In Canada’s western Arctic, perennial discharge from permafrost watersheds is the surface manifestation of active groundwater flow systems, yet understanding the mechanisms of groundwater recharge and flow in periglacial environments remains enigmatic. This thesis addresses questions on how and where groundwater recharge occurs. Watersheds were selected in Yukon (Fishing Branch River at Bear Cave Mountain) and the Northwest Territories at latitudes spanning from continuous to discontinuous permafrost (five tributary rivers to the Mackenzie River from Wrigley to Aklavik). All are characterized by perennial flow with open water in the winter, and discharge from sedimentary formations of karstic carbonates and evaporate rocks. Determinations of groundwater contributions to discharge, mixing, recharge conditions and circulation times were made on the basis of a suite of analytical approaches involving measurements of major dissolved ions, δ18O, δD, δ13CDIC, 3H, noble gases and flow gauging was conducted at some sites. The application of these tracers show that hydrogeological conditions and flow paths in permafrost terrains are surprisingly similar to those of temperate regions. Groundwater recharge was determined to be a mix of annual precipitation with contributions from snowmelt and precipitation. All systems investigated show that groundwaters have recharged through organic soils with elevated PCO2, which suggests that recharge occurs largely during summer when biological activity is high. Noble gas concentrations show that the recharge temperature was between 0 and 6 °C, which, when considered in the context of discharge temperatures, suggests that there is no significant imbalance of energy flux into the subsurface. Groundwater ages were found using the 3H-3He method and were dependent on flow path. By characterizing groundwater and surface water chemistry, the proportion of groundwater was found in numerous water courses. The possible impact of ground ice formation and melting on noble gas concentrations in groundwater was considered. To assess this link, a new method to measure the noble gas composition of ground ice bodies was developed. The method can be used to determine the origin of ice, based on changes in noble gas ratios between ice originating from compaction of snow (e.g. glacier ice) vs. ice originating from freezing of water. No significant fractionation of noble gases during groundwater freezing and ground ice formation was identified. Applied to determination of the origin of ground ice bodies, the method was shown to be both diagnostic of ice origin and un-encumbered by reactivity in the subsurface, which compromises the use of the dominant atmospheric gases (O2 and N2).   Résumé Dans l’Ouest de l'Arctique canadien, la décharge pérenne dans certaines rivières en région de pergélisol est la manifestation en surface d’une circulation d’eau souterraine; cependant la compréhension des mécanismes d’écoulement et de recharge des eaux souterraines en région de pergélisol demeure énigmatique. Cette thèse s’intéresse à la question de savoir comment et où la recharge des eaux souterraines se produit. Des bassins versants ont été choisis au Yukon (Rivière Fishing Branch à Bear Cave Mountain) et dans les Territoire du Nord-Ouest à des latitudes s’étendant du pergélisol discontinu au pergélisol continu (cinq tributaires du Mackenzie entre Wrigley et Aklavik). Toutes ces rivières ont un écoulement d’eau pérenne avec des zones non gelées et une décharge dans des formations sédimentaires de roches carbonatées et d‘évaporites. L’identification des contributions des eaux à la décharge, les mélanges, les conditions de recharge, et les temps de circulation ont été faits à partir d’analyses qui ont inclus les concentrations en éléments majeurs, leur valeur isotopique (δ18O, δD, δ13C, 3H), ainsi que leur teneur en gaz rares. A certain des sites analysés des mesures d’écoulement ont été prises. L’application de ces traceurs montre que les conditions hydrauliques et le chemin des écoulements en région de pergélisol sont similaires à ceux des régions tempérées. La recharge en eau souterraine a été identifiée comme étant un mélange de précipitations annuelles, avec des contributions de neige et de pluies. Tous les systèmes étudiés montrent que les eaux souterraines