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Esta tesis está enfocada en el programa de observadores científicos en aguas del Atlántico Sudoccidental que el Instituto Español de Oceanografía (IEO) mantiene desde el año 1989 hasta la actualidad. Dicha base de datos ya ha sido empleada previamente por otros autores para estudiar los recursos pesqueros presentes, tanto en las aguas internacionales de la plataforma patagónica, más allá de las 200 millas náuticas de la costa argentina, como en la zona de pesca actualmente incluida dentro de la jurisdicción de las islas Falkland/Malvinas. Aquí nos centramos en el estudio de la actividad pesquera española que faena en la zona de aguas internacionales conocida como “División 46” y de los recursos a los que se dirige. Varios factores justifican la necesidad de esta tesis: (1) La necesidad de desarrollar una descripción detallada de la base de datos, no realizada hasta el momento. (2) Valorar la representatividad espacial del programa de observadores. (3) Establecer una serie de análisis espacio-temporales que describan la actividad pesquera de la flota española en estas aguas, (4) Desarrollar un completo y detallado análisis espacio-temporal de la distribución y abundancia de los recursos pesqueros a los que se dirige la flota. Por otra parte, las limitaciones propias de un programa de observadores científicos en buques pesqueros nos llevan, por necesidad, a explorar soluciones metodológicas que permitan un análisis fiable del esfuerzo pesquero y de la abundancia de los recursos. A este respecto, la disponibilidad de nueva información relacionada con las características físicas del área de estudio obtenida a raíz de las campañas oceanográficas realizadas en las aguas internacionales de la plataforma patagónica por el IEO y la Secretaría General del Mar (SGM) entre los años 2007 y 2011 y la disponibilidad de datos procedentes del Sistema de Localización de Buques de la SGM entre el periodo 2001 y 2007, nos ha permitido avanzar en el conocimiento de la actividad pesquera española en esta región. Como resultados principales, hemos definido algunas características fundamentales que determinan el marco de estudio de esta base de datos, hemos explorado diversas aproximaciones metodológicas que permitan un análisis de la representatividad de un programa de observadores en aguas internacionales, hemos desarrollado una descripción espacio-temporal de la estrategia de pesca en esta aguas y, a raíz del conocimiento adquirido, hemos realizado un análisis de los factores que afectan a la distribución de M. hubbsi y al esfuerzo de pesca invertido en su captura. / Esta tesis ha sido financiada por el Ministerio de Educación y Ciencia a través del programa de becas de Formación del Personal Investigador del Instituto de Oceanografía (IEO). (Beca FPI: "Aplicción de los Sistemas de Información Geográfica al estudio de la variabilidad espacio-temporal de especies pesqueras de interés comercial")

El proyecto de tesis titulado "Aspectos estocásticos en la coordinación hidrotérmica a largo plazo" es el resultado de un trabajo de investigación enmarcado en el campo de la generación de electricidad y trata, más concretamente, de los principales aspectos de características indeterministas relacionados con la generación y coordinación hidrotérmica a largo plazo, tal como su mismo título resume. Es, por lo tanto, un proyecto directamente comprometido con la investigación aplicada en un sector estratégico de la economía.El trabajo está situado en el dominio de la Investigación Operativa, dentro de la rama conocida como optimización estocástica; en consecuencia, se presenta estrechamente vinculado al área de las ciencias de la Estadística. El objetivo principal está planteado en investigar un modelo apropiado para el tema que permita desarrollar aplicaciones de minimización de los costes relacionados con la producción de energía eléctrica. Esta localización implica ciertamente simplificaciones en lo relativo al proceso físico-mecánico de generación de electricidad, en beneficio de una visión global obligada si se tiene en cuenta que el periodo de estudio tiene una magnitud temporal en torno al año, mientras que el número de centrales térmicas e hidráulicas que el problema considera es propio de las situaciones reales que se presentan en una compañía eléctrica.Dentro de lo que se conoce como optimización estocástica existen un buen número de métodos establecidos. A partir de los trabajos del profesor Nabona, el método multiartículo entra dentro de este círculo, con su aplicación en problemas de optimización de la generación hidroeléctrica a largo plazo. El ánimo inicial en la investigación que este trabajo describe -pero que no culmina- se puede plantear como:o realizar un estudio sobre el cálculo de distribuciones multiartículo para las aportaciones naturales,o determinar una estimación del error que el método introduce, teniendo en cuenta que se trata de una aproximación sobre las distribuciones de partidaSin embargo, estos simples puntos de partida tuvieron que ser replanteados cuando se les unieron otros de evidente necesidad, y de ambiciones más elevadas, como elaborar una formalización concerniente a las variables aleatorias de bloques, íntimamente relacionadas con la teoría multiartículo, o extender ésta a un método para resolver el problema de coordinación hidrotérmica a largo plazo. Todos ellos se pueden unificar en un objetivo prioritario, perseguido por el trabajo que se describe en esta memoria, que es la consolidación de la teoría en el ámbito de la optimización estocástica.