Evolution of extreme stomach pH in bilateria inferred from gastric alkalization mechanisms in basal deuterostomes

The stomachs of most vertebrates operate at an acidic pH of 2 generated by the gastric H+/K+-ATPase located in parietal cells. The acidic pH in stomachs of vertebrates is believed to aid digestion and to protect against environmental pathogens. Little attention has been placed on whether acidic gastric pH regulation is a vertebrate character or a deuterostome ancestral trait. Here, we report alkaline conditions up to pH 10.5 in the larval digestive systems of ambulacraria (echinoderm + hemichordate), the closest relative of the chordate. Microelectrode measurements in combination with specific inhibitors for acid-base transporters and ion pumps demonstrated that the gastric alkalization machinery in sea urchin larvae is mainly based on direct H+ secretion from the stomach lumen and involves a conserved set of ion pumps and transporters. Hemichordate larvae additionally utilized HCO3- transport pathways to generate even more alkaline digestive conditions. Molecular analyses in combination with acidification experiments supported these findings and identified genes coding for ion pumps energizing gastric alkalization. Given that insect larval guts were also reported to be alkaline, our discovery raises the hypothesis that the bilaterian ancestor utilized alkaline digestive system while the vertebrate lineage has evolved a strategy to strongly acidify their stomachs.

Stable carbon and oxygen isotope compositions of Eocene benthic foraminifera from ODP Site 207-1258

'Hyperthermals' are intervals of rapid, pronounced global warming known from six episodes within the Palaeocene and Eocene epochs (~65-34 million years (Myr) ago) (Zachos et al., 2005, doi:10.1126/science.1109004; 2008, doi:10.1038/nature06588; Roehl et al., 2007, doi:10.1029/2007GC001784; Thomas et al., 2000; Cramer et al., 2003, doi:10.1029/2003PA000909; Lourens et al., 2005, doi:10.1038/nature03814; Petrizzo, 2005, doi:10.2973/odp.proc.sr.198.102.2005; Sexton et al., 2006, doi:10.1029/2005PA001253; Westerhold et al., 2007, doi:10.1029/2006PA001322; Edgar et al., 2007, doi:10.1038/nature06053; Nicolo et al., 2007, doi:10.1130/G23648A.1; Quillévéré et al., 2008, doi:10.1016/j.epsl.2007.10.040; Stap et al., 2010, doi:10.1130/G30777.1). The most extreme hyperthermal was the 170 thousand year (kyr) interval (Roehl et al., 2007) of 5-7 °C global warming (Zachos et al., 2008) during the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum (PETM, 56 Myr ago). The PETM is widely attributed to massive release of greenhouse gases from buried sedimentary carbon reservoirs (Zachos et al., 2005; 2008; Lourenbs et al., 2005; Nicolo et al., 2007; Dickens et al., 1995, doi:10.1029/95PA02087; Dickens, 2000; 2003, doi:10.1016/S0012-821X(03)00325-X; Panchuk et al., 2008, doi:10.1130/G24474A.1) and other, comparatively modest, hyperthermals have also been linked to the release of sedimentary carbon (Zachos et al., 2008, Lourens et al., 2005; Nicolo et al., 2007; Dickens, 2003; Panchuk et al., 2003). Here we show, using new 2.4-Myr-long Eocene deep ocean records, that the comparatively modest hyperthermals are much more numerous than previously documented, paced by the eccentricity of Earth's orbit and have shorter durations (~40 kyr) and more rapid recovery phases than the PETM. These findings point to the operation of fundamentally different forcing and feedback mechanisms than for the PETM, involving redistribution of carbon among Earth's readily exchangeable surface reservoirs rather than carbon exhumation from, and subsequent burial back into, the sedimentary reservoir. Specifically, we interpret our records to indicate repeated, large-scale releases of dissolved organic carbon (at least 1,600 gigatonnes) from the ocean by ventilation (strengthened oxidation) of the ocean interior. The rapid recovery of the carbon cycle following each Eocene hyperthermal strongly suggests that carbon was resequestered by the ocean, rather than the much slower process of silicate rock weathering proposed for the PETM (Zachos et al., 2005; 2003). Our findings suggest that these pronounced climate warming events were driven not by repeated releases of carbon from buried sedimentary sources (Zachos et al., 2008, Lourens et al., 2005; Nicolo et al., 2007; Dickens, 2003; Panchuk et al., 2003) but, rather, by patterns of surficial carbon redistribution familiar from younger intervals of Earth history.

Aircraft trajectory simulator using a three degrees of freedom aircraft point mass model

Aircraft Operators Companies (AOCs) are always willing to keep the cost of a flight as low as possible. These costs could be modelled using a function of the fuel consumption, time of flight and fixed cost (over flight cost, maintenance, etc.). These are strongly dependant on the atmospheric conditions, the presence of winds and the aircraft performance. For this reason, much research effort is being put in the development of numerical and graphical techniques for defining the optimal trajectory. This paper presents a different approach to accommodate AOCs preferences, adding value to their activities, through the development of a tool, called aircraft trajectory simulator. This tool is able to simulate the actual flight of an aircraft with the constraints imposed. The simulator is based on a point mass model of the aircraft. The aim of this paper is to evaluate 3DoF aircraft model errors with BADA data through real data from Flight Data Recorder FDR. Therefore, to validate the proposed simulation tool a comparative analysis of the state variables vector is made between an actual flight and the same flight using the simulator. Finally, an example of a cruise phase is presented, where a conventional levelled flight is compared with a continuous climb flight. The comparison results show the potential benefits of following user-preferred routes for commercial flights.

Reply to Comment on ``Towards a large deviation theory for strongly correlated systems''

The computational study commented by Touchette opens the door to a desirable generalization of standard large deviation theory for special, though ubiquitous, correlations. We focus on three interrelated aspects: (i) numerical results strongly suggest that the standard exponential probability law is asymptotically replaced by a power-law dominant term; (ii) a subdominant term appears to reinforce the thermodynamically extensive entropic nature of q-generalized rate function; (iii) the correlations we discussed, correspond to Q -Gaussian distributions, differing from Lévy?s, except in the case of Cauchy?Lorentz distributions. Touchette has agreeably discussed point (i), but, unfortunately, points (ii) and (iii) escaped to his analysis. Claiming the absence of connection with q-exponentials is unjustified.

