Las emisiones en el ambiente pueden provenir de fuentes naturales o causadas por los seres humanos. Sin embargo, las emisiones ocasionadas por los seres humanos son mucho más peligrosas y aceleran la destrucción del planeta. Los gases provenientes del transporte, industrias e, incluso, viviendas son en su mayoría el dióxido de carbono, el material particulado, oxido de azufre y oxido de nitrógeno. El material particulado sobre los humanos causa enfermedades que se podría llegar hasta la muerte. La mayoría de las enfermedades son respiratorias y cardiovasculares, son de categoría agudas, acumulativas y crónicas. Debido al pequeño tamaño que obtiene las sustancias químicas, pueden ingresar fácilmente al aparato respiratorio deteriorando profundamente los pulmones y el resto del organismo. La primera vez que se reporto un incidente debido al material particulado fue en 1943 en los Ángeles. El presente proyecto propuesto es visto como un primer escalón para interesar a la empresa y convencer la oportunidad de una nueva época segura, medioambiental y económica. La propuesta de los Domos es para la empresa la propuesta más tentativa actualmente.

Memoria para optar al título profesional de: Ingeniero Agrónomo Mención: Manejo de Suelos y Aguas

In the study of the dispersion of contaminants in the atmosphere by computational simulations, the Eulerian approach, based in the diffusionadvection equation, is largely employed. In these simulations, concentration values are calculated at each point of a fixed grid in space and time and for this to be done it is necessary to determine an appropriated eddy diffusivity to the planetary boundary layer under consideration. The aim of this work is to describe the decay of turbulence in the residual layer and to derive the corresponding eddy diffusivity for the case of a homogeneous (in the horizontal plane) and isotropic turbulent flow neglecting mechanical and thermal production effects. The decay of turbulence is described as a process in which eddies of a certain size loss their energy by the effect of an eddy viscosity associated with the smallest eddies through a cascade of interactions of local character in the sense of Heisenberg s model. The eddy diffusivities are calculated by considering the dispersive effects of the energy-containing eddies on the basis of Taylor s statistical diffusion model. Considering the hypothesis that the law of decay of the energy spectral density function associated with the ith axis of the reference system is similar to the law of decay of the tridimensional energy spectral density function, the corresponding variance of the turbulent part of the velocity and the corresponding eddy diffusivity are calculated. These quantities, in particular for the vertical axis, are compared with results of large eddy simulations (LES) showing very good agreement. Finally, incorporating the calculated eddy diffusivity in a Eulerian model, the effect of turbulence in the vertical dispersion of an passive scalar contaminant in the residual layer is described for the special case of a instantaneous bidimensional emission source (area source) at a certain height over land and zero mean wind velocity. / No estudo da difusão de um contaminante na atmosfera por meio de simulações computacionais é bastante utilizada a perspectiva euleriana, baseada na equação da difusão-advecção. Nessas simulações, os valores de concentração são calculados em cada ponto de um retículo fixo no espaço e no tempo e para que isso possa ser feito, é necessário determinar a difusividade turbulenta (coeficiente de difusão turbulento) para o tipo de camada limite planetária em questão. O objetivo desse trabalho é descrever o decaimento da turbulência na camada residual e derivar a correspondente difusividade turbulenta no caso de um escoamento turbulento homogêneo (no plano horizontal) e isotrópico, desprezando os efeitos mecânicos de cisalhamento e térmicos das correntes de convecção. O decaimento da turbulência é descrito como um processo em que os turbilhões de certo tamanho perdem energia por efeito de uma viscosidade cinemática turbulenta associada aos turbilhões menores através de interações em cascata de caráter local nos moldes do modelo de Heisenberg. A difusividade turbulenta é calculada pelos efeitos dispersivos dos turbilhões energéticos com base no modelo estatístico de Taylor. Com a hipótese de que o decaimento da função densidade espectral de energia unidimensional associada ao i-ésimo eixo do sistema de referência é similar à lei de decaimento da função densidade espectral tridimensional, calcula-se a correspondente variância da componente turbulenta da velocidade e a correspondente difusividade turbulenta e essas grandezas associadas ao eixo vertical, em particular, são comparadas com resultados obtidos por simulação numérica de grandes turbilhões (LES) mostrando uma concordância muito boa. Finalmente, incorporando a difusividade turbulenta calculada num modelo euleriano, descreve-se o efeito da turbulência na dispersão vertical de um contaminante escalar passivo na camada residual no caso especial de uma fonte bidimensional (fonte área) com emissão instantânea situada a uma certa altura acima do solo e na ausência de vento.

