Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

A otimização de sistemas dinâmicos via métodos indiretos é bastante complexa e poderá exigir a utilização de programas computacionais para a solução de problemas de valor de contorno os quais podem não ser tratáveis analiticamente. Um dos principais problemas é a determinação das variáveis adjuntas para problemas com tempo final fixo e todos os vínculos terminais das variáveis de estado fornecidos. Este trabalho busca a determinação das trajetórias sub-ótimas do estado e das variáveis adjuntas para a classe de funcionais de custo quadrático ou expansíveis por série de Taylor até a segunda ordem, bem como o sinal de controle sub-ótimo. Propõe-se neste trabalho um novo método heurístico (LINQUAD) baseado nas técnicas dos extremais de vizinhança, regulador linear quadrático, regulador linear quadrático gaussiano e método da segunda variação. Os resultados com a utilização deste novo método servem como estimativas para a solução ótima obtida através do método dos Múltiplos Tiros. O problema principal a ser solucionado é o da reentrada de veículos espaciais na atmosfera terrestre considerando perturbações estocásticas nas variáveis de estado e de medida e um algoritmo é apresentado para a utilização deste novo método.

Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

Questões ambientais estão no centro das discussões nas últimas décadas. A poluição atmosférica, causada pela expansão pós-revolução industrial fez surgir a necessidade de aprender a descrever, usando modelos matemáticos, esse fenômeno. Com esse conhecimento pode-se propor soluções que mitiguem a poluição e os danos colaterais causados ao ambiente. A dispersão de poluentes modelada por soluções analíticas, a partir das equações de advecção-difusão oferecem um conhecimento sobre cada componente que constrói a equação, característica inexistente em outras abordagens, como a numérica. Entretanto ela era incapaz de descrever propriedades que se referem à turbulência, as estruturas coerentes, causadas por componentes não-lineares suprimidas por construção das equações governantes do modelo. Este trabalho estudou uma forma de recuperar características associadas à turbulência através de uma componente fundamental em estruturas coerentes, a fase. Essa é incluída no modelo que passa a descrever manifestações da turbulência em processos de dispersão através de flutuações de pequena escala na concentração da solução do modelo sesquilinear, que é determinístico-estocástico. No decorrer do trabalho há um estudo através de variações de parâmetros para compreender os efeitos da fase no modelo. Ele também foi aplicado ao experimento de Copenhagen e a dois cenários reais com a intenção de compreender o modelo frente à variáveis micrometeorológicas assim como aprimorá-lo para simular a dispersão de poluentes oriundos de fontes de forma realística. / Environmental issues have been at the center of discussions in the last few decades. Atmospheric pollution, caused by post-industrial revolution, has increased the necessity to describe, using mathematical models, this phenomenon. With this knowledge is possible to propose solutions mitigating the pollution and collateral damages caused in the environment. The pollutant dispersion modeled by analytical solutions, from advection-diffusion equations, offers a knowledge about each component that constructs the equation, a characteristic that does not exist in other approaches, such as numerical. However it was unable to describe properties that refer to turbulence, coherent structures, caused by nonlinear components suppressed by constructing the model governing equations. This work studied a way to recover characteristics associated with turbulence through a fundamental component in coherent structures, the phase. This is included in the model which describes manifestations of turbulence in the dispersion process through the presence of small-scale concentration fluctuations in the sesquilinear model, which is deterministicstochastic. In the course of this work there is a study through variations of parameters to understand the phase effects in the model. It was also applied to Copenhagen experiment and to two real scenarios with the intention of understanding the model regarding micrometeorological variables as well as improving it to simulate the pollutant dispersion from sources in a realistic way.

