Seawater carbonate chemistry and processes during an experiment with coral reef, 2000

The concentration of CO2 in the atmosphere is projected to reach twice the preindustrial level by the middle of the 21st century. This increase will reduce the concentration of [CO3]2- of the surface ocean by 30% relative to the preindustrial level and will reduce the calcium carbonate saturation state of the surface ocean by an equal percentage. Using the large 2650 m3 coral reef mesocosm at the BIOSPHERE-2 facility near Tucson, Arizona, we investigated the effect of the projected changes in seawater carbonate chemistry on the calcification of coral reef organisms at the community scale. Our experimental design was to obtain a long (3.8 years) time series of the net calcification of the complete system and all relevant physical and chemical variables (temperature, salinity, light, nutrients, Ca2+,pCO2, TCO2, and total alkalinity). Periodic additions of NaHCO3, Na2CO3, and/or CaCl2 were made to change the calcium carbonate saturation state of the water. We found that there were consistent and reproducible changes in the rate of calcification in response to our manipulations of the saturation state. We show that the net community calcification rate responds to manipulations in the concentrations of both Ca2+ and [CO3]2- and that the rate is well described as a linear function of the ion concentration product, [Ca2+]0.69[[CO3]2-]. This suggests that saturation state or a closely related quantity is a primary environmental factor that influences calcification on coral reefs at the ecosystem level. We compare the sensitivity of calcification to short-term (days) and long-term (months to years) changes in saturation state and found that the response was not significantly different. This indicates that coral reef organisms do not seem to be able to acclimate to changing saturation state. The predicted decrease in coral reef calcification between the years 1880 and 2065 A.D. based on our long-term results is 40%. Previous small-scale, short-term organismal studies predicted a calcification reduction of 14-30%. This much longer, community-scale study suggests that the impact on coral reefs may be greater than previously suspected. In the next century coral reefs will be less able to cope with rising sea level and other anthropogenic stresses.

Time-resolved evolution of coherent structures in turbulent channels

El objetivo de esta tesis es estudiar la dinámica de la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. En concreto, proponemos un nuevo modelo estructural utilizando diferentes tipos de estructuras coherentes: sweeps, eyecciones, grupos de vorticidad y streaks. La herramienta utilizada es la simulación numérica directa de canales turbulentos. Desde los primeros trabajos de Theodorsen (1952), las estructuras coherentes han jugado un papel fundamental para entender la organización y dinámica de los flujos turbulentos. A día de hoy, datos procedentes de simulaciones numéricas directas obtenidas en instantes no contiguos permiten estudiar las propiedades fundamentales de las estructuras coherentes tridimensionales desde un punto de vista estadístico. Sin embargo, la dinámica no puede ser entendida en detalle utilizando sólo instantes aislados en el tiempo, sino que es necesario seguir de forma continua las estructuras. Aunque existen algunos estudios sobre la evolución temporal de las estructuras más pequeñas a números de Reynolds moderados, por ejemplo Robinson (1991), todavía no se ha realizado un estudio completo a altos números de Reynolds y para todas las escalas presentes de la capa logarítmica. El objetivo de esta tesis es llevar a cabo dicho análisis. Los problemas más interesantes los encontramos en la región logarítmica, donde residen las cascadas de vorticidad, energía y momento. Existen varios modelos que intentan explicar la organización de los flujos turbulentos en dicha región. Uno de los más extendidos fue propuesto por Adrian et al. (2000) a través de observaciones experimentales y considerando como elemento fundamental paquetes de vórtices con forma de horquilla que actúan de forma cooperativa para generar rampas de bajo momento. Un modelo alternativo fué ideado por del Álamo & Jiménez (2006) utilizando datos numéricos. Basado también en grupos de vorticidad, planteaba un escenario mucho más desorganizado y con estructuras sin forma de horquilla. Aunque los dos modelos son cinemáticamente similares, no lo son desde el punto de vista dinámico, en concreto en lo que se refiere a la importancia que juega la pared en la creación y vida de las estructuras. Otro punto importante aún sin resolver se refiere al modelo de cascada turbulenta propuesto por Kolmogorov (1941b), y su relación con estructuras coherentes medibles en el flujo. Para dar respuesta a las preguntas anteriores, hemos desarrollado un nuevo método que permite seguir estructuras coherentes en el tiempo y lo hemos aplicado a simulaciones numéricas de canales turbulentos con números de Reynolds lo suficientemente altos como para tener un rango de escalas no trivial y con dominios computacionales lo suficientemente grandes como para representar de forma correcta