En el contexto del cambio climático, Chile se ha comprometido ante la comunidad internacional a reducir al año 2020 el 20% de sus emisiones de GEI. De igual forma el país se comprometió a que un 20% de la energía generada el año 2020, será en base a fuentes de energía renovables no convencionales. El objetivo de este trabajo de memoria es desarrollar un marco metodológico para una evaluación costo-efectiva de las medidas de mitigación que conducirán en conjunto al cumplimiento de los objetivos nacionales, en un contexto donde existe incertidumbre sobre el comportamiento de las variables que determinan los resultados económicos de la aplicación de las medidas, y sus efectos en el futuro. Por esta razón, se realizó una evaluación estocástica de las medidas incorporando la incertidumbre en las principales variables y observando la dependencia de la volatilidad de los resultados a las variables estocásticas. Se utilizó una metodología combinada de, curvas de abatimiento –herramienta de apoyo a la toma decisiones que permite priorizar medidas de mitigación entregando costos de abatimiento y potenciales de mitigación- y simulación de Montecarlo. Esto permite entregar resultados estocásticos y comparar los resultados entre medidas asignando probabilidades al ranking de costo-efectividad de las medidas. Sin embargo se debe haber hincapié en la prolijidad de la determinación de los valores futuros de las distribuciones de probabilidad, dado que estos son determinantes en los resultados obtenidos. Los resultados indican que el cumplimiento de la meta de ERNC, genera ahorros del orden de MMUS$8.700, con desviación estándar de 1.625 millones. Mientras que se requiere una inversión del orden MMUS$6.180. El resultado indica que la configuración mas costo-efectiva es agregar 3.470 MW combinados de energía mini hidráulica, geotérmica, y eólica. El sector demanda por su parte genera ahorros del orden de US$8.000 millones con un intervalo de confianza de 90% de [11.000 , 5.800]. En base a estos resultados se concluyó que los ahorros de energía pueden pagar holgadamente las inversiones necesarias en ambos sectores. Se concluyó que, el principal causante de la volatilidad de los resultados es el precio de los combustibles (petróleo, carbón), por lo que se recomienda avanzar en precisar el comportamiento potencial de estas variables para acotar la volatilidad de los resultados. De igual forma se recomienda avanzar en el entendimiento de las oportunidades de mitigación de la industria del cobre, dado su gravitante participación en las emisiones y en el consumo energético del país.

