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La actividad eléctrica atmosférica (AEA), dada su relación con la microfísica y dinámica de las nubes de tormenta, es un parámetro relevante para el estudio del clima. El objetivo de la presente tesis consiste en realizar una caracterización de la AEA en América del Sur utilizando distintas escalas espaciales y temporales e investigar su relación con distintos eventos. Con miras de cumplir este objetivo se analizó la AEA detectada por dos sistemas independientes de detección, World Wide Lightning Location Network (WWLLN) y Lightning Imaging Sensor (LIS). En la sección introductoria de la tesis presentamos la AEA dentro del circuito global, la física de las descargas, y parámetros de microfísica de nubes. Esta sección es seguida por la caracterización de la AEA a nivel global, en particular se estudiaron las regiones ubicada en la zona del Lago de Maracaibo (Venezuela) y la Cuenca del Congo (África) por ser éstas las regiones que presentan la mayor densidad de AEA a escala global. Si bien la Cuenca del Congo escapa al objetivo de la presente tesis, la caracterización de esta región permitió validar las bases de datos y los métodos de análisis utilizados en Sudamérica. En una segunda parte de la tesis, se caracteriza la AEA en América del Sur, con énfasis en las regiones subtropical y extratropical del continente, en diferentes escalas temporales (diurna, estacional, e interanual). Se analizaron las regiones con AEA relevante y su relación con la actividad convectiva y la climatología local. Los resultados encontrados muestran que, en la región subtropical del continente, el ciclo diario de la AEA no presenta un tiempo de máxima actividad como consecuencia de la desestabilización de la capa límite debido a la radiación solar, sino que la AEA puede ocurrir en cualquier momento de día y que está fuertemente modelado por los sistemas convectivos de mesoescala. Para el caso de la Argentina, se confeccionaron mapas isoceráunicos del territorio nacional. Éstos revelaron ciertas características, como por ejemplo el máximo encontrado en la región noroeste del país y cierta actividad eléctrica observada en la región patagónica de Chile, que no había sido reportado anteriormente. Estos mapas fueron utilizados para la actualización de las normas IRAM de protección contra descargas eléctricas atmosféricas en Argentina (IRAM 2184-11/AEA 92305-11). Dada las observaciones de AEA en la región patagónica de Chile donde, en principio, la AEA debería ser irrelevante, se realizó un análisis de esta región y se propuso un modelo sinóptico para explicar los resultados encontrados. La última parte de la tesis, presenta trabajos de aplicación de naturaleza operacional. En base a los mapas isoceráunicos, se realizó un estudio de la vulnerabilidad de la población frente a estos tipos de eventos y se confeccionó un mapa de riesgo para implementar medidas de protección de la población. También realizamos un estudio sobre la factibilidad de utilizar la AEA detectada por la WWLLN como marcador de eventos severos. Por último, se presenta un estudio sobre la AEA debido a la erupción volcánica del complejo volcánico Cordón Caulle, donde se relacionó la AEA observada con la altura de la pluma volcánica y la intensidad de la erupción. En este estudio se verificó que la AEA puede ser utilizada para emitir un alerta temprano a la comunidad ante la ocurrencia de este tipo de eventos.

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Magíster en Meteorología y Climatología / La Cordillera de Nahuelbuta (CN, 37,7°S-73,0°O) es un macizo de 100 km de ancho y 180 km de largo, en donde la precipitación orográfica realiza una importante contribución durante el paso de sistemas frontales conectados a un flujo húmedo del NO. Las observaciones in-situ del proyecto CCOPE (2015), mostraron que más del 30% de precipitación fue generada por colisión coalescencia (lluvia cálida) y asociada a nubes orográficas someras. El resto, ocurrió en nubes profundas, originadas por ascenso a gran escala y mecanismos de crecimiento de hielo (lluvia iniciada por hielo). Dentro de una tormenta frontal, la precipitación puede transitar entre ambas fases y su incremento en la ladera de barlovento de la CN parece ser más marcado en los casos cálidos. Para verificar si dicha transición ocurre en toda la CN y evaluar la distribución de la precipitación instantánea y acumulada en cada fase para un mismo sistema frontal se simularon 5 eventos ocurridos el 2015 con WRF a alta resolución. Estas simulaciones contemplaron 4 configuraciones del modelo, las cuales consistieron en un aumento de los niveles verticales con respecto a la corrida de control, incorporación de un dominio externo y cambio del esquema de microfísica Thompson al WSM5. En 3 de los 5 eventos simulados WRF logró simular la transición entre ambos regímenes de precipitación en toda la CN. En uno de los eventos precipitó nieve y graupel en las cumbres de la CN, por lo cual no fue posible realizar la clasificación, mientras que en otro el modelo no simuló la fase de lluvia cálida que sí se observó en los datos