Ingeniero Civil / Los procesos físicos y bioquímicos de lagos estratificados están fuertemente relacionados con la dinámica de las ondas gravitacionales superficiales e internas, las cuales son excitadas principalmente por la acción del viento en la superficie libre. Dependiendo del tamaño y de la latitud del cuerpo lacustre, la estructura espacio-temporal del campo de ondas gravitacionales puede comenzar a ser afectada por la rotación terrestre, posibilitando la existencia de dos clases de ondas de gravedad de gran escala, conocidas ampliamente como ondas de Kelvin y ondas de Poincaré. La dinámica de éstas ondas puede verse alterada por fenómenos no-lineales, permitiendo la formación de ondas con características no-lineales, tales como las ondas tipo solitarias. En el Laboratorio de Hidráulica Francisco J. Domínguez, ubicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, se cuenta con un estanque cilíndrico montado sobre una mesa rotatoria con capacidad de inclinación, al interior de una cámara oscura. Allí se llevó a cabo un estudio experimental, con el objetivo de analizar la respuesta espacio-temporal de ondas gravitacionales - superficiales e internas - en un flujo afectado débilmente por la rotación del medio. Para ello, se realizaron 54 experimentos barotrópicos de una capa, donde se varió tanto la rotación como la inclinación inicial del sistema, y 3 experimentos baroclínicos de dos capas, donde se varió la rotación del medio y se delimitó superiormente el flujo con una tapa rígida. El campo de ondas de gravedad es excitado mediante la liberación de una inclinación lineal (diametral) inicial de las interfaces agua-aire y de densidad, respectivamente. La condición inicial induce ondas del tipo Kelvin y Poincaré, en respuesta al gradiente de presión horizontal inicial y a la rotación del medio, excitando todos los modos radiales del sistema y el modo azimutal fundamental. La evolución temporal de la perturbación de las interfaces se ha registrado con un CCD a lo largo del plano diametral inicialmente forzado, mediante la utilización del método óptico de fluorescencia inducida por láser (LIF). Adicionalmente, para los experimentos barotrópicos, la evolución temporal de la perturbación interfacial se registró en el borde mediante un sensor tipo capacitivo. El acoplamiento de ambos métodos permite caracterizar espacialmente el campo de ondas de gravedad. Resultados obtenidos del espectro de densidad potencial (PSD) y de la transformada de wavelet (WT) evidencian distintos comportamientos dinámicos del campo de ondas gravitacionales en función del espacio, la rotación y la perturbación inicial. Los resultados dan cuenta de una transferencia de energía, en el espectro gravitacional, desde los modos fundamentales de baja frecuencia, a sub-modos radiales y azimutales de alta frecuencia. La estructura de la cascada de energía está influenciada por la rotación y el régimen dinámico de las ondas de gran escala.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluiodinámica / Con el fin de mejorar la comprensión de la dinámica no-lineal de las oscilaciones internas de gran escala observadas en lagos estratificados afectados por la rotación terrestre, se investigó la degeneración de 'ondas internas gravitacionales' (OIG) en un dominio idealizado, estratificado en dos capas separadas por una zona de transición continua de espesor dado. Para obtener soluciones teóricas y construir condiciones iniciales de OIG, tales como ondas de Kelvin y Poincaré, se utilizó la teoría lineal de modos normales en un dominio cilíndrico rotatorio estratificado en dos capas. Estas soluciones fueron utilizadas para analizar experimentos de laboratorio y realizar simulaciones numéricas directas, que permitieron estudiar la degeneración de las OIG. En primer lugar, se analizaron resultados de laboratorio obtenidos de experimentos desarrollados en una mesa rotatoria. A partir de estos resultados, se estudió la evolución temporal de las OIG de gran escala en un flujo estratificado en dos capas bajo diferentes escenarios de estratificación y rotación. El flujo inducido mediante la relajación de una inclinación inicial lineal de la interfaz de densidad, generó ondas gravitacionales de tipo Kelvin y Poincaré, en respuesta al efecto de la rotación. Los resultados mostraron experimentalmente que la onda interna Kelvin fundamental degenera en un paquete de ondas tipo solitarias, producto del empinamiento y dispersión no-hidrostática. La rotación del medio determina la forma y estructura de estas ondas tipo solitarias. En particular, a medida que la rotación se incrementaba, las escalas de longitud de la onda tipo solitaria líder fueron muy similares a ondas no-lineales tipo KdV. Además, los resultados experimentales mostraron que existe una interacción no-lineal entre las ondas Kelvin y Poincaré, que podría inducir un estado pseudo-resonante entre ambas ondas y la transferencia de energía desde las modos fundamentales a sub-modos. En general, se observó que las condiciones de estratificación/rotación tienen un efecto importante en la intensidad de los procesos no lineales, los que a su vez mostraron un impacto directo en la tasa de decaimiento de la onda Kelvin. Esta tasa de decaimiento