Magnetic Attitude Control System for a Small Satellite. Impact on the Thermal Performance

El principal objetivo de la tesis es estudiar el acoplamiento entre los subsistemas de control de actitud y de control térmico de un pequeño satélite, con el fin de buscar la solución a los problemas relacionados con la determinación de los parámetros de diseño. Se considera la evolución de la actitud y de las temperaturas del satélite bajo la influencia de dos estrategias de orientación diferentes: 1) estabilización magnética pasiva de la orientación (PMAS, passive magnetic attitude stabilization), y 2) control de actitud magnético activo (AMAC, active magnetic attitude control). En primer lugar se presenta el modelo matemático del problema, que incluye la dinámica rotacional y el modelo térmico. En el problema térmico se considera un satélite cúbico modelizado por medio de siete nodos (seis externos y uno interno) aplicando la ecuación del balance térmico. Una vez establecido el modelo matemático del problema, se estudia la evolución que corresponde a las dos estrategias mencionadas. La estrategia PMAS se ha seleccionado por su simplicidad, fiabilidad, bajo coste, ahorrando consumo de potencia, masa coste y complejidad, comparado con otras estrategias. Se ha considerado otra estrategia de control que consigue que el satélite gire a una velocidad requerida alrededor de un eje deseado de giro, pudiendo controlar su dirección en un sistema inercial de referencia, ya que frecuentemente el subsistema térmico establece requisitos de giro alrededor de un eje del satélite orientado en una dirección perpendicular a la radiación solar incidente. En relación con el problema térmico, para estudiar la influencia de la velocidad de giro en la evolución de las temperaturas en diversos puntos del satélite, se ha empleado un modelo térmico linealizado, obtenido a partir de la formulación no lineal aplicando un método de perturbaciones. El resultado del estudio muestra que el tiempo de estabilización de la temperatura y la influencia de las cargas periódicas externas disminuye cuando aumenta la velocidad de giro. Los cambios de temperatura se reducen hasta ser muy pequeños para velocidades de rotación altas. En relación con la estrategia PMAC se ha observado que a pesar de su uso extendido entre los micro y nano satélites todavía presenta problemas que resolver. Estos problemas están relacionados con el dimensionamiento de los parámetros del sistema y la predicción del funcionamiento en órbita. Los problemas aparecen debido a la dificultad en la determinación de las características magnéticas de los cuerpos ferromagnéticos (varillas de histéresis) que se utilizan como amortiguadores de oscilaciones en los satélites. Para estudiar este problema se presenta un modelo analítico que permite estimar la eficiencia del amortiguamiento, y que se ha aplicado al estudio del comportamiento en vuelo de varios satélites, y que se ha empleado para comparar los resultados del modelo con los obtenidos en vuelo, observándose que el modelo permite explicar satisfactoriamente el comportamiento registrado. ABSTRACT The main objective of this thesis is to study the coupling between the attitude control and thermal control subsystems of a small satellite, and address the solution to some existing issues concerning the determination of their parameters. Through the thesis the attitude and temperature evolution of the satellite is studied under the influence of two independent attitude stabilization and control strategies: (1) passive magnetic attitude stabilization (PMAS), and (2) active magnetic attitude control (AMAC). In this regard the mathematical model of the problem is explained and presented. The mathematical model includes both the rotational dynamics and the thermal model. The thermal model is derived for a cubic satellite by solving the heat balance equation for 6 external and 1 internal nodes. Once established the mathematical model of the problem, the above mentioned attitude strategies were applied to the system and the temperature evolution of the 7 nodes of the satellite was studied. The PMAS technique has been selected to be studied due to its prevalent use, simplicity, reliability, and cost, as this strategy significantly saves the overall power, weight, cost, and reduces the complexity of the system compared to other attitude control strategies. In addition to that, another control law that provides the satellite with a desired spin rate along a desired axis of the satellite, whose direction can be controlled with respect to the inertial reference frame is considered, as the thermal subsystem of a satellite usually demands a spin requirement around an axis of the satellite which is positioned perpendicular to the direction of the coming solar radiation. Concerning the thermal problem, to study the influence of spin rate on temperature evolution of the satellite a linear approach of the thermal model is used, which is based on perturbation theory applied to the nonlinear differential equations of the thermal model of a spacecraft moving in a closed orbit. The results of this study showed that the temperature stabilization time and the periodic influence of the external thermal loads decreases by increasing the spin rate. However, the changes become insignificant for higher values of spin rate. Concerning the PMAS strategy, it was observed that in spite of its extended application to micro and nano satellites, still there are some issues to be solved regarding this strategy. These issues are related to the sizing of its system parameters and predicting the in-orbit performance. The problems were found to be rooted in the difficulties that exist in determining the magnetic characteristics of the ferromagnetic bodies (hysteresis rods) that are applied as damping devices on-board satellites. To address these issues an analytic model for estimating their damping efficiency is proposed and applied to several existing satellites in order to compare the results with their respective in-flight data. This model can explain the behavior showed by these satellites.

