, which are perpendicular and to the left of wind stress at Southern Hemisphere (SH), indicate that Ekman mass divergence precedes intraseasonal Ross sea ice extreme retraction (EIR). In contrast, convergence precedes the periods of extreme intraseasonal Ross sea ice expantion (EIE). Divergence (convergence) on oceanic Ekman layer associated to intraseasonal Ekman pumping anomalies results in upwelling (downwelling) wich precedes the occurrence of EIR (EIE). Some works have already shown that intermediate antarctic waters, wich are relatively warmer in the wintertime when compared to superficial waters that are next to the freezing point (or freezed), are headed to ocean surface due to Ekman pumping, generating sea ice melt. Intraseasonal anomalies of sea-air heat flux show that days before EIR (EIE) occurrences, the flux is headed from atmosphere to the ocean (from ocean to the atmosphere), which configuration is associated to the earn (loss) of heat at Ross upper ocean. In all compositions, the change of anomalies phase on the days before EI occurrence (positive lags) is clearly noticed and is consistent to the propagations of the mode known as Pacific South American (PSA), revealed in intraseasonal anomalies of geopotencial height at 200 hPa. Furthermore, in some cases (as in the case of Ekman pumping and Sverdrup transport) the anomalies seem to be deplaced southward in active MJO periods than in inactive MJO periods. In inactive MJO periods were observed 15 (13) EIR (EIE) events, while in active MJO periods were observed 25 (24) EIR (EIE) events. Furthermore, the number of cyclones during EIR periods was bigger than during EIE periods. In addiction, more cyclones were observed when MJO is active. For example, the number of cyclones with duration of 6 (12) hours without MJO was equal to 174 (146) during EIR events and 169 (130) during EIE events. However, the number of cyclones with active MJO was equal to 393 (311) in EIR events and 364 (278) in EIE events. In order to investigate in details the interaction between ocean-atmosphere-sea ice, it was examinated persistents cases of EIR and EIE events. The cases more persistents of EIR (EIE) events had durations of 34 and 30 (26 and 25) days, which were the analised cases. It was observed that intraseasonal anomalies of atmospheric circulation at lower levels (in 850 hPa) and intraseasonal anomalies of superficial ocean currents were associates to hot (cold) advection during periods before EIR (EIR) events. In general, the medium latitude cyclonic (anticyclonic) anomalies of atmospheric circulation and divergence (convergence) of superficial ocean currents seem to be linked to upwelling (downwelling) in some pentads before the pentad which is correspondent to the beggining of EIR (EIE) supercases. The patterns observed change their phases along the time, suggesting the propagation of extratropical intraseasonal wave train pattern. Negatives (positives) intraseasonal anomalies of sea ice concentration were observed above Ross Sea in the first pentads after the beggining of EIR (EIE) persistents cases. This result shows that sea ice response to atmospheric and to oceanic patterns on intraseasonal time-scales has a lag between 5 and 1 pentad(s). In general, this work contributed to better understand the oceanic responses due to anomalies in atmospheric circulation and related impacts on sea ice, on intraseasonal time-scale.

