Modeling hydrothermal system: deriving observables and hydrothermal instability in volcanic and non-volcanic setting

Hydrothermal fluids are a fundamental resource for understanding and monitoring volcanic and non-volcanic systems. This thesis is focused on the study of hydrothermal system through numerical modeling with the geothermal simulator TOUGH2. Several simulations are presented, and geophysical and geochemical observables, arising from fluids circulation, are analyzed in detail throughout the thesis. In a volcanic setting, fluids feeding fumaroles and hot spring may play a key role in the hazard evaluation. The evolution of the fluids circulation is caused by a strong interaction between magmatic and hydrothermal systems. A simultaneous analysis of different geophysical and geochemical observables is a sound approach for interpreting monitored data and to infer a consistent conceptual model. Analyzed observables are ground displacement, gravity changes, electrical conductivity, amount, composition and temperature of the emitted gases at surface, and extent of degassing area. Results highlight the different temporal response of the considered observables, as well as the different radial pattern of variation. However, magnitude, temporal response and radial pattern of these signals depend not only on the evolution of fluid circulation, but a main role is played by the considered rock properties. Numerical simulations highlight differences that arise from the assumption of different permeabilities, for both homogeneous and heterogeneous systems. Rock properties affect hydrothermal fluid circulation, controlling both the range of variation and the temporal evolution of the observable signals. Low temperature fumaroles and low discharge rate may be affected by atmospheric conditions. Detailed parametric simulations were performed, aimed to understand the effects of system properties, such as permeability and gas reservoir overpressure, on diffuse degassing when air temperature and barometric pressure changes are applied to the ground surface. Hydrothermal circulation, however, is not only a characteristic of volcanic system. Hot fluids may be involved in several mankind problems, such as studies on geothermal engineering, nuclear waste propagation in porous medium, and Geological Carbon Sequestration (GCS). The current concept for large-scale GCS is the direct injection of supercritical carbon dioxide into deep geological formations which typically contain brine. Upward displacement of such brine from deep reservoirs driven by pressure increases resulting from carbon dioxide injection may occur through abandoned wells, permeable faults or permeable channels. Brine intrusion into aquifers may degrade groundwater resources. Numerical results show that pressure rise drives dense water up to the conduits, and does not necessarily result in continuous flow. Rather, overpressure leads to new hydrostatic equilibrium if fluids are initially density stratified. If warm and salty fluid does not cool passing through the conduit, an oscillatory solution is then possible. Parameter studies delineate steady-state (static) and oscillatory solutions.