Extreme super-resolution using the spherical geodesic waveguide

Leonhardt demonstrated (2009) that the 2D Maxwell Fish Eye lens (MFE) can focus perfectly 2D Helmholtz waves of arbitrary frequency, i.e., it can transport perfectly an outward (monopole) 2D Helmholtz wave field, generated by a point source, towards a "perfect point drain" located at the corresponding image point. Moreover, a prototype with λ/5 superresolution (SR) property for one microwave frequency has been manufactured and tested (Ma et al, 2010). Although this prototype has been loaded with an impedance different from the "perfect point drain", it has shown super-resolution property. However, neither software simulations nor experimental measurements for a broad band of frequencies have yet been reported. Here we present steady state simulations for two cases, using perfect drain as suggested by Leonhardt and without perfect drain as in the prototype. All the simulations have been done using a device equivalent to the MFE, called the Spherical Geodesic Waveguide (SGW). The results show the super-resolution up to λ/3000, for the system loaded with the perfect drain, and up to λ/500 for a not perfect load. In both cases super-resolution only happens for discrete number of frequencies. Out of these frequencies, the SGW does not show super-resolution in the analysis carried out.

Understanding extreme Spanish coastal flood events

The Santa Irene flood event, at the end of October 1982, is one of the most dramatically widely reported flood events in Spain. Its renown is mainly due to the collapse of the Tous dam, but its main message is to be the paradigm of the incidence of the maritime/littoral weather and its temporal sea level rise by storm surge accompanying rain process on the coastal plains inland floods. Looking at damages the presentation analyzes the adapted measures from the point of view of the aims of the FP7 SMARTeST Project related to the Flood Resilience improvement in urban areas through looking for Technologies, Systems and Tools an appropriate "road to de market".

Planar point sets with large minimum convex decompositions

We show the existence of sets with n points (n ? 4) for which every convex decomposition contains more than (35/32)n?(3/2) polygons,which refutes the conjecture that for every set of n points there is a convex decomposition with at most n+C polygons. For sets having exactly three extreme pointswe show that more than n+sqr(2(n ? 3))?4 polygons may be necessary to form a convex decomposition.

La forma del agua. Temas e invariantes en el jardín y el paisaje. Análisis de casos (Holanda-España, 1548-1648)

El espacio geográfico, entendido como territorio que da soporte a la vida y a la civilización, ha estado siempre fuertemente supeditado a la presencia de agua. Desde la Prehistoria el hombre otorgó al agua, junto a otros elementos que aseguraban o protegían su vida, un valor superior, por encima de lo humano. Paralelamente y de manera natural, el jardín, en sus inicios en estrecha relación con la agricultura y con el paisaje, fue el ámbito idóneo para la creación de nuevas formas acuáticas artificiales. Este proceso dio lugar a un extenso repertorio de formas compositivas que parece que tuvo en el Renacimiento un punto de inflexión, en el que se observa como la mayoría de recursos y configuraciones básicas del agua estaban ya plenamente establecidas. Esta evolución y sus resultados ha sido el objeto de la primera parte de la tesis: su objetivo ha sido analizar cómo el agua configura, cualifica o puede llegar a construir el jardín y el territorio en el que se inserta, así como establecer las posibles relaciones entre estos dos ámbitos de estudio. Aunque la historia es su fundamento, el planteamiento aquí ha sido más bien conceptual; estudiando los componentes acuáticos desde un punto de vista fundamentalmente compositivo. Esta indagación previa ha sido indispensable para llegar a entender en profundidad los modos en los que el agua se muestra en el jardín y en el paisaje renacentista y manierista, momentos en que se insertan los dos casos de estudio que constituyen la segunda parte de la tesis. Sin caer en un determinismo geográfico extremo, puede admitirse que el jardín, como manifestación cultural intrínsecamente ligada al entorno, depende fuertemente del territorio en el que se asienta; hecho particularmente evidente en aquellas regiones en las que su especial geografía ha sido un claro factor condicionante de su historia. Por ello, Holanda y España han sido las dos localizaciones elegidas para profundizar en este estudio; no tanto por su estrecha relación política y cultural, sino por su profundo y sugerente contraste de medio físico y climático. La Península Ibérica, geográficamente el término del mundo conocido en Occidente hasta el final de la Edad Media, y por esta circunstancia convertida en destino, en territorio de permanencia y fusión, estará además supeditada en la mayoría de su territorio a la falta de agua, siendo a la vez heredera directa del universo y la tradición del jardín meridional originario de Oriente. En el extremo opuesto, Holanda, espacio de transición entre el mar y la tierra firme “real”, es un territorio permeado de humedad y surcado con generosidad por grandes ríos. El país, con una relación ambivalente con el agua, unas veces como amenaza y otras como fuente de nuevas oportunidades, será por el contrario especialmente favorable para el desarrollo de un modelo de jardín septentrional. Un jardín del norte, que no obstante, no surgirá de despejar los bosques, como en el arquetipo nórdico, sino que crecerá sobre planicies antes saturadas de agua o directamente anegadas. El marco temporal de los dos casos concretos ha considerado como fecha inicial 1548, momento en el que Felipe II, aún príncipe, realizó su primer viaje a los Países Bajos, y entró en contacto con el modelo holandés. La extensa producción posterior de jardines de Felipe II, siempre con el agua como protagonista, tuvo como destacado referente la adaptación al suelo y la geografía hispánicos de dicho modelo. Como fecha final se fija 1648, justo un siglo después, fecha coincidente con la firma de la Paz de Westfalia, tratado que supone la total reorganización política del territorio europeo y la pérdida de la hegemonía española en Europa. En Holanda sólo dos años después nacerá Guillermo III de Orange, estatúder de las Provincias Unidas, también futuro rey de Inglaterra, Escocia e Irlanda. Para entonces en Holanda ya se había asistido al desarrollo de un arte propio de jardín, íntimamente ligado al agua, sorprendentemente no demasiado bien conocido y que será uno de los temas de esta investigación. Finalmente, se propone una lectura conjunta de toda esta serie de intervenciones que tienen como argumento el agua, en la que se integra la información procedente de distintos campos de estudio, cada una con su metodología particular. El resultado es una tesis en la que el jardín y el territorio son tratados desde un nuevo y enriquecedor punto de vista. ABSTRACT Geographical space, understood as the territory that provides support to human life and civilization, has always been strongly subjected to the presence of water. From Prehistory man gave to water, along with other elements that ensured or protected life, a higher value than the merely human. At the same time and in a natural way, the garden, in its beginnings with a close relationship with agriculture and landscape, soon developed as the appropriate ground for the creation of new artificial aquatic forms, in a process that seems to have a turning point in the Renaissance, when most of the basic waterworks and resources were already fully established. This development and its outcomes are the subjects of the first part of the thesis: its scope has been to analyse how water configures, qualifies and might even help to construct the garden or landscape attached to it; and to establish the possible links between these two fields of study. Although history based, the point of view here is mainly conceptual, studying the water components understood as composite elements. This exploratory research has been essential to deeply understand the water patterns shown in the Renaissance and Mannerist garden and landscape, periods in which the two case studies are inserted. Without falling in extreme determinism, it can be accepted however, that garden, as a cultural expression linked to environment, is strongly dependant on territorial setting; something particularly evident in those areas where specific geography has been a clear history conditioning factor. This is the reason that leads to choose the Netherlands and Spain to deepen this study, no so much for their interesting cultural and politics relations as for the suggestive and profound contrast of their physical environment and climate. The Iberian Peninsula, geographically the limit of the known world in Occident until the end of the Medium Age, and by this circumstance understood as endpoint, more a destination than a crossroad, a territory of permanence and fusion, but also subjected to water shortage; is thus associated with the universe and tradition of the meridional garden imported from Orient. In the opposite, the Netherlands, a transitional space between the sea and the “real” firm land, is a territory permeated by water and crossed by big rivers. Always with an ambivalent relationship with water, sometimes seen as a threat and sometimes as a source of new opportunities, it was in the other hand the adequate land for the development of a special model of Northern garden. A garden that will not arise, however, from the clearing of woods as in the Nordic archetype, but that will grow on plains originally saturated of water or directly waterlogged. The timeframe of the two cases has 1548 as the initial year, moment in which Philip II, yet prince, made his first trip to the Low Lands and imbibed the Dutch garden model. The later and bountiful garden works of the king, always with the water as the main focus, adapted the imported model to the Spanish ground and geography. The final date is fixed in 1648, just a century after, in coincidence with the Westfalia Peace; a treaty that implied the total political reorganization of the European territory and the end of the Spanish hegemony in the continent. In Holland, only two years later, William III of Orange, Stadtholder of the United Provinces and also future king of England, Scotland and Ireland, was born. But by then the Netherlands had developed an own garden art, closely linked to water. This type garden, surprisingly not very well known, and its relationship with water, will be other of the addressing questions of this work. Finally, the investigation merges the different interventions that have water as an argument, integrating all the fields considered with their particular methodological approaches. The final result is a thesis in which garden and territory are treated from a new and enriching perspective.

