Bulk geochemistry and grain-size composition of surface sediments from the SW Atlantic

Surface sediments from the South American continental margin surrounding tbe Argentine Basin were studied with respect to bulk geochemistry (Caeo) and C ) and grain-size composition (sand/silt/clay relation and terrigenous silt grain-size distribution). The grain-size distributions of the terrigenous silt fraction were unmixed into three end members (EMs), using an end-member modelling algorithm. Three unimodal EMs appear to satisfactorily explain the variations in the data set of the grain-size distributions ofterrigenous silt. The EMs are related to sediment supply by rivers, downslope transport, winnowing, dispersal and re-deposition by currents. The bulk geochemical composition was used to trace the distribution of prominent water masses within the vertical profile. The sediments of the eastern South American continental margin are generally divided into a coarse-grained and carbonate-depleted southwestern part, and a finer-grained and carbonate-rich northeastern part. The transition of both environments is located at the position of the Brazil Malvinas Confluence (BMC). The sediments below the confluence mixing zone of the Malvinas and Brazil Currents and its extensions are characterised by high concentrations of organic carbon, low carbonate contents and high proportions of the intennediate grain-size end member. Tracing these properties, the BMC emerges as a distinct north-south striking feature centered at 52-54°W crossing the continental margin diagonally. Adjacent to this prominent feature in the southwest, the direct detrital sediment discharge of the Rio de la Plata is clearly recognised by a downslope tongue of sand and high proportions of the coarsest EM. A similar coarse grain-size composition extends further south along the continental slope. However, it displays bener sorting due to intense winnowing by the vigorous Malvinas Current. Fine-grained sedimentary deposition zones are located at the southwestern deeper part of the Rio Grande Rise and the southern abyssal Brazil Basin, both within the AABW domain. Less conspicuous winnowing/accumulation panerns are indicated north of the La Plata within the NADW level according to the continental margin topography. We demonstrate that combined bulk geochemical and grain-size properties of surface sediments, unmixed with an end-member algorithm, provide a powerful tool to reconstruct the complex interplay of sedimentology and oceanography along a time slice.

La geoquímica de los sedimentos de llanuras de inundación como guía para la valoración ambiental en España