Workflow Patterns for Service Oriented Computing in JOLIE

Il presente lavoro di tesi ha come punto focale la descrizione, la verifica e la dimostrazione della realizzabilità dei Workflow Patterns di Gestione del Flusso(Control-Flow) e Risorse (Resource) definiti da parte della Workflow Pattern Initiative (WPI)in JOLIE, un innovativo linguaggio di programmazione orientato ai servizi nato nell'ambito del Service Oriented Computing. Il Service Oriented Computing (SOC) è un nuovo modo di pensare la programmazione di applicazioni distribuite, i cui concetti fondamentali sono i servizi e la composizione. L’approccio SOC definisce la possibilità di costruire un’applicazione in funzione dei servizi che ne realizzano il comportamento tramite una loro composizione, definita secondo un particolare flusso di lavoro. Allo scopo di fornire la necessaria conoscenza per capire la teoria, le meccaniche e i costrutti di JOLIE utilizzati per la realizzazione dei pattern, il seguente lavoro di tesi è stato diviso in quattro parti, corrispondenti ad altrettanti capitoli. Nel primo capitolo viene riportata una descrizione generale del SOC e della Business Process Automation (BPA), che costituisce l’ambiente in cui il SOC è inserito. Per questo viene fatta una disamina della storia informatica sui sistemi distribuiti, fino ad arrivare ai sistemi odierni, presentando in seguito il contesto del BPA e delle innovazioni derivanti dalle sue macro-componenti, di cui il SOC fa parte. Continuando la descrizione dell’approccio Service Oriented, ne vengono presentati i requisiti (pre-condizioni) e si cerca di dare una definizione precisa del termine “servizio”, fino all'enunciazione dei principi SOC declinati nell’ottica delle Service Oriented Architectures, presentando in ultimo i metodi di composizione dei servizi, tramite orchestrazione e coreografia. L’ultima sezione del capitolo prende in considerazione il SOC in un’ottica prettamente industriale e ne evidenzia i punti strategici. Il secondo capitolo è incentrato sulla descrizione di JOLIE, gli aspetti fondamentali dell’approccio orientato ai servizi, che ne caratterizzano profondamente la definizione concettuale (SOCK), e la teoria della composizione dei servizi. Il capitolo non si pone come una descrizione esaustiva di tutte le funzionalità del linguaggio, ma considera soprattutto i concetti teorici, le strutture di dati, gli operatori e i costrutti di JOLIE utilizzati per la dimostrazione della realizzabilità dei Workflow Pattern del capitolo successivo. Il terzo capitolo, più lungo e centrale rispetto agli altri, riguarda la realizzazione dei workflow pattern in JOLIE. All'inizio del capitolo viene fornita una descrizione delle caratteristiche del WPI e dei Workflow Pattern in generale. In seguito, nelle due macro-sezioni relative ai Control-Flow e Resource pattern vengono esposte alcune nozioni riguardanti le metodologie di definizione dei pattern (e.g. la teoria sulla definizione delle Colored Petri Nets) e le convezioni adottate dal WPI, per passare in seguito al vero e proprio lavoro (sperimentale) di tesi riguardo la descrizione dei pattern, l’analisi sulla loro realizzabilità in JOLIE, insieme ad un codice di esempio che esemplifica quanto affermato dall'analisi. Come sommario delle conclusioni raggiunte sui pattern, alla fine di ognuna delle due sezioni definite in precedenza, è presente una scheda di valutazione che, con lo stesso metodo utilizzato e definito dalla WPI, permette di avere una rappresentazione generale della realizzabilità dei pattern in JOLIE. Il quarto capitolo riguarda gli esiti tratti dal lavoro di tesi, riportando un confronto tra le realizzazioni dei pattern in JOLIE e le valutazioni del WPI rispetto agli altri linguaggi da loro considerati e valutati. Sulla base di quanto ottenuto nel terzo capitolo vengono definite le conclusioni del lavoro portato avanti sui pattern e viene delineato un’eventuale scenario riguardante il proseguimento dell’opera concernente la validazione ed il completamento della studio. In ultimo vengono tratte alcune conclusioni sia riguardo JOLIE, nel contesto evolutivo del linguaggio e soprattutto del progetto open-source che è alla sua base, sia sul SOC, considerato nell’ambito del BPA e del suo attuale ambito di sviluppo dinamico.

Computational investigations of ion conduction mechanisms using enhanced sampling methods

Proper ion channels’ functioning is a prerequisite for a normal cell and disorders involving ion channels, or channelopathies, underlie many human diseases. Long QT syndromes (LQTS) for example may arise from the malfunctioning of hERG channel, caused either by the binding of drugs or mutations in HERG gene. In the first part of this thesis I present a framework to investigate the mechanism of ion conduction through hERG channel. The free energy profile governing the elementary steps of ion translocation in the pore was computed by means of umbrella sampling simulations. Compared to previous studies, we detected a different dynamic behavior: according to our data hERG is more likely to mediate a conduction mechanism which has been referred to as “single-vacancy-like” by Roux and coworkers (2001), rather then a “knock-on” mechanism. The same protocol was applied to a model of hERG presenting the Gly628Ser mutation, found to be cause of congenital LQTS. The results provided interesting insights about the reason of the malfunctioning of the mutant channel. Since they have critical functions in viruses’ life cycle, viral ion channels, such as M2 proton channel, are considered attractive targets for antiviral therapy. A deep knowledge of the mechanisms that the virus employs to survive in the host cell is of primary importance in the identification of new antiviral strategies. In the second part of this thesis I shed light on the role that M2 plays in the control of electrical potential inside the virus, being the charge equilibration a condition required to allow proton influx. The ion conduction through M2 was simulated using metadynamics technique. Based on our results we suggest that a potential anion-mediated cation-proton exchange, as well as a direct anion-proton exchange could both contribute to explain the activity of the M2 channel.