se sont rechargées en traversant des sols organiques avec une PCO2 élevée, ce qui suggère que la recharge se produire largement durant l’été quand l’activité biologique est élevée. Cependant, les concentrations en gaz nobles montre que la température de recharge des eaux souterraines était entre 0 et 6 °C ce qui indique qu’il n’y a pas de déséquilibre de flux d’énergie à l’intérieur de la zone proche de la surface. L’âge des eaux a été déterminé par la méthode 3H-3He et cet âge est dépendant du chemin d'écoulement. En caractérisant les paramètres chimiques des eaux de surface et des eaux souterraines, il a été possible de trouver la contribution des eaux souterraines aux eaux surface. Le possible impact de la formation et de la fonte de la glace souterraine sur les concentrations des gaz nobles a été considéré. Pour déterminer s’il y a un lien entre ceux-ci, une nouvelle méthode pour mesurer la concentration en gaz nobles dans les glaces souterraines a été développée. La méthode peut être utilisée pour déterminer l’origine de la glace; elle est basée sur les changements dans les rapports des gaz nobles entre la glace issue de la compaction de la neige (c’est-à-dire la glace de glacier) par opposition à la glace issue du gel de l’eau. Aucun fractionnement significatif des gaz nobles durant l’engel des eaux souterraines et la formation de glaces souterraines n’a été identifié. Appliquée à l’identification de l’origine des masses de glace enfouies, on a montré que la méthode pouvait permettre d’identifier l’origine des glaces souterraines sans qu’elle soit affectée par des réactions biologiques de sub-surface, lesquelles rendent inutilisables les gaz atmosphériques (O2, and N2).

In Canada’s western Arctic, perennial discharge from permafrost watersheds is the surface manifestation of active groundwater flow systems, yet understanding the mechanisms of groundwater recharge and flow in periglacial environments remains enigmatic. This thesis addresses questions on how and where groundwater recharge occurs. Watersheds were selected in Yukon (Fishing Branch River at Bear Cave Mountain) and the Northwest Territories at latitudes spanning from continuous to discontinuous permafrost (five tributary rivers to the Mackenzie River from Wrigley to Aklavik). All are characterized by perennial flow with open water in the winter, and discharge from sedimentary formations of karstic carbonates and evaporate rocks. Determinations of groundwater contributions to discharge, mixing, recharge conditions and circulation times were made on the basis of a suite of analytical approaches involving measurements of major dissolved ions, δ18O, δD, δ13CDIC, 3H, noble gases and flow gauging was conducted at some sites. The application of these tracers show that hydrogeological conditions and flow paths in permafrost terrains are surprisingly similar to those of temperate regions. Groundwater recharge was determined to be a mix of annual precipitation with contributions from snowmelt and precipitation. All systems investigated show that groundwaters have recharged through organic soils with elevated PCO2, which suggests that recharge occurs largely during summer when biological activity is high. Noble gas concentrations show that the recharge temperature was between 0 and 6 °C, which, when considered in the context of discharge temperatures, suggests that there is no significant imbalance of energy flux into the subsurface. Groundwater ages were found using the 3H-3He method and were dependent on flow path. By characterizing groundwater and surface water chemistry, the proportion of groundwater was found in numerous water courses. The possible impact of ground ice formation and melting on noble gas concentrations in groundwater was considered. To assess this link, a new method to measure the noble gas composition of ground ice bodies was developed. The method can be used to determine the origin of ice, based on changes in noble gas ratios between ice originating from compaction of snow (e.g. glacier ice) vs. ice originating from freezing of water. No significant fractionation of noble gases during groundwater freezing and ground ice formation was identified. Applied to determination of the origin of ground ice bodies, the method was shown to be both diagnostic of ice origin and un-encumbered by reactivity in the subsurface, which compromises the use of the dominant atmospheric gases (O2 and N2).   