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Doctor en Ciencias de la Ingeniería - Mención Fluidodinámica / En los últimos años se ha registrado un creciente interés por aplicar Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) a flujos atmosféricos complejos. Esto debido a que el constante aumento de la capacidad computacional hace ahora más accesible la resolución numérica de este tipo de problemas multifísicos que consideran flujos altamente turbulentos, boyancia térmica, estratificación, y la geometría compleja con la que interactúa la circulación atmosférica cerca del suelo. En esta tesis nos enfocamos en desarrollar y aplicar un solver CFD capaz de simular flujos atmosféricos en condiciones convectivas sobre geometrías complejas, que pueda considerar la compleja topografía que caracteriza la mayoría de los entornos naturales. Como plataforma usamos el software de código abierto OpenFOAM, enfocando su aplicación a la dispersión de contaminantes que ocurre dentro de rajos mineros de grandes dimensiones, la cual está controlada por la interacción de procesos netamente mecánicos producidos por la geometría de la cavidad, y procesos convectivos determinados por el flujo de calor desde la superficie del suelo. Para permitir la incorporación de geometría compleja en las simulaciones, sin perder la capacidad de resolver en detalle la turbulencia, utilizamos un modelo del tipo DES (detached eddy simulation), el cual permite aprovechar las capacidades de la técnica LES (large eddy simulation) en las zonas con turbulencia desarrollada lejos de las paredes, y reducir la demanda computacional en las zonas complejas cerca de las paredes mediante aproximaciones del tipo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Para incorporar el efecto de la estratificación usamos una formulación que incluye la densidad como una variable de cálculo en el sistema de ecuaciones, facilitando así el estudio de flujos boyantes. Definimos condiciones de borde e iniciales específicamente desarrolladas para el problema. La primera parte de este trabajo, que incluye el desarrollo del modelo y su validación mediante diferentes casos experimentales y numéricos bien documentados, permitió comprobar la validez de usar OpenFOAM para estudiar este tipo de problemas multifísicos. Además fue posible corroborar la eficiencia de la técnica DES, capaz de resolver en detalle mediante la técnica LES la turbulencia atmosférica lejos del suelo, donde los flujos convectivos tienen más relevancia, y simular con precisión la interacción del flujo con la geometría superficial de manera económica mediante la técnica RANS. La segunda parte, que considera la aplicación del modelo al caso de Chuquicamata, uno de los rajos mineros más grande del mundo, permitió estudiar el efecto de la boyancia térmica sobre la dispersión de contaminantes tanto dentro como fuera del rajo, en condiciones ideales y reales. En particular, se concluye que las corrientes convectivas producidas por el flujo de calor desde la superficie reducen el efecto de la recirculación mecánica que se genera al barrer el flujo sobre la cavidad, lo que aumenta considerablemente la salida de partículas desde el interior de la cavidad, reduciendo su tiempo de vida dentro del rajo. Este efecto, unido a la importancia que se comprobó tiene la geometría 3D del rajo sobre la circulación, puede ser útil para el eventual desarrollo de sistemas de ventilación que incorporen estos aspectos.

Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / El rol de la cordillera de la costa en la distribución y montos de precipitación en Chile central (32°-35°S) es un aspecto que se ha mantenido hasta ahora sin estudiar. En este trabajo, se analiza de qué manera la presencia de la topografía costera impacta en estos aspectos para la región de Chile central durante el paso de una tormenta cálida ocurrida en Mayo de 2012 y una tormenta fría ocurrida en Agosto de 2012. Las distintas configuraciones sinópticas asociadas a cada evento, hacen que el rol de la topografía sea distinto en cada caso. Para analizar el rol de la topografía costera, se realizan simulaciones en WRF con resolución horizontal de 3 km, las cuales son alimentadas con condiciones de borde provenientes de los campos CFSR de alta resolución horizontal (0.5° x 0.5°) y una topografía variable para cada evento. Dichas variaciones, consisten en mantener la topografía completa; mantener sólo la cordillera de Los Andes; mantener sólo la cordillera de la costa y la remoción completa de topografía sobre la región de estudio. Se encuentra que la cordillera de la costa, en el caso cálido, suministra una barrera responsable de aumentar (disminuir) la precipitación en la ladera a barlovento (sotavento) configurándose así zonas de sombra orográfica en la precipitación y que afecta principalmente a la cuenca de Santiago, situada a sotavento de la cordillera de la costa. En este sector, la precipitación puede ser, al menos, un 50% menor respecto a lo registrado a barlovento mientras que en el caso frío, la distribución espacial de la precipitación adquiere un patrón más homogéneo y asociado principalmente a la presencia andina, sin mayores diferencias en las laderas a barlovento y sotavento de la cordillera de la costa. La diferencia en la respuesta orográfica costera a la precipitación entre ambos casos, se debe principalmente a que durante el desarrollo de la tormenta cálida existe una continua advección de aire húmedo hacia la región de estudio, mientras que durante la tormenta fría persisten cerca de la superficie la presencia de un bloqueo y de condiciones más estables que en el caso cálido. Por otro lado, no se obtuvo evidencia de un retraso en el avance de la actividad frontal por efecto topográfico, aunque sí pudo asociarse a la presencia andina el aumento en la persistencia de los eventos de precipitación al sur de 35°S. Finalmente, la precipitación asociada a la combinación cordillera de Los Andes y cordillera de la costa por sí solas, no logra representar la precipitación total de ninguno de los eventos, por lo que efectos no lineales en la relación precipitación-altura serían importantes en la distribución y montos de precipitación en la zona de estudio.