MRR, posiblemente debido a una deficiencia en los datos de entrada del modelo. Los resultados indican que en ambas fases de lluvia existe un control orográfico, pero este es más marcado en la fase de lluvia cálida. En este régimen la precipitación se concentra sobre la CN organizada en bandas a lo largo del viento distribuidas heterogéneamente, con los montos de lluvia incrementándose hacia su ladera de barlovento y zonas más altas, ausentándose en la costa y mar adentro y sugiriendo el desarrollo de nubes orográficas. Dicho incremento (razón de ~1:3 entre la costa y la montaña) en el acumulado total de precipitación se asocia a una mayor duración efectiva de esta (razón ~1:2). Además, las nubes convectivas en esta fase se estructuran en bandas organizadas a lo largo del flujo húmedo. En la fase de lluvia iniciada por hielo en cambio, la precipitación se distribuye de manera homogénea a lo largo de una banda que cruza la CN con orientación NO-SE (asociada al frente frío). La precipitación tiene mayor simultaneidad en toda la CN y el mayor acumulado en la ladera de barlovento de esta se vincula a una mayor intensidad de la precipitación. Estos resultados son comunes a las diferentes configuraciones utilizadas en el modelo WRF, aun considerando variaciones en el esquema de microfísica, demostrando que los hidrometeoros y procesos considerados por aquellos utilizados en esta tesis, no alteran los rasgos distintivos de cada régimen de lluvia. Dichos procesos podrían ser considerados en el futuro como punto de partida para un nuevo método de clasificación de la precipitación líquida.

Los eventos de sobreirradiancia y sobreirradiancia-extrema recientemente han llamado la atención de la comunidad fotovoltaica puesto que, si los inversores no han sido dimensionados adecuadamente, se pueden sobrecargar y afectar el funcionamiento de los sistemas de protección instalados en plantas de generación fotovoltaica, ocasionando daños potenciales y pérdidas económicas. Para comprender el mecanismo de los eventos de sobreirradiancia se han aplicado modelos de simulación sin mucho éxito, pues sus estimaciones difieren significativamente de los datos experimentales. Pese a que estos eventos fueron registrados hace más de medio siglo, aún falta entender las condiciones para que se produzcan. Existen dos hipótesis: la primera afirma que estos se producen por reflexión en los bordes y lados de las nubes gruesas fragmentadas, y la segunda indica que se deben a una fuerte dispersión de Mie hacia adelante en nubes delgadas. Este trabajo pone a prueba tales hipótesis usando datos de irradiancia espectral de espectrorradiómetros y datos satelitales de la profundidad óptica de las nubes. Se demuestra que el impacto de los eventos de sobreirradiancia sobre la distribución espectral produce un corrimiento al rojo, que el mayor incremento de la irradiancia se da en la región del infrarrojo, y se determina que nubes gruesas fragmentadas están presentes durante estos eventos. Esto nos lleva a concluir que, la presencia de nubes gruesas fragmentadas son condiciones favorables para los eventos de sobreirradiancia, y que se deberían a la reflexión en los bordes y los lados de estas nubes. Además, el incremento de la irradiancia global se debe al incremento de la componente directa. Finalmente, considerar el impacto de los eventos de sobreirradiancia en la distribución espectral podría ayudar a mejorar los modelos actuales de simulación. / Overirradiance and extreme overirradiance events have recently attracted the attention of the photovoltaic community since, if the inverters have not been properly sized, they can be overloaded and affect the operation of the protection systems installed in photovoltaic generation plants, causing potential damage and economic losses. Simulation models have been applied with little success in understanding the mechanism of overirradiance events since their estimates differ significantly from experimental data. Although these events were recorded more than half a century ago, the conditions for their occurrence still need to be understood. There are two hypotheses: the first states that these are produced by reflection at the edges and sides of thick fragmented clouds, and the second indicates that they are due to strong forward Mie scattering in thin clouds. This work tests such hypotheses using spectral irradiance data from spectroradiometers and satellite data of cloud optical depth. It is demonstrated that the impact of overirradiance events on the spectral distribution produces a red-shift, that the most significant increase in irradiance occurs in the infrared region, and it is determined that thick fragmented clouds are present during these events. It leads us to conclude that thick fragmented clouds are favorable conditions for overirradiance events and that they are due to reflection at the edges and sides of these clouds. Furthermore, the increase in global irradiance is due to the increase in the direct component. Finally, considering the impact of overirradiance events on the spectral distribution could help improve current simulation models.