Résumé Dans l’Ouest de l'Arctique canadien, la décharge pérenne dans certaines rivières en région de pergélisol est la manifestation en surface d’une circulation d’eau souterraine; cependant la compréhension des mécanismes d’écoulement et de recharge des eaux souterraines en région de pergélisol demeure énigmatique. Cette thèse s’intéresse à la question de savoir comment et où la recharge des eaux souterraines se produit. Des bassins versants ont été choisis au Yukon (Rivière Fishing Branch à Bear Cave Mountain) et dans les Territoire du Nord-Ouest à des latitudes s’étendant du pergélisol discontinu au pergélisol continu (cinq tributaires du Mackenzie entre Wrigley et Aklavik). Toutes ces rivières ont un écoulement d’eau pérenne avec des zones non gelées et une décharge dans des formations sédimentaires de roches carbonatées et d‘évaporites. L’identification des contributions des eaux à la décharge, les mélanges, les conditions de recharge, et les temps de circulation ont été faits à partir d’analyses qui ont inclus les concentrations en éléments majeurs, leur valeur isotopique (δ18O, δD, δ13C, 3H), ainsi que leur teneur en gaz rares. A certain des sites analysés des mesures d’écoulement ont été prises. L’application de ces traceurs montre que les conditions hydrauliques et le chemin des écoulements en région de pergélisol sont similaires à ceux des régions tempérées. La recharge en eau souterraine a été identifiée comme étant un mélange de précipitations annuelles, avec des contributions de neige et de pluies. Tous les systèmes étudiés montrent que les eaux souterraines se sont rechargées en traversant des sols organiques avec une PCO2 élevée, ce qui suggère que la recharge se produire largement durant l’été quand l’activité biologique est élevée. Cependant, les concentrations en gaz nobles montre que la température de recharge des eaux souterraines était entre 0 et 6 °C ce qui indique qu’il n’y a pas de déséquilibre de flux d’énergie à l’intérieur de la zone proche de la surface. L’âge des eaux a été déterminé par la méthode 3H-3He et cet âge est dépendant du chemin d'écoulement. En caractérisant les paramètres chimiques des eaux de surface et des eaux souterraines, il a été possible de trouver la contribution des eaux souterraines aux eaux surface. Le possible impact de la formation et de la fonte de la glace souterraine sur les concentrations des gaz nobles a été considéré. Pour déterminer s’il y a un lien entre ceux-ci, une nouvelle méthode pour mesurer la concentration en gaz nobles dans les glaces souterraines a été développée. La méthode peut être utilisée pour déterminer l’origine de la glace; elle est basée sur les changements dans les rapports des gaz nobles entre la glace issue de la compaction de la neige (c’est-à-dire la glace de glacier) par opposition à la glace issue du gel de l’eau. Aucun fractionnement significatif des gaz nobles durant l’engel des eaux souterraines et la formation de glaces souterraines n’a été identifié. Appliquée à l’identification de l’origine des masses de glace enfouies, on a montré que la méthode pouvait permettre d’identifier l’origine des glaces souterraines sans qu’elle soit affectée par des réactions biologiques de sub-surface, lesquelles rendent inutilisables les gaz atmosphériques (O2, and N2).

A collection of >3000 MOFs with experimentally confirmed structures were screened for performance in three binary separations: Ar/Kr, Kr/Xe, and Xe/Rn. 70 materials were selected for further analysis, and calculations were performed to account for inaccessible regions. Single component GCMC calculations were performed to parameterize IAST calculations on these 70 materials, and the curve fitting problem in IAST was discussed. IAST calculations were confirmed with extensive binary GCMC calculations. For each binary separation, materials were identified with predicted performance that surpasses the state of the art. "Reverse selective" materials, for which a smaller gas species is preferably adsorbed over a larger species, were explained on the basis of surface fractal geometry, computed via a corrected surface area calculation. The effect of temperature on separation performance was also examined.