Magíster en Meteorología y Climatología / La temperatura en terrenos complejos está controlada por elementos fisiográficos y por flujos que modifican los balances locales de energía, generando fuertes contrastes de temperatura. En esta investigación se analizó un contraste de temperatura entre estaciones ubicadas a similar altitud y un contraste entre laderas, observados sobre la cordillera de Nahuelbuta, centro-sur de Chile. Para esto, se utilizaron datos de temperatura registrados por la red de estaciones AFEX, imágenes MODIS y reanálisis. Además se modelaron las condiciones de mesoescala con el modelo WRF. Los resultados indican que WRF no captura totalmente la diferencia de temperatura entre estaciones ubicadas a similar altitud, pero sí el contraste de temperatura entre el sector sur y norte de la cordillera. Este contraste se originaría por la actividad ondulatoria, resultado de la interacción entre el viento sureste y la montaña. Esta onda está asociada a subsidencia, que sumado al contraste térmico tierra-mar, produce una diferencia de temperatura del aire entre el sector norte, más cálido y el sector sur, más frío. Esta diferencia de temperatura en altura se manifiesta en superficie por el flujo de calor desde estas capas superiores, que se ve favorecido por una intensificación del viento producido por la actividad ondulatoria.

O objetivo deste trabalho foi o analisar o impacto da resolução dos conjuntos de dados topográficos nas simulações das concentrações de dióxido de enxofre (SO2) emitido por uma fonte localizada no Sul do Brasil. Para isso foram realizadas duas simulações aplicando o modelo regional Weather Research and Forecasting acoplado com a química (WRF/Chem), configurado com duas representações do terreno de diferentes resoluções espaciais. Foram utilizados os dados padrão do modelo com melhor resolução, Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), com aproximadamente 1 km, e inserido no bancos de dados do modelo as informações de terreno em alta-resolução do Radar Shuttle Topography Mission (SRTM) (30 metros). Para as emissões antrópicas do modelo foi elaborado um programa capaz inserir os volumes do poluente SO2 de forma horária expelidos pela chaminé, de acordo com as taxas de emissão medidos diretamente na fonte. O programa representou a emissão do poluente no ponto de grade correspondente a localização e a altura acima da superfície da chaminé da fonte. As simulações foram configuradas com os seguintes esquemas de parametrização: para microfísica de nuvens foi utilizado o Goddard Cumulus Ensemble; os esquemas de radiação de onda longa e curta foram o Goddard e o Rapid Radiative Transfer Model para modelos de circulação geral da atmosfera (MCGA); para a parametrização de cumulus o esquema utilizado foi o Grell 3D Ensemble Scheme; e para os esquemas de camada superficial e camada limite planetária foram utilizados os da teoria da similaridade do Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) e o Yonsey University, respectivamente. A escolha desta combinação de esquemas foi definida a partir de um estudo inicial da sensibilidade do modelo à mudança das parametrizações. Os resultados dos experimentos numéricos alterando a topografia foram validados a partir dos dados de monitoramento das estações meteorológica e da qualidade do ar pertencentes à empresa responsável pelo empreendimento associado à fonte. Foi observado que as simulações com os dados SRTM expressaram o terreno da região de estudo mais próximo à realidade, representando o aspecto heterogêneo do relevo, ressaltando os picos e os vales. Os resultados das validações meteorológicas utilizando os dados topográficos indicaram melhoras nas simulações das variáveis meteorológicas: temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e precipitação. Os experimentos com os dados topográficos GTOPO e SRTM no modelo WRF/Chem, configurado com as emissões horárias da fonte de Candiota, reproduziram o comportamento dos ventos para transporte de SO2 até as estações de monitoramento conforme os dados observados. Porém foram identificados