Nanosatellites costelation mission: ODEI-C24

Our mission consists in 4 key objectives: Quantify the number of sunspots during the solar maximum, and also characterize their activity and magnetism. Demonstrate the reliability of a mission in LEO orbit, for an effective solar observation. Technology demonstrator: we will take on board an experiment: the PTF (Polymer Filter test in flight ), associated with visible cameras. Investigation of the potential for exploitation of ground space market through the sale of images taken in flight.

Sistema autónomo para carga de baterías mediante una instalación fotovoltaica con aplicación directa al vehículo eléctrico y usos

La situación energética actual es insostenible y como consecuencia se plantea un escenario próximo orientado a conseguir un futuro energético sostenible que permita el desarrollo económico y el bienestar social. La situación ambiental actual está afectada directamente por la combustión de combustibles fósiles que en 2013 constituyeron el 81% de la energía primaria utilizada por el ser humano y son la principal fuente antropogénica de gases de efecto invernadero. Los informes del IPCC1, ponen de manifiesto que el cambio climático se ha consolidado durante los últimos años y en la conferencia de la ONU sobre cambio climático de París que se celebrará a finales de 2015, se pretende que los gobiernos suscriban un acuerdo universal para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero y evitar que el incremento de la temperatura media global supere los 2°C. Por otra parte, en el interior de las ciudades es especialmente preocupante, por su efecto directo sobre la salud humana, el impacto ambiental producido por las emisiones de NOx que generan el transporte de personas y mercancías. El sector del transporte fue responsable en 2012 del 27,9% del consumo final de energía. Una vez expuesto el escenario energético y ambiental actual, en esta tesis, se analiza la eficiencia de un sistema autónomo fotovoltaico para la carga de baterías de vehículos eléctricos y el uso del mismo con otras cargas, con el objetivo de aprovechar al máximo la energía eléctrica generada y contribuir a la utilización de energía limpia que no produzca impacto ambiental. Como primer paso para el desarrollo de la tesis se hizo un estudio de trabajos previos comenzando por las primeras aplicaciones de la energía fotovoltaica en los vehículos solares para después pasar a trabajos más recientes enfocados al suministro de energía a los vehículos eléctricos. También se hizo este estudio sobre las metodologías de simulación en los sistemas fotovoltaicos y en el modelado de distintos componentes. Posteriormente se eligieron, dentro de la amplia oferta existente en el mercado, los componentes con características técnicas más adecuadas para este tipo de instalaciones y para las necesidades que se pretenden cubrir. A partir de los parámetros técnicos de los componentes elegidos para configurar la instalación autónoma y utilizando modelos contrastados de distintos componentes, se ha desarrollado un modelo de simulación en ordenador del sistema completo con el que se han hecho simulaciones con distintos modos de demanda de energía eléctrica, según los modos de carga disponibles en el vehículo eléctrico para corriente alterna monofásica de 230 V. También se han simulado distintos tamaños del generador fotovoltaico y del sistema de acumulación de energía eléctrica para poder determinar la influencia de estos parámetros en los balances energéticos del sistema. Utilizando recursos propios el doctorando ha realizado la instalación real de un sistema fotovoltaico que incluye sistema de acumulación e inversor en un edificio de su propiedad. Para la realización de la tesis, La Fundación de Fomento e Innovación Industrial (F2I2) ha facilitado al doctorando un dispositivo que permite realizar la alimentación del vehículo eléctrico en modo 2 (este modo emplea un adaptador que incorpora dispositivos de seguridad y se comunica con el vehículo permitiendo ajustar la velocidad de recarga) y que ha sido necesario para los trabajos desarrollados. Se ha utilizado la red eléctrica como sistema de apoyo de la instalación fotovoltaica para permitir la recarga en el modo 2 que requiere más potencia que la proporcionada por el sistema fotovoltaico instalado. Se han analizado mediante simulación distintos regímenes de carga que se han estudiado experimentalmente en la instalación realizada, a la vez que se han hecho ensayos que se han reproducido mediante simulación con los mismos valores de radiación solar y temperatura con objeto de contrastar el modelo. Se han comparado los resultados experimentales con los obtenidos mediante simulación con objeto de caracterizar el comportamiento del sistema de acumulación (energía eléctrica suministrada y tensión de salida en las baterías) y del generador fotovoltaico (energía eléctrica fotovoltaica suministrada). Por último, se ha realizado un estudio económico de la instalación autónoma fotovoltaica ejecutada y simulada. En el mismo se ha planteado la utilización de fondos propios (como realmente se ha llevado a cabo) y la utilización de financiación, para determinar dos posibles escenarios que pudieran ser de utilidad a un propietario de vehículo eléctrico. Se han comparado los resultados obtenidos en los dos escenarios propuestos del estudio económico del sistema, en cuanto a los parámetros de tiempo de retorno de la inversión, valor actual neto de la inversión y tasa interna de retorno de la misma. Las conclusiones técnicas obtenidas, permiten la utilización del sistema con los modos de carga ensayados y otro tipo de cargas que aprovechen la generación eléctrica del sistema. Las baterías ofrecen mejor comportamiento cuando el aporte fotovoltaico está presente, pero no considera adecuado la conexión de cargas elevadas a un sistema de acumulación de gel (plomo-acido) como el que se ha utilizado, debido al comportamiento de este tipo de baterías ante demandas de intensidad de corriente eléctrica elevadas. Por otra parte, el comportamiento de este tipo de baterías con valores de intensidad de corriente eléctrica inferiores a 10 A en ausencia de energía fotovoltaica, con el objetivo de utilizar la generación de energía eléctrica diaria acumulada en el sistema, sí resulta interesante y ofrece un buen comportamiento del sistema de acumulación. Las circunstancias actuales de mercado, que carece de sistemas de acumulación de litio con precios de compra interesantes, no han permitido poder experimentar este sistema de acumulación en la instalación autónoma fotovoltaica ejecutada, tampoco se ha podido obtener el favor de ningún fabricante para ello. Actualmente hay disponibles sistemas de acumulación en litio que no se comercializan en España y que serían adecuados para el sistema de acumulación de energía propuesto en este estudio, que deja abierta las puertas para futuros trabajos de investigación. Las conclusiones económicas obtenidas, rentabilizan el uso de una instalación autónoma fotovoltaica con consumo instantáneo, sin acumulación de energía eléctrica. El futuro de conexión a red por parte de estas instalaciones, cuando se regule, aportará un incentivo económico para rentabilizar con menos tiempo las instalaciones autónomas fotovoltaicas, esto también deja la puerta abierta a futuros trabajos de investigación. El sistema de acumulación de energía aporta el mayor peso económico de