In Canada’s western Arctic, perennial discharge from permafrost watersheds is the surface manifestation of active groundwater flow systems, yet understanding the mechanisms of groundwater recharge and flow in periglacial environments remains enigmatic. This thesis addresses questions on how and where groundwater recharge occurs. Watersheds were selected in Yukon (Fishing Branch River at Bear Cave Mountain) and the Northwest Territories at latitudes spanning from continuous to discontinuous permafrost (five tributary rivers to the Mackenzie River from Wrigley to Aklavik). All are characterized by perennial flow with open water in the winter, and discharge from sedimentary formations of karstic carbonates and evaporate rocks. Determinations of groundwater contributions to discharge, mixing, recharge conditions and circulation times were made on the basis of a suite of analytical approaches involving measurements of major dissolved ions, δ18O, δD, δ13CDIC, 3H, noble gases and flow gauging was conducted at some sites. The application of these tracers show that hydrogeological conditions and flow paths in permafrost terrains are surprisingly similar to those of temperate regions. Groundwater recharge was determined to be a mix of annual precipitation with contributions from snowmelt and precipitation. All systems investigated show that groundwaters have recharged through organic soils with elevated PCO2, which suggests that recharge occurs largely during summer when biological activity is high. Noble gas concentrations show that the recharge temperature was between 0 and 6 °C, which, when considered in the context of discharge temperatures, suggests that there is no significant imbalance of energy flux into the subsurface. Groundwater ages were found using the 3H-3He method and were dependent on flow path. By characterizing groundwater and surface water chemistry, the proportion of groundwater was found in numerous water courses. The possible impact of ground ice formation and melting on noble gas concentrations in groundwater was considered. To assess this link, a new method to measure the noble gas composition of ground ice bodies was developed. The method can be used to determine the origin of ice, based on changes in noble gas ratios between ice originating from compaction of snow (e.g. glacier ice) vs. ice originating from freezing of water. No significant fractionation of noble gases during groundwater freezing and ground ice formation was identified. Applied to determination of the origin of ground ice bodies, the method was shown to be both diagnostic of ice origin and un-encumbered by reactivity in the subsurface, which compromises the use of the dominant atmospheric gases (O2 and N2).   Résumé Dans l’Ouest de l'Arctique canadien, la décharge pérenne dans certaines rivières en région de pergélisol est la manifestation en surface d’une circulation d’eau souterraine; cependant la compréhension des mécanismes d’écoulement et de recharge des eaux souterraines en région de pergélisol demeure énigmatique. Cette thèse s’intéresse à la question de savoir comment et où la recharge des eaux souterraines se produit. Des bassins versants ont été choisis au Yukon (Rivière Fishing Branch à Bear Cave Mountain) et dans les Territoire du Nord-Ouest à des latitudes s’étendant du pergélisol discontinu au pergélisol continu (cinq tributaires du Mackenzie entre Wrigley et Aklavik). Toutes ces rivières ont un écoulement d’eau pérenne avec des zones non gelées et une décharge dans des formations sédimentaires de roches carbonatées et d‘évaporites. L’identification des contributions des eaux à la décharge, les mélanges, les conditions de recharge, et les temps de circulation ont été faits à partir d’analyses qui ont inclus les concentrations en éléments majeurs, leur valeur isotopique (δ18O, δD, δ13C, 3H), ainsi que leur teneur en gaz rares. A certain des sites analysés des mesures d’écoulement ont été prises. L’application de ces traceurs montre que les conditions hydrauliques et le chemin des écoulements en région de pergélisol sont similaires à ceux des régions tempérées. La recharge en eau souterraine a été identifiée comme étant un mélange de précipitations annuelles, avec des contributions de neige et de pluies. Tous les systèmes étudiés montrent que les eaux souterraines se sont rechargées en traversant des sols organiques avec une PCO2 élevée, ce qui suggère que la recharge se produire largement durant l’été quand l’activité biologique est élevée. Cependant, les concentrations en gaz nobles montre que la température de recharge des eaux souterraines était entre 0 et 6 °C ce qui indique qu’il n’y a pas de déséquilibre de flux d’énergie à l’intérieur de la zone proche de la surface. L’âge des eaux a été déterminé par la méthode 3H-3He et cet âge est dépendant du chemin d'écoulement. En caractérisant les paramètres chimiques des eaux de surface et des eaux souterraines, il a été possible de trouver la contribution des eaux souterraines aux eaux surface. Le possible impact de la formation et de la fonte de la glace souterraine sur les concentrations des gaz nobles a été considéré. Pour déterminer s’il y a un lien entre ceux-ci, une nouvelle méthode pour mesurer la concentration en gaz nobles dans les glaces souterraines a été développée. La méthode peut être utilisée pour déterminer l’origine de la glace; elle est basée sur les changements dans les rapports des gaz nobles entre la glace issue de la compaction de la neige (c’est-à-dire la glace de glacier) par opposition à la glace issue du gel de l’eau. Aucun fractionnement significatif des gaz nobles durant l’engel des eaux souterraines et la formation de glaces souterraines n’a été identifié. Appliquée à l’identification de l’origine des masses de glace enfouies, on a montré que la méthode pouvait permettre d’identifier l’origine des glaces souterraines sans qu’elle soit affectée par des réactions biologiques de sub-surface, lesquelles rendent inutilisables les gaz atmosphériques (O2, and N2).