Espressione e ruolo funzionale di interleuchina-33 e del suo recettore, ST2, nelle malattie infiammatorie croniche intestinali

IL-33 is a novel member of the IL-1 family and ligand for the IL-1 receptor-related protein, ST2. Recent evidence suggests that the IL-33/ST2 axis plays a critical role in several autoimmune and inflammatory disorders; however, its role in inflammatory bowel disease (IBD) has not been clearly defined. We characterized IL-33 and ST2 expression and modulation following conventional anti-TNF therapy in Crohn’s disease and ulcerative colitis (UC) patients, and investigated the role of IL-33 in SAMP1/YitFc (SAMP) mice, a mixed Th1/Th2 model of IBD. Our results showed a specific increase of mucosal IL-33 in active UC, localized primarily to intestinal epithelial cells (IEC) and colonic inflammatory infiltrates. Importantly, increased expression of full-length IL-33, representing the most bioactive form, was detected in UC epithelium, while elevated levels of cleaved IL-33 were present in IBD serum. ST2 isoforms were differentially modulated in UC epithelium and sST2, a soluble decoy receptor with anti-inflammatory properties, was also elevated in IBD serum. Infliximab (anti-TNF) treatment of UC decreased circulating IL-33 and increased sST2, while stimulation of HT-29 IEC confirmed IL-33 and sST2 regulation by TNF. Similarly, IL-33 significantly increased and correlated with disease severity, and potently induced IL-5, IL-6 and IL-17 from mucosal immune cells in SAMP mice. Taken together, the IL-33/ST2 system plays an important role in IBD and experimental colitis, is modulated by anti-TNF therapy, and may represent a specific biomarker for active UC.

"Tracciature Digitali": la conoscenza nell'era informazionale

La specificità dell'acquisizione di contenuti attraverso le interfacce digitali condanna l'agente epistemico a un'interazione frammentata, insufficiente da un punto di vista computazionale, mnemonico e temporale, rispetto alla mole informazionale oggi accessibile attraverso una qualunque implementazione della relazione uomo-computer, e invalida l'applicabilità del modello standard di conoscenza, come credenza vera e giustificata, sconfessando il concetto di credenza razionalmente fondata, per formare la quale, sarebbe invece richiesto all'agente di poter disporre appunto di risorse concettuali, computazionali e temporali inaccessibili. La conseguenza è che l'agente, vincolato dalle limitazioni ontologiche tipiche dell'interazione con le interfacce culturali, si vede costretto a ripiegare su processi ambigui, arbitrari e spesso più casuali di quanto creda, di selezione e gestione delle informazioni che danno origine a veri e propri ibridi (alla Latour) epistemologici, fatti di sensazioni e output di programmi, credenze non fondate e bit di testimonianze indirette e di tutta una serie di relazioni umano-digitali che danno adito a rifuggire in una dimensione trascendente che trova nel sacro il suo più immediato ambito di attuazione. Tutto ciò premesso, il presente lavoro si occupa di costruire un nuovo paradigma epistemologico di conoscenza proposizionale ottenibile attraverso un'interfaccia digitale di acquisizione di contenuti, fondato sul nuovo concetto di Tracciatura Digitale, definito come un un processo di acquisizione digitale di un insieme di tracce, ossia meta-informazioni di natura testimoniale. Tale dispositivo, una volta riconosciuto come un processo di comunicazione di contenuti, si baserà sulla ricerca e selezione di meta-informazioni, cioè tracce, che consentiranno l'implementazione di approcci derivati dall'analisi decisionale in condizioni di razionalità limitata, approcci che, oltre ad essere quasi mai utilizzati in tale ambito, sono ontologicamente predisposti per una gestione dell'incertezza quale quella riscontrabile nell'istanziazione dell'ibrido informazionale e che, in determinate condizioni, potranno garantire l'agente sulla bontà epistemica del contenuto acquisito.