padrões diferentes na representação das concentrações do poluente entre as duas simulações do modelo, associados aos escoamentos dos ventos representados pelos experimentos. A resolução da topografia afetou na simulação de SO2 devido ao aumento da forçante superficial induzida pelo terreno. Este aumento na forçante, influenciou a advecção da pluma de SO2, resultando em diferentes padrões das concentrações de SO2 no ponto de grade correspondente às estações de monitoramento. Contudo, os resultados das simulações das concentrações de SO2, tanto de forma horária quanto na abordagem das médias diárias, não indicaram uma relação linear entre a utilização de dados em alta resolução e a melhora na representação do SO2 pelo modelo WRF/Chem. / The objective of this work was to analyze the impact of the higher resolution topographic data sets in the simulations of the Sulfur dioxide (SO2) concentrations emitted by a source located Southern Brazil. Two simulations were performed applying the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry – WRF/Chem, configured with two representations of the terrain with different spatial resolutions. The standard data of the model with the best resolution (approximately 1 km), Global 30 Arc-Second Elevation (GTOPO), and was inserted in the model databases the high-resolution (30 meters) terrain information of the Radar Shuttle Topography Mission (SRTM). For the anthropic emissions of the model, a program was developed capable of inserting the hourly SO2 pollutant volumes expelled by the chimney, according to the emission rates measured directly at the source. The program inserted these emissions into the grid point corresponding to the location and height above the surface of the emission source. The simulations were configured with the following parameterization schemes: for cloud microphysics Goddard Cumulus Ensemble; for the long and short wave radiation treatment it was used the Goddard and the Rapid Radiative Transfer Model for general circulation models; for the cumulus parameterization the scheme it was used the Grell 3D Ensemble Scheme; and for the surface layer and planetary boundary layer schemes, the similarity theory of the Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) and the Yonsey University, respectively. The choice of this combination of schemes was defined from an initial study of the sensitivity of the model to the change of parametrizations. The results of the numerical experiments altering the topography were validated from the monitoring data of the meteorological stations and the air quality belonging to the company responsible for the enterprise associated to the source. It was observed that the simulations with the SRTM data expressed the terrain of the region of study closest to reality, representing the heterogeneous aspect of the terrain, highlighting the peaks and valleys. The results of the meteorological validations using the new topographic data indicated an improvement in the simulations of the meteorological variables: temperature, relative humidity, wind speed and precipitation. The experiments with the GTOPO and SRTM topographic data in WRF/Chem model, configured with the hourly emissions of the Candiota source, reproduced the winds behavior that transported the SO2 to the monitoring stations according to the observed data. However, different patterns were identified in the pollutant concentrations between the two simulations of the model, associated to the wind flows represented by the experiments. The topography resolution affected in the simulation of SO2 due to the increase of the surface forcing induced by the terrain. This increase in the forcing influenced the advection of the SO2 plume, resulting in different patterns of SO2 concentrations at the grid point corresponding to the monitoring stations. However, the results of simulations of SO2 concentrations, both hourly and in the approach of daily averages, did not indicate a linear relationship between the use of high resolution data and the improvement in the representation of SO2 by WRF/Chem model.