Trabalhos prévios mostram que a variabilidade do gelo marinho antártico em diversas escalas temporais está intimamente relacionada a mecanismos de teleconexões trópicos-extratrópicos. Com base nesta hipótese, este trabalho pretende estabelecer a resposta da passagem dos trens de ondas em latitudes médias, associados a fenômenos de escala intrasazonal (20-100 dias) como a Oscilação de Madden-Julian (Madden-Julian Oscillation ou MJO), nas camadas superiores do Oceano Austral (OA) e impactos no gelo marinho antártico. O período investigado neste estudo é 19892007, com ênfase no inverno e sobre o mar de Ross, localizado no setor Pacífico austral (região diretamente afetada pela passagem dos trens de ondas de latitudes médias). Composições com defasagens (lag composites) de anomalias intrasazonais da tensão de cisalhamento do vento (zonal e meridional) mostram que correntes oceânicas são geradas em resposta a essa forçante atmosférica sobre o oceano no setor Pacífico austral. O transporte zonal e meridional de massa na camada de Ekman oceânica indica que divergência de massa nessa camada precede os eventos extremos intrasazonais de retração do gelo marinho em Ross (EIR). Em contraste, convergência precede períodos de eventos extremos intrasazonais de expansão do gelo marinho em Ross (EIE). A divergência (convergência) de massa na camada de Ekman associada com anomalias intrasazonais do bombeamento de Ekman resulta em ressurgência (subsidência) que precede a ocorrência de EIR (EIE). Alguns trabalhos mostram que águas intermediárias antárticas, que são relativamente mais quentes no inverno em relação às águas superficiais que estão próximas ao ponto de congelamento (ou congeladas), são dirigidas para a superfície do oceano pelo bombeamento de Ekman e ocasionam o derretimento do gelo marinho. Anomalias do transporte meridional de calor na camada de Ekman oceânica mostram que durante os EIR (EIE), calor é transportado para dentro (fora) do mar de Ross entre 15 e 8 dias (12 e 8 dias) precedentes aos EIR (EIE). Anomalias intrasazonais do fluxo de calor na interface ar-mar mostram que precedendo o dia de observação dos EIR (EIE) o fluxo de calor é direcionado da atmosfera para o oceano (do oceano para a atmosfera), sendo essa configuração associada a um ganho (perda) de calor no oceano superior em Ross. Em todas as composições, observa-se a mudança de fase das anomalias nos dias posteriores (lags positivos) ao dia dos EIG e são consistentes com a propagação do modo conhecido como Pacific-South-American (PSA), identificado nesse trabalho por meio de anomalias intrasazonais da altura geopotencial em 200 hPa. Além disso, uma diferença notada em alguns casos nas lag-composities é que em períodos de MJO ativa, as anomalias parecem estar mais deslocadas para o sul do que em períodos de MJO inativa. Em períodos de MJO inativa foram observados 15 (13) eventos de EIR (EIE), enquanto que, em períodos de MJO ativa observou-se 25 (24) eventos de EIR (EIE). Observa-se ainda que há uma maior quantidade de ciclones quando a MJO está presente. Por exemplo, o número de ciclones com duração a partir de 12 horas para períodos sem MJO foi igual a 146 para os EIR e 130 para os EIE. Já o número de ciclones para períodos com MJO foi igual a 311 para os EIR e 278 para os EIE. Com isso, observa-se claramente o papel da MJO na circulação de latitudes média e possíveis associações com o gelo marinho, pois é sabido que a atividade ciclônica está relacionada à advecção de massas de ar sobre o gelo marinho, além da advecção do próprio gelo marinho. Para investigar em detalhes a interação oceano-atmosfera-gelo marinho foram examinados casos persistentes de EIR e EIE. Os casos mais persistentes de EIR (EIE) tiveram durações de 34 e 30 (26 e 25) dias, sendo esses os casos analisados. Mostra-se que as anomalias intrasazonais da circulação atmosférica em baixos níveis (em 850 hPa) estão associadas a advecções quentes (frias) na proporção de aproximadamente 0,5 1 (0,1 1) m.s-1 em períodos precedentes aos EIR (EIE). No geral, anomalias em latitudes médias da circulação atmosférica ciclônicas (anti-ciclônicas) e divergência (convergência) das correntes oceânicas superficiais aparecem relacionadas à ressurgência (subsidência) da ordem de 0,1 0,3 m2.s-1 em algumas pêntadas anteriores a pêntada que corresponde ao início dos supercasos de EIR (EIE). Os padrões mudam de fase com o tempo, o que sugere a propagação de um padrão de onda em escala intrasazonal. Estas anomalias mostram-se abrangendo dimensões espaciais que compreendem grande parte do setor Pacífico austral, incluindo o mar de Ross. Impactos associados a estas anomalias podem ser verificados diretamente no mar de Ross através das análises da concentração do gelo marinho em Ross. Anomalias intrasazonais negativas (positivas) da concentração do gelo marinho predominam sobre o campo do gelo marinho do mar de Ross nas primeiras pêntadas a partir daquela que indica o início dos casos persistentes de