É notório o fato de que o interesse pela detecção de vida fora da Terra tenha aumentado no mundo científico. A existência de possíveis traçadores biológicos na atmosfera terrestre, a presença de material vivo ou de material orgânico decomposto em superfícies e no mar aumentam as possibilidades de sucesso das pesquisas. A vida na Terra é encontrada em todas as partes, e o planeta está saturado de suas manifestações. O objetivo da presente tese é o desenvolvimento de uma metodologia que ofereça ideias para a detecção de bioassinaturas fora da Terra, particularmente em exoplanetas. Em termos de biologia molecular, a principal assinatura de vida é o DNA (ácido desoxirribonucleico), que organiza e sedia o código genético de todos os seres vivos. Outras moléculas que denunciam a presença de vida são a clorofila, carotenoides, fragmentos de DNA, moléculas orgânicas, etc. Na tentativa de se encontrar bioassinaturas na atmosfera de exoplanetas, um requisito deve ser atendido: a identificação de bandas características que permitam a detecção de um sinal que esteja associado a uma biomolécula complexa, preferencialmente na região do infravermelho, vista em meio aos picos de gases atmosféricos. Sendo assim, uma série de análises espectrais foram realizadas para amostras de DNA/células do micro-organismo extremófilo Halobacterium salinarum, com a finalidade de serem comparadas ao espectro infravermelho, obtido de forma direta da atmosfera terrestre. A pesquisa por marcadores específicos foi realizada a fim de determinar os picos que permitam a detecção desses componentes singulares quando suspensos em gases atmosféricos. Os resultados da pesquisa mostram que a atmosfera terrestre está contaminada com moléculas complexas. Existem 37 absorções em comum quando se compara o espectro da atmosfera terrestre com os espectros de células ou DNA (por exemplo 966, 936, 924, 886 e 866 cm-1). Entre elas, os picos centrados em aproximadamente 1018, 996, 900 e 840 cm-1, denunciam a presença de estruturas biogênicas ligadas à presença de ácidos nucleicos (riboses e grupos fosfatos). Investigou-se, também, a possibilidade de certas assinaturas biológicas serem mascaradas pela presença de gases quando observadas remotamente. A conclusão é que as bandas de gases como o SO2 (1136 cm-1), O3 (1042 e 1124 cm-1) e C2H6 (826 cm-1), podem tornar a detecções de algumas bioassinaturas uma tarefa árdua e até mesmo impossível. Outras perguntas de pesquisa ligadas à determinação da quantidade mínima de material biológico capaz de oferecer um sinal que possa ser identificado e atribuído a um material biológico específico, assim como a possibilidade de determinação de uma banda de absorção apta a servir como fator de calibração foram abordadas. Conclui-se que há possibilidades de se detectar alguma característica biológica mesmo após diluições cobrindo 5 ordens de magnitude (variação de 760 a 0.076 ng/µl). A banda centrada em 893 cm-1 pode ser utilizada para futuras calibrações, pois responde linearmente com a variação da quantidade de material biológico. O resultado da pesquisa mostrou que existem bandas moleculares em comum entre a atmosfera e o material biológico, sendo atribuídas a potenciais marcadores moleculares que, possivelmente, poderão ser detectados de forma remota em futuras missões espaciais. / It is notorious that interest in detecting life beyond Earth has increased in the scientific world. The existence of possible biological markers the terrestrial atmosphere, the presence of living material or organic material decomposed on surfaces and at the sea increase the chances of success of the research. Life on Earth is everywhere and the planet is saturated with its manifestations. The objective of this thesis is the development of a methodology that offers ideas for the detection of bioassinatures outside the Earth, particularly in exoplanets. In terms of molecular biology, the main signature of life is DNA (desoxyribonucleic acid), which organizes and hosts the genetic code all of the living things. Other molecules that denounce the presence of life are chlorophyll, carotenoids, DNA fragments, organic molecules, etc. In an attempt to find bioassinatures in the atmosphere of exoplanets, a requirement must be met: the identification of characteristic bands that allow the detection of a signal associated with a complex biomolecule, preferably in the infrared region, seen in the middle of the peaks of gases atmospheric conditions. Thus, a series of spectral analyzes were performed for DNA samples/cells of the extremophilic microorganism Halobacterium salinarum, to be compared to the infrared spectrum obtained directly from the Earths atmosphere. The search for specific markers was performed in order to determine the peaks that allow the detection of these singular components when suspended in atmospheric gases. The results of the research show that the Earths atmosphere is contaminated with complex molecules. There is a total of 37 common absorptions found in the spectrum of the Earths atmosphere and in Cells or DNA spectra (for example 966, 936, 924, 886 and 866 cm-1). Among them, the peaks centered at approximately 1018, 996, 900 and 840 cm-1, denote the presence of biogenic structures linked to the presence of nucleic acids (riboses and phosphate groups). It was also investigated the possibility of certain biological signatures being masked by the presence of gases when observed remotely. The conclusion is that gas bands such as SO2 (1136 cm-1), O3 (1042 and 1124 cm-1) and C2H6 (826 cm-1) can make the detection of some bioassinatures a difficult task. Other research questions related to the determination of the minimum quantity of biological material can providing a signal capable of being identified and assigned to a specific biological material, as well as the possibility of determining an absorption that could a serving as a calibration factor were addressed . It is concluded that it is possible to detect a same biological characteristic after dilutions covering 5 orders of magnitude (ranging from 760 to 0.076 ng/µl). The band centered at 893 cm-1 can be used for future calibrations because it responds linearly with the variation of the amount of biological material. The research results showed that there are molecular bands in common between the atmosphere and biological material and are attributed to potential molecular markers that may possibly be detected remotely in future space missions.