la dinámica de la capa logarítmica. Nuestros esfuerzos se han desarrollado en cuatro pasos. En primer lugar, hemos realizado una campaña de simulaciones numéricas directas a diferentes números de Reynolds y tamaños de cajas para evaluar el efecto del dominio computacional en las estadísticas de primer orden y el espectro. A partir de los resultados obtenidos, hemos concluido que simulaciones con cajas de longitud 2vr y ancho vr veces la semi-altura del canal son lo suficientemente grandes para reproducir correctamente las interacciones entre estructuras coherentes de la capa logarítmica y el resto de escalas. Estas simulaciones son utilizadas como punto de partida en los siguientes análisis. En segundo lugar, las estructuras coherentes correspondientes a regiones con esfuerzos de Reynolds tangenciales intensos (Qs) en un canal turbulento han sido estudiadas extendiendo a tres dimensiones el análisis de cuadrantes, con especial énfasis en la capa logarítmica y la región exterior. Las estructuras coherentes han sido identificadas como regiones contiguas del espacio donde los esfuerzos de Reynolds tangenciales son más intensos que un cierto nivel. Los resultados muestran que los Qs separados de la pared están orientados de forma isótropa y su contribución neta al esfuerzo de Reynolds medio es nula. La mayor contribución la realiza una familia de estructuras de mayor tamaño y autosemejantes cuya parte inferior está muy cerca de la pared (ligada a la pared), con una geometría compleja y dimensión fractal « 2. Estas estructuras tienen una forma similar a una ‘esponja de placas’, en comparación con los grupos de vorticidad que tienen forma de ‘esponja de cuerdas’. Aunque el número de objetos decae al alejarnos de la pared, la fracción de esfuerzos de Reynolds que contienen es independiente de su altura, y gran parte reside en unas pocas estructuras que se extienden más allá del centro del canal, como en las grandes estructuras propuestas por otros autores. Las estructuras dominantes en la capa logarítmica son parejas de sweeps y eyecciones uno al lado del otro y con grupos de vorticidad asociados que comparten las dimensiones y esfuerzos con los remolinos ligados a la pared propuestos por Townsend. En tercer lugar, hemos estudiado la evolución temporal de Qs y grupos de vorticidad usando las simulaciones numéricas directas presentadas anteriormente hasta números de Reynolds ReT = 4200 (Reynolds de fricción). Las estructuras fueron identificadas siguiendo el proceso descrito en el párrafo anterior y después seguidas en el tiempo. A través de la interseción geométrica de estructuras pertenecientes a instantes de tiempo contiguos, hemos creado gratos de conexiones temporales entre todos los objetos y, a partir de ahí, definido ramas primarias y secundarias, de tal forma que cada rama representa la evolución temporal de una estructura coherente. Una vez que las evoluciones están adecuadamente organizadas, proporcionan toda la información necesaria para caracterizar la historia de las estructuras desde su nacimiento hasta su muerte. Los resultados muestran que las estructuras nacen a todas las distancias de la pared, pero con mayor probabilidad cerca de ella, donde la cortadura es más intensa. La mayoría mantienen tamaños pequeños y no viven mucho tiempo, sin embargo, existe una familia de estructuras que crecen lo suficiente como para ligarse a la pared y extenderse a lo largo de la capa logarítmica convirtiéndose en las estructuras observas anteriormente y descritas por Townsend. Estas estructuras son geométricamente autosemejantes con tiempos de vida proporcionales a su tamaño. La mayoría alcanzan tamaños por encima de la escala de Corrsin, y por ello, su dinámica está controlada por la cortadura media. Los resultados también muestran que las eyecciones se alejan de la pared con velocidad media uT (velocidad de fricción) y su base se liga a la pared muy rápidamente al inicio de sus vidas. Por el contrario, los sweeps se mueven hacia la pared con velocidad -uT y se ligan a ella más tarde. En ambos casos, los objetos permanecen ligados a la pared durante 2/3 de sus vidas. En la dirección de la corriente, las estructuras se desplazan a velocidades cercanas a la convección media del flujo y son deformadas por la cortadura. Finalmente, hemos interpretado la cascada turbulenta, no sólo como una forma conceptual de organizar el flujo, sino como un proceso físico en el cual las estructuras coherentes se unen y se rompen. El volumen de una estructura cambia de forma suave, cuando no se une ni rompe, o lo hace de forma repentina en caso contrario. Los procesos de unión y rotura pueden entenderse como una cascada directa (roturas) o inversa (uniones), siguiendo el concepto de cascada de remolinos ideado por Richardson (1920) y Obukhov (1941). El análisis de los datos muestra que las estructuras con tamaños menores a 30η (unidades de Kolmogorov) nunca se unen ni rompen, es decir, no experimentan el proceso de cascada. Por el contrario, aquellas mayores a 100η siempre se rompen o unen al menos una vez en su vida. En estos casos, el volumen total ganado y perdido es una fracción importante del volumen medio de la estructura implicada, con