inversión en este tipo de instalaciones. La instalación estudiada aporta indicadores económicos que la hacen rentable, pero se necesitaría que los precios de acumulación de la energía en sistemas eficientes estén comprendidos entre 100-200 €/kWh para que el sistema propuesto en este trabajo resulte atractivo a un potencial propietario de un vehículo eléctrico. ABSTRACT The current energy situation is untenable; it poses a scenario next focused on reaching a sustainable energy future, to allow economic development and social welfare. The environmental current situation is affected directly by the combustion of fossil fuels that in 2013 constituted 81 % of the primary energy used by the human being and they are the principal source human of greenhouse gases. The reports of the IPCC2, they reveal that the climate change has consolidated during the last years and in the conference of the UNO on climate change of Paris that will be celebrated at the end of 2015, there is claimed that the governments sign a universal agreement to limit the emission of greenhouse gases and to prevent that the increase of the global average temperature overcomes them 2°C. On the other hand, inside the cities it is specially worrying, for his direct effect on the human health, the environmental impact produced by the NOx emissions that generate the persons' transport and goods. The sector of the transport was responsible in 2012 of 27,9 % of the final consumption of energy. Once exposed the scenario and present environmental energy, in this thesis, it has analyzed the efficiency of an autonomous photovoltaic system for charging electric vehicles, and the use of the same with other workloads, with the objective to maximize the electrical energy generated and contribute to the use of clean energy that does not produce environmental impact. Since the first step for the development of the thesis did to itself a study of previous works beginning for the first applications of the photovoltaic power in the solar vehicles later to go on to more recent works focused on the power supply to the electrical vehicles. Also this study was done on the methodologies of simulation in the photovoltaic systems and in the shaped one of different components. Later they were chosen, inside the wide existing offer on the market, the components with technical characteristics more adapted for this type of facilities and for the needs that try to cover. From the technical parameters of the components chosen to form the autonomous installation and using models confirmed of different components, a model of simulation has developed in computer of the complete system with which simulations have been done by different manners of demand of electric power, according to the available manners of load in the electrical vehicle for single-phase alternating current of 230 V. Also there have been simulated different sizes of the photovoltaic generator and of the system of accumulation of electric power to be able to determine the influence of these parameters in the energy balances of the system. Using own resources the PhD student has realized a real installation of a photovoltaic system that includes system of accumulation and investing in a building of his property. For the accomplishment of the thesis, The Foundation of Promotion and Industrial Innovation (F2I2) it has facilitated to the PhD student a device that allows to realize the supply of the electrical vehicle in way 2 (this way uses an adapter that incorporates safety devices and communicates with the vehicle allowing to fit the speed of recharges) and that has been necessary for the developed works. The electrical network has been in use as system of support of the photovoltaic installation for allowing it her recharges in the way 2 that more power needs that provided by the photovoltaic installed system. There have been analyzed by means of simulation different rate of load that have been studied experimentally in the realized installation, simultaneously that have done to themselves tests that have reproduced by means of simulation with the same values of solar radiation and temperature in order the model contrasted. The experimental results have been compared by the obtained ones by means of simulation in order to characterize the behavior of the system of accumulation (supplied electric power and tension of exit in the batteries) and of the photovoltaic generator (photovoltaic supplied electric power). Finally, there has been realized an economic study of the autonomous photovoltaic executed and simulated installation. In the same one there has appeared the utilization of own funds (since really it has been carried out) and the utilization of financing, to determine two possible scenes that could be of usefulness to an owner of electrical vehicle. There have been compared the results obtained in both scenes proposed of the economic study of the system, as for the parameters of time of return of the investment, current clear value of the investment and rate hospitalizes of return of the same one. The technical obtained conclusions, they make the utilization of the system viable with the manners of load tested and another type of loads of that they take advantage the electrical generation of the system. The batteries offer better behavior when the photovoltaic contribution is present, but he does not consider to be suitable the connection of loads risen up to a system of accumulation of gel (lead - acid) as the one that has been in use, due to the behavior of this type of batteries before demands of intensity of electrical current raised. On the other hand, the behavior of this type of batteries with low values of intensity of electrical current to 10 To in absence of photovoltaic power, with the aim to use the generation of daily electric power accumulated in the system, yes turns out to be interesting and offers a good behavior of the system of accumulation. The current circumstances of market, which lacks systems of accumulation of lithium with interesting purchase prices, have not allowed to be able to experience this system of accumulation in the autonomous photovoltaic executed installation, neither one could have obtained the favor of any manufacturer for it. Nowadays there are available systems of accumulation in lithium that is not commercialized in Spain and that they would be adapted for the system of accumulation of energy proposed in this study, which makes the doors opened for future works of investigation. The economic obtained conclusions; they make more profitable the use of an autonomous photovoltaic installation with instantaneous consumption, without accumulation of electric power. The future of connection to network on the part of these facilities, when it is regulated, will contribute an economic incentive to make profitable with less time the autonomous photovoltaic facilities, this also leaves the door opened for future works of investigation. The system of accumulation of energy contributes the major economic weight of investment in this type of facilities. The studied installation contributes economic indicators that make her profitable, but it would be necessary that the prices of accumulation of the energy in efficient systems are understood between 100-200 € in order that the system proposed in this work turns out to be attractive to a proprietary potential of an electrical vehicle.