EIR (EIE). Durante os períodos de EIR, as anomalias intrasazonais negativas da concentração do gelo mostram-se da ordem de aproximadamente 5% a 10% no interior do mar de Ross e entre 15% a 30% nas bordas do gelo marinho de Ross. Já durante os períodos de EIE, as anomalias intrasazonais positivas da concentração do gelo marinho em Ross mostram-se da ordem de 10% a 30% nas bordas do gelo marinho do mar de Ross. Esse resultado mostra que a resposta do gelo marinho aos padrões atmosféricos e oceânicos em escala intrasazonal possui uma defasagem entre 5 e 1 pêntada(s). No geral, este trabalho cumpriu o objetivo de verificar as respostas do oceano às anomalias da circulação atmosférica e impactos associados no gelo marinho, em escala intrasazonal. / Previous works show that antarctic sea ice variability on several time-scales is close related to tropics-extratropics teleconections mechanisms. Based on this hyphotesis, this work intend to verify the responses in oceanic upper layers of Austral Ocean on intraseasonal time-scale (20-100 days) phenomenom and impacts on sea ice due to anomalous atmospheric circulation associated to the Madden-Julian Oscillation (MJO). The period analysed in this study is from 1989 to 2007, with emphasis on winter season and on Ross Sea (located at austral Pacific sector). Lag composities of zonal and meridional intraseasonal wind stress anomalies show that oceanic currents are generated as a response of these atmospheric forcings on austral Pacific sector. Zonal and meridional mass transport on oceanic Ekman layer, which are perpendicular and to the left of wind stress at Southern Hemisphere (SH), indicate that Ekman mass divergence precedes intraseasonal Ross sea ice extreme retraction (EIR). In contrast, convergence precedes the periods of extreme intraseasonal Ross sea ice expantion (EIE). Divergence (convergence) on oceanic Ekman layer associated to intraseasonal Ekman pumping anomalies results in upwelling (downwelling) wich precedes the occurrence of EIR (EIE). Some works have already shown that intermediate antarctic waters, wich are relatively warmer in the wintertime when compared to superficial waters that are next to the freezing point (or freezed), are headed to ocean surface due to Ekman pumping, generating sea ice melt. Intraseasonal anomalies of sea-air heat flux show that days before EIR (EIE) occurrences, the flux is headed from atmosphere to the ocean (from ocean to the atmosphere), which configuration is associated to the earn (loss) of heat at Ross upper ocean. In all compositions, the change of anomalies phase on the days before EI occurrence (positive lags) is clearly noticed and is consistent to the propagations of the mode known as Pacific South American (PSA), revealed in intraseasonal anomalies of geopotencial height at 200 hPa. Furthermore, in some cases (as in the case of Ekman pumping and Sverdrup transport) the anomalies seem to be deplaced southward in active MJO periods than in inactive MJO periods. In inactive MJO periods were observed 15 (13) EIR (EIE) events, while in active MJO periods were observed 25 (24) EIR (EIE) events. Furthermore, the number of cyclones during EIR periods was bigger than during EIE periods. In addiction, more cyclones were observed when MJO is active. For example, the number of cyclones with duration of 6 (12) hours without MJO was equal to 174 (146) during EIR events and 169 (130) during EIE events. However, the number of cyclones with active MJO was equal to 393 (311) in EIR events and 364 (278) in EIE events. In order to investigate in details the interaction between ocean-atmosphere-sea ice, it was examinated persistents cases of EIR and EIE events. The cases more persistents of EIR (EIE) events had durations of 34 and 30 (26 and 25) days, which were the analised cases. It was observed that intraseasonal anomalies of atmospheric circulation at lower levels (in 850 hPa) and intraseasonal anomalies of superficial ocean currents were associates to hot (cold) advection during periods before EIR (EIR) events. In general, the medium latitude cyclonic (anticyclonic) anomalies of atmospheric circulation and divergence (convergence) of superficial ocean currents seem to be linked to upwelling (downwelling) in some pentads before the pentad which is correspondent to the beggining of EIR (EIE) supercases. The patterns observed change their phases along the time, suggesting the propagation of extratropical intraseasonal wave train pattern. Negatives (positives) intraseasonal anomalies of sea ice concentration were observed above Ross Sea in the first pentads after the beggining of EIR (EIE) persistents cases. This result shows that sea ice response to atmospheric and to oceanic patterns on intraseasonal time-scales has a lag between 5 and 1 pentad(s). In general, this work contributed to better understand the oceanic responses due to anomalies in atmospheric circulation and related impacts on sea ice, on intraseasonal time-scale.