Evaluación estocástica de huecos de tensión en sistemas eléctricos: estudio de sensibilidad, estimación de índices y localización óptima de medidores

I. GENERALIDADES 1.1. Introducción Entre los diversos tipos de perturbaciones eléctricas, los huecos de tensión son considerados el problema de calidad de suministro más frecuente en los sistemas eléctricos. Este fenómeno es originado por un aumento extremo de la corriente en el sistema, causado principalmente por cortocircuitos o maniobras inadecuadas en la red. Este tipo de perturbación eléctrica está caracterizado básicamente por dos parámetros: tensión residual y duración. Típicamente, se considera que el hueco se produce cuando la tensión residual alcanza en alguna de las fases un valor entre 0.01 a 0.9 pu y tiene una duración de hasta 60 segundos. Para un usuario final, el efecto más relevante de un hueco de tensión es la interrupción o alteración de la operación de sus equipos, siendo los dispositivos de naturaleza electrónica los principalmente afectados (p. ej. ordenador, variador de velocidad, autómata programable, relé, etc.). Debido al auge tecnológico de las últimas décadas y a la búsqueda constante de automatización de los procesos productivos, el uso de componentes electrónicos resulta indispensable en la actualidad. Este hecho, lleva a que los efectos de los huecos de tensión sean más evidentes para el usuario final, provocando que su nivel de exigencia de la calidad de energía suministrada sea cada vez mayor. De forma general, el estudio de los huecos de tensión suele ser abordado bajo dos enfoques: en la carga o en la red. Desde el punto de vista de la carga, se requiere conocer las características de sensibilidad de los equipos para modelar su respuesta ante variaciones súbitas de la tensión del suministro eléctrico. Desde la perspectiva de la red, se busca estimar u obtener información adecuada que permita caracterizar su comportamiento en términos de huecos de tensión. En esta tesis, el trabajo presentado se encuadra en el segundo aspecto, es decir, en el modelado y estimación de la respuesta de un sistema eléctrico de potencia ante los huecos de tensión. 1.2. Planteamiento del problema A pesar de que los huecos de tensión son el problema de calidad de suministro más frecuente en las redes, hasta la actualidad resulta complejo poder analizar de forma adecuada este tipo de perturbación para muchas compañías del sector eléctrico. Entre las razones más comunes se tienen: - El tiempo de monitorización puede llegar a ser de varios años para conseguir una muestra de registros de huecos estadísticamente válida. - La limitación de recursos económicos para la adquisición e instalación de equipos de monitorización de huecos. - El elevado coste operativo que implica el análisis de los datos de los medidores de huecos de tensión instalados. - La restricción que tienen los datos de calidad de energía de las compañías eléctricas. Es decir, ante la carencia de datos que permitan analizar con mayor detalle los huecos de tensión, es de interés de las compañías eléctricas y la academia poder crear métodos fiables que permitan profundizar en el estudio, estimación y supervisión de este fenómeno electromagnético. Los huecos de tensión, al ser principalmente originados por eventos fortuitos como los cortocircuitos, son el resultado de diversas variables exógenas como: (i) la ubicación de la falta, (ii) la impedancia del material de contacto, (iii) el tipo de fallo, (iv) la localización del fallo en la red, (v) la duración del evento, etc. Es decir, para plantear de forma adecuada cualquier modelo teórico sobre los huecos de tensión, se requeriría representar esta incertidumbre combinada de las variables para proveer métodos realistas y, por ende, fiables para los usuarios. 1.3. Objetivo La presente tesis ha tenido como objetivo el desarrollo diversos métodos estocásticos para el estudio, estimación y supervisión de los huecos de tensión en los sistemas eléctricos de potencia. De forma específica, se ha profundizado en los siguientes ámbitos: - En el modelado realista de las variables que influyen en la caracterización de los huecos. Esto es, en esta Tesis se ha propuesto un método que permite representar de forma verosímil su cuantificación y aleatoriedad en el tiempo empleando distribuciones de probabilidad paramétricas. A partir de ello, se ha creado una herramienta informática que permite estimar la severidad de los huecos de tensión en un sistema eléctrico genérico. - Se ha analizado la influencia la influencia de las variables de entrada en la estimación de los huecos de tensión. En este caso, el estudio se ha enfocado en las variables de mayor divergencia en su caracterización de las propuestas existentes. - Se ha desarrollado un método que permite estima el número de huecos de tensión de una zona sin monitorización a través de la información de un conjunto limitado de medidas de un sistema eléctrico. Para ello, se aplican los principios de la estadística Bayesiana, estimando el número de huecos de tensión más probable de un emplazamiento basándose en los registros de huecos de otros nudos de la red. - Plantear una estrategia para optimizar la monitorización de los huecos de tensión en un sistema eléctrico. Es decir, garantizar una supervisión del sistema a través de un número de medidores menor que el número de nudos de la red. II. ESTRUCTURA DE LA TESIS Para plantear las propuestas anteriormente indicadas, la presente Tesis se ha estructurado en seis capítulos. A continuación, se describen brevemente los mismos. A manera de capítulo introductorio, en el capítulo 1, se realiza una descripción del planteamiento y estructura de la presente tesis. Esto es, se da una visión amplia de la problemática a tratar, además de describir el alcance de cada capítulo de la misma. En el capítulo 2, se presenta una breve descripción de los fundamentos y conceptos generales de los huecos de tensión. Los mismos, buscan brindar al lector de una mejor comprensión de los términos e indicadores más empleados en el análisis de severidad de los huecos de tensión en las redes eléctricas. Asimismo, a manera de antecedente, se presenta un resumen de las principales características de las técnicas o métodos existentes aplicados en la predicción y monitorización óptima de los huecos de tensión. En el capítulo 3, se busca fundamentalmente conocer la importancia de las variables que determinen la frecuencia o severidad de los huecos de tensión. Para ello, se ha implementado una herramienta de estimación de huecos de tensión que, a través de un conjunto predeterminado de experimentos mediante la técnica denominada Diseño de experimentos, analiza la importancia de la parametrización de las variables de entrada del modelo. Su análisis, es realizado mediante la técnica de análisis de la varianza (ANOVA), la cual permite establecer con rigor matemático si la caracterización de una determinada variable afecta o no la respuesta del sistema en términos de los huecos de tensión. En el capítulo 4, se propone una metodología que permite predecir la severidad de los huecos de tensión de todo el sistema a partir de los registros de huecos de un conjunto reducido de nudos de dicha red. Para ello, se emplea el teorema de probabilidad condicional de Bayes, el cual calcula las medidas más probables de todo el sistema a partir de la información proporcionada por los medidores de huecos instalados. Asimismo, en este capítulo se revela una importante propiedad de los huecos de tensión, como