una tendencia ligeramente mayor a romperse (cascada directa) que a unirse (cascade inversa). La mayor parte de interacciones entre ramas se debe a roturas o uniones de fragmentos muy pequeños en la escala de Kolmogorov con estructuras más grandes, aunque el efecto de fragmentos de mayor tamaño no es despreciable. También hemos encontrado que las roturas tienen a ocurrir al final de la vida de la estructura y las uniones al principio. Aunque los resultados para la cascada directa e inversa no son idénticos, son muy simétricos, lo que sugiere un alto grado de reversibilidad en el proceso de cascada. ABSTRACT The purpose of the present thesis is to study the dynamics of the logarithmic layer of wall-bounded turbulent flows. Specifically, to propose a new structural model based on four different coherent structures: sweeps, ejections, clusters of vortices and velocity streaks. The tool used is the direct numerical simulation of time-resolved turbulent channels. Since the first work by Theodorsen (1952), coherent structures have played an important role in the understanding of turbulence organization and its dynamics. Nowadays, data from individual snapshots of direct numerical simulations allow to study the threedimensional statistical properties of those objects, but their dynamics can only be fully understood by tracking them in time. Although the temporal evolution has already been studied for small structures at moderate Reynolds numbers, e.g., Robinson (1991), a temporal analysis of three-dimensional structures spanning from the smallest to the largest scales across the logarithmic layer has yet to be performed and is the goal of the present thesis. The most interesting problems lie in the logarithmic region, which is the seat of cascades of vorticity, energy, and momentum. Different models involving coherent structures have been proposed to represent the organization of wall-bounded turbulent flows in the logarithmic layer. One of the most extended ones was conceived by Adrian et al. (2000) and built on packets of hairpins that grow from the wall and work cooperatively to gen- ´ erate low-momentum ramps. A different view was presented by del Alamo & Jim´enez (2006), who extracted coherent vortical structures from DNSs and proposed a less organized scenario. Although the two models are kinematically fairly similar, they have important dynamical differences, mostly regarding the relevance of the wall. Another open question is whether such a model can be used to explain the cascade process proposed by Kolmogorov (1941b) in terms of coherent structures. The challenge would be to identify coherent structures undergoing a turbulent cascade that can be quantified. To gain a better insight into the previous questions, we have developed a novel method to track coherent structures in time, and used it to characterize the temporal evolutions of eddies in turbulent channels with Reynolds numbers high enough to include a non-trivial range of length scales, and computational domains sufficiently long and wide to reproduce correctly the dynamics of the logarithmic layer. Our efforts have followed four steps. First, we have conducted a campaign of direct numerical simulations of turbulent channels at different Reynolds numbers and box sizes, and assessed the effect of the computational domain in the one-point statistics and spectra. From the results, we have concluded that computational domains with streamwise and spanwise sizes 2vr and vr times the half-height of the channel, respectively, are large enough to accurately capture the dynamical interactions between structures in the logarithmic layer and the rest of the scales. These simulations are used in the subsequent chapters. Second, the three-dimensional structures of intense tangential Reynolds stress in plane turbulent channels (Qs) have been studied by extending the classical quadrant analysis to three dimensions, with emphasis on the logarithmic and outer layers. The eddies are identified as connected regions of intense tangential Reynolds stress. Qs are then classified according to their streamwise and wall-normal fluctuating velocities as inward interactions, outward interactions, sweeps and ejections. It is found that wall-detached Qs are isotropically oriented background stress fluctuations, common to most turbulent flows, and do not contribute to the mean stress. Most of the stress is carried by a selfsimilar family of larger wall-attached Qs, increasingly complex away from the wall, with fractal dimensions « 2. They have shapes similar to ‘sponges of flakes’, while vortex clusters resemble ‘sponges of strings’. Although their number decays away from the wall, the fraction of the stress that they carry is independent of their heights, and a substantial part resides in a few objects extending beyond the centerline, reminiscent of the very large scale motions of several authors. The predominant logarithmic-layer structures are sideby- side pairs of sweeps and ejections, with an associated vortex cluster, and dimensions and stresses similar to Townsend’s conjectured wall-attached eddies. Third, the temporal evolution of Qs and vortex clusters are studied using time-resolved