¿Qué se entiende por consolidación? En primer lugar, demostrar que el método está respaldado por una teoría robusta. También, que esta teoría es suficiente para modelizar los sistemas que se consideran en los problemas eléctricos citados. Finalmente, que las soluciones halladas para tales problemas son verosímiles y pueden ser de utilidad al usuario que demanda una herramienta sofisticada para la evaluación de costes en parques hidrotérmicos con horizontes a largo plazo.Aportaciones de la tesisEn síntesis, la principal aportación de la tesis es haber logrado un avance significativo en el terreno de la optimización estocástica más concretamente, en el terreno de la coordinación hidrotérmica a largo plazo mediante la aplicación combinada de técnicas multiartículo y variables de bloques. Puesto que el campo de investigación en el entorno de la optimización con variables aleatorias de bloques es muy amplio todavía, esta contribución tiene aspiraciones a ser un paso importante hacia la madurez del método multiartículo.Particularmente, deben destacarse los siguientes aspectos:o descripción y estudio exhaustivo desde el punto de vista estadístico de la distribución de probabilidad genérica conocida como de bloques; ya utilizada en trabajos previos, en esta memoria se pretende categorizarla como variable aleatoria propia. De este proceso se desprende una metodología para estimar variables de bloques a partir de una muestra procedente de una variable cualquiera.o cálculo de expresiones de la generación hidráulica esperada para la validación de una aproximación en uso. La comparación posterior sobre casos concretos evidencia una cierta sobreestimación en el cálculo de la generación por parte de la versión inicial. Estas expresiones reducen el sesgo en la estimación de la generación hidráulica esperada, aunque son alternativas menos eficientes computacionalmente.o construcción de un procedimiento que permite simular políticas de largo plazo aplicables a una cuenca hidráulica. El proceso genera valores de aportaciones naturales condicionadas entre sí, y permite verificar si la política obtenida mediante la minimización de una función de coste probable de producción genera costes aceptables.o desarrollo de técnicas específicas para un programa de coordinación hidrotérmica a través de curvas potencia-energía parametrizadas por factores indeterministas, entre los que se cuenta la generación hidráulica representada como distribución de bloques.o desarrollo de un método para hallar la distribución de la suma de una variable de bloques y otra cualquiera independiente de la primera por el procedimiento de la convolución, y aplicación del mismo a distribuciones de la potencia en fallo hidráulica con la carga del sistema. A partir del mismo se construye una nueva función de coste probable de producción que no depende, como las anteriores, solamente de la esperanza de la generación hidráulica.o desarrollo e implementación de un modelo de optimización de la generación hidráulica a largo plazo basado en la nueva función de coste probable de producción, y que tiene en cuenta límites de potencia y de generación hidráulica.o un aspecto que nunca se había abordado hasta ahora ha sido una comparativa de resultados teniendo en cuenta la influencia que presenta el número de bloques con que son representadas las variables. Las pruebas efectuadas no son taxativas en cuanto a este aspecto, pero proporcionan una información sumamente interesante. / The thesis project entitled "Stochastic Aspects on Long-Term Hydrothermal Coordination" is the result of a research work in the field of the electricity generation. More precisely, it deals with some aspects with random characteristics related to the generation and long-term hydrothermal coordination processes. Therefore, it is a project directly involved with applied research in a strategic sector of Economy.The work presented is connected with Stochastic Optimization techniques, a field between Statistics and Operations Research. The goal is to find a suitable model to be applied in the minimization of the cost of electricity production. As, in this kind of problems, the time horizon is long (around one year or more) and the number of thermal and hydro units should be large in order to consider realistic cases, the modelling does not take into account the detail of the physical-mechanical process of generation, which is considered more properly in the short-term stage.We follow the method developed by Professor Nabona to describe random variables through multiblock distributions in a multicommodity model. Initially, we aimed to:o apply the calculus of multiblock distributions to natural inflows, ando estimate the error introduced by the method, taking into account that it is an approximation of the original distributions.Later, we included more formal aspects to describe multiblock random variables and their properties, and the multicommodity model was extended. Thus, this method has grown to currently become a successful model in the Stochastic Optimization space, which is undoubtedly the main objective of the project. We prove that the method can model the systems considered efficiently, and the solutions found are plausible and can be useful to evaluate costs in hydrothermal parks for long-term periods. Our contribution is likely to represent a significant progress in the field of Stochastic Optimization applied to Long-Term Hydrothermal Coordination.In addition, the following points should be remarked:o Description and study from a probabilistic point of view of the multiblock probability distribution. Besides, we derive a methodology to estimate multiblock variables from a sample coming to an unknown distribution.o Alternative expression of hydrogeneration, in order to validate an approximation based on multiblock variables. This expression, computationally more expensive but closer to actual values, is evaluated using real cases, and it shows that former evaluations of hydrogeneration overestimate it slightly.o Development of simulation procedures in order to simulate long-term policies that are applied to a single hydro basin. The process generates non-independent values of natural inflows for each reservoir, allowing to test if the policy obtained through the minimization of the expected production cost function produces acceptable costs.o Implementation of specific techniques for a hydrothermal coordination program, using power-energy curves with parameters dependent on random factors, like hydrogeneration (represented through a multiblock distribution).o Development of a convolution method to sum up a multiblock random variable to any other, applicable to find the hydropower unavailability with the load system. This method allows to build a new expected production cost function, not depending only of the expected hydrogeneration.o With the new expected production cost function, one has developed and implemented a richer model, taking into account power and hydrogeneration limits.o Finally, a study of the influence of the number of blocks used to describe the multiblock distributions has been undertaken. The tests carried out are not definitive, but they contribute with some interesting information.

