Setting up interpretation criteria for juvenile and adult European anchovy otoliths from Canary Islands

Máster en Gestión Sostenible de Recursos Pesqueros

Probabilistic approaches in civil engineering: generation of random fields and structural identification with genetic algorithms

The inherent stochastic character of most of the physical quantities involved in engineering models has led to an always increasing interest for probabilistic analysis. Many approaches to stochastic analysis have been proposed. However, it is widely acknowledged that the only universal method available to solve accurately any kind of stochastic mechanics problem is Monte Carlo Simulation. One of the key parts in the implementation of this technique is the accurate and efficient generation of samples of the random processes and fields involved in the problem at hand. In the present thesis an original method for the simulation of homogeneous, multi-dimensional, multi-variate, non-Gaussian random fields is proposed. The algorithm has proved to be very accurate in matching both the target spectrum and the marginal probability. The computational efficiency and robustness are very good too, even when dealing with strongly non-Gaussian distributions. What is more, the resulting samples posses all the relevant, welldefined and desired properties of “translation fields”, including crossing rates and distributions of extremes. The topic of the second part of the thesis lies in the field of non-destructive parametric structural identification. Its objective is to evaluate the mechanical characteristics of constituent bars in existing truss structures, using static loads and strain measurements. In the cases of missing data and of damages that interest only a small portion of the bar, Genetic Algorithm have proved to be an effective tool to solve the problem.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povertà e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma più del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si è affermato il forte legame tra tutela dell’ambiente e riduzione della povertà, ed è anche stata riconosciuta l’importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell’Africa, dell’Asia e dell’America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi è anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse più velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di “metabolizzare” i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povertà: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa metà della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povertà ed ambiente non dipende solamente dalla scarsità di risorse che rende più difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione più povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l’impronta ecologica con una misura riconosciuta dello “sviluppo umano”, l’Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ciò che noi accettiamo generalmente come “alto sviluppo” è molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti “sviluppati” sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo “sviluppo” mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell’uomo, allora vuol dire che il concetto di “sviluppo” deve essere rivisitato, perché ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l’accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi è la “società occidentale”, che promuove l’avanzamento della tecnologia e dell’industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre più stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l’ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall’altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i “moradores” delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i “waste pickers” delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povertà, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell’ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell’ecosistema e l’accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti più efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una società più equa, in quanto le merci ed i servizi dell’ecosistema fungono da beni per le comunità. La corretta gestione dell’ambiente e delle risorse quindi è di estrema importanza per la lotta alla povertà ed in questo caso il ruolo e la responsabilità dei tecnici ambientali è cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall’analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povertà, rivisitando il concetto tradizionale di “sviluppo” secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni più povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie più adeguate al contesto di intervento. Dopo l’analisi dello “stato del Pianeta” (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povertà, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di “sviluppo sostenibile” e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall’analisi dello stato dell’ambiente, della povertà e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell’economia della crescita (oggi visibile più che mai) si può comprendere che la soluzione per sconfiggere la povertà, il degrado dell’ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non è il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l’industrializzazione; ma il “piccolo e bello” (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le “tecnologie appropriate”. Ed è proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunità, tecnologie che permettono alle popolazioni più povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell’ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunità locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilità ambientale, contribuendo all’affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell’ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all’approvvigionamento idrico e alla depurazione dell’acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l’approvvigionamento idrico, - la raccolta dell’acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell’acqua al punto d’uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell’ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povertà e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunità beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All’interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come già detto, la povertà e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell’ambiente, garantire l’accesso all’acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonché l’approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di “sviluppo”, di condurre una vita sana e produttiva. È importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l’adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l’ambiente e a tutelare la salute della comunità. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti è l’utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realtà svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cioè che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l’individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale più appropriato ad ogni contesto specifico. Dall’analisi dei vari strumenti valutativi si è scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull’Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L’oggetto di questa ricerca è stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell’Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l’appropriatezza, la sostenibilità degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all’interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l’utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - “Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi”, Algeria, - “Programa 1 milhão de Cisternas, P1MC” e - “Programa Uma Terra e Duas Águas, P1+2”, Semi Arido brasiliano.