Droplets as precursor are extensively applied in diverse fields of science and engineering. Various contributions are provided previously towards analysis of single phase and multi-phase droplets of single and multiple components. This thesis describes modelling of multi-phase (nano fluid) droplet vaporization. The evaporation of liquid phase along with migration of dispersed particles in two-dimensional plane within droplet is detailed using the governing transport equations along with the appropriate boundary and interface conditions. The evaporation model is incorporated with aggregate kinetics to study agglomeration among nano silica particles in base water. Agglomeration model based on population balance approach is used to track down the aggregation kinetics of nano particles in the droplet. With the simulated model it is able to predict different types of final structure of the aggregates formed as observed in experimental results available in literature. High spatial resolution in terms of agglomeration dynamics is achieved using current model. Comparison based study of aggregation dynamics is done by heating droplet in convective environment as well as with radiations and using different combination of heating and physical parameters. The effect of internal flow field is also analysed with comparative study using levitation and without levitation individually. For levitation, droplet is stabilized in an acoustic standing wave. It is also attempted to study the transformation of cerium nitrate to ceria in droplets when heated under different environmental conditions. Reaction kinetics based on modified rate equation is modelled along with vaporization in aqueous cerium nitrate droplet. The thermo physical changes within the droplet along with dissociation reaction is analysed under different modes of heating. The chemical conversion of cerium nitrate to ceria during the process is predicted using Kramers' reaction velocity equation in a modified form. The model is able to explain the kinetics behind formation of ceria within droplet at low temperatures. Transformation of chemical species is observed to be influenced by temperature and configuration of the system. Reaction based model along with CFD (computational fluid dynamics) simulation within the droplet is able to determine the rate of chemical dissociation of species and predict formation of ceria within the droplet. The prediction shows good agreement with experimental data which are obtained from literature.

Due to failure of the continuum hypothesis for higher Knudsen numbers, rarefied gases and microflows of gases are particularly difficult to model. Macroscopic transport equations compete with particle methods, such as the direct simulation Monte Carlo method (DSMC) to find accurate solutions in the rarefied gas regime. Due to growing interest in micro flow applications, such as micro fuel cells, it is important to model and understand evaporation in this flow regime. To gain a better understanding of evaporation physics, a non-steady simulation for slow evaporation in a microscopic system, based on the Navier-Stokes-Fourier equations, is conducted. The one-dimensional problem consists of a liquid and vapor layer (both pure water) with respective heights of 0.1mm and a corresponding Knudsen number of Kn=0.01, where vapor is pumped out. The simulation allows for calculation of the evaporation rate within both the transient process and in steady state. The main contribution of this work is the derivation of new evaporation boundary conditions for the R13 equations, which are macroscopic transport equations with proven applicability in the transition regime. The approach for deriving the boundary conditions is based on an entropy balance, which is integrated around the liquid-vapor interface. The new equations utilize Onsager relations, linear relations between thermodynamic fluxes and forces, with constant coefficients that need to be determined. For this, the boundary conditions are fitted to DSMC data and compared to other R13 boundary conditions from kinetic theory and Navier-Stokes-Fourier solutions for two steady-state, one-dimensional problems. Overall, the suggested fittings of the new phenomenological boundary conditions show better agreement to DSMC than the alternative kinetic theory evaporation boundary conditions for R13. Furthermore, the new evaporation boundary conditions for R13 are implemented in a code for the numerical solution of complex, two-dimensional geometries and compared to Navier-Stokes-Fourier (NSF) solutions. Different flow patterns between R13 and NSF for higher Knudsen numbers are observed which suggest continuation of this work. / Graduate