É notório o fato de que o interesse pela detecção de vida fora da Terra tenha aumentado no mundo científico. A existência de possíveis traçadores biológicos na atmosfera terrestre, a presença de material vivo ou de material orgânico decomposto em superfícies e no mar aumentam as possibilidades de sucesso das pesquisas. A vida na Terra é encontrada em todas as partes, e o planeta está saturado de suas manifestações. O objetivo da presente tese é o desenvolvimento de uma metodologia que ofereça ideias para a detecção de bioassinaturas fora da Terra, particularmente em exoplanetas. Em termos de biologia molecular, a principal assinatura de vida é o DNA (ácido desoxirribonucleico), que organiza e sedia o código genético de todos os seres vivos. Outras moléculas que denunciam a presença de vida são a clorofila, carotenoides, fragmentos de DNA, moléculas orgânicas, etc. Na tentativa de se encontrar bioassinaturas na atmosfera de exoplanetas, um requisito deve ser atendido: a identificação de bandas características que permitam a detecção de um sinal que esteja associado a uma biomolécula complexa, preferencialmente na região do infravermelho, vista em meio aos picos de gases atmosféricos. Sendo assim, uma série de análises espectrais foram realizadas para amostras de DNA/células do micro-organismo extremófilo Halobacterium salinarum, com a finalidade de serem comparadas ao espectro infravermelho, obtido de forma direta da atmosfera terrestre. A pesquisa por marcadores específicos foi realizada a fim de determinar os picos que permitam a detecção desses componentes singulares quando suspensos em gases atmosféricos. Os resultados da pesquisa mostram que a atmosfera terrestre está contaminada com moléculas complexas. Existem 37 absorções em comum quando se compara o espectro da atmosfera terrestre com os espectros de células ou DNA (por exemplo 966, 936, 924, 886 e 866 cm-1). Entre elas, os picos centrados em aproximadamente 1018, 996, 900 e 840 cm-1, denunciam a presença de estruturas biogênicas ligadas à presença de ácidos nucleicos (riboses e grupos fosfatos). Investigou-se, também, a possibilidade de certas assinaturas biológicas serem mascaradas pela presença de gases quando observadas remotamente. A conclusão é que as bandas de gases como o SO2 (1136 cm-1), O3 (1042 e 1124 cm-1) e C2H6 (826 cm-1), podem tornar a detecções de algumas bioassinaturas uma tarefa árdua e até mesmo impossível. Outras perguntas de pesquisa ligadas à determinação da quantidade mínima de material biológico capaz de oferecer um sinal que possa ser identificado e atribuído a um material biológico específico, assim como a possibilidade de determinação de uma banda de absorção apta a servir como fator de calibração foram abordadas. Conclui-se que há possibilidades de se detectar alguma característica biológica mesmo após diluições cobrindo 5 ordens de magnitude (variação de 760 a 0.076 ng/µl). A banda centrada em 893 cm-1 pode ser utilizada para futuras calibrações, pois responde linearmente com a variação da quantidade de material biológico. O resultado da pesquisa mostrou que existem bandas moleculares em comum entre a atmosfera e o material biológico, sendo atribuídas a potenciais marcadores moleculares que, possivelmente, poderão ser detectados de forma remota em futuras missões espaciais. / It is notorious that interest in detecting life beyond Earth has increased in the scientific world. The existence of possible biological markers the terrestrial atmosphere, the presence of living material or organic material decomposed on surfaces and at the sea increase the chances of success of the research. Life on Earth is everywhere and the planet is saturated with its manifestations. The objective of this thesis is the development of a methodology that offers ideas for the detection of bioassinatures outside the Earth, particularly in exoplanets. In terms of molecular biology, the main signature of life is DNA (desoxyribonucleic acid), which organizes and hosts the genetic code all of the living things. Other molecules that denounce the presence of life are chlorophyll, carotenoids, DNA fragments, organic molecules, etc. In an attempt to find bioassinatures in the atmosphere of exoplanets, a requirement must be met: the identification of characteristic bands that allow the detection of a signal associated with a complex biomolecule, preferably in the infrared region, seen in the middle of the peaks of gases atmospheric conditions. Thus, a series of spectral analyzes were performed for DNA samples/cells of the extremophilic microorganism Halobacterium salinarum, to be compared to the infrared spectrum obtained directly from the Earths atmosphere. The search for specific markers was performed in order to determine the peaks that allow the detection of these singular components when suspended in atmospheric gases. The results of the research show that the Earths atmosphere is contaminated with complex molecules. There is a total of 37 common absorptions found in the spectrum of the Earths atmosphere and in Cells or DNA spectra (for example 966, 936, 924, 886 and 866 cm-1). Among them, the peaks centered at approximately 1018, 996, 900 and 840 cm-1, denote the presence of biogenic structures linked to the presence of nucleic acids (riboses and phosphate groups). It was also investigated the possibility of certain biological signatures being masked by the presence of gases when observed remotely. The conclusion is that gas bands such as SO2 (1136 cm-1), O3 (1042 and 1124 cm-1) and C2H6 (826 cm-1) can make the detection of some bioassinatures a difficult task. Other research questions related to the determination of the minimum quantity of biological material can providing a signal capable of being identified and assigned to a specific biological material, as well as the possibility of determining an absorption that could a serving as a calibration factor were addressed . It is concluded that it is possible to detect a same biological characteristic after dilutions covering 5 orders of magnitude (ranging from 760 to 0.076 ng/µl). The band centered at 893 cm-1 can be used for future calibrations because it responds linearly with the variation of the amount of biological material. The research results showed that there are molecular bands in common between the atmosphere and biological material and are attributed to potential molecular markers that may possibly be detected remotely in future space missions.