es la correlación del número de eventos de huecos de tensión en diversas zonas de las redes eléctricas. En el capítulo 5, se desarrollan dos métodos de localización óptima de medidores de huecos de tensión. El primero, que es una evolución metodológica del criterio de observabilidad; aportando en el realismo de la pseudo-monitorización de los huecos de tensión con la que se calcula el conjunto óptimo de medidores y, por ende, en la fiabilidad del método. Como una propuesta alternativa, se emplea la propiedad de correlación de los eventos de huecos de tensión de una red para plantear un método que permita establecer la severidad de los huecos de todo el sistema a partir de una monitorización parcial de dicha red. Finalmente, en el capítulo 6, se realiza una breve descripción de las principales aportaciones de los estudios realizados en esta tesis. Adicionalmente, se describen diversos temas a desarrollar en futuros trabajos. III. RESULTADOS En base a las pruebas realizadas en las tres redes planteadas; dos redes de prueba IEEE de 24 y 118 nudos (IEEE-24 e IEEE-118), además del sistema eléctrico de la República del Ecuador de 357 nudos (EC-357), se describen los siguientes puntos como las observaciones más relevantes: A. Estimación de huecos de tensión en ausencia de medidas: Se implementa un método estocástico de estimación de huecos de tensión denominado PEHT, el cual representa con mayor realismo la simulación de los eventos de huecos de un sistema a largo plazo. Esta primera propuesta de la tesis, es considerada como un paso clave para el desarrollo de futuros métodos del presente trabajo, ya que permite emular de forma fiable los registros de huecos de tensión a largo plazo en una red genérica. Entre las novedades más relevantes del mencionado Programa de Estimación de Huecos de Tensión (PEHT) se tienen: - Considerar el efecto combinado de cinco variables aleatorias de entrada para simular los eventos de huecos de tensión en una pseudo-monitorización a largo plazo. Las variables de entrada modeladas en la caracterización de los huecos de tensión en el PEHT son: (i) coeficiente de fallo, (ii) impedancia de fallo, (iii) tipo de fallo, (iv) localización del fallo y (v) duración. - El modelado estocástico de las variables de entrada impedancia de fallo y duración en la caracterización de los eventos de huecos de tensión. Para la parametrización de las variables mencionadas, se realizó un estudio detallado del comportamiento real de las mismas en los sistemas eléctricos. Asimismo, se define la función estadística que mejor representa la naturaleza aleatoria de cada variable. - Considerar como variables de salida del PEHT a indicadores de severidad de huecos de uso común en las normativas, como es el caso de los índices: SARFI-X, SARFI-Curve, etc. B. Análisis de sensibilidad de los huecos de tensión: Se presenta un estudio causa-efecto (análisis de sensibilidad) de las variables de entrada de mayor divergencia en su parametrización entre las referencias relacionadas a la estimación de los huecos de tensión en redes eléctricas. De forma específica, se profundiza en el estudio de la influencia de la parametrización de las variables coeficiente de fallo e impedancia de fallo en la predicción de los huecos de tensión. A continuación un resumen de las conclusiones más destacables: - La precisión de la variable de entrada coeficiente de fallo se muestra como un parámetro no influyente en la estimación del número de huecos de tensión (SARFI-90 y SARFI-70) a largo plazo. Es decir, no se requiere de una alta precisión del dato tasa de fallo de los elementos del sistema para obtener una adecuada estimación de los huecos de tensión. - La parametrización de la variable impedancia de fallo se muestra como un factor muy sensible en la estimación de la severidad de los huecos de tensión. Por ejemplo, al aumentar el valor medio de esta variable aleatoria, se disminuye considerablemente la severidad reportada de los huecos en la red. Por otra parte, al evaluar el parámetro desviación típica de la impedancia de fallo, se observa una relación directamente proporcional de este parámetro con la severidad de los huecos de tensión de la red. Esto es, al aumentar la desviación típica de la impedancia de fallo, se evidencia un aumento de la media y de la variación interanual de los eventos SARFI-90 y SARFI-70. - En base al análisis de sensibilidad desarrollado en la variable impedancia de fallo, se considera muy cuestionable la fiabilidad de los métodos de estimación de huecos de tensión que omiten su efecto en el modelo planteado. C. Estimación de huecos de tensión en base a la información de una monitorización parcial de la red: Se desarrolla un método que emplea los registros de una red parcialmente monitorizada para determinar la severidad de los huecos de todo el sistema eléctrico. A partir de los casos de estudio realizados, se observa que el método implementado (PEHT+MP) posee las siguientes características: - La metodología propuesta en el PEHT+MP combina la teoría clásica de cortocircuitos con diversas técnicas estadísticas para estimar, a partir de los datos de los medidores de huecos instalados, las medidas de huecos de los nudos sin monitorización de una red genérica. - El proceso de estimación de los huecos de tensión de la zona no monitorizada de la red se fundamenta en la aplicación del teorema de probabilidad condicional de Bayes. Es decir, en base a los datos observados (los registros de los nudos monitorizados), el PEHT+MP calcula de forma probabilística la severidad de los huecos de los nudos sin monitorización del sistema. Entre las partes claves del procedimiento propuesto se tienen los siguientes puntos: (i) la creación de una base de datos realista de huecos de tensión a través del Programa de Estimación de Huecos de Tensión (PEHT) propuesto en el capítulo anterior; y, (ii) el criterio de máxima verosimilitud empleado para estimar las medidas de huecos de los nudos sin monitorización de la red evaluada. - Las predicciones de medidas de huecos de tensión del PEHT+MP se ven potenciadas por la propiedad de correlación de los huecos de tensión en diversas zonas de un sistema eléctrico. Esta característica intrínseca de las redes eléctricas limita de forma significativa la respuesta de las zonas fuertemente correlacionadas del sistema ante un eventual hueco de tensión. Como el PEHT+MP está basado en principios probabilísticos, la reducción del rango de las posibles medidas de huecos se ve reflejado en una mejor predicción de las medidas de huecos de la zona no monitorizada. - Con los datos de un conjunto de medidores relativamente pequeño del sistema, es posible obtener estimaciones precisas (error nulo) de la severidad de los huecos de la zona sin monitorizar en las tres redes estudiadas. - El PEHT+MP se puede aplicar a diversos tipos de indicadores de severidad de los huecos de tensión, como es el caso de los índices: SARFI-X, SARFI-Curve, SEI, etc. D. Localización óptima de medidores de huecos de tensión: Se plantean dos métodos para ubicar de forma estratégica al sistema de monitorización de huecos en una red genérica. La primera propuesta, que es una evolución metodológica de la localización óptima de medidores de huecos basada en el criterio de observabilidad (LOM+OBS); y, como segunda propuesta, un método que determina la localización de los medidores de huecos según el criterio del área de correlación (LOM+COR). Cada método de localización óptima de medidores propuesto tiene un objetivo concreto. En