En la presente tesis se estudian los contenidos geoquímicos de los sedimentos de llanura de inundación en diversas cuencas fluviales seleccionadas con el objetivo de contribuir a un mejor conocimiento de sus condiciones medioambientales. En cada cuenca, se ha muestreado un perfil vertical de llanura de inundación, dividiéndolo en tramos que generalmente corresponden a diferentes episodios de inundación. Estos sedimentos se depositan durante los episodios de crecidas una vez que la corriente sobrepasa los límites del canal. Se caracterizan normalmente por tener un tamaño de grano fino y una estructura en capas horizontales que corresponden a los sucesivos episodios de inundación. Muestran dos ventajas principales con respecto a otros medios de muestreo en geoquímica como suelos o sedimentos de corriente: • Pueden almacenar sedimento antiguo así como actual, con lo que se puede estudiar la historia geoquímica de una zona específica en un mismo punto de muestreo (perfil vertical). • Los sedimentos de llanuras de inundación son capaces de caracterizar grandes áreas de drenaje. El origen de los sedimentos es más diverso que en el sedimento de corriente, debido a las mayores áreas de donde proceden las aguas de las avenidas. Las cuencas han sido seleccionadas según las actividades antropogénicas que en ellas se llevan a cabo, en concreto, actividades urbanas e industriales, minería y agricultura. Así mismo, se han estudiado, como referencia, dos cuencas donde no se espera encontrar ningún tipo de actividad contaminante. Una vez hecha la selección, los sedimentos aluviales de las cuencas se han estudiado cuidadosamente para asegurar que no existen depósitos de acreción lateral en el punto seleccionado. Posteriormente se ha procedido al muestreo del perfil vertical. Las muestras han sido analizadas mediante ICP-MS (ataque total) e INAA para conocer los contenidos totales de los elementos traza y mayoritarios. Los análisis de la fracción extraíble se han llevado a cabo mediante ICP-MS (ataque con agua regia). Así mismo, algunas muestras seleccionadas han sido sometidas a una extracción secuencial para un estudio más detallado. La presencia de materia orgánica ha sido estimada mediante el análisis de Carbono Orgánico Total (TOC). Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis de isótopos de Pb en muestras escogidas en los perfiles, con el objetivo de hacer una evaluación ambiental. Los contenidos metálicos aumentan hacia la superficie en algunos de los perfiles, mientras en otros muestran una distribución muy constante exceptuando algún nivel específico con un aumento de los contenidos de la mayoría de los metales. Ha sido posible determinar la influencia de las actividades antropogénicas en algunos de los perfiles. Aquellos que pertenecen a cuencas mineras, urbanas o industrializadas muestran generalmente altos contenidos en elementos metálicos. Es el caso de los perfiles muestreados en los ríos Odiel y Tinto, Besaya, Besós y Manzanares. Algunos de estos perfiles pueden incluso correlacionarse con periodos de tiempo en los que ha tenido lugar una actividad antropogénica más intensa. Los perfiles que mejor se correlacionan con la actividad antropogénica de la cuenca son el perfil de Rivas en el río Manzanares (Madrid), que refleja un crecimiento de la contaminación producida por las actividades urbana e industrial en las últimas décadas, y el río Tinto, que muestra un crecimiento llamativo de los contenidos en su mayoría metálicos que puede estar relacionado con el incremento de la actividad minera que tuvo lugar hace aproximadamente 125 años. El análisis de los isótopos de Pb ha resultado ser una herramienta útil en la evaluación ambiental de estos sedimentos. Con este estudio y mediante la comparación con fuentes naturales y antropogénicas, ha sido posible diferenciar las muestras afectadas por diferentes fuentes de plomo, así como detectar las más afectadas antropogénicamente. ABSTRACT The geochemical composition of overbank sediments of some selected river basins is studied in this thesis in order to contribute to a better knowledge of the environmental conditions surrounding them. In each basin a vertical overbank profile has been sampled, dividing it into stretches that usually correspond to different flood events. The overbank sediments are those deposited during a flood event once the flow spills over the channel banks. They are usually characterized by a very fine grain size and a structure of horizontal layers, which correspond to successive flood events. These sediments show two main advantages regarding other sampling media in geochemistry, like soils or stream sediments: • They can store sediment deposited in the past as well as in current times, so that the history of a specific location can be studied at the very same point (vertical profile). • The overbank sediments are able to characterize a large drainage area. The origin of the sediment is wider than in the stream sediments due to the larger areas where the flood water comes from. The basins have been selected depending on the anthropogenic activities developed in them, namely, urban and industrial activities, mining activities and agricultural activities. As well, two pristine basins have been studied as a reference. Afterwards, the alluvial sediments in the basins have been carefully studied in order to sample a vertical profile and make sure that lateral accretion materials are not present in the profile. The samples have been analysed by ICP-MS (total digestion) and INAA to know the total contents of trace and major elements. Analysis of the mobile fraction has been carried out by ICP-MS (aqua regia); as well some of the samples have been subjected to sequential extraction for a more detailed study. The presence of organic matter has been estimated by the analysis of the Total Organic Carbon (TOC). Finally, a lead isotope analysis of some of the samples in the profiles was carried out in order to make an environmental assessment. Metal contents grow towards the surface in some of the profiles, while others show a very steady distribution, except for some of them with a growth of most of the metals in a specific level. XI It has been possible to determine the influence of the anthropogenic activities in some of the profiles. The ones that belong to mining and urban or industrialized basins show generally high contents of metal elements. This is the case of the profiles sampled in the Odiel and Tinto Rivers, the Besaya River, the Besós River and the Manzanares River. Some of these profiles can even correlate with the periods of time when a more intense activity in their respective basins has taken place. The profiles which best correlate with the anthropogenic activity are the Rivas profile in the Manzanares River, which reflects a growth of the pollution produced by urban and industrial activities in the city of Madrid in the last decades and the Tinto profile, which shows a very dramatic growth of the elemental contents (mostly metals) which can be related to the increase of the mining activities that took place in the last 125 years. The analysis of lead isotopes has turned out to be a powerful tool in the environmental assessment in this type of sediments. With this study and through the comparison with natural and anthropogenic sources, it has been possible to determine samples affected by different sources of lead and to detect the most anthropogenicaly affected ones.