Analytical study of the thermal behaviour and stability of a small satellite

In this work the thermal analysis of a small satellite orbiting around the Earth has been approached by direct integration of the heat balance equations of a two-node reduced model, obtaining a linearized second order ODE problem, similar in form to the classical case of the forced vibration of a damped system. As the thermal loads (solar radiation, albedo, etc.) are harmonic, the problem is solved by means of Fourier analysis methods. Research on that field can be directly applied to the analysis of thermal problems and the results obtained are satisfactory. Working on the frequency domain streamlines the analysis, simplifies the study and facilitates the experimental testing. The transfer functions are obtained for the two-node case but the study can be extended to an n-node model.

La implementación arquitectónica de los acristalamientos activos con agua circulante, y su contribución en edificios de consumo de energía casi nulo

La presente Tesis Doctoral evalúa la contribución de una fachada activa, constituida por acristalamientos con circulación de agua, en el rendimiento energético del edificio. Con especial énfasis en la baja afección sobre su imagen, su integración ha de favorecer la calificación del edificio con el futuro estándar de Edificio de consumo de Energía Casi Nulo (EECN). El propósito consiste en cuantificar su aportación a limitar la demanda de climatización, como solución de fachada transparente acorde a las normas de la energía del 2020. En el primer capítulo se introduce el planteamiento del problema. En el segundo capítulo se desarrollan la hipótesis y el objetivo fundamental de la investigación. Para tal fin, en el tercer capítulo, se revisa el estado del arte de la tecnología y de la investigación científica, mediante el análisis de la literatura de referencia. Se comparan patentes, prototipos, sistemas comerciales asimilables, investigaciones en curso en Universidades, y proyectos de investigación y desarrollo, sobre envolventes que incorporan acristalamientos con circulación de agua. El método experimental, expuesto en el cuarto capítulo, acomete el diseño, la fabricación y la monitorización de un prototipo expuesto, durante ciclos de ensayos, a las condiciones climáticas de Madrid. Esta fase ha permitido adquirir información precisa sobre el rendimiento del acristalamiento en cada orientación de incidencia solar, en las distintas estaciones del año. En paralelo, se aborda el desarrollo de modelos teóricos que, mediante su asimilación a soluciones multicapa caracterizadas en las herramientas de simulación EnergyPlus y IDA-ICE (IDA Indoor Climate and Energy), reproducen el efecto experimental. En el quinto capítulo se discuten los resultados experimentales y teóricos, y se analiza la respuesta del acristalamiento asociado a un determinado volumen y temperatura del agua. Se calcula la eficiencia en la captación de la radiación y, mediante la comparativa con un acristalamiento convencional, se determina la reducción de las ganancias solares y las pérdidas de energía. Se comparan el rendimiento del acristalamiento, obtenido experimentalmente, con el ofrecido por paneles solares fototérmicos disponibles en el mercado. Mediante la traslación de los resultados experimentales a casos de células de tamaño habitable, se cuantifica la afección del acristalamiento sobre el consumo en refrigeración y calefacción. Diferenciando cada caso por su composición constructiva y orientación, se extraen conclusiones sobre la reducción del gasto en climatización, en condiciones de bienestar. Posteriormente, se evalúa el ahorro de su incorporación en un recinto existente, de construcción ligera, localizado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Mediante el planteamiento de escenarios de rehabilitación energética, se estima su compatibilidad con un sistema de climatización mediante bomba de calor y extracción geotérmica. Se describe el funcionamiento del sistema, desde la perspectiva de la operación conjunta de los acristalamientos activos e intercambio geotérmico, en nuestro clima. Mediante la parametrización de sus funciones, se estima el beneficio adicional de su integración, a partir de la mejora del rendimiento de la bomba de calor COP (Coefficient of Performance) en calefacción, y de la eficiencia EER (Energy Efficiency Ratio) en refrigeración. En el recinto de la ETSAM, se ha analizado la contribución de la fachada activa en su calificación como Edificio de Energía Casi Nula, y estudiado la rentabilidad económica del sistema. En el sexto capítulo se exponen las conclusiones de la investigación. A la fecha, el sistema supone alta inversión inicial, no obstante, genera elevada eficiencia con bajo impacto arquitectónico, reduciéndose los costes operativos, y el dimensionado de los sistemas de producción, de mayor afección sobre el edificio. Mediante la envolvente activa con suministro geotérmico no se condena la superficie de cubierta, no se ocupa volumen útil por la presencia de equipos emisores, y no se reduce la superficie o altura útil