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En este trabajo se estudia el uso de las nubes de puntos en 3D, es decir, un conjunto de puntos en un sistema de referencia cartesiano en R3, para la identificación y caracterización de las discontinuidades que afloran en un macizo rocoso y su aplicación al campo de la Mecánica de Rocas. Las nubes de puntos utilizadas se han adquirido mediante tres técnicas: sintéticas, 3D laser scanner y la técnica de fotogrametría digital Structure From Motion (SfM). El enfoque está orientado a la extracción y caracterización de familias de discontinuidades y su aplicación a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica Slope Mass Rating (SMR). El contenido de la misma está dividido en tres bloques, como son: (1) metodología de extracción de discontinuidades y clasificación de la nube de puntos 3D; (2) análisis de espaciados normales en nubes de puntos 3D; y (3) análisis de la evaluación de la calidad geomecánica de taludes rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR a partir de nubes de puntos 3D. La primera línea de investigación consiste en el estudio de las nubes de puntos 3D con la finalidad de extraer y caracterizar las discontinuidades planas presentes en la superficie de un macizo rocoso. En primer lugar, se ha recopilado información de las metodologías existentes y la disponibilidad de programas para su estudio. Esto motivó la decisión de investigar y diseñar un proceso de clasificación novedoso, que muestre todos los pasos para su programación e incluso ofreciendo el código programado a la comunidad científica bajo licencia GNU GPL. De esta forma, se ha diseñado una novedosa metodología y se ha programado un software que analiza nubes de puntos 3D de forma semi-automática, permitiendo al usuario interactuar con el proceso de clasificación. Dicho software se llama Discontinuity Set Extractor (DSE). El método se ha validado empleando nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. En primer lugar, este código analiza la nube de puntos efectuando un test de coplanaridad para cada punto y sus vecinos próximos para, a continuación, calcular el vector normal de la superficie en el punto estudiado. En segundo lugar, se representan los polos de los vectores normales calculados en el paso previo en una falsilla estereográfica. A continuación se calcula la densidad de los polos y los polos con mayor densidad o polos principales. Estos indican las orientaciones de la superficie más representadas, y por tanto las familias de discontinuidades. En tercer lugar, se asigna a cada punto una familia en dependencia del ángulo formado por el vector normal del punto y el de la familia. En este punto el usuario puede visualizar la nube de puntos clasificada con las familias de discontinuidades que ha determinado para validar el resultado intermedio. En cuarto lugar, se realiza un análisis cluster en el que se determina la agrupación de puntos según planos para cada familia (clusters). A continuación, se filtran aquellos que no tengan un número de puntos suficiente y se determina la ecuación de cada plano. Finalmente, se exportan los resultados de la clasificación a un archivo de texto para su análisis y representación en otros programas. La segunda línea de investigación consiste en el estudio del espaciado entre discontinuidades planas que afloran en macizos rocosos a partir de nubes de puntos 3D. Se desarrolló una metodología de cálculo de espaciados a partir de nubes de puntos 3D previamente clasificadas con el fin de determinar las relaciones espaciales entre planos de cada familia y calcular el espaciado normal. El fundamento novedoso del método propuesto es determinar el espaciado normal de familia basándonos en los mismos principios que en campo, pero sin la restricción de las limitaciones espaciales, condiciones de inseguridad y dificultades inherentes al proceso. Se consideraron dos aspectos de las discontinuidades: su persistencia finita o infinita, siendo la primera el aspecto más novedoso de esta publicación. El desarrollo y aplicación del método a varios casos de estudio permitió determinar su ámbito de aplicación. La validación se llevó a cabo con nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. La tercera línea de investigación consiste en el análisis de la aplicación de la información obtenida con nubes de puntos 3D a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR. El análisis se centró en la influencia del uso de orientaciones determinadas con distintas fuentes de información (datos de campo y técnicas de adquisición remota) en la determinación de los factores de ajuste y al valor del índice SMR. Los resultados de este análisis muestran que el uso de fuentes de información y técnicas ampliamente aceptadas pueden ocasionar cambios en la evaluación de la calidad del talud rocoso de hasta una clase geomecánica (es decir, 20 unidades). Asimismo, los análisis realizados han permitido constatar la validez del índice SMR para cartografiar zonas inestables de un talud. Los métodos y programas informáticos desarrollados suponen un importante avance científico para el uso de nubes de puntos 3D para: (1) el estudio y caracterización de las discontinuidades de los macizos rocosos y (2) su aplicación a la evaluación de la calidad de taludes en roca mediante las clasificaciones geomecánicas. Asimismo, las conclusiones obtenidas y los medios y métodos empleados en esta tesis doctoral podrán ser contrastadas y utilizados por otros investigadores, al estar disponibles en la web del autor bajo licencia GNU GPL.