Diversos procesos naturales e industriales de interés medioambiental se modelan a través de la ecuación de convección-difusión-reacción transitoria. Dos aplicaciones tecnológicas que han motivado esta tesis son el funcionamiento de filtros de carbón activo y la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Para que la modelización numérica de estos problemas sea eficaz es indispensable contar con un solver lineal eficiente para resolver los sistemas de ecuaciones obtenidos al discretizar la ecuación en derivadas parciales, mediante elementos finitos.Por ello, el objetivo de esta tesis es resolver de forma eficiente los grandes sistemas de ecuaciones, simétricos definidos positivos (SDP), tipo sparse asociados a los problemas de convección-difusión transitorios. Con este fin se estudian los precondicionadores tanto explícitos como implícitos, así como los métodos de descomposición de dominios (DD). La tesis se estructura en tres partes. En la primera se elabora un análisis computacional detallado del comportamiento de dos familias de factorizaciones incompletas de Cholesky (FIC): de memoria prescrita y de umbral. Estas técnicas se utilizan para precondicionar el método iterativo de gradientes conjugados (PCG). En la segunda parte se construye una inversa aproximada sparse simétrica (SSPAI) basada en la minimización en la norma de Frobenius. El precondicionador explícito se diseña para resolver en paralelo grandes sistemas de ecuaciones sparse, SDP, tridiagonales por bloques con múltiples lados derechos. Finalmente, se desarrolla el método multiplicativo de Schwarz (MSM) en dominios activos, es decir, DD solapados con la innovación de activar y desactivar dominios. Se estudia el comportamiento de esta estrategia al resolver los subproblemas mediante: (1) el método directo de Cholesky y (2) PCG + FIC de umbral.De los resultados numéricos presentados se concluye que es preferible utilizar el método directo de Cholesky para sistemas con menos de 30,000 variables. Para sistemas mayores y hasta 80,000 incógnitas se sugiere emplear una FIC de umbral. Y para sistemas aún más grandes, el MSM en dominios activos + PCG + FIC de umbral propuesto es el más eficiente usando un solo procesador. Por su parte, la SSPAI presentada podría superar a las FIC de umbral si se trabaja en paralelo. / Many natural and industrial processes of environmental interest are modeled through the transient convection-diffusion-reaction equation. Two technological applications that have motivated this thesis are the operation of activated-carbon filters and the dispersion of pollutants in the atmosphere. In order to ensure the effectiveness of numerical modeling of these problems it is necessary to have an efficient linear solver to solve the systems obtained when discretizing the partial differential equation by means of the finite element method.For that reason, the goal of this thesis is to solve in an efficient way the large sparse symmetric positive definite (SPD) systems of linear equations associated to the transient convection-diffusion problems. With this purpose, we have studied the explicit and implicit preconditioners, as well as domain decomposition (DD) methods.The thesis is structured in three parts. In the first one we have elaborated a detailed analysis of the numerical performance of two families of incomplete Cholesky factorizations (ICF): drop tolerance and prescribed-memory strategies. These techniques are used to precondition conjugate gradient iterations (PCG). In the second part a symmetric sparse approximate inverse (SSPAI) based on the minimization of the Frobenius norm is built. The explicit preconditioner is designed to solve in parallel large block tridiagonal SPD systems with multiple right hand sides.Finally, the multiplicative Schwarz method (MSM) in active domains is developed, which consists of overlapped domain decomposition with the innovation to activate and to deactivate domains. The behavior of this strategy is studied when solving the subproblems by means of: (1) the Cholesky direct solver and (2) PCG + drop-tolerance ICF. According to our numerical experiments we conclude that it is preferable to use the Cholesky direct solver for systems with less than 30,000 variables. For larger systems and up to 80,000 equations we suggest to use a drop tolerance ICF. And for even lager systems, the proposed MSM in active domains is the most efficient when using a single processor. On the other hand, the presented SSPAI could overcome the drop-tolerance ICF if one works in parallel.