Self-organising coordination systems

Many research fields are pushing the engineering of large-scale, mobile, and open systems towards the adoption of techniques inspired by self-organisation: pervasive computing, but also distributed artificial intelligence, multi-agent systems, social networks, peer-topeer and grid architectures exploit adaptive techniques to make global system properties emerge in spite of the unpredictability of interactions and behaviour. Such a trend is visible also in coordination models and languages, whenever a coordination infrastructure needs to cope with managing interactions in highly dynamic and unpredictable environments. As a consequence, self-organisation can be regarded as a feasible metaphor to define a radically new conceptual coordination framework. The resulting framework defines a novel coordination paradigm, called self-organising coordination, based on the idea of spreading coordination media over the network, and charge them with services to manage interactions based on local criteria, resulting in the emergence of desired and fruitful global coordination properties of the system. Features like topology, locality, time-reactiveness, and stochastic behaviour play a key role in both the definition of such a conceptual framework and the consequent development of self-organising coordination services. According to this framework, the thesis presents several self-organising coordination techniques developed during the PhD course, mainly concerning data distribution in tuplespace-based coordination systems. Some of these techniques have been also implemented in ReSpecT, a coordination language for tuple spaces, based on logic tuples and reactions to events occurring in a tuple space. In addition, the key role played by simulation and formal verification has been investigated, leading to analysing how automatic verification techniques like probabilistic model checking can be exploited in order to formally prove the emergence of desired behaviours when dealing with coordination approaches based on self-organisation. To this end, a concrete case study is presented and discussed.

Analysis of eruptive and seismic sequences to improve the short-and long-term eruption forecasting

Forecasting the time, location, nature, and scale of volcanic eruptions is one of the most urgent aspects of modern applied volcanology. The reliability of probabilistic forecasting procedures is strongly related to the reliability of the input information provided, implying objective criteria for interpreting the historical and monitoring data. For this reason both, detailed analysis of past data and more basic research into the processes of volcanism, are fundamental tasks of a continuous information-gain process; in this way the precursor events of eruptions can be better interpreted in terms of their physical meanings with correlated uncertainties. This should lead to better predictions of the nature of eruptive events. In this work we have studied different problems associated with the long- and short-term eruption forecasting assessment. First, we discuss different approaches for the analysis of the eruptive history of a volcano, most of them generally applied for long-term eruption forecasting purposes; furthermore, we present a model based on the characteristics of a Brownian passage-time process to describe recurrent eruptive activity, and apply it for long-term, time-dependent, eruption forecasting (Chapter 1). Conversely, in an effort to define further monitoring parameters as input data for short-term eruption forecasting in probabilistic models (as for example, the Bayesian Event Tree for eruption forecasting -BET_EF-), we analyze some characteristics of typical seismic activity recorded in active volcanoes; in particular, we use some methodologies that may be applied to analyze long-period (LP) events (Chapter 2) and volcano-tectonic (VT) seismic swarms (Chapter 3); our analysis in general are oriented toward the tracking of phenomena that can provide information about magmatic processes. Finally, we discuss some possible ways to integrate the results presented in Chapters 1 (for long-term EF), 2 and 3 (for short-term EF) in the BET_EF model (Chapter 4).

Impact of ocean acidification on phytoplankton growth and aggregation

Since the industrial revolution, the ocean has absorbed around one third of the anthropogenic CO2, which induced a profound alteration of the carbonate system commonly known as ocean acidification. Since the preindustrial times, the average ocean surface water pH has fallen by 0.1 units, from approximately 8.2 to 8.1 and a further decrease of 0.4 pH units is expected for the end of the century. Despite their microscopic size, marine diatoms are bio-geo-chemically a very important group, responsible for the export of massive amount of carbon to deep waters and sediments. The knowledge of the potential effects of ocean acidification on the phytoplankton growth and on biological pump is still at its infancy. This study wants to investigate the effect of ocean acidification on the growth of the diatom Skeletonema marinoi and on its aggregation, using a mechanistic approach. The experiment consisted of two treatments (Present and Future) representing different pCO2 conditions and two sequential experimental phases. During the cell growth phase a culture of S. marinoi was inoculated into transparent bags and the effect of ocean acidification was studied on various growth parameters, including DOC and TEP production. The aggregation phase consisted in the incubation of the cultures into rolling tanks where the sinking of particles through the water column was simulated and aggregation promoted. Since few studies investigated the effect of pH on the growth of S. marinoi and none used pH ranges that are compatible with the OA scenarios, there were no baselines. I have shown here, that OA does not affect the cell growth of S. marinoi, suggesting that the physiology of this species is robust in respect to the changes in the carbonate chemistry expected for the end of the century. Furthermore, according to my results, OA does not affect the aggregation of S. marinoi in a consistent manner, suggesting that this process has a high natural variability but is not influenced by OA in a predictable way. The effect of OA was tested over a variety of factors including the number of aggregates produced, their size and sinking velocity, the algal, bacterial and TEP content. Many of these variables showed significant treatment effects but none of these were consistent between the two experiments.