Interactions between roughness and topography in hydraulic models

Analysis of river flow using hydraulic modelling and its implications in derived environ-mental applications are inextricably connected with the way in which the river boundary shape is represented. This relationship is scale-dependent upon the modelling resolution which in turn determines the importance of a subscale performance of the model and the way subscale (surface and flow) processes are parameterised. Commonly, the subscale behaviour of the model relies upon a roughness parameterisation whose meaning depends on the dimensionality of the hydraulic model and the resolution of the topographic represen¬tation scale. This latter is, in turn, dependent on the resolution of the computational mesh as well as on the detail of measured topographic data. Flow results are affected by this interactions between scale and subscale parameterisation according to the dimensionality approach. The aim of this dissertation is the evaluation of these interactions upon hy¬draulic modelling results. Current high resolution topographic source availability induce this research which is tackled using a suitable roughness approach according to each di¬mensionality with the purpose of the interaction assessment. A 1D HEC-RAS model, a 2D raster-based diffusion-wave model with a scale-dependent distributed roughness parame-terisation and a 3D finite volume scheme with a porosity algorithm approach to incorporate complex topography have been used. Different topographic sources are assessed using a 1D scheme. LiDAR data are used to isolate the mesh resolution from the topographic content of the DEM effects upon 2D and 3D flow results. A distributed roughness parameterisation, using a roughness height approach dependent upon both mesh resolution and topographic content is developed and evaluated for the 2D scheme. Grain-size data and fractal methods are used for the reconstruction of topography with microscale information, required for some applications but not easily available. Sensitivity of hydraulic parameters to this topographic parameterisation is evaluated in a 3D scheme at different mesh resolu¬tions. Finally, the structural variability of simulated flow is analysed and related to scale interactions. Model simulations demonstrate (i) the importance of the topographic source in a 1D models; (ii) the mesh resolution approach is dominant in 2D and 3D simulations whereas in a 1D model the topographic source and even the roughness parameterisation impacts are more critical; (iii) the increment of the sensitivity to roughness parameterisa-tion in 1D and 2D schemes with detailed topographic sources and finer mesh resolutions; and (iv) the topographic content and microtopography impact throughout the vertical profile of computed 3D velocity in a depth-dependent way, whereas 2D results are not affected by topographic content variations. Finally, the spatial analysis shows that the mesh resolution controls high resolution model scale results, roughness parameterisation control 2D simulation results for a constant mesh resolution; and topographic content and micro-topography variations impacts upon the organisation of flow results depth-dependently in a 3D scheme. Resumen La topografía juega un papel fundamental en la distribución del agua y la energía en los paisajes naturales (Beven and Kirkby 1979; Wood et al. 1997). La simulación hidráulica combinada con métodos de medición del terreno por teledetección constituyen una poderosa herramienta de investigación en la comprensión del comportamiento de los flujos de agua debido a la variabilidad de la superficie sobre la que fluye. La representación e incorporación de la topografía en el esquema hidráulico tiene una importancia crucial en los resultados y determinan el desarrollo de sus aplicaciones al campo medioambiental. Cualquier simulación es una simplificación de un proceso del mundo real, y por tanto el grado de simplificación determinará el significado de los resultados simulados. Este razonamiento es particularmente difícil de trasladar a la simulación hidráulica donde aspectos de la escala tan diferentes como la escala de los procesos de flujo y de representación del contorno son considerados conjuntamente incluso en fases de parametrización (e.g. parametrización de la rugosidad). Por una parte, esto es debido a que las decisiones de escala vienen condicionadas entre ellas (e.g. la dimensionalidad del modelo condiciona la escala de representación del contorno) y por tanto interaccionan en sus resultados estrechamente. Y por otra parte, debido a los altos requerimientos numéricos y computacionales de una representación explícita de alta resolución de los procesos de flujo y discretización de la malla. Además, previo a la modelización hidráulica, la superficie del terreno sobre la que el agua fluye debe ser modelizada y por tanto presenta su propia escala de representación, que a su vez dependerá de la escala de los datos topográficos medidos con que se elabora el modelo. En última instancia, esta topografía es la que determina el comportamiento espacial del flujo. Por tanto, la escala de la topografía en sus fases de medición y modelización (resolución de los datos y representación topográfica) previas a su incorporación en el modelo hidráulico producirá a su vez un impacto que se acumulará al impacto global resultante debido a la escala computacional del modelo hidráulico y su dimensión. La comprensión de las interacciones entre las complejas geometrías del contorno y la estructura del flujo utilizando la modelización hidráulica depende de las escalas consideradas en la simplificación de los procesos hidráulicos y del terreno (dimensión del modelo, tamaño de escala computacional y escala de los datos topográficos). La naturaleza de la aplicación del modelo hidráulico (e.g. habitat físico, análisis de riesgo de inundaciones, transporte de sedimentos) determina en primer lugar la escala del estudio y por tanto el detalle de los procesos a simular en el modelo (i.e. la dimensionalidad) y, en consecuencia, la escala computacional a la que se realizarán los cálculos (i.e. resolución computacional). Esta última a su vez determina, el detalle geográfico con que deberá representarse el contorno acorde con la resolución de la malla computacional. La parametrización persigue incorporar en el modelo hidráulico la cuantificación de los procesos y condiciones físicas del sistema natural y por tanto debe incluir no solo aquellos procesos que tienen lugar a la escala de modelización, sino también aquellos que tienen lugar a un nivel subescalar y que deben ser definidos mediante relaciones de escalado con las variables modeladas explícitamente. Dicha parametrización se implementa en la práctica mediante la provisión de datos al modelo, por tanto la escala de los datos geográficos utilizados para parametrizar el modelo no sólo influirá en los resultados, sino también determinará la importancia del comportamiento subescalar del modelo y el modo en que estos procesos deban ser parametrizados (e.g. la variabilidad natural del terreno dentro de la celda de discretización o el flujo en las direcciones laterales y verticales en un modelo unidimensional). En esta tesis, se han utilizado el modelo unidimensional HEC-RAS, (HEC 1998b), un modelo ráster bidimensional de propagación de onda, (Yu 2005) y un esquema tridimensional de volúmenes finitos con un algoritmo de porosidad para incorporar la topografía, (Lane et al. 2004; Hardy et al. 2005). La geometría del contorno viene definida por la escala de representación topográfica (resolución de malla y contenido topográfico), la cual a su vez depende de la escala de la fuente cartográfica. Todos estos factores de escala interaccionan en la respuesta del modelo hidráulico a la topografía. En los últimos años, métodos como el análisis fractal y las técnicas geoestadísticas utilizadas para representar y analizar elementos geográficos (e.g. en la caracterización de superficies (Herzfeld and Overbeck 1999; Butler et al. 2001)), están promoviendo nuevos enfoques en la cuantificación de los efectos de escala (Lam et al. 2004; Atkinson and Tate 2000; Lam et al. 2006) por medio del análisis de la estructura espacial de la variable (e.g. Bishop et al. 2006; Ju et al. 2005; Myint et al. 2004; Weng 2002; Bian and Xie 2004; Southworth et al. 2006; Pozd-nyakova et al. 2005; Kyriakidis and Goodchild 2006). Estos métodos cuantifican tanto el rango de valores de la variable presentes a diferentes escalas como la homogeneidad o heterogeneidad de la variable espacialmente distribuida (Lam et al. 2004). En esta tesis, estas técnicas se han utilizado para analizar el impacto de la topografía sobre la estructura de los resultados hidráulicos simulados. Los datos de teledetección de alta resolución y técnicas GIS también están siendo utilizados para la mejor compresión de los efectos de escala en modelos medioambientales (Marceau 1999; Skidmore 2002; Goodchild 2003) y se utilizan en esta tesis. Esta tesis como corpus de investigación aborda las interacciones de esas escalas en la modelización hidráulica desde un punto de vista global e interrelacionado. Sin embargo, la estructura y el foco principal de los experimentos están relacionados con las nociones espaciales de la escala de representación en relación con una visión global de las interacciones entre escalas. En teoría, la representación topográfica debe caracterizar la superficie sobre la que corre el agua a una adecuada (conforme a la finalidad y dimensión del modelo) escala de discretización, de modo que refleje los procesos de interés. La parametrización de la rugosidad debe de reflejar los efectos de la variabilidad de la superficie a escalas de más detalle que aquellas representadas explícitamente en la malla topográfica (i.e. escala de discretización). Claramente, ambos conceptos están físicamente relacionados por un