La contaminación del aire urbano tiene efectos negativos en la salud humana, los ecosistemas y se asocia con el transporte de contaminantes a larga distancia. La región del sur del Mediterráneo y en concreto la Península Ibérica se ven sometidos frecuentemente a episodios de contaminación fotoquímica. Los niveles de O3 troposférico y, en zonas urbanas, las concentraciones de NO2 y material particulado, superan frecuentemente los niveles establecidos por la legislación europea. El tráfico rodado constituye la mayor fuente de emisiones antropogénicas en el entorno urbano. Actualmente, se están ensayando distintas alternativas para reducir su contribución. El pronóstico cuantitativo de sus efectos es fundamental y proporciona la base para la toma de decisiones. La herramienta más adecuada para llevar a cabo este tipo de evaluaciones es la modelización atmosférica. Esta tesis propone el uso del modelo mesoescalar WRF-ARW/HERMES/CMAQ con alta resolución para pronosticar el efecto de distintas estrategias de reducción de emisiones de tráfico. Se centra en las dos mayores ciudades de España: Barcelona y Madrid, representativas de un entorno costero y un entorno continental. Como caso de estudio se ha seleccionado el 17 y 18 de Junio de 2004, que se corresponde simultáneamente con altos niveles de contaminación y con un patrón de circulación de tráfico habitual (días laborables) Se han seleccionado distintas estrategias realizables a corto plazo, que incluyen: el uso de combustibles alternativos: como gas natural o biodiesel, la introducción de nuevas tecnologías en vehículos, como el uso de vehículos híbridos, o sistemas de planificación urbana, como la introducción de un límite de velocidad. Se han evaluado en términos de cambio de emisiones, consumo de combustible y calidad del aire, no sólo en las zonas urbanas si no a escala regional (en el Noreste y Centro de la Península Ibérica) Los efectos de dichas estrategias dependen de la zona de aplicación. Los factores principales que condicionan dichas diferencias son: (1) la composición específica de la flota, teniendo la de Barcelona mayor número de vehículos pesados diesel y menor número de turismos que la de Madrid, (2) el peso de los distintos sectores de actividad en el balance de emisiones total, que en Barcelona y el noreste peninsular refleja una mayor actividad industrial frente a Madrid y el centro de la Península, (3) las distintas contribuciones de los procesos atmosféricos a la concentración final de contaminantes, la cuantificación de dichos procesos permite definir patrones de circulación característicos de zonas costeras y con una orografía muy compleja en el área de Barcelona, mientras que en Madrid, el comportamiento es más simple, (4) el régimen de sensibilidad química, que es diferente en ambas ciudades, determina la respuesta del O3 troposférico a la disminución de emisiones de NOx. El efecto de las estrategias estudiadas es positivo en términos de concentración de NO2, SO2 y PM10, siendo éstas menores que en el escenario base (sin cambios). Sin embargo, el alcance depende en gran medida de las flotas específicas afectadas y del área urbana que se considere. La introducción de vehículos a gas natural constituye una medida eficaz para reducir los niveles de SO2 y PM10 en las ciudades. El uso de biodiesel B20 disminuye fundamentalmente la concentración de SO2, aunque puede conllevar un ligero incremento de concentración de NO2. El uso de vehículos híbridos reduce fundamentalmente las emisiones de NOx, lo que produce una disminución de los niveles de NO2 urbanos. En Madrid este hecho tiene efectos positivos en la concentración de O3 local, sin embargo en Barcelona la disminución de emisiones de NOx supone un incremento del O3 local en todos los casos. La limitación de velocidad a 80 km h-1 en el área de Barcelona reduce los niveles de NO2 y PM10, sobre todo en las zonas directamente afectadas por la medida. La introducción en el modelo de velocidades de circulación horarias, en lugar de la velocidad constante previamente considerada, ha permitido determinar estos cambios en calidad del aire de manera más precisa, teniendo en cuenta patrones de circulación reales y el efecto de la congestión. En general las estrategias seleccionadas tienen efectos positivos en zonas a sotavento de las ciudades, incluso en el caso del O3. La aplicación de modelización atmosférica con alta resolución es una herramienta útil para determinar cuantitativamente los efectos de estrategias de reducción de emisiones de tráfico. Los inventarios de emisiones detallados y la disponibilidad de factores de emisión para nuevas tecnologías o combustibles alternativos son un factor clave para este tipo de desarrollos. / The urban air pollution affects human health, causes damage to ecosystems and transboundary air pollution. The southern Mediterranean region and specifically the Iberian Peninsula are commonly affected by highly polluted episodes. The high O3 levels, and specifically the NO2 and PM concentrations in urban areas, are of special concern, frequently exceeding the European air quality targets. On road traffic is the main source of anthropogenic emissions in the urban environment. Different strategies addressed to reduce this contribution are being currently implemented and tested. The quantitative assessment of their effects in advance is fundamental to help decision makers. Air quality modelling is the most suitable tool to perform this kind of evaluations. This PhD Thesis proposes the use of the mesoscalar WRF-ARW/HERMES/CMAQ modelling system with high resolution to test in advance such strategies for on-road traffic emissions abatement. It focuses on the two most populated urban areas of Spain, Barcelona and Madrid, which constitute a typically coastal and continental environment. The 17-18 June, 2004 is chosen as the study case. It fits in a poor air quality situation in both areas but also in an usual traffic circulation pattern (working days). Several feasible short-term strategies are selected and implemented in the emission model in the most realistic way as possible. They include: use of alternative fuels, such as natural gas or biodiesel, introduction of new technologies, such as hybrid electric vehicles, and urban management schemes, such as speed circulation limit. They are evaluated in terms of emissions, fuel consumption and air quality changes in the urban areas and at a regional scale, over the North-eastern and Central Iberian Peninsula. The effects of these strategies