a base de reforzar los aislamientos. Tras su discusión, se considera una alternativa de valor en procesos de diseño y construcción de Edificios de Energía Casi Nulo. Se proponen líneas de futuras investigación cuyo propósito sea el conocimiento de la tecnología de los acristalamientos activos. En el último capítulo se presentan las actividades de difusión de la investigación. Adicionalmente se ha proporcionado una mejora tecnológica a las fachadas activas existentes, que ha derivado en la solicitud de una patente, actualmente en tramitación. ABSTRACT This Thesis evaluates the contribution of an active water flow glazing façade on the energy performance of buildings. Special emphasis is made on the low visual impact on its image, and the active glazing implementation has to encourage the qualification of the building with the future standard of Nearly Zero Energy Building (nZEB). The purpose is to quantify the façade system contribution to limit air conditioning demand, resulting in a transparent façade solution according to the 2020 energy legislation. An initial approach to the problem is presented in first chapter. The second chapter develops the hypothesis and the main objective of the research. To achieve this purpose, the third chapter reviews the state of the art of the technology and scientific research, through the analysis of reference literature. Patents, prototypes, assimilable commercial systems, ongoing research in other universities, and finally research and development projects incorporating active fluid flow glazing are compared. The experimental method, presented in fourth chapter, undertakes the design, manufacture and monitoring of a water flow glazing prototype exposed during test cycles to weather conditions in Madrid. This phase allowed the acquisition of accurate information on the performance of water flow glazing on each orientation of solar incidence, during different seasons. In parallel, the development of theoretical models is addressed which, through the assimilation to multilayer solutions characterized in the simulation tools EnergyPlus and IDA-Indoor Climate and Energy, reproduce the experimental effect. Fifth chapter discusses experimental and theoretical results focused to the analysis of the active glazing behavior, associated with a specific volume and water flow temperature. The efficiency on harvesting incident solar radiation is calculated, and, by comparison with a conventional glazing, the reduction of solar gains and energy losses are determined. The experimental performance of fluid flow glazing against the one offered by photothermal solar panels available on the market are compared. By translating the experimental and theoretical results to cases of full-size cells, the reduction in cooling and heating consumption achieved by active fluid glazing is quantified. The reduction of energy costs to achieve comfort conditions is calculated, differentiating each case by its whole construction composition and orientation. Subsequently, the saving of the implementation of the system on an existing lightweight construction enclosure, located in the School of Architecture at the Polytechnic University of Madrid (UPM), is then calculated. The compatibility between the active fluid flow glazing and a heat pump with geothermal heat supply system is estimated through the approach of different energy renovation scenarios. The overall system operation is described, from the perspective of active glazing and geothermal heat exchange combined operation, in our climate. By parameterization of its functions, the added benefit of its integration it is discussed, particularly from the improvement of the heat pump performance COP (Coefficient of Performance) in heating and efficiency EER (Energy Efficiency Ratio) in cooling. In the case study of the enclosure in the School of Architecture, the contribution of the active glazing façade in qualifying the enclosure as nearly Zero Energy Building has been analyzed, and the feasibility and profitability of the system are studied. The sixth chapter sets the conclusions of the investigation. To date, the system may require high initial investment; however, high efficiency with low architectural impact is generated. Operational costs are highly reduced as well as the size and complexity of the energy production systems, which normally have huge visual impact on buildings. By the active façade with geothermal supply, the deck area it is not condemned. Useful volume is not consumed by the presence of air-conditioning equipment. Useful surface and room height are not reduced by insulation reinforcement. After discussion, water flow glazing is considered a potential value alternative in nZEB design and construction processes. Finally, this chapter proposes future research lines aiming to increase the knowledge of active water flow glazing technology. The last chapter presents research dissemination activities. Additionally, a technological improvement to existing active facades has been developed, which has resulted in a patent application, currently in handling process.