mostró concordancia con el decaimiento de Ekman y un incremento del decaimiento a medida que las no-linealidades se intensificaban. En segundo lugar, se estudió la evolución de la onda interna Kelvin fundamental a través de simulaciones numéricas directas, con un enfoque híper-viscoso/difusivo, para condiciones de rotación y estratificación similares a las utilizadas en los experimentos de laboratorio. La dinámica de la onda fue controlada mediante el incremento de la amplitud inicial, forzando así la tendencia al empinamiento y el flujo de corte en la vecindad de la interfaz de densidad. Los resultados mostraron la existencia de diferentes regímenes, desde un régimen laminar amortiguado, en el que la onda Kelvin retuvo su carácter lineal, hasta un régimen no-lineal de transición a la turbulencia, en el que la dinámica no-lineal y no-hidrostática de la onda Kelvin indujo inestabilidades hidrodinámicas intermitentes en la interfaz de densidad. En el régimen de transición, se observaron parches de turbulencia producidos por quiebres parciales de la onda Kelvin en el interior de un radio interno de Rossby medido desde el borde horizontal hacia el interior. Estos parches se asociaron al crecimiento y colapso tanto de inestabilidades inducidas por corte, como de inestabilidades convectivas en la región del frente y cola de las ondas más energéticas. El estudio permitió concluir que la amplitud de onda, la estratificación y la rotación del medio juegan roles importantes en la degeneración de las OIG de gran escala en lagos. Tanto la estructura de la estratificación como la amplitud de la onda tienen un efecto directo en el empinamiento de la onda, y en consecuencia un efecto en la concentración de energía en su dirección de propagación; mientras que la rotación tiene un efecto directo en la concentración de energía en la escala transversal de la propagación de la onda, la que es proporcional al radio interno de Rossby. Ambos mecanismos de concentración de energía generan una intensificación local de los procesos no-lineales, los cuales, a su vez, intensifican la actividad turbulenta y la mezcla en el medio fluido.

Este trabalho visa avaliar o efeito do movimento vertical da comunidade fitoplanctônica nos máximos subsuperficiais de clorofila (MSC) ao longo da termoclina devido a propagação de ondas internas na porção externa da Plataforma Continental Sudeste do Brasil. A região está sujeita as intrusões da Água Central do Atlântico Sul (ACAS) e a coluna de água permanece estratificada entre a primavera e o verão. Altas concentrações de nutrientes na camada de fundo dominada pela ACAS sustentam a produção nova da comunidade fitoplanctônica nos MSC da base da zona eufótica. Dados hidrográficos e biogeoquímicos tais como temperatura, salinidade, nutrientes, clorofila-a e taxas de fotossíntese foram monitorados durante uma série temporal diurna de 48 horas sobre a isóbata de 100 metros ao largo da Ilha de São Sebastião (SP) em intervalos de 1 hora. Entretanto, apesar da disponibilidade de nutrientes, a produção fotossintética pode ser limitada pela baixa intensidade luminosa nesses níveis. O movimento vertical induzido por ondas eleva o MSC, colocando-o em uma profundidade mais iluminada e podendo aumentar significativamente a produtividade local. Ao contrário do que observado na literatura, a passagem de ondas internas não aumentou a concentração de nutrientes na camada de mistura. Os resultados revelaram que as ondas internas podem aumentar em até 24% a fixação de carbono e, portanto, sugerem que as estimativas de produção primária obtidas até agora na zona eufótica do Embaiamento de Santos devem ser reavaliadas. / The aim of this research is to evaluate the effect of the vertical displacement of phytoplankton community in subsurface chlorophyll maxima (SCM) on the primary production due to passage of internal waves at outer portion of Brazilian southwestern continental shelf. The study area is influenced by intrusions of South Atlantic Central Water (SACW) thus allowing the water column to remain stably stratified during spring and summer seasons. The new primary production in the SCM at the base of the euphotic zone is sustained by high nutrient concentration in subthermocline portion of the water column, which is directly influenced by SACW intrusions. Hydrographic and biochemical data such as water temperature, salinity, nutrient and chlorophyll-a concentration, as well as photosynthesis rates, were monitored for roughly 48 hours at the fixed location over the 100 m isobath off Sao Sebastiao Island (Southeastern Brazil Bight). In spite of nutrient availability, photosynthetic production may be limited by low light conditions in subthermocline depths. Vertical displacements driven by internal wave propagation may increase light availability in the SCM, therefore having the potential to raise local productivity. Despite previous reports, no significant nutrient concentration increase in the mixed layer was observed during internal wave propagation. The results point to an increase in up to 30% of carbon fixation due to internal waves\' passage and therefore suggest that previous estimates of primary productivity in the Santos Bight should be reviewed.