Probabilistic tomography of atmospheric parameters from GNSS data

The objective of the work is the evaluation of the potential capabilities of navigation satellite signals to retrieve basic atmospheric parameters. A capillary study have been performed on the assumptions more or less explicitly contained in the common processing steps of navigation signals. A probabilistic procedure has been designed for measuring vertical discretised profiles of pressure, temperature and water vapour and their associated errors. Numerical experiments on a synthetic dataset have been performed with the main objective of quantifying the information that could be gained from such approach, using entropy and relative entropy as testing parameters. A simulator of phase delay and bending of a GNSS signal travelling across the atmosphere has been developed to this aim.

Le aziende vitivinicole: da “machines à produire” a elementi di attrazione nel paesaggio. Proposte e criteri progettuali per l’efficienza funzionale e la qualità architettonica ed ambientale delle strutture ed infrastrutture della trasformazione enologica.

La ricerca ha per oggetto la messa a punto e applicazione di un approccio metaprogettuale finalizzato alla definizione di criteri di qualità architettonica e paesaggistica nella progettazione di aziende vitivinicole medio-piccole, che effettuano la trasformazione della materia prima, prevalentemente di propria produzione. L’analisi della filiera vitivinicola, della letteratura scientifica, della normativa di settore, di esempi di “architetture del vino eccellenti” hanno esplicitato come prevalentemente vengano indagate cantine industriali ed aspetti connessi con l'innovazione tecnologica delle attrezzature. Soluzioni costruttive e tecnologiche finalizzate alla qualità architettonica ed ambientale, attuali dinamiche riguardanti il turismo enogastronomico, nuove funzionalità aziendali, problematiche legate alla sostenibilità dell’intervento risultano ancora poco esplorate, specialmente con riferimento a piccole e medie aziende vitivinicole. Assunto a riferimento il territorio ed il sistema costruito del Nuovo Circondario Imolese (areale rappresentativo per vocazione ed espressione produttiva del comparto vitivinicolo emiliano-romagnolo) è stato identificato un campione di aziende con produzioni annue non superiori ai 5000 hl. Le analisi svolte sul campione hanno permesso di determinare: modalità di aggregazione funzionale degli spazi costruiti, relazioni esistenti con il paesaggio, aspetti distributivi e materico-costruttivi, dimensioni di massima dei locali funzionali alla produzione. Il caso studio relativo alla riqualificazione di un’azienda rappresentativa del comparto è stato utilizzato per la messa a punto e sperimentazione di criteri di progettazione guidati da valutazioni relative alle prestazioni energetiche, alla qualità architettonica e alla sostenibilità ambientale, economica e paesaggistica. L'analisi costi-benefici (pur non considerando le ricadute positive in termini di benessere degli occupanti ed il guadagno della collettività in termini di danni collegati all’inquinamento che vengono evitati in architetture progettate per garantire qualità ambientale interna ed efficienza energetica) ha esplicitato il ritorno in pochi anni dell’investimento proposto, nonostante gli ancora elevati costi di materiali di qualità e dei componenti per il corretto controllo climatico delle costruzioni.

Implicit computational complexity and probabilistic classes

The thesis applies the ICC tecniques to the probabilistic polinomial complexity classes in order to get an implicit characterization of them. The main contribution lays on the implicit characterization of PP (which stands for Probabilistic Polynomial Time) class, showing a syntactical characterisation of PP and a static complexity analyser able to recognise if an imperative program computes in Probabilistic Polynomial Time. The thesis is divided in two parts. The first part focuses on solving the problem by creating a prototype of functional language (a probabilistic variation of lambda calculus with bounded recursion) that is sound and complete respect to Probabilistic Prolynomial Time. The second part, instead, reverses the problem and develops a feasible way to verify if a program, written with a prototype of imperative programming language, is running in Probabilistic polynomial time or not. This thesis would characterise itself as one of the first step for Implicit Computational Complexity over probabilistic classes. There are still open hard problem to investigate and try to solve. There are a lot of theoretical aspects strongly connected with these topics and I expect that in the future there will be wide attention to ICC and probabilistic classes.