DNS data up to ReT = 4200 (friction Reynolds number). The eddies are identified following the procedure presented above, and then tracked in time. From the geometric intersection of structures in consecutive fields, we have built temporal connection graphs of all the objects, and defined main and secondary branches in a way that each branch represents the temporal evolution of one coherent structure. Once these evolutions are properly organized, they provide the necessary information to characterize eddies from birth to death. The results show that the eddies are born at all distances from the wall, although with higher probability near it, where the shear is strongest. Most of them stay small and do not last for long times. However, there is a family of eddies that become large enough to attach to the wall while they reach into the logarithmic layer, and become the wall-attached structures previously observed in instantaneous flow fields. They are geometrically self-similar, with sizes and lifetimes proportional to their distance from the wall. Most of them achieve lengths well above the Corrsin’ scale, and hence, their dynamics are controlled by the mean shear. Eddies associated with ejections move away from the wall with an average velocity uT (friction velocity), and their base attaches very fast at the beginning of their lives. Conversely, sweeps move towards the wall at -uT, and attach later. In both cases, they remain attached for 2/3 of their lives. In the streamwise direction, eddies are advected and deformed by the local mean velocity. Finally, we interpret the turbulent cascade not only as a way to conceptualize the flow, but as an actual physical process in which coherent structures merge and split. The volume of an eddy can change either smoothly, when they are not merging or splitting, or through sudden changes. The processes of merging and splitting can be thought of as a direct (when splitting) or an inverse (when merging) cascade, following the ideas envisioned by Richardson (1920) and Obukhov (1941). It is observed that there is a minimum length of 30η (Kolmogorov units) above which mergers and splits begin to be important. Moreover, all eddies above 100η split and merge at least once in their lives. In those cases, the total volume gained and lost is a substantial fraction of the average volume of the structure involved, with slightly more splits (direct cascade) than mergers. Most branch interactions are found to be the shedding or absorption of Kolmogorov-scale fragments by larger structures, but more balanced splits or mergers spanning a wide range of scales are also found to be important. The results show that splits are more probable at the end of the life of the eddy, while mergers take place at the beginning of the life. Although the results for the direct and the inverse cascades are not identical, they are found to be very symmetric, which suggests a high degree of reversibility of the cascade process.

Arqueología del futuro

A través de la historia aparecen muchas y variadas manifestaciones de cambio, necesarias para afrontar el futuro2 de la humanidad; también de la arquitectura. Estas manifestaciones, alternativas, teorías y proyectos, a menudo denostados por la crítica o dejados de lado por las teorías históricas de carácter generalista, destacan por su capacidad de convertirse en herramientas críticas frente al orden establecido, promoviendo así nuevos imaginarios colectivos. En el contexto temporal que transcurre desde finales de la década de los años cincuenta hasta mediados de los setenta, esa “búsqueda del futuro” no sólo se encuentra totalmente aceptada y popularizada, sino que llega a convertirse en un acto necesario, legitimado por la incorporación de la futurología como ciencia de estudio fundamental. Este contexto resulta el marco idóneo para la aparición de una serie de predicciones arquitectónicas encaminadas a dibujar nuevos caminos posibles para el futuro de la arquitectura, o lo que es lo mismo, para una arquitectura del futuro: “Où vivrons-nous demain ?” (1963) y “Les cités de l'avenir” (1966) del historiador francés Michel Ragon, el número “AD 2000+” (1967) de la revista Architectural Design y “The Future of the Future” (1969) del artista inglés John McHale, “Architecture: action and plan” (1967) y “Experimental Architecture” (1970) de Peter Cook, “Megastructure. Urban futures of the recent past” del crítico inglés Reyner Banham, “Architecture 2000” (1971) del norteamericano Charles Jencks, “Stadstrukturen für morgen” (1971) del suizo Justus Dahinden, “Arthropods: new design futures” (1972) del editor norteamericano Jim Burns y la sección “Cosmorama” (1965-1973) de la revista inglesa Architectural Design, pueden considerarse como las más destacadas. A pesar de lo heterogéneo de sus autores y enfoques, todas ellas gravitan en torno a cuatro alternativas para una redefinición del futuro de la arquitectura: - La incorporación de la arquitectura al heterogéneo espectro formal derivado de la explosión de las artes visuales y la exuberancia y proliferación de los objetos de consumo a través de un CAMBIO DE ESCALA. - La generación de nuevas relaciones que experimenten en torno