el caso del LOM+OBS, la finalidad del método es determinar el conjunto óptimo de medidores que permita registrar todos los fallos que originen huecos de tensión en la red. Por otro lado, en el método LOM+COR se persigue definir un sistema óptimo de medidores que, mediante la aplicación del PEHT+MP (implementado en el capítulo anterior), sea posible estimar de forma precisa las medidas de huecos de tensión de todo el sistema evaluado. A partir del desarrollo de los casos de estudio de los citados métodos de localización óptima de medidores en las tres redes planteadas, se describen a continuación las observaciones más relevantes: - Como la generación de pseudo-medidas de huecos de tensión de los métodos de localización óptima de medidores (LOM+OBS y LOM+COR) se obtienen mediante la aplicación del algoritmo PEHT, la formulación del criterio de optimización se realiza en base a una pseudo-monitorización realista, la cual considera la naturaleza aleatoria de los huecos de tensión a través de las cinco variables estocásticas modeladas en el PEHT. Esta característica de la base de datos de pseudo-medidas de huecos de los métodos LOM+OBS y LOM+COR brinda una mayor fiabilidad del conjunto óptimo de medidores calculado respecto a otros métodos similares en la bibliografía. - El conjunto óptimo de medidores se determina según la necesidad del operador de la red. Esto es, si el objetivo es registrar todos los fallos que originen huecos de tensión en el sistema, se emplea el criterio de observabilidad en la localización óptima de medidores de huecos. Por otra parte, si se plantea definir un sistema de monitorización que permita establecer la severidad de los huecos de tensión de todo el sistema en base a los datos de un conjunto reducido de medidores de huecos, el criterio de correlación resultaría el adecuado. De forma específica, en el caso del método LOM+OBS, basado en el criterio de observabilidad, se evidenciaron las siguientes propiedades en los casos de estudio realizados: - Al aumentar el tamaño de la red, se observa la tendencia de disminuir el porcentaje de nudos monitorizados de dicho sistema. Por ejemplo, para monitorizar los fallos que originan huecos en la red IEEE-24, se requiere monitorizar el 100\% de los nudos del sistema. En el caso de las redes IEEE-118 y EC-357, el método LOM+OBS determina que con la monitorización de un 89.5% y 65.3% del sistema, respectivamente, se cumpliría con el criterio de observabilidad del método. - El método LOM+OBS permite calcular la probabilidad de utilización del conjunto óptimo de medidores a largo plazo, estableciendo así un criterio de la relevancia que tiene cada medidor considerado como óptimo en la red. Con ello, se puede determinar el nivel de precisión u observabilidad (100%, 95%, etc.) con el cual se detectarían los fallos que generan huecos en la red estudiada. Esto es, al aumentar el nivel de precisión de detección de los fallos que originan huecos, se espera que aumente el número de medidores requeridos en el conjunto óptimo de medidores calculado. - El método LOM+OBS se evidencia como una técnica aplicable a todo tipo de sistema eléctrico (radial o mallado), el cual garantiza la detección de los fallos que originan huecos de tensión en un sistema según el nivel de observabilidad planteado. En el caso del método de localización óptima de medidores basado en el criterio del área de correlación (LOM+COR), las diversas pruebas realizadas evidenciaron las siguientes conclusiones: - El procedimiento del método LOM+COR combina los métodos de estimación de huecos de tensión de capítulos anteriores (PEHT y PEHT+MP) con técnicas de optimización lineal para definir la localización óptima de los medidores de huecos de tensión de una red. Esto es, se emplea el PEHT para generar los pseudo-registros de huecos de tensión, y, en base al criterio planteado de optimización (área de correlación), el LOM+COR formula y calcula analíticamente el conjunto óptimo de medidores de la red a largo plazo. A partir de la información registrada por este conjunto óptimo de medidores de huecos, se garantizaría una predicción precisa de la severidad de los huecos de tensión de todos los nudos del sistema con el PEHT+MP. - El método LOM+COR requiere un porcentaje relativamente reducido de nudos del sistema para cumplir con las condiciones de optimización establecidas en el criterio del área de correlación. Por ejemplo, en el caso del número total de huecos (SARFI-90) de las redes IEEE-24, IEEE-118 y EC-357, se calculó un conjunto óptimo de 9, 12 y 17 medidores de huecos, respectivamente. Es decir, solamente se requeriría monitorizar el 38\%, 10\% y 5\% de los sistemas indicados para supervisar los eventos SARFI-90 en toda la red. - El método LOM+COR se muestra como un procedimiento de optimización versátil, el cual permite reducir la dimensión del sistema de monitorización de huecos de redes eléctricas tanto radiales como malladas. Por sus características, este método de localización óptima permite emular una monitorización integral del sistema a través de los registros de un conjunto pequeño de monitores. Por ello, este nuevo método de optimización de medidores sería aplicable a operadores de redes que busquen disminuir los costes de instalación y operación del sistema de monitorización de los huecos de tensión. ABSTRACT I. GENERALITIES 1.1. Introduction Among the various types of electrical disturbances, voltage sags are considered the most common quality problem in power systems. This phenomenon is caused by an extreme increase of the current in the network, primarily caused by short-circuits or inadequate maneuvers in the system. This type of electrical disturbance is basically characterized by two parameters: residual voltage and duration. Typically, voltage sags occur when the residual voltage, in some phases, reaches a value between 0.01 to 0.9 pu and lasts up to 60 seconds. To an end user, the most important effect of a voltage sags is the interruption or alteration of their equipment operation, with electronic devices the most affected (e.g. computer, drive controller, PLC, relay, etc.). Due to the technology boom of recent decades and the constant search for automating production processes, the use of electronic components is essential today. This fact makes the effects of voltage sags more noticeable to the end user, causing the level of demand for a quality energy supply to be increased. In general, the study of voltage sags is usually approached from one of two aspects: the load or the network. From the point of view of the load, it is necessary to know the sensitivity characteristics of the equipment to model their response to sudden changes in power supply voltage. From the perspective of the network, the goal is to estimate or obtain adequate information to characterize the network behavior in terms of voltage sags. In this thesis, the work presented fits into the second aspect; that is, in the modeling and estimation of the response of a power system to voltage sag events. 