Este trabalho visa avaliar o efeito do movimento vertical da comunidade fitoplanctônica nos máximos subsuperficiais de clorofila (MSC) ao longo da termoclina devido a propagação de ondas internas na porção externa da Plataforma Continental Sudeste do Brasil. A região está sujeita as intrusões da Água Central do Atlântico Sul (ACAS) e a coluna de água permanece estratificada entre a primavera e o verão. Altas concentrações de nutrientes na camada de fundo dominada pela ACAS sustentam a produção nova da comunidade fitoplanctônica nos MSC da base da zona eufótica. Dados hidrográficos e biogeoquímicos tais como temperatura, salinidade, nutrientes, clorofila-a e taxas de fotossíntese foram monitorados durante uma série temporal diurna de 48 horas sobre a isóbata de 100 metros ao largo da Ilha de São Sebastião (SP) em intervalos de 1 hora. Entretanto, apesar da disponibilidade de nutrientes, a produção fotossintética pode ser limitada pela baixa intensidade luminosa nesses níveis. O movimento vertical induzido por ondas eleva o MSC, colocando-o em uma profundidade mais iluminada e podendo aumentar significativamente a produtividade local. Ao contrário do que observado na literatura, a passagem de ondas internas não aumentou a concentração de nutrientes na camada de mistura. Os resultados revelaram que as ondas internas podem aumentar em até 24% a fixação de carbono e, portanto, sugerem que as estimativas de produção primária obtidas até agora na zona eufótica do Embaiamento de Santos devem ser reavaliadas. / The aim of this research is to evaluate the effect of the vertical displacement of phytoplankton community in subsurface chlorophyll maxima (SCM) on the primary production due to passage of internal waves at outer portion of Brazilian southwestern continental shelf. The study area is influenced by intrusions of South Atlantic Central Water (SACW) thus allowing the water column to remain stably stratified during spring and summer seasons. The new primary production in the SCM at the base of the euphotic zone is sustained by high nutrient concentration in subthermocline portion of the water column, which is directly influenced by SACW intrusions. Hydrographic and biochemical data such as water temperature, salinity, nutrient and chlorophyll-a concentration, as well as photosynthesis rates, were monitored for roughly 48 hours at the fixed location over the 100 m isobath off Sao Sebastiao Island (Southeastern Brazil Bight). In spite of nutrient availability, photosynthetic production may be limited by low light conditions in subthermocline depths. Vertical displacements driven by internal wave propagation may increase light availability in the SCM, therefore having the potential to raise local productivity. Despite previous reports, no significant nutrient concentration increase in the mixed layer was observed during internal wave propagation. The results point to an increase in up to 30% of carbon fixation due to internal waves\' passage and therefore suggest that previous estimates of primary productivity in the Santos Bight should be reviewed.

Procesos hidrodinámicos determinan, en un alto grado la calidad del agua en embalse, sin embargo dichos procesos han sido tradicionalmente olvidados en la gestión de embalse. En esta tesis se presentan evidencias de los principales procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse Mediterráneo a escala de cuenca a través de campañas experimentales y modelización numérica; y su influencia en la dinámica de poblaciones de fitoplancton. Dichos procesos son principalmente la generación de ondas internas o secas y la intrusión del río. La presencia de viento periódico genera secas forzadas, amplificando los modos cercanos al periodo del viento, de manera que modos verticales altos, considerados como raros en la naturaleza, tienden a dominar en el sistema. / Physical processes determine, to a large degree, the ecological response of a reservoir to inflows, outflows and meteorological forcing. This PhD thesis therefore aims to give an assessment of the main physical mechanisms governing Mediterranean reservoirs. The main basin-scale hydrodynamical processes are the generation of seiches and the gravity currents generated by the river inflow. The periodicity of the wind forcing makes that the reservoir responses as a forced harmonic damped oscillator being the natural modes of oscillation close to the forcing period preferably excited; including high vertical modes considered rare in the nature. The fate of the river inflow nutrients input generates horizontal heterogeneities in the community of phytoplankton.