In Canada’s western Arctic, perennial discharge from permafrost watersheds is the surface manifestation of active groundwater flow systems, yet understanding the mechanisms of groundwater recharge and flow in periglacial environments remains enigmatic. This thesis addresses questions on how and where groundwater recharge occurs. Watersheds were selected in Yukon (Fishing Branch River at Bear Cave Mountain) and the Northwest Territories at latitudes spanning from continuous to discontinuous permafrost (five tributary rivers to the Mackenzie River from Wrigley to Aklavik). All are characterized by perennial flow with open water in the winter, and discharge from sedimentary formations of karstic carbonates and evaporate rocks. Determinations of groundwater contributions to discharge, mixing, recharge conditions and circulation times were made on the basis of a suite of analytical approaches involving measurements of major dissolved ions, δ18O, δD, δ13CDIC, 3H, noble gases and flow gauging was conducted at some sites. The application of these tracers show that hydrogeological conditions and flow paths in permafrost terrains are surprisingly similar to those of temperate regions. Groundwater recharge was determined to be a mix of annual precipitation with contributions from snowmelt and precipitation. All systems investigated show that groundwaters have recharged through organic soils with elevated PCO2, which suggests that recharge occurs largely during summer when biological activity is high. Noble gas concentrations show that the recharge temperature was between 0 and 6 °C, which, when considered in the context of discharge temperatures, suggests that there is no significant imbalance of energy flux into the subsurface. Groundwater ages were found using the 3H-3He method and were dependent on flow path. By characterizing groundwater and surface water chemistry, the proportion of groundwater was found in numerous water courses. The possible impact of ground ice formation and melting on noble gas concentrations in groundwater was considered. To assess this link, a new method to measure the noble gas composition of ground ice bodies was developed. The method can be used to determine the origin of ice, based on changes in noble gas ratios between ice originating from compaction of snow (e.g. glacier ice) vs. ice originating from freezing of water. No significant fractionation of noble gases during groundwater freezing and ground ice formation was identified. Applied to determination of the origin of ground ice bodies, the method was shown to be both diagnostic of ice origin and un-encumbered by reactivity in the subsurface, which compromises the use of the dominant atmospheric gases (O2 and N2).   Résumé Dans l’Ouest de l'Arctique canadien, la décharge pérenne dans certaines rivières en région de pergélisol est la manifestation en surface d’une circulation d’eau souterraine; cependant la compréhension des mécanismes d’écoulement et de recharge des eaux souterraines en région de pergélisol demeure énigmatique. Cette thèse s’intéresse à la question de savoir comment et où la recharge des eaux souterraines se produit. Des bassins versants ont été choisis au Yukon (Rivière Fishing Branch à Bear Cave Mountain) et dans les Territoire du Nord-Ouest à des latitudes s’étendant du pergélisol discontinu au pergélisol continu (cinq tributaires du Mackenzie entre Wrigley et Aklavik). Toutes ces rivières ont un écoulement d’eau pérenne avec des zones non gelées et une décharge dans des formations sédimentaires de roches carbonatées et d‘évaporites. L’identification des contributions des eaux à la décharge, les mélanges, les conditions de recharge, et les temps de circulation ont été faits à partir d’analyses qui ont inclus les concentrations en éléments majeurs, leur valeur isotopique (δ18O, δD, δ13C, 3H), ainsi que leur teneur en gaz rares. A certain des sites analysés des mesures d’écoulement ont été prises. L’application de ces traceurs montre que les conditions hydrauliques et le chemin des écoulements en région de pergélisol sont similaires à ceux des régions tempérées. La recharge en eau souterraine a été identifiée comme étant un mélange de précipitations annuelles, avec des contributions de neige et de pluies. Tous les systèmes étudiés montrent que les eaux souterraines se sont rechargées en traversant des sols organiques avec une PCO2 élevée, ce qui suggère que la recharge se produire largement durant l’été quand l’activité biologique est élevée. Cependant, les concentrations en gaz nobles montre que la température