1.2. Problem Statement Although voltage sags are the most frequent quality supply problem in electrical networks, thistype of disturbance remains complex and challenging to analyze properly. Among the most common reasons for this difficulty are: - The sag monitoring time, because it can take up to several years to get a statistically valid sample. - The limitation of funds for the acquisition and installation of sag monitoring equipment. - The high operating costs involved in the analysis of the voltage sag data from the installed monitors. - The restrictions that electrical companies have with the registered power quality data. That is, given the lack of data to further voltage sag analysis, it is of interest to electrical utilities and researchers to create reliable methods to deepen the study, estimation and monitoring of this electromagnetic phenomenon. Voltage sags, being mainly caused by random events such as short-circuits, are the result of various exogenous variables such as: (i) the number of faults of a system element, (ii) the impedance of the contact material, (iii) the fault type, (iv) the fault location, (v) the duration of the event, etc. That is, to properly raise any theoretical model of voltage sags, it is necessary to represent the combined uncertainty of variables to provide realistic methods that are reliable for users. 1.3. Objective This Thesis has been aimed at developing various stochastic methods for the study, estimation and monitoring of voltage sags in electrical power systems. Specifically, it has deepened the research in the following areas: - This research furthers knowledge in the realistic modeling of the variables that influence sag characterization. This thesis proposes a method to credibly represent the quantification and randomness of the sags in time by using parametric probability distributions. From this, a software tool was created to estimate the severity of voltage sags in a generic power system. - This research also analyzes the influence of the input variables in the estimation of voltage sags. In this case, the study has focused on the variables of greatest divergence in their characterization of the existing proposals. - A method was developed to estimate the number of voltage sags of an area without monitoring through the information of a limited set of sag monitors in an electrical system. To this end, the principles of Bayesian statistics are applied, estimating the number of sags most likely to happen in a system busbar based in records of other sag network busbars. - A strategy was developed to optimize the monitorization of voltage sags on a power system. Its purpose is to ensure the monitoring of the system through a number of monitors lower than the number of busbars of the network assessed. II. THESIS STRUCTURE To describe in detail the aforementioned proposals, this Thesis has been structured into six chapters. Below is are brief descriptions of them: As an introductory chapter, Chapter 1, provides a description of the approach and structure of this thesis. It presents a wide view of the problem to be treated, in addition to the description of the scope of each chapter. In Chapter 2, a brief description of the fundamental and general concepts of voltage sags is presented to provide to the reader a better understanding of the terms and indicators used in the severity analysis of voltage sags in power networks. Also, by way of background, a summary of the main features of existing techniques or methods used in the prediction and optimal monitoring of voltage sags is also presented. Chapter 3 essentially seeks to know the importance of the variables that determine the frequency or severity of voltage sags. To do this, a tool to estimate voltage sags is implemented that, through a predetermined set of experiments using the technique called Design of Experiments, discusses the importance of the parameters of the input variables of the model. Its analysis is interpreted by using the technique of analysis of variance (ANOVA), which provides mathematical rigor to establish whether the characterization of a particular variable affects the system response in terms of voltage sags or not. In Chapter 4, a methodology to predict the severity of voltage sags of an entire system through the sag logs of a reduced set of monitored busbars is proposed. For this, the Bayes conditional probability theorem is used, which calculates the most likely sag severity of the entire system from the information provided by the installed monitors. Also, in this chapter an important property of voltage sags is revealed, as is the correlation of the voltage sags events in several zones of a power system. In Chapter 5, two methods of optimal location of voltage sag monitors are developed. The first one is a methodological development of the observability criteria; it contributes to the realism of the sag pseudo-monitoring with which the optimal set of sag monitors is calculated and, therefore, to the reliability of the proposed method. As an alternative proposal, the correlation property of the sag events of a network is used to raise a method that establishes the sag severity of the entire system from a partial monitoring of the network. Finally, in Chapter 6, a brief description of the main contributions of the studies in this Thesis is detailed. Additionally, various themes to be developed in future works are described. III. RESULTS. Based on tests on the three networks presented, two IEEE test networks of 24 and 118 busbars (IEEE-24 and IEEE-118) and the electrical system of the Republic of Ecuador (EC-357), the following points present the most important observations: A. Estimation of voltage sags in the absence of measures: A stochastic estimation method of voltage sags, called PEHT, is implemented to represent with greater realism the long-term simulation of voltage sags events in a system. This first proposal of this thesis is considered a key step for the development of future methods of this work, as it emulates in a reliable manner the voltage sag long-term records in a generic network. Among the main innovations of this voltage sag estimation method are the following: - Consideration of the combined effect of five random input variables to simulate the events of voltage sags in long-term monitoring is included. The input variables modeled in the characterization of voltage sags on the PEHT are as follows: (i) fault coefficient, (ii) fault impedance, (iii) type of fault, (iv) location of the fault, and (v) fault duration. - Also included is the stochastic modeling of the input variables of fault impedance and duration in the characterization of the events of voltage sags. For the parameterization of these variables, a detailed study of the real behavior in power systems is developed. Also, the statistical function best suited to the random nature of each variable is defined. - Consideration of sag severity indicators used in standards as PEHT output variables, including such as indices as SARFI-X, SARFI-Curve, etc. B. Sensitivity analysis of voltage sags: A cause-effect study (sensitivity analysis) of the input variables of greatest divergence between reference parameterization related to the estimation of voltage sags in electrical networks is presented. Specifically, it delves into the study of the influence of the parameterization of the variables fault coefficient and fault impedance in the voltage sag estimation. Below is a summary of the most notable observations: - The accuracy of the input variable fault coefficient is shown as a non-influential parameter in the long-term estimation of the number of voltage sags (SARFI-90 and SARFI-70). That is, it does not require a high accuracy of the fault rate data of system elements for a proper voltage sag estimation. - The parameterization of the variable fault impedance is shown to be a very sensitive factor in the estimation of the voltage sag severity. For example, by increasing the average value