Analysis of the geometric altimetry to support aircraft optimal profiles within future 4D trajectory management

The use of barometric altimetry is to some extent a limiting factor on safety, predictability and efficiency of aircraft operations, and reduces the potential of the trajectory based operations capabilities. However, geometric altimetry could be used to improve all of these aspects. Nowadays aircraft altitude is estimated by applying the International Standard Atmosphere which differs from real altitude. At different temperatures for an assigned barometric altitude, aerodynamic forces are different and this has a direct relationship with time, fuel consumption and range of the flight. The study explores the feasibility of using sensors providing geometric reference altitude, in particular, to supply capabilities for the optimization of vertical profiles and also, their impact on the vertical Air Traffic Management separation assurance processes. One of the aims of the thesis is to assess if geometric altitude fulfils the aeronautical requirements through existing sensors. Also the thesis will elaborate on the advantages of geometric altitude over the barometric altitude in terms of efficiency for vertical navigation. The evidence that geometric altitude is the best choice to improve the efficiency in vertical profile and aircraft capacity by reducing vertical uncertainties will also be shown. In this paper, an atmospheric study is presented, as well as the impact of temperature deviation from International Standard Atmosphere model is analyzed in order to obtain relationship between geometric and barometric altitude. Furthermore, an aircraft model to study aircraft vertical profile is provided to analyse trajectories based on geometric altitudes.