Factores anatómicos, dendrométricos y climáticos implicados en la producción de resina de Pinus pinaster AIT. : aplicación a la mejora de los métodos de resinación

Pinus pinaster Ait. es la conífera con mayor área de distribución en la Península Ibérica y es, a día de hoy, la única especie resinada en nuestro país. La inducción del flujo de resina al exterior para su recolección a través de distintos tipos de heridas ha sido practicada desde hace miles de años por distintas culturas. En todos los casos, las técnicas desarrolladas se basan en la estimulación del característico sistema de defensa de las pináceas. En los últimos siete años se viene observando una tendencia de incremento sustancial de la superficie resinada en España, acompañada por avances tecnológicos dirigidos a la mecanización y mejora de estimulantes. El aprovechamiento resinero se perfila como un sector estratégico en la generación de empleo rural y la conservación de ecosistemas. La industria resinera demanda métodos de extracción más eficaces, una selvicultura adecuada y actualizada, y condiciones laborales de los resineros más dignas con objeto de llegar a ser competitiva en el mercado internacional. Este trabajo se centra en ampliar el conocimiento sobre el sistema de defensa de P. pinaster, concretamente sobre las estructuras y procesos que pueden afectar a la producción de resina. Se analizan las relaciones entre las características anatómicas del xilema, destacando las relacionadas con los canales resiníferos, las variables dendrométricas y dasométricas de la masa y el flujo de resina (objetivo 1). Se estudia cómo estas relaciones son moduladas por las heridas de resinación dependiendo de la técnica de resinación aplicada (objetivo 2), el clima y el balance hídrico del suelo (objetivo 3). El material vegetal, las muestras de suelo y los datos de producción de resina y climáticos usados en esta tesis han sido recogidos en tres montes de utilidad pública; MUP 101 en Armuña, MUP 108 en Melque de Cercos y MUP 117 en Nieva (en esta última solo se recogieron los datos de producciones), todos ellos pinares monoespecíficos de P. pinaster localizados en la denominada Tierra de Pinares Segoviana. En los árboles de nuestro estudio se han aplicado cuatro métodos de resinación: método de pica de corteza con estimulante y método mecanizado con estimulante, ambos en sentido ascendente y descendente. En los trabajos realizados para el análisis de la influencia de la anatomía constitutiva en la producción de resina (objetivo 1) y el efecto del clima (objetivo 3), se obtuvieron muestras del xilema de 26 árboles resinados en Melque de Cercos y Armuña y 12 árboles control sin resinar. Para caracterizar los pies estudiados, se midió la altura, diámetro normal y porcentaje de copa viva. Las muestras de tejido fueron recogidas en una zona del tronco a una distancia del límite de la herida considerada en la bibliografía como no afectada (anatomía constitutiva). Para el análisis de las alteraciones anatómicas inducidas por la herida (objetivo 2), se recogieron muestras en ocho de los individuos en los que se habían realizado los distintos métodos de resinación descritos y en cinco árboles control. Se obtuvieron ocho muestras de tejido distribuidas en la parte superior, inferior, lateral y centro de la herida de cada uno de los árboles resinados. Para establecer las diferencias en la producción de resina según el método de resinación, se analizaron las producciones de 561 árboles resinados en 2012 con estos cuatro métodos en Nieva. Los principales resultados de estos trabajos muestran que la producción de resina está ligada al volumen de canales (axiales y radiales) y a la frecuencia de canales radiales existentes en el árbol antes de efectuar ninguna herida (sistema constitutivo). De esta manera, los árboles grandes productores de resina mostraron una red de canales más densa que aquellos con producciones medias. Una vez realizada la herida de resinación, observamos una disminución del ancho del anillo de crecimiento y del tamaño medio de los canales axiales a la vez que se incrementaba la frecuencia y área ocupada por mm2 de anillo de estos canales. Estos cambios perduraron en el árbol durante al menos tres años y fueron distintos dependiendo de la localización en el entorno de la herida y del método de resinación. Las respuestas más intensas a la herida se observaron el año siguiente a la realización de la misma, en dirección axial, para las distancias más próximas al límite de la herida y para los métodos de resinación en sentido ascendente. Además, se ha constatado que como consecuencia de las heridas de resinación se produjeron cambios en la anatomía del xilema en zonas alejadas de la herida, tanto en el año de la herida como años posteriores. Es decir, se observó una respuesta sistémica del árbol. Respecto al papel del clima como regulador de la respuesta del árbol, se ha evidenciado que la temperatura, la radiación y la ETP influyeron en la producción de resina, no solo durante la campaña de resinación, sino también durante los meses anteriores. El déficit hídrico favoreció la producción y la formación de canales axiales pero, a partir de un determinado umbral, esa relación se invirtió y las lluvias estivales incrementaron la producción. Algunas de estas variables climáticas se asociaron a cambios en el tamaño y frecuencia de las estructuras secretoras, las cuales posiblemente modulan la respuesta defensiva de la planta. La dendrometría del árbol (evaluada a través del diámetro normal, altura y porcentaje de copa viva), la densidad de la masa y el tipo de suelo influyeron en el potencial de producción de resina de P. pinaster. Árboles más vigorosos, parcelas con menores densidades y suelos con más capacidad para la retención de agua y nutrientes presentaron producciones mayores. Estos trabajos se complementan en anexos con una caracterización del sistema socio-ecológico del pinar en resinación. En ese trabajo se identifican sus potenciales servicios ecosistémicos y se evalúa su grado de vinculación con el aprovechamiento resinero con objeto de valorar su funcionalidad y aproximar una valoración económica de modo que sea posible apreciar la importancia económica de los mismos. Para concluir, podemos