de recharge des eaux souterraines était entre 0 et 6 °C ce qui indique qu’il n’y a pas de déséquilibre de flux d’énergie à l’intérieur de la zone proche de la surface. L’âge des eaux a été déterminé par la méthode 3H-3He et cet âge est dépendant du chemin d'écoulement. En caractérisant les paramètres chimiques des eaux de surface et des eaux souterraines, il a été possible de trouver la contribution des eaux souterraines aux eaux surface. Le possible impact de la formation et de la fonte de la glace souterraine sur les concentrations des gaz nobles a été considéré. Pour déterminer s’il y a un lien entre ceux-ci, une nouvelle méthode pour mesurer la concentration en gaz nobles dans les glaces souterraines a été développée. La méthode peut être utilisée pour déterminer l’origine de la glace; elle est basée sur les changements dans les rapports des gaz nobles entre la glace issue de la compaction de la neige (c’est-à-dire la glace de glacier) par opposition à la glace issue du gel de l’eau. Aucun fractionnement significatif des gaz nobles durant l’engel des eaux souterraines et la formation de glaces souterraines n’a été identifié. Appliquée à l’identification de l’origine des masses de glace enfouies, on a montré que la méthode pouvait permettre d’identifier l’origine des glaces souterraines sans qu’elle soit affectée par des réactions biologiques de sub-surface, lesquelles rendent inutilisables les gaz atmosphériques (O2, and N2).

No description available.

Dans le contexte des écoulements micro- et nano-fluidiques, ce travail porte sur l'étude des interactions à l'interface entre des flux de gaz rares et des surfaces métalliques via une approche de modélisation multi-physique et multi-échelle. Elle se concentre tout particulièrement sur l'interaction entre l'argon et une surface d'or. Pour ce faire la modélisation a été effectuée en deux étapes, une première partie utilisant la mécanique quantique à l'échelle atomique et une deuxième partie de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique. La première partie est consacrée à l'obtention de potentiels d'interaction entre un atome d'argon et les atomes d'or de la surface par des méthodes de calculs théoriques basés sur la DFT comportant des effets à longues distances. Deux approches, donnant des résultats comparables, ont été utilisées : la première est liée à la description périodique de la surface d'or par un modèle basé sur la description des électrons par des ondes planes alors que la seconde permet de récupérer séparément les parties répulsives et attractives de l'interaction d'un atome d'argon avec un petit cluster d'or. Ces potentiels d'interactions ont été décomposés en potentiels de paires Ar-Au utilisables par des simulations de dynamique moléculaire. Ces simulations ont consisté en la projection d'atomes d'argon sur des surfaces d'or ‘parfaites' dites lisses ou des surfaces rugueuses plus représentatives de la technologie actuelle. L'analyse statistique des vitesses réfléchies permet de déterminer le coefficient d'accommodation tangentiel de l'argon sur des surfaces d'or. Ce coefficient est la traduction du phénomène de glissement qui peut ainsi être modélisé dans une description plus macroscopique de l'écoulement d'un gaz dans une micro-conduite. L'approche multi-physique utilisée dans ce travail a permis la détermination numérique de coefficients d'accommodations tangentiels très précis et comparables à l'expérience pour le couple argon-or, et doit pouvoir être appliquée à d'autres couples / In the context of micro- and nano-flows, this work concentrates on the study of interactions at the interface of noble gas and metal surfaces by a multi-physics and multiscale model. Particularly, the interaction of an argon atom with a gold surface is the focus of the study. The work has been made in two steps: the first one occurred at the atomic scale in which Quantum Mechanics is employed and the second one at the nanoscale with the use of Molecular Dynamics.The first part of the work was devoted to the determination of interaction potentials between an argon atom and gold atoms from the surface by DFT calculation methods comporting long range effects. Two approaches, leading similar results, have been used: the first one is linked to a periodic description of the gold surface where electrons are defined by plane waves, the second one gives independently repulsive and attractive parts of the interaction of an argon atom with a small gold cluster. Those interaction potentials are then decomposed in pair potentials suitable for Molecular Dynamics simulations. These last ones consisted in multiple times projecting argon atoms on smooth or rough gold surfaces (which are more representative of the roughness of actual technologies). The statistical analysis of the reflected velocities yielded the tangential momentum accommodation (TMAC) coefficient of argon on gold surfaces. This coefficient is the transcription of slip phenomena which occur at the interface, and it can then be used in nano-flow simulations. The multi-physics approach of the thesis gives accurate TMAC values which are comparable to experiments. The accounted method could then be applied to other noble gas metal surface couples