depend on the study areas. The factors that condition these differences are mainly: (1) the specific vehicle fleet composition, having Barcelona a larger proportion of diesel and commercial vehicles and lower quantity of passenger cars than Madrid; (2) the different contributions of the activity sectors to anthropogenic emissions, which in Barcelona and the North-eastern Iberian Peninsula reflect a heavier industrial activity against Madrid and the Central Iberian Peninsula region; (3) the different contributions of atmospheric processes leading to the concentration of pollutants; their quantification leads to the observance of characteristic transport patterns of a coastal area and very complex terrains in Barcelona, and a much simpler behaviour in Madrid, a typically continental area; (4) the chemical sensitivity regime also differs, which particularly affects the O3 response to NOx abatement strategies. The effect of all the tested strategies in urban NO2, SO2 and PM10 concentrations is positive, being lower than in the base case. Nevertheless the extent of this effect largely depends on the affected fleets and on the urban area of application. The introduction of natural gas vehicles proved to be specifically effective in reducing SO2 and PM10 concentrations in Barcelona and Madrid areas. The introduction of biodiesel as a fuel would slightly affect the urban air quality levels, improving mainly the SO2 levels. The use of hybrid cars affects the NOx emissions considerably, reducing NO2 urban levels. Moreover in Madrid it causes a noticeable reduction in the local O3 concentrations. The Barcelona photochemical regime involves local O3 concentrations increase when reducing NOx emissions. The introduction of an 80 km h-1 speed limit in the Barcelona area reduces NO2 and PM10 levels, specifically in the zones affected by the measure. The inclusion in the model of hourly speed data from measurement campaigns instead of the previously constant speed considered, allowed assessing the gains of such a measure in a more realistic manner, taking into account real circulation patterns and the congestion effect. The effects of the selected strategies are always positive in downwind areas, even in terms of O3 concentration. The application of high resolution modelling proved to be a useful tool to quantitatively asses the effect of management strategies. The detailed emissions inventories and the availability of emission factors for new technology vehicles or alternative fuels are key factors to this kind of developments.

During the last years, the implementation of new Wastewater Treatment Plants has lead to a significant increase of sludge production. As a response, sludge valorisation in agriculture is the preferred option nowadays, ensuring the return of organic constituents, nutrients and microelements to crop fields. In practice, sludge treatments should provide a final product suitable for land application, with reasonable investment as well as operational and maintenance costs. In this sense, sludge treatment wetlands (STW) appear as a suitable technology for sludge management from an economic and environmental point of view. The main objective of this research work was to assess the suitability of STW for sludge management; with special focus on small communities of the Mediterranean Region. To this end, technical, environmental and economic aspects of the treatment were studied in 3 full-scale systems and in a pilot plant located in Catalonia. A comparison with conventional treatments for sludge management is presented in order to establish the most favourable solution for the Catalan context. As the final result from this work, design and operation criteria are proposed as a guide for STW implementation in small Mediterranean communities. The study of the performance of the full-scale STW suggests good treatment efficiency. Moisture content was reduced by 16-30%, reaching efficiencies similar to those of conventional dewatering technologies. On the other hand, VS were reduced up to 30-49%VS/TS, suggesting the progressive sludge stabilisation and mineralisation. Similar values were found at the end of the treatment in the pilot plant. In this case the sludge volume was reduced around 80% and TS increased up to 16-24%. However, the observed VS reduction (up to 50%VS/TS) after 2 months without feeding, indicates that longer resting periods should be applied in order to increase mineralisation of the sludge. A finite element model able to simulate sludge dewatering in STW was developed by combining the evapotranspiration (ET) and the Terzaghi¿s consolidation theory representing water percolation. The model allows for the determination of the most appropriate feeding frequency as a function of the sludge height stored on the wetland. Similarly, the sludge loading rate is determined as a function of ET, feeding frequency and sludge height. On the whole, the model implemented is a useful tool for the establishment of standardised criteria of STW operation. The characterisation of the final product from the pilot plant and from three full-scale systems demonstrated the suitability of biosolids as organic fertilisers. DRI values indicated the partial stabilisation of the product. Moreover, the absence of phytotoxicity and the heavy metals concentrations below the legal thresholds confirmed their viability to be reused in agriculture. However, in the pilot plant, pathogens were still present after 2 resting months, confirming the necessity of a longer resting period. Monitoring the stabilisation degree as phytotoxicity, heavy metals and pathogens' concentration during the final resting period would help optimising its duration. Looking at the environmental aspects, the static chamber method was successfully adapted to the determination of gas emissions from STW. Aerobic conditions before sludge feeding, characterised by low methane emissions and high nitrous oxide emissions, were strongly altered by fresh sludge feeding, which increases CH4 emissions and reduces N2O emissions. According to the measured emissions, the Global warming potential of STW corresponds to 17kgCO2eq/PE¿y, which is from 2 to 9 times lower than that of sludge centrifugation and transport. Besides,the economic and environmental assessment indicates STW with direct land application as the most cost-effective technique, which is also characterised by the lowest environmental impact.Thus STW are the best solution to manage waste sludge in decentralised small communities.