resaltar que son necesarios más trabajos de carácter científico para avanzar en la comprensión de los procesos anatómicos y fisiológicos que regulan la secreción de resina en P. pinaster y sus interacciones con el medio. Esto permitiría avances certeros hacia el desarrollo de métodos de extracción más eficaces, una selvicultura óptima, el reconocimiento de los beneficios socio-ecológicos y económicos del aprovechamiento y, de manera general, una bibliografía amplia y fiable para la consulta y desarrollo de futuras mejoras que posibiliten la reactivación y conservación de la resinación como aprovechamiento rentable. ABSTRACT Pinus pinaster Ait. is the most widespread conifer in Spain and is now the only species tapped for its oleoresin. External induction of resin secretion, based on the defense system of Pinus trees, has been performed by humans since Classical times through various methods. The socio-economic implication of this practice in Spain justifies a new approach to improve tapping methodology and understand the effects of this activity on the tree. In the last five years, sharp increases in the price of natural resins, accompanied by technological advances directed toward mechanization, have made resin tapping a strategic activity for rural development and forest conservation. The resin industry demands more efficient tapping methods and forest management plans as a way to increase competitiveness in a global market. In this way, this work focuses on the study of the defense system of P. pinaster, with the aim to understand the effects of anatomical and physiological characteristics and environmental conditions on resin yield. The relationships between anatomical variables -with special focus on resin canals-, dendrometric and dasometric variables, and resin yield will be evaluated (objective 1). The tapping wound effects (objective 2) and the intra- and inter-annual variability of climate conditions and soil water availability influence (objective 3) on resin yield will be also studied. The plant and soil material and the resin yield and climatic data used in this thesis have been collected in stands of three public forests of P. pinaster; Armuña, Melque de Cercos and Nieva, located in Segovia (Central Spain). Trees were tapped using two different methods: mechanized or traditional tool, in both upwards and downwards direction. Twenty-six tapped trees of contrasting resin yield classes and twelve non-tapped (control) trees, growing in two locations (Armuña y Melque de Cercos) with the same climate but different stand density and soil characteristics, were selected for studying the role of tree size, xylem anatomy at distal parts aside from the tapping wound (objective 1) and climate influence (objective 3) on resin yield. Concerning the tree defenses induced by the tapping wound (objective 2), the xylem of eight trees, tapped with the two described methods in both upwards and downwards direction, were analyzed. From each tapped tree, eight cores were collected at different locations and varying distances from the tapping wound. In each core, a histological analysis was made. Growth ring width, earlywood and latewood width, and axial canal frequency, area, mean size and location were measured. The effect of the tapping method on resin yield was assessed in 561 P. pinaster tapped trees in a stand in Nieva. In tissues not affected by the tapping wound, the frequency of radial resin canals and the total volume of resin canals were related to resin yield. The frequency of radial canals and the resin yield were strongly related to tree diameter and percentage of live crown. High area of axial resin canals per mm2 was related to high yielding trees, but only in the location with higher plant density and poorer soil quality. In tapped trees, an increase in axial canal frequency and area was found during the three years following the start of tapping activity, suggesting that canal formation is a systemic induced response to wounding. The highest mean annual resin yield was found using the traditional tool in upwards direction, which also induced the highest increase in axial canal frequency and area. The lowest yield was found for mechanized tapping, which showed no differences between the upwards and downwards directions. The strongest induction of systemic induced responses in terms of resin canal frequency and area was detected one year after tapping for upwards tapping. This suggests the involvement of signaling processes that spread mainly upwards, and the importance of adaptive processes as a defense against periodic insect attacks. Intra-annual variation in resin yield was strongly correlated with temperature, solar radiation, potential evapotranspiration and soil water deficit. Inter-annual variation in resin yield and resin canal abundance were correlated with temperature and water deficit in spring, but above a certain threshold of cumulated water deficit in summer rainfall favored resin yield. Under adverse climate scenarios where resource optimization is desirable, a reduced tapping season during the warmest months (June–September) would be advisable, assuming a very small production loss relative to traditional tapping season. Similarly, in years with a rainy summer and/or dry spring, a slightly longer tapping season could be suggested, as resin yield increases after these events. Tree diameter and percentage of live crown, and radial resin canal frequency could be useful criteria for estimating resin yields in P. pinaster. Vigorous trees in lower density stands and growing up in good quality soils will be the most productive. These conclusions could be applied to improve tapping management and breeding programs. These works are complemented with socio-ecological characterization, the identification of the main ecosystem services and an assessment of the possible economic impact derived from the tapping practice. To conclude, more scientific studies are necessary for understanding the anatomical and physiological processes behind resin synthesis and their interactions with the environment. This would afford further progresses towards an extensive and reliable bibliography and improved tapping methods and optimal selvicultural guide lines.