Fortes chuvas e outros eventos climáticos podem afetar o fitness de plantas e insetos. Estudos recentes têm demonstrado que esses organismos são capazes de detectar súbitas variações da pressão barométrica que antecedem a condição climática adversa. Para os insetos, esta percepção é acompanhada de alterações comportamentais aparentemente adaptativas, como a redução do voo e chamamento para cópula. As plantas, por sua vez, respondem com a abertura dos estômatos, de maneira muito semelhante ao estresse hídrico, devido à ativação de rotas bioquímicas associadas ao ácido abscísico. O longo histórico co-evolutivo entre plantas e insetos herbívoros indica que alterações em um organismo reflete na resposta adaptativa do outro. Assim, mesmo que a variação na pressão barométrica afete apenas um dos organismos, a interação inseto-planta deve ser alterada, porém, esta abordagem nunca foi estudada. Utilizando como modelo o milho, Zea mays L. (Poales: Poaceae) e a lagarta-cartucho-do-milho, Spodoptera frugiperda (J.E. Smith, 1797) (Lepidoptera: Noctuidae), nós investigamos o desempenho alimentar do inseto e defesas induzidas de plantas intactas e com indução pela herbivoria frente a diferentes pressões barométricas. Para isso foram desenvolvidos dispositivos automatizados e os ensaios foram conduzidos dentro de uma câmara barométrica. As lagartas consumiram maiores áreas foliares em pressão baixa do que alta, porém o ganho de peso foi similar nas pressões testadas. Plantas intactas, danificadas pela lagarta e com aplicação do regurgito de S. frugiperda não produziram defesas induzidas pela pressão barométrica, apesar dos tratamentos com indução pelo herbívoro emitirem misturas mais complexa de voláteis comparado às plantas intactas. Além disso, plantas com indução mecânica apresentaram maiores níveis do fitohormônio ácido jasmônico. Nesse contexto, nós hipotetizamos que condições de estresse, como pressão baixa, aumentam o consumo foliar e taxa metabólica das lagartas, resultando em incremento de peso similar a condições não estressantes. Em contrapartida, plantas de milho aparentemente não utilizam a pressão como fator abiótico preditor de alterações climáticas e aumento de herbivoria. Para o melhor do nosso conhecimento, este foi o primeiro estudo a investigar os efeitos da pressão barométrica na interação planta-inseto herbívoro e os resultados obtidos podem repercutir na inclusão da pressão como fator que transmuta ensaios biológicos. / Severe raining and other climatic events can affect plant and insect\'s fitness. Recent studies have shown that these organisms are able to detect sudden barometric pressure variations that generally precede an adverse climatic condition. For insects, this perception is followed by behavioral modifications that are apparently adaptive, as, for instance, the reduction in flights and the calling for mating. Plants, in turn, respond with stomata opening, similar to hydric stress, once biochemical routes associated to the abscisic acid are activated. The historical co-evolutive process between plants and herbivore insects indicate that changes in one organism reflects in the adaptive responses of the other. In that sense, even if the fluctuation of the barometric pressure has direct effects in a single organism, the insect-plant interaction may be altered. However, this approach has never been examined. Taking as models maize plants, Zea mays L. (Poales: Poaceae), and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda (J.E. Smith, 1797) (Lepidoptera: Noctuidae) we have investigated the feeding performance and induced defences of intact and herbivore-induced plants under different barometric pressures. For that, we developed automated devices and the assays were conducted inside of a barometric chamber. The fall armyworms larvae consumed greater leaf areas under low than high pressures, but the weight gain was similar among the pressures tested. Wound-induced maize did not displayed defenses by the barometric pressure changes, although the treatments with herbivore induction have emitted more complex volatiles blends when compared to intact maize. Besides that, plants with mechanical damage presented higher levels of the phytohormone jasmonic acid. In this context, we have hypothesized that stress conditions by low pressures increase the leaf area consumption by S. frugiperda, possibly associated to higher metabolic rates of armyworms, resulting in a weight gain similar to the non-stress conditions. On the other hand, corn plants apparently do not use the barometric pressure as an abiotic predictor of climatic changes and increase of herbivory. To the best of our knowlegde this is the first study investigating the barometrtic pressure effects on plant-herbivore insect interaction. Our results may potencially impact in the inclusion of pressure as factor that reshape biological assays.