Constraints meet concurrency

We investigate the benefits that emerge when the fields of constraint programming and concurrency meet. On one hand, constraints can be use in concurrency theory to increase the conciseness and the expressive power of concurrent languages from a pragmatic point of view. On the other hand, problems modeled by using constraints can be solved faster and more efficiently using a concurrent system. We explore both directions providing two separate lines of contribution. Firstly we study the expressive power of a concurrent language, namely Constraint Handling Rules, that supports constraints as a primitive construct. We show what features of this language make it Turing powerful. Then we propose a framework to solve constraint problems that is intended to be deployed on a concurrent system. For the development of this framework we used the concurrent language Jolie following the Service Oriented paradigm. Based on this experience, we also propose an extension to Service Oriented Languages to overcome some of their limitations and to improve the development of concurrent applications.

Modellazione di processo in impianti di depurazione urbana finalizzata allo sviluppo di linee guida progettuali. Simulazioni e confronti su dati HERA full - scale.

Gli impianti di depurazione rappresentano, nei contesti urbani, elementi di imprescindibile importanza nell’ambito di una corretta gestione e tutela della risorsa idrica e dell’ambiente. Il crescente grado di antropizzazione delle aree urbanizzate e parallelamente le sempre minori disponibilità in termini di spazi utilizzabili a fini depurativi comportano sempre di più la necessità di ottimizzare i processi di dimensionamento degli impianti. Inoltre, l’obiettivo di aumentare l’efficienza del ciclo depurativo andando a minimizzare i costi correlati alla gestione degli stessi indirizza verso una omogeneizzazione nei criteri di dimensionamento adottati. In questo senso, la normativa tecnica di settore risulta carente, andandosi a concentrare prevalentemente sul rispetto di fissati standard ambientali senza però fornire indicazioni precise sui criteri di progettazione da adottare per perseguire tali standard. La letteratura scientifica pur indicando range di possibili valori di riferimento da adottare, nel dimensionamento degli impianti, lascia un ampio margine di discrezionalità al progettista. La presente tesi si pone pertanto, a partire da tali valori di letteratura, di andare a definire da un lato le caratteristiche quali-quantitative del refluo in ingresso e dall’altro i valori di riferimento da adottare in sede di progettazione per perseguire gli obiettivi precedentemente indicati. La prima parte, di valenza generale, oltre alla caratterizzazione dell’influente descrive nel dettaglio le diverse fasi del processo e il loro dimensionamento che in tutte le sezioni, ad eccezione del biologico, viene effettuato attraverso equazioni semplificate mettendo a confronto e analizzando i parametri progettuali proposti da letteratura. Per quanto riguarda il comparto biologico la maggior complessità del fenomeno da descrivere rende difficile la valutazione delle grandezze che caratterizzano il funzionamento mediante l’utilizzo di equazioni semplificate. Per questo si è deciso di modellare questo comparto, unito a quello della sedimentazione, attraverso un software (WEST) che permette non solo di simulare il processo ma anche, attraverso le analisi di scenario, di determinare quelli che sono i valori progettuali puntuali che consentono di ottenere da un lato una minimizzazione dei costi dell’impianto, sia costruttivi che gestionali, e dall’altro la massimizzazione delle rese depurative. Nello specifico si è fatto riferimento ad impianto fanghi attivi a schema semplificato con potenzialità fissata pari a 10000 AE. Il confronto con i dati di esercizio di alcuni impianti di analoga tipologia ha evidenziato che una buona capacità dello strumento di modellazione utilizzato di descrivere i processi. E’ possibile quindi concludere che tali strumenti, affiancati ad una lettura critica dei risultati ottenuti possono essere ottimi strumenti di supporto sia in fase di progettazione che in prospettiva di gestione dell’impianto al fine di ottimizzare i processi e quindi i costi.

Uso di modelli matematici per l'ottimizzazione dei processi e dell'efficienza energetica di un impianto di depurazione a fanghi attivi.

La tesi analizza la risposta di modello matematico biologico (ASM1) applicato ad un impianto di depurazione in scala pilota al fine di conoscere la risposta del sistema in seguito alla variazione delle condizioni iniziali e, in funzione dei risultati ottenuti, ipotizzare ed applicare diverse strategie di controllo tramite le quali ottimizzare l’efficienza dell’impianto, riducendo i costi in termini economici ed energetici e migliorando la qualità dell’effluente.