of this random variable, the reported sag severity in the network significantly decreases. Moreover, in assessing the standard deviation of the fault impedance parameter, a direct relationship of this parameter with the voltage sag severity of the network is observed. That is, by increasing the fault impedance standard deviation, an increase of the average and the interannual variation of the SARFI-90 and SARFI-70 events is evidenced. - Based on the sensitivity analysis developed in the variable fault impedance, the omission of this variable in the voltage sag estimation would significantly call into question the reliability of the responses obtained. C. Voltage sag estimation from the information of a network partially monitored: A method that uses the voltage sag records of a partially monitored network for the sag estimation of all the power system is developed. From the case studies performed, it is observed that the method implemented (PEHT+MP) has the following characteristics: - The methodology proposed in the PEHT+MP combines the classical short-circuit theory with several statistical techniques to estimate, from data the of the installed sag meters, the sag measurements of unmonitored busbars of a generic power network. - The estimation process of voltage sags of the unmonitored zone of the network is based on the application of the conditional probability theorem of Bayes. That is, based on the observed data (monitored busbars records), the PEHT+MP calculates probabilistically the sag severity at unmonitored system busbars. Among the key parts of the proposed procedure are the following: (i) the creation of a realistic data base of voltage sags through of the sag estimation program (PEHT); and, (ii) the maximum likelihood criterion used to estimate the sag indices of system busbars without monitoring. - The voltage sag measurement estimations of PEHT+MP are potentiated by the correlation property of the sag events in power systems. This inherent characteristic of networks significantly limits the response of strongly correlated system zones to a possible voltage sag. As the PEHT+MP is based on probabilistic principles, a reduction of the range of possible sag measurements is reflected in a better sag estimation of the unmonitored area of the power system. - From the data of a set of monitors representing a relatively small portion of the system, to obtain accurate estimations (null error) of the sag severity zones without monitoring is feasible in the three networks studied. - The PEHT+MP can be applied to several types of sag indices, such as: SARFI-X, SARFI-Curve, SEI, etc. D. Optimal location of voltage sag monitors in power systems: Two methods for strategically locating the sag monitoring system are implemented for a generic network. The first proposal is a methodological development of the optimal location of sag monitors based on the observability criterion (LOM + OBS); the second proposal is a method that determines the sag monitor location according to the correlation area criterion (LOM+COR). Each proposed method of optimal location of sag monitors has a specific goal. In the case of LOM+OBS, the purpose of the method is to determine the optimal set of sag monitors to record all faults that originate voltage sags in the network. On the other hand, the LOM+COR method attempts to define the optimal location of sag monitors to estimate the sag indices in all the assessed network with the PEHT+MP application. From the development of the case studies of these methods of optimal location of sag monitors in the three networks raised, the most relevant observations are described below: - As the generation of voltage sag pseudo-measurements of the optimal location methods (LOM+OBS and LOM+COR) are obtained by applying the algorithm PEHT, the formulation of the optimization criterion is performed based on a realistic sag pseudo-monitoring, which considers the random nature of voltage sags through the five stochastic variables modeled in PEHT. This feature of the database of sag pseudo-measurements of the LOM+OBS and LOM+COR methods provides a greater reliability of the optimal set of monitors calculated when compared to similar methods in the bibliography. - The optimal set of sag monitors is determined by the network operator need. That is, if the goal is to record all faults that originate from voltage sags in the system, the observability criterion is used to determine the optimal location of sag monitors (LOM+OBS). Moreover, if the objective is to define a monitoring system that allows establishing the sag severity of the system from taken from information based on a limited set of sag monitors, the correlation area criterion would be appropriate (LOM+COR). Specifically, in the case of the LOM+OBS method (based on the observability criterion), the following properties were observed in the case studies: - By increasing the size of the network, there was observed a reduction in the percentage of monitored system busbars required. For example, to monitor all the faults which cause sags in the IEEE-24 network, then 100% of the system busbars are required for monitoring. In the case of the IEEE-118 and EC-357 networks, the method LOM+OBS determines that with monitoring 89.5 % and 65.3 % of the system, respectively, the observability criterion of the method would be fulfilled. - The LOM+OBS method calculates the probability of using the optimal set of sag monitors in the long term, establishing a relevance criterion of each sag monitor considered as optimal in the network. With this, the level of accuracy or observability (100%, 95%, etc.) can be determined, with which the faults that caused sags in the studied network are detected. That is, when the accuracy level for detecting faults that cause sags in the system is increased, a larger number of sag monitors is expected when calculating the optimal set of monitors. - The LOM + OBS method is demonstrated to be a technique applicable to any type of electrical system (radial or mesh), ensuring the detection of faults that cause voltage sags in a system according to the observability level raised. In the case of the optimal localization of sag monitors based on the criterion of correlation area (LOM+COR), several tests showed the following conclusions: - The procedure of LOM+COR method combines the implemented algorithms of voltage sag estimation (PEHT and PEHT+MP) with linear optimization techniques to define the optimal location of the sag monitors in a network. That is, the PEHT is used to generate the voltage sag pseudo-records, and, from the proposed optimization criterion (correlation area), the LOM+COR formulates and analytically calculates the optimal set of sag monitors of the network in the long term. From the information recorded by the optimal set of sag monitors, an accurate prediction of the voltage sag severity at all the busbars of the system is guaranteed with the PEHT+MP. - The LOM + COR method is shown to be a versatile optimization procedure, which reduces the size of the sag monitoring system both at radial as meshed grids. Due to its characteristics, this optimal location method allows emulation of complete system sag monitoring through the records of a small optimal set of sag monitors. Therefore, this new optimization method would be applicable to network operators that looks to reduce the installation and operation costs of the voltage sag monitoring system.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.