Recientemente, con la aparición de nuevos sensores visuales de bajo coste capaces de adquirir y reconstruir datos 3D, y de los desarrollos de nuevos métodos, algoritmos y sistemas de percepción basados en información visual 3D, se ha producido una revolución en el desarrollo de aplicaciones robóticas, tales como el reconocimiento de objetos para la interacción de los robots con su entorno en tareas de agarre y manipulado inteligente. Para realizar estas tareas, los robots son dotados con diferentes sensores (como pueden ser cámaras, sensores de presión, fuerza, etc.) que les permitan extraer la información necesaria del entorno de trabajo. En esta tesis serán usados sensores de visión 3D, basados en RGBD. La detección y el reconocimiento de objetos en entornos de trabajo utilizando información tridimensional es un campo de estudio en el que se centran actualmente numerosas investigaciones. Sin embargo, no se ha llegado a resolver por completo el problema del reconocimiento de objetos, en especial cuando el robot se enfrenta a situaciones donde las escenas son complejas. También se debe tener en cuenta temas como el rendimiento de los procesos, ya que cuando se desean desarrollar aplicaciones de manipulado robótico se requieren tiempos de respuesta elevados. Como será discutido durante la tesis, la estructura utilizada para representar los datos e información 3D serán las nubes de puntos. Existen diferentes métodos que permiten extraer la información necesaria de ellas con el fin de reconocer y recuperar la pose de los objetos que contienen. Principalmente hay dos grandes tipos de aproximaciones, las que se basan en información local de las variaciones de la superficie y las que se basan en las características globales de la superficie. El primer grupo ha alcanzado una relativa madurez y esto ha conducido a sistemas de reconocimiento robustos. Sin embargo, presentan inconvenientes como tiempos de computación elevados cuando se trabaja con nubes de puntos densas para representar objetos, o de los elevados requisitos de memoria. El segundo grupo, basado en la extracción global de características, representan la geometría de una superficie con una única firma o histograma (en ocasiones la mezcla de ambos). De este modo se consiguen métodos de descripción con un rendimiento mucho más eficiente. Esta tesis discute cual de las dos aproximaciones es más idónea en tareas de manipulación robótica, para ello se realiza un amplio estudio a nivel teórico-práctico, del cual se presentará un nuevo método de descripción basado en información geométrica global. Por otro lado, se hace especialmente difícil el problema de la manipulación robótica cuando los objetos a manipular tienen propiedades de elasticidad. Como segundo objetivo de esta tesis es presentar un sistema de percepción visual para tareas de manipulación robótica de objetos elásticos. La percepción visual es idónea en tareas de agarre complejas o de manipulación inteligente para ayudar al control de robots cuando otros sistemas sensoriales, como pueden ser los sistemas de percepción táctil o de fuerza, no son capaces de obtener información útil. El sistema visual que se presenta, sirve como soporte de ayuda a otros sistemas de percepción basados en tacto, para llevar a cabo tareas de manipulación de objetos con propiedades de elasticidad. Por un lado, el sistema propuesto presenta una aproximación visual cuyo objetivo es supervisar la interacción entre el objeto manipulado y la herramienta robótica, ya sea pinza o mano, con la que se realiza la manipulación del objeto. Esta aproximación es de gran utilidad en ausencia de información procedente de otro tipo de sensores (p.e. fuerza o táctil) o cuando ésta es pobre o presenta inconsistencias. Por otro lado, el método de supervisión, también, está concebido para medir cambios en la geometría de la superficie del objeto manipulado y por lo tanto, éste es capaz de detectar y localizar deformaciones en la superficie causadas por presiones inadecuadas aplicadas por los dedos de la pinza o mano robótica. Todo los métodos y sistemas propuestos en la presente tesis han sido probados utilizando bases de datos públicas, además los experimentos desarrollados se han realizado empleando distintas plataformas robóticas, pero en todas ellas se emplea como herramienta de manipulación una mano antropomórfica de varios dedos. Es de destacar, que además de utilizar bases de datos de objetos públicas, también se ha desarrollado una base de datos de objetos simples con formas geométricas ambiguas. En el último capítulo de esta tesis se utiliza, un conjunto de objetos para realizar las pruebas en las cuales los elementos a manipular tienen distinta geometría y están fabricados con distintos materiales; esto permite mostrar el comportamiento de la estrategia presentada cuando los objetos tienen distintas propiedades de rigidez, elasticidad y flexibilidad.