a los límites entre natural y artificial, o PERVERSIONES NATURALES. - La apertura de un nuevo camino, HACIA UNA ARQUITECTURA VIRTUAL, que experimente con una construcción de ambientes auspiciada por los avances tecnológicos derivados del control perceptivo. - LA MOVILIDAD COMO OPCIÓN DE FUTURO, una respuesta a la aparición de una nueva sociedad en continuo cambio, abogando por estructuras más flexibles en todos los campos del ámbito arquitectónico, de lo urbano a lo doméstico. ABSTRACT of humanity, and of architecture too. Those signs, alternatives, theories and projects, that were often neglected by the critics or left aside by historical theories of general-interest, have an outstanding capacity to become critical tools with regards to the established order, and to promote new collective imagery. Within the timeframe that lasts between late fifties and midseventies, that "quest for the future" is not only accepted and made popular, but it even becomes an act of necessity that is legitimized by the incorporation of futurology as a key scientific field of study. This timeframe provides the most suitable context for the appearance of a series of architectonical predictions that are aimed to define new potential paths for the future architecture to follow, in other words, an architecture of the future: "Où vivrons-nous demain?" (1963) y "Les cités de l'avenir" (1966) from French historian Michel Ragon, issue number "AD 2000+" (1967) of Architectural Design magazine and "The Future of the Future" (1969) from English artist John McHale, "Architecture: action and plan" (1967) and "Experimental Architecture" (1970) from Peter Cook, "Megastructure. Urban futures of the recent past" from English critic Reyner Banham, "Architecture 2000" (1971) from North-American Charles Jencks, "Stadstrukturen für morgen" (1971) from Swiss Justus Dahinden, "Arthropods: new design futures" (1972) from North-American editor Jim Burns and the section "Cosmorama" (1965-73) from English magazine Architectural Design, can be considered as the most prominent architectonical predictions of that time. Despite the heterogeneity of authors and approaches, all of them are built around four alternatives that are aimed to re-define the future of architecture: - The incorporation of architecture to the heterogeneous formal spectrum of visual arts and the exuberance and the proliferation of objects of massive consumerism through an operation of CHANGE IN SCALE. - The production of new relationships aimed to experiment around the limits between natural and artificial, in other words, NATURAL PERVERSIONS. - A new road TOWARDS VIRTUAL ARCHITECTURE, to enable experiences with ambiance construction that are favored by technological advances derived from the control of perception. - MOVILITY AS AN OPTION FOR THE FUTURE, a response to the appearance of a new ever changing society, a bet on more flexible structures in all areas of architecture, from urban to domestic scale.

Downscaled land surface temperatures obtained by a particle smoothing approach, with links to NetCDF files

This dataset contains continuous time series of land surface temperature (LST) at spatial resolution of 300m around the 12 experimental sites of the PAGE21 project (grant agreement number 282700, funded by the EC seventh Framework Program theme FP7-ENV-2011). This dataset was produced from hourly LST time series at 25km scale, retrieved from SSM/I data (André et al., 2015, doi:10.1016/j.rse.2015.01.028) and downscaled to 300m using a dynamic model and a particle smoothing approach. This methodology is based on two main assumptions. First, LST spatial variability is mostly explained by land cover and soil hydric state. Second, LST is unique for a land cover class within the low resolution pixel. Given these hypotheses, this variable can be estimated using a land cover map and a physically based land surface model constrained with observations using a data assimilation process. This methodology described in Mechri et al. (2014, doi:10.1002/2013JD020354) was applied to the ORCHIDEE land surface model (Krinner et al., 2005, doi:10.1029/2003GB002199) to estimate prior values of each land cover class provided by the ESA CCI-Land Cover product (Bontemps et al., 2013) at 300m resolution . The assimilation process (particle smoother) consists in simulating ensemble of LST time series for each land cover class and for a large number of parameter sets. For each parameter set, the resulting temperatures are aggregated considering the grid fraction of each land cover and compared to the coarse observations. Miniminizing the distance between the aggregated model solutions and the observations allow us to select the simulated LST and the corresponding parameter sets which fit the observations most closely. The retained parameter sets are then duplicated and randomly perturbed before simulating the next time window. At the end, the most likely LST of each land cover class are estimated and used to reconstruct LST maps at 300m resolution using ESA CCI-Land Cover. The resulting temperature maps on which ice pixels were masked, are provided at daily time step during the nine-year analysis period (2000-2009).