In dieser Arbeit werden Modellsysteme der Wechselwirkung von Atomen, Molekülen und deren Ionen mit Festkörperoberflächen studiert. Die Dissertation besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil werden Experimente zur Streuung von He0 und He+ mit keV Energien unter streifendem Einfall an Al(111), Al(100) und Al(110) vorgestellt. Anteile überlebender Ionen und Verschiebungen der Winkelverteilungen für einlaufende Atome und Ionen sind in guter Übereinstimmung mit theoretischen Auger-Neutralisationsraten und He-1s-Grundzustandsenergieverschiebungen. Damit liegt ein detailliertes mikroskopisches Verständnis dieses Modellsystems der Atom-Oberflächen-Wechselwirkung vor. Die Studien wurden auf Edelgase und Oberflächen mit komplexerer elektronischer Struktur sowie Ionisationsprozesse erweitert. Im zweiten Teil wird die Formierung von doppelt-angeregten He-Atomen bei der Streuung von He2+ an Ni(110) und Fe(110) mittels Autoionisationsspektren studiert. Diese zeigen eine ausgeprägte Sensitivität auf die Belegung der Oberflächen mit Adsorbaten und deren Umordnung, Desorption bzw. Lösung im Volumen des Festkörpers bei Erhöhung der Temperatur. In diesem Rahmen ergibt sich eine alternative Interpretation aktueller Arbeiten, in denen Autoionisationsspektren zur Ableitung der Spin-Polarisation von Ni- und und Fe-Oberflächen verwendet wurden. Im dritten Teil werden Winkelverteilungen, Fragmentspektren und Ladungsanteile für die streifende Streuung von C60-Molekülionen mit an Al(100), Be(0001) und LiF(100) studiert. Es wird gezeigt, dass die elastischen Eigenschaften des Fullerens durch Metalloberflächen stark modifiziert werden. Anhand von Verschiebungen von Winkelverteilungen für einfach- und zweifach-geladene einlaufende Ionen werden erstmalig Abstände des Elektroneneinfangs für positiv geladene Fullerenionen vor Metalloberflächen gemessen. Für LiF(100) treten ausgeprägte Anregungen der Moleküle durch das periodische elektrische Feld der Oberfläche auf. / This work is devoted to the study of model systems for the interaction of atoms, molecules, and their ions with solid surfaces. The thesis consists of three parts. In the first part, He atoms and ions with keV energies are scattered under grazing angles of incidence from Al(111), Al(100), and Al(110). Fractions of surviving ions and shifts of angular distributions for incident atoms and ions, are in good agreement with theoretically calculated Auger neutralization rates and He 1s ground-state energy shifts. A detailed microscopic understanding for a model system of ion-surface interactions is concluded. The studies are extended to noble gas atoms and surfaces with a more complex electronic structure as well as the Auger ionization process. In the second set of experiments, the formation of doubly excited states of He atoms during collisions of He2+ ions with Ni(110) and Fe(110) is studied via autoionization spectra. The electron spectra show a pronounced dependence on the coverage of the target surface with adsorbates. Thermal desorption and dissolution of surface contaminations into the bulk at elevated temperatures provide an alternative interpretation of recent work where the local electron spin polarization of Ni and Fe surfaces was deduced from autoionization spectra. In the third part, angular distributions, fragmentation, and charge fractions are studied for grazing scattering of C60 fullerene ions from Al(100), Be(0001), and LiF(100). A strong perturbation of the elastic properties of the fullerene by a nearby metal surface is demonstrated. Shifts of angular distributions for incident singly and doubly charged ions for the metal surfaces provide the first information on distances of electron transfer for positively charged fullerenes in front of metal surfaces. For the LiF(100) surface, pronounced internal excitations due to interactions with the periodic electric field at the surface are observed.