El trabajo realizado en esta tesis doctoral se basa en caracterizar la variabilidad espacial y temporal que presenta el plasma que se encuentra en la alta atmósfera, región conocida como la ionosfera, mediante el modelado de las leyes físicas que rigen su comportamiento. El parámetro más relevante a la hora de estudiar a la ionosfera es la densidad de electrones, cuya presencia se debe a la ionización de varias de las componentes neutras de la atmósfera al absorber la radiación solar ultravioleta, dando como resultado pares de electrón-ion libre. Luego, como por cada electrón existente en la ionosfera se encuentra un ion, la densidad de electrones libre es simplemente igual a la suma sobre las densidades de las distintas especies ionizadas. Dado que la distribución de los iones es inhomogénea respecto de la altura, la densidad de los electrones está controlada por distintas especies en función de la altura. Por esta razón, en lugar de tratar de modelar de manera directa la densidad de electrones, se la modela de manera indirecta, al calcular la densidad de las especies ionizadas. Este procedimiento permite un mejor entendimiento de los distintos procesos físicos y químicos que suceden en las distintas regiones de la ionosfera. Para este trabajo se eligío modelar 7 especies ionizadas que abarcan las diferentes regiones de la ionosfera: NO+, N2 + y O2 + para modelar la región E y la parte baja de la región F, el O+ y el N+ para modelar la región F y el He+ y el H+ para modelar la región por encima de la capa F. La ecuación que regula el comportamiento de la densidad es la llamada “ecuación de continuidad”, en la que se tiene en cuenta varios procesos: i) la producción de iones por fotoionización y reacciones de intercambio, ii) la pérdida de iones debido a interacciones químicas con los electrones y con los elementos neutros de la atmósfera, iii) efectos de transporte por movimientos convectivos originados en la interacción entre el campo magnético terrestre, los campos eléctricos presentes en la ionosfera y la acción de los vientos neutros. Se elige un sistema coordenado asociado con el campo magnético de la Tierra lo que permite llevar el problema de 3 dimensiones a 2 dimensiones y presenta la ventaja de desacoplar los movimientos en las direcciones paralela y perpendicular a las líneas de campo magnético. Como las especies ionizadas interactúan entre si a través de reacciones químicas y de colisiones, las ecuaciones para cada especie están acopladas y es necesario resolver el sistema en forma simultánea. De este manera, el sistema a resolver queda conformado por ecuaciones diferenciales parciales en su forma conservativa. Se utiliza el Método de Volúmenes Finitos con un esquema de <i>upwind</i> para su resolución. El resultado final es un modelo que permite estimar el comportamiento que presenta la ionosfera a latitudes bajas y medias a través de la evolución temporal y espacial de las densidades para 7 especies ionizadas y para los electrones sin la necesidad de alimentarlas con mediciones.

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En ese sentido, considerando que un principio importante en la enseñanza y aprendizaje de la biología se refiere al reconocimiento de que, en ella, las estructuras y los procesos en los diversos niveles de organización, a menudo, se estudian y explican mediante modelos, conviene abordar la termorregulación como un modelo de mecanismo. Bajo esas consideraciones, desarrollamos una investigación de diseño educacional (educational design research) que se trata de un estudio sistemático de diseño, desarrollo, evaluación y mantenimiento de una intervención educativa. Tuvo como objetivo identificar y perfeccionar principios de diseño de una secuencia que, apoyada en el videojuego Calangos, pueda plantear elementos o condiciones favorables para que los estudiantes de noveno grado de educación básica secundaria comprendan la regulación de la temperatura en animales vertebrados terrestres como un mecanismo homeostático en el que participan de manera conjunta y coordinada varios órganos, sistemas, fenómenos físicos y comportamientos. Incluimos en la secuencia el videojuego Calangos porque es pertinente en el desarrollo de actividades de modelización, en vista de que se han reportado resultados favorables a partir de su uso en la enseñanza y el aprendizaje de termorregulación y porque sus características son consistentes con objetivos de aprendizaje centrados en el desarrollo de habilidades propias de la actividad científica. Elaboramos dos prototipos de de la secuencia didáctica compuesta por nueve actividades (dos apoyadas en Calangos), los cuales fueron evaluados en dos ciclos de implementación que permitieron definir y consolidar ocho principios de diseño para una intervención educativa que tenga como objetivo: la elaboración de modelos sobre termorregulación en vertebrados terrestres desde una visión del fenómeno como un mecanismo homeostático, para, a partir de ello, promover habilidades para la actividad científica. Los principios son presentados en sus aspectos sustantivos y procedimentales, se centran en: a) Presentar explicaciones sobre aspectos centrales de un mecanismo biológico y cómo los científicos elaboran modelos de ellos. b) Abordar termorregulación en conexión con la homeóstasis. c) Seguir las etapas centrales del proceso de modelización propuestas por Justi (2006), y, d). Usar el videojuego Calangos como contexto para que los estudiantes puedan hacer observaciones básicas del fenómeno y desarrrollar actividades experimentales para testear el modelo. / Raciocinar sobre sistemas e entender mecanismos individuais que são parte de fenômenos globais é uma dificuldade frequente no ensino e aprendizagem da biologia. Para os estudantes, é difícil entender fenômenos como homeostase, porque vários mecanismos e submecanismos envolvidos não são percebidos pela observação de suas manifestações e atributos do lado de fora dos organismos vivos ou envolvem uma apreciação dinâmica. Em relação à regulação da temperatura, os alunos identificam as consequências e respostas à perda de estabilidade, mas ignoram os processos fisiológicos que produzem o fenômeno. Neste sentido, considerando que um princípio importante no ensino e aprendizagem da biologia refere-se ao reconhecimento de que, nela, as estruturas e processos nos vários níveis de organização são frequentemente estudados e explicados através de modelos, é conveniente abordar a termorregulação como um modelo de mecanismo. Neste contexto, realizamos uma pesquisa de design educacional (educational design research) que é um estudo sistemático de design, desenvolvimento, avaliação e manutenção de uma intervenção educativa. Seu objetivo era identificar e aperfeiçoar princípios de design de uma sequência, que inclui o jogo eletrônico Calangos em suas atividades, e possa levantar elementos ou condições favoráveis para que alunos do último ano do ensino fundamental compreendam regulação da temperatura em animais vertebrados terrestres como um mecanismo homeostático no qual vários órgãos, sistemas, fenômenos físicos e comportamentos participam de maneira coordenada e conjunta. Incluímos o jogo eletrônico Calangos pois é relevante no desenvolvimento de atividades de modelagem, tendo em vista os resultados favoráveis na aprendizagem da termorregulação e porque suas características são consistentes com os objetivos de aprendizagem focados no desenvolvimento de habilidades específicas para a atividade científica. Desenvolvemos dois protótipos da sequência didática que possui nove atividades (duas incluem o jogo eletrônico Calangos). A sequência foi avaliada em dois ciclos de intervenção onde definimos e consolidamos oito princípios de design para uma intervenção educacional que visa: o desenvolvimento de modelos de termorregulação em vertebrados terrestres a partir de uma visão do fenômeno como mecanismo homeostático, para, a partir daí, promover habilidades para a atividade científica. Os princípios são apresentados em seus aspectos substantivos e procedimentais. Eles estão focados em: a) Apresentar explicações sobre os aspectos centrais de um mecanismo biológico e como os cientistas elaboram modelos deles. b) Abordar a termorregulação em relação à homeostase. c) Acompanhar os estágios centrais do processo de modelagem proposto por Justi (2006) e, d). Usar o jogo eletrônico Calangos como um contexto para que os alunos possam fazer observações básicas do fenômeno e desenvolver atividades experimentais para testar o modelo.

En esta investigación hemos estudiado, por primera vez, microclimas kársticos como sistemas dinámicos no lineales. En particular, hemos analizado y modelizado los microclimas de las cuevas españolas de Altamira y El Rull y sus conexiones con el clima exterior. Con este objetivo, hemos utilizado la técnica de modelización global, la cual pretende extraer modelos directamente de datos observacionales. Esta técnica está bien adaptada al estudio de sistemas complejos reales y se apoya en los teoremas de embedding. El embedding permite, en principio, reconstruir sistemas usando las variables disponibles y algunas de sus derivadas; por tanto, abre la posibilidad de modelizar microclimas kársticos incluso si algunas variables de estado no están disponibles o no pueden medirse en la práctica. También ha demostrado ser aplicable a series temporales muy cortas, lo cual constituye también una ventaja en comparación con otros tipos de modelización. Los microclimas de cuevas están dirigidos por el clima exterior. La variedad de climas externos y de configuraciones de las cavidades lleva a una variedad de microclimas kársticos. No obstante, uno de los controles más relevantes es normalmente la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. En general, los microclimas kársticos son muy estables en relación a variables como la temperatura o la humedad (comparadas con las exteriores). Por el contrario, los niveles de CO2 y 222Rn en el aire muestran notables oscilaciones estacionales a lo largo del año, por lo que estos gases son adecuados para caracterizar las dinámicas de las atmósferas de cuevas. Los microclimas de cuevas se suelen entender como la superposición de componentes deterministas y estocásticas. La hipótesis de una componente determinista frecuentemente se considera ineludible porque es una hipótesis habitual en la física clásica y porque las aproximaciones que permiten detectar determinismo a partir de datos observacionales son escasas. El haber encontrado modelos en forma de conjuntos de ecuaciones diferenciales evidencia fuertemente que los microclimas kársticos son, de hecho, deterministas y pueden ser razonablemente aproximados mediante sistemas deterministas de baja dimensión. Además, proponemos que su