Low frequency vibrational modes in proteins: Changes induced by point-mutations in the protein-cofactor matrix of bacterial reaction centers

As a step toward understanding their functional role, the low frequency vibrational motions (<300 cm−1) that are coupled to optical excitation of the primary donor bacteriochlorophyll cofactors in the reaction center from Rhodobacter sphaeroides were investigated. The pattern of hydrogen-bonding interaction between these bacteriochlorophylls and the surrounding protein was altered in several ways by mutation of single amino acids. The spectrum of low frequency vibrational modes identified by femtosecond coherence spectroscopy varied strongly between the different reaction center complexes, including between different mutants where the pattern of hydrogen bonds was the same. It is argued that these variations are primarily due to changes in the nature of the individual modes, rather than to changes in the charge distribution in the electronic states involved in the optical excitation. Pronounced effects of point mutations on the low frequency vibrational modes active in a protein-cofactor system have not been reported previously. The changes in frequency observed indicate a strong involvement of the protein in these nuclear motions and demonstrate that the protein matrix can increase or decrease the fluctuations of the cofactor along specific directions.

The orientation of the AP-1 heterodimer on DNA strongly affects transcriptional potency

Activation of gene transcription in eukaryotes requires the cooperative assembly of an initiation complex containing many protein subunits. The necessity that these components contact each other and the promoter/enhancer in defined ways suggests that their spatial arrangement might influence the activation response. Indeed, growing evidence indicates that DNA architecture can profoundly affect transcriptional potency. Much less is known about the influence of protein architecture on transcriptional activation. Here, we examine the architectural dependence of activator function through the analysis of matched pairs of AP-1•DNA complexes differing only in their orientation. Mutation of a critical Arg residue in the basic-leucine zipper domain of either Fos or Jun yielded single point-mutant heterodimers that bind DNA in a single defined orientation, as determined directly by native chemical ligation/affinity cleavage; by contrast, the corresponding wild-type protein binds DNA as a roughly equal mixture of two isomeric orientations, which are related by subunit interchange. The stereochemistry of the point-mutant heterodimers could be switched by inversion of a C•G base pair in the center of the AP-1 site, thus providing access to both fixed orientational isomers. Yeast reporter gene assays consistently revealed that one orientational isomer activates transcription at least 10-fold more strongly than the other. These results suggest that protein architecture, especially the spatial relationship of the activation domain to the promoter, can exert a powerful influence on activator potency.

Paleoproterozoic snowball Earth: Extreme climatic and geochemical global change and its biological consequences

Geological, geophysical, and geochemical data support a theory that Earth experienced several intervals of intense, global glaciation (“snowball Earth” conditions) during Precambrian time. This snowball model predicts that postglacial, greenhouse-induced warming would lead to the deposition of banded iron formations and cap carbonates. Although global glaciation would have drastically curtailed biological productivity, melting of the oceanic ice would also have induced a cyanobacterial bloom, leading to an oxygen spike in the euphotic zone and to the oxidative precipitation of iron and manganese. A Paleoproterozoic snowball Earth at 2.4 Giga-annum before present (Ga) immediately precedes the Kalahari Manganese Field in southern Africa, suggesting that this rapid and massive change in global climate was responsible for its deposition. As large quantities of O2 are needed to precipitate this Mn, photosystem II and oxygen radical protection mechanisms must have evolved before 2.4 Ga. This geochemical event may have triggered a compensatory evolutionary branching in the Fe/Mn superoxide dismutase enzyme, providing a Paleoproterozoic calibration point for studies of molecular evolution.

Point mutations and sequence variability in proteins: Redistributions of preexisting populations

Here we study the effect of point mutations in proteins on the redistributions of the conformational substates. We show that regardless of the location of a mutation in the protein structure and of its type, the observed movements of the backbone recur largely at the same positions in the structures. Despite the different interactions that are disrupted and formed by the residue substitution, not only are the conformations very similar, but the regions that move are also the same, regardless of their sequential or spatial distance from the mutation. This observation leads us to conclude that, apart from some extreme cases, the details of the interactions are not critically important in determining the protein conformation or in specifying which parts of the protein would be more prone to take on different local conformations in response to changes in the sequence. This finding further illustrates why proteins manifest a robustness toward many mutational events. This nonuniform distribution of the conformer population is consistently observed in a variety of protein structural types. Topology is critically important in determining folding pathways, kinetics, building block cutting, and anatomy trees. Here we show that topology is also very important in determining which regions of the protein structure will respond to sequence changes, regardless of the sequential or spatial location of the mutation.

SfiI endonuclease activity is strongly influenced by the non-specific sequence in the middle of its recognition site

The SfiI endonuclease cleaves DNA at the sequence GGCCNNNN↓NGGCC, where N is any base and ↓ is the point of cleavage. Proteins that recognise discontinuous sequences in DNA can be affected by the unspecified sequence between the specified base pairs of the target site. To examine whether this applies to SfiI, a series of DNA duplexes were made with identical sequences apart from discrete variations in the 5 bp spacer. The rates at which SfiI cleaved each duplex were measured under steady-state conditions: the steady-state rates were determined by the DNA cleavage step in the reaction pathway. SfiI cleaved some of these substrates at faster rates than other substrates. For example, the change in spacer sequence from AACAA to AAACA caused a 70-fold increase in reaction rate. In general, the extrapolated values for kcat and Km were both higher on substrates with inflexible spacers than those with flexible structures. The dinucleotide at the site of cleavage was largely immaterial. SfiI activity is thus highly dependent on conformational variations in the spacer DNA.