This study aims the real-time monitoring of gases (CO2, N2, O2, H2, H2S, CH4, He, Ar) discharging from natural pools in the Tekke Hamam geothermal field (Denizli) in addition to the geochemical characterization of the field along with the Kizildere geothermal field, both located at the eastern segment of the B&uuml / y&uuml / k Menderes Graben. The continuous gas monitoring experiment (November 2007-October 2008) conducted in the Tekke Hamam geothermal field has revealed temporal variations in the gas compositions, gas flow rate and pool temperature. Different variation components, such as daily variation profiles and peak/Multi-day signals, are detected in the monitored data, which are mainly correlated with shallow and deep processes involving mainly meteorological factors and seismicity induced variations, respectively. Particularly, the coupled variations in the gas compositions and flow rate seem to correlate with seismicity induced permeability modifications within the subsurface during the absence of significant meteorological factors, such as high rainfall and varying atmospheric pressure. The noble gas characterization of the fields have revealed both high 3He/4He and 4He/20Ne isotopic ratios, suggesting a mantle contribution of about 18% for Kizildere and 34% for Tekke Hamam, whereas the other noble gases (Ar, Ne, Kr, Xe) are of atmospheric nature. The different mantle contributions observed in both fields can suggest a different mantle-He flux variably contaminated by crustal helium. The chemical (cation-trace element-anion) and stable isotopic (&amp / #948 / 18O-&amp / #948 / D) contents of the thermal waters reveal high temperature water-rock interaction accompanied by the effects of deep origined gases (mainly CO2 and H2S) discharging from the fields.

Underground nuclear explosions (UNEs) produce anthropogenic isotopes that provide the only definitive means by which to determine whether a nuclear explosion has taken place. Verification of a suspected test under the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) includes both on-site and atmospheric sampling of specific noble gas radioisotopes for analysis of origin. It is well-established that the processes of subsurface transport can affect the rate at which such gases will reach the surface. However, the relative abundance of anthropogenic isotopes reaching the surface following transport is currently assumed to rely solely on their direct fission yield, decay rate, and their production from precursor decay, making no account for the influence of transport processes on isotopic ratios. The Underground Transport of Environmental Xenon (UTEX) model has been developed to examine the possible effects of subsurface transport on radioxenon isotopic ratios as well as to consider a number of on-site inspection-related applications. In this work, background on the UTEX model's development, evolution and vetting is presented. This is followed by the characterization and analysis of a number of applications of the model for consideration of CTBT-relevant scenarios. Specifically, the UTEX model's capability to analyze CTBT on-site inspection concept of operations is demonstrated. This is accomplished through an examination of generalized UNE source terms, geological stratigraphy, UNE impact on local geology, natural soil-gas radionuclide backgrounds, atmospheric infiltration, and sampling methodology. It is shown that the processes driving noble gas transport through geological media can significantly skew the ratios of key radioxenon isotopes that are used to help verify whether or not a well-contained underground test has taken place. This result emphasizes the need for a broader understanding of radionuclide signatures used for CTBT verification purposes and the mechanisms that can alter them. / text