complejidad en realidad proviene de su sensibilidad a condiciones iniciales y perturbaciones (lo que se conoce indistintamente como comportamiento determinista-caótico o comportamiento caótico). Aunque algunos de nuestros modelos sólo capturan la parte periódica de la dinámica, un ligero afinado de un coeficiente fue suficiente para encontrar modelos que convergen a atractores caóticos y que son más coherentes son el comportamiento no trivial de los retratos de fase observacionales. Esto indica que los microclimas de Altamira y El Rull son caóticos o cercanos al caos. Además, todos lo modelos muestran largos transients, lo que indica que pequeñas perturbaciones pueden lanzar el sistema a un estado de caos transitorio. En todos los casos, la fuente de caos es el clima exterior (un sistema caótico de alta dimensión bien establecido), mientras que el karst reduce la dimensionalidad debido a su efecto aislante, lo cual lleva dinámicas de menor dimensión, capturadas por los modelos. Hasta ahora la evolución temporal de las concentraciones de CO2 y 222Rn en cuevas y su relación con el clima externo se ha abordado predominantemente mediante aproximaciones estadísticas, las cuales no pueden garantizar la existencia de relaciones causales. Se han propuesto algunos modelos matemáticos para el estudio de microclimas, pero son locales (aplicables sólo a fragmentos de las series temporales), estáticos o se centran en algún aspecto particular (por ejemplo, el descenso de CO2 inmediatamente después de una visita turística). Por primera vez, hemos encontrado sistemas de ecuaciones diferenciales representan de forma global estos microclimas kársticos (aunque las oscilaciones diarias y de alta frecuencia no se han considerado en este estudio). Es más, aunque restringidos a ambientes kársticos, estos son los primeros modelos dinámicos climáticos extraídos directamente de datos observacionales, ya que todos los anteriores se basan en consideraciones teóricas. Para Altamira, encontramos modelos basados en variables internas. Para ambas cuevas encontramos modelos que relacionan las variables internas y los forzamientos externos (la humedad del suelo para Altamira, el número de visitantes diarios para el Rull y la temperatura exterior para ambas). Otra innovación introducida en esta investigación es el uso de series temporales observacionales como forzamientos externos (temperatura exterior, humedad del suelo y número de visitantes). Por primera vez en el estudio de un fenómeno real, se han presentado modelos globales formulados de forma no-autónoma. Esto ha permitido reducir la complejidad del proceso de búsqueda y validación de modelos, así como la posterior reinyección de esta complejidad original en los modelos. Es más, ha permitido el estudio de la respuesta de los microclimas kársticos a diferentes escenarios climáticos hipotéticos. En conclusión, el hallazgo de estos modelos es un notable paso adelante en el estudio de las cuevas de Altamira y El Rull, así como una exploración metodológica que ha abierto caminos fructíferos para el futuro de la investigación de microclimas kársticos.

En esta tesis se ha estudiado el equilibrio de fases en sistemas formados por agua, distintos alcoholes de cadena corta y diferentes sales inorgánicas tanto desde el punto de su determinación experimental como el de su modelización termodinámica. Los resultados obtenidos han sido publicados en 10 artículos en revistas de prestigio internacional en el campo de la termodinámica que son compendiados en el trabajo presentado. En una primera parte se ha determinado la LCST (low critical solution temperature) y se ha estudiado la influencia de las distintas variables en el valor obtenido sobre sistemas en los que los alcoholes seleccionados son los cinco de cadena corta miscibles totalmente con el agua: metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol y tert-butanol y en los que la presencia de sal podría hacer que formaran ATPS (Aqueous Two-Phase Systems). Las dieciséis sales elegidas fueron aquellas combinaciones de los cuatro aniones y cuatro cationes más usuales: Na+, K+, NH4+ y Ca2+ y Cl-, NO3-, SO42- y CO32-. En una segunda parte del trabajo se ha llevado a cabo la determinación experimental de los datos de equilibrio SL, LL, SLL, LV, SLV, LLV y SLLV de algunos de los sistemas anteriores a diferentes temperaturas, incluyendo la de ebullición. Para ello, se ha analizado y modificado el equipo y metodología disponible y, con los resultados obtenidos, se ha estudiado la forma de las distintas regiones de sus diagramas de equilibrio y estableciendo reglas de consistencia de los datos de equilibrios de estos sistemas. Finalmente, se ha estudiado la problemática de la aplicación de modelos termodinámicos para electrolitos, especialmente en relación a la correlación de datos de equilibrio y se han obtenido los parámetros de interacción entre los distintos compuestos estudiados, usando el modelo termodinámico UNIQUAC extendido para electrolitos. Este conjunto de parámetros representa el equilibrio LL, LV y SL con gran precisión siendo el modelo capaz de predecir los equilibrios SLLV, SLL, LLV, SLV y SV. / Estudios financiados por el Vicerrectorado de Investigación de la Universidad de Alicante (contrato predoctoral UAFPU2019-21 + estancia en el extranjero UAEEBB20-04) y por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO CTQ2014-59496).