Elaborazione di un indicatore multi criteria di virtuosita nella gestione dei rifiuti, destinato agli enti locali

Essendo la percentuale di raccolta differenziata un indicatore che preso singolarmente risulta insufficiente a misurare la virtuosità di un Comune nella gestione dei rifiuti, si è elaborato un indicatore multi criteria che amplia l'orizzonte dell'analisi agli altri aspetti inerenti la gestione dei rifiuti. I criteri individuati sono otto: -Percentuale di raccolta differenziata -Produzione pro capite di rifiuti indifferenziati -Produzione pro capite di rifiuti totali -Impatto ambientale del sistema di raccolta e trattamento dei rifiuti -Costi del servizio -Tracciabilità dei rifiuti domestici -Coinvolgimento della popolazione -Comodità per il cittadino. Ad ogni Comune analizzato (il caso di studio è l'Unione Terre di Castelli) viene attribuito un punteggio per ogni criterio, in seguito moltiplicato per il peso attribuito al criterio stesso. I punteggi dati da ciascun criterio sono stati poi normalizzati in una scala da 0 a 1 con l'intervento di figure di esperti di ciascun ambito; i pesi sono stati determinati con la metodologia della Pairwise Comparison (T.Saaty, 1980) dai Sindaci e dagli Amministratori di tutti i Comuni del caso di studio. L'indicatore così costruito è stato poi applicato ai Comuni del caso di studio mostrando risultati, in termini di virtuosità, differenti da quelli prodotti dal solo indicatore di raccolta differenziata, evidenziando così l'importanza di un approccio multi disciplinare al tema dei rifiuti. L'indicatore, mostrando i punteggi ed il margine di miglioramento relativo a ciascun criterio, si è poi rivelato un efficace strumento di supporto alle decisioni per i Comuni nell'indirizzo degli investimenti in materia di gestione dei rifiuti.

Development and applications of hollow fiber flow field-flow fractionation in the bioanalytical field. Studies of aggregation phenomena in complex protein samples

Recent advances in the fast growing area of therapeutic/diagnostic proteins and antibodies - novel and highly specific drugs - as well as the progress in the field of functional proteomics regarding the correlation between the aggregation of damaged proteins and (immuno) senescence or aging-related pathologies, underline the need for adequate analytical methods for the detection, separation, characterization and quantification of protein aggregates, regardless of the their origin or formation mechanism. Hollow fiber flow field-flow fractionation (HF5), the miniaturized version of FlowFFF and integral part of the Eclipse DUALTEC FFF separation system, was the focus of this research; this flow-based separation technique proved to be uniquely suited for the hydrodynamic size-based separation of proteins and protein aggregates in a very broad size and molecular weight (MW) range, often present at trace levels. HF5 has shown to be (a) highly selective in terms of protein diffusion coefficients, (b) versatile in terms of bio-compatible carrier solution choice, (c) able to preserve the biophysical properties/molecular conformation of the proteins/protein aggregates and (d) able to discriminate between different types of protein aggregates. Thanks to the miniaturization advantages and the online coupling with highly sensitive detection techniques (UV/Vis, intrinsic fluorescence and multi-angle light scattering), HF5 had very low detection/quantification limits for protein aggregates. Compared to size-exclusion chromatography (SEC), HF5 demonstrated superior selectivity and potential as orthogonal analytical method in the extended characterization assays, often required by therapeutic protein formulations. In addition, the developed HF5 methods have proven to be rapid, highly selective, sensitive and repeatable. HF5 was ideally suitable as first dimension of separation of aging-related protein aggregates from whole cell lysates (proteome pre-fractionation method) and, by HF5-(UV)-MALS online coupling, important biophysical information on the fractionated proteins and protein aggregates was gathered: size (rms radius and hydrodynamic radius), absolute MW and conformation.