A proposed bare-tether experiment on board a sounding rocket

A mission on board a sounding rocket to carry out two bare-tether experiments is proposed: a test of orbital-motion-limited (OML) collection and the proof-of-flight of a technique to determine the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer. Since full bias from the motional field will be small (~ 20V), corresponding to a tape 1 km long and V rocket <8 km/s, a power source with a range of supply voltages of few kV would be used. First, the negative terminal of the supply would be connected to the tape, and the positive terminal to a round, conductive boom of length 10 - 20 m; electrons collected by the boom cross the supply into the tape, where they leak out at the rate of ion impact plus secondary emission. Determination of the density profile from measurements of auroral emissions observed from the rocket, as secondaries racing down the magnetic field reach an E-layer footprint, are discussed. Next the positive terminal of the voltage supply is connected to the tape, and the negative terminal to a Hollow Cathode (HC); electrons now collected by the tape cross the supply, and are ejected at the HC. The opposite connections, with current collection operated by tape and boom, and operating on electrons and ions, and through partial switching in the supply, allow testing OML collection in almost all respects it depends on.

Floating Bare Tether as Upper Atmosphere Probe

Use of a (bare) conductive tape electrically floating in LEO as an effective e-beam source that produces artificial auroras, and is free of problems that have marred standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with KeV energies over most of its length liberate secondary electrons, which race down the magnetic field and excite neutrals in the E-layer, resulting in auroral emissions. The tether would operate at night-time with both a power supply and a plasma contactor off; power and contactor would be on at daytime for reboost. The optimal tape thickness yielding a minimum mass for an autonomous system is determined; the alternative use of an electric thruster for day reboost, depending on mission duration, is discussed. Measurements of emission brightness from the spacecraft could allow determination of the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer; the flux and energy in the beam, varying along the tether, allow imaging line-of-sight integrated emissions that mix effects with altitude-dependent neutral density and lead to a brightness peak in the beam footprint at the E-layer. Difficulties in tomographic inversion, to determine the density profile, result from beam broadening, due to elastic collisions, which flattens the peak, and to the highly nonlinear functional dependency of line-of-sight brightness. Some dynamical issues are discussed.

Offshore stereo measurements of gravity waves

Stereo video techniques are effective for estimating the space-time wave dynamics over an area of the ocean. Indeed, a stereo camera view allows retrieval of both spatial and temporal data whose statistical content is richer than that of time series data retrieved from point wave probes. To prove this, we consider an application of the Wave Acquisition Stereo System (WASS) for the analysis of offshore video measurements of gravity waves in the Northern Adriatic Sea. In particular, we deployed WASS at the oceanographic platform Acqua Alta, off the Venice coast, Italy. Three experimental studies were performed, and the overlapping field of view of the acquired stereo images covered an area of approximately 1100 m2. Analysis of the WASS measurements show that the sea surface can be accurately estimated in space and time together, yielding associated directional spectra and wave statistics that agree well with theoretical models. From the observed wavenumber-frequency spectrum one can also predict the vertical profile of the current flow underneath the wave surface. Finally, future improvements of WASS and applications are discussed.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

Does Leaf Position within a Canopy Affect Acclimation of Photosynthesis to Elevated CO2?1 : Analysis of a Wheat Crop under Free-Air CO2 Enrichment

Previous studies of photosynthetic acclimation to elevated CO2 have focused on the most recently expanded, sunlit leaves in the canopy. We examined acclimation in a vertical profile of leaves through a canopy of wheat (Triticum aestivum L.). The crop was grown at an elevated CO2 partial pressure of 55 Pa within a replicated field experiment using free-air CO2 enrichment. Gas exchange was used to estimate in vivo carboxylation capacity and the maximum rate of ribulose-1,5-bisphosphate-limited photosynthesis. Net photosynthetic CO2 uptake was measured for leaves in situ within the canopy. Leaf contents of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), light-harvesting-complex (LHC) proteins, and total N were determined. Elevated CO2 did not affect carboxylation capacity in the most recently expanded leaves but led to a decrease in lower, shaded leaves during grain development. Despite this acclimation, in situ photosynthetic CO2 uptake remained higher under elevated CO2. Acclimation at elevated CO2 was accompanied by decreases in both Rubisco and total leaf N contents and an increase in LHC content. Elevated CO2 led to a larger increase in LHC/Rubisco in lower canopy leaves than in the uppermost leaf. Acclimation of leaf photosynthesis to elevated CO2 therefore depended on both vertical position within the canopy and the developmental stage.