Case study of the effects of atmospheric aerosols and regional haze on agriculture: An opportunity to enhance crop yields in China through emission controls?

The effect of atmospheric aerosols and regional haze from air pollution on the yields of rice and winter wheat grown in China is assessed. The assessment is based on estimates of aerosol optical depths over China, the effect of these optical depths on the solar irradiance reaching the earth’s surface, and the response of rice and winter wheat grown in Nanjing to the change in solar irradiance. Two sets of aerosol optical depths are presented: one based on a coupled, regional climate/air quality model simulation and the other inferred from solar radiation measurements made over a 12-year period at meteorological stations in China. The model-estimated optical depths are significantly smaller than those derived from observations, perhaps because of errors in one or both sets of optical depths or because the data from the meteorological stations has been affected by local pollution. Radiative transfer calculations using the smaller, model-estimated aerosol optical depths indicate that the so-called “direct effect” of regional haze results in an ≈5–30% reduction in the solar irradiance reaching some of China’s most productive agricultural regions. Crop-response model simulations suggest an ≈1:1 relationship between a percentage increase (decrease) in total surface solar irradiance and a percentage increase (decrease) in the yields of rice and wheat. Collectively, these calculations suggest that regional haze in China is currently depressing optimal yields of ≈70% of the crops grown in China by at least 5–30%. Reducing the severity of regional haze in China through air pollution control could potentially result in a significant increase in crop yields and help the nation meet its growing food demands in the coming decades.

Nocturnality and species survival.

Surveys of butterfly and moth diversity in tropical forest fragments suggest that nocturnality confers a dispersal, and possibly a survival, advantage. The butterfly faunas of smaller fragments were depauperate; in contrast, the species richness of nocturnal moths was similar in all fragments and even in pasture. The lack of correlation between butterfly and moth species richness among fragments (r2 = 0.005) is best explained by movements of moths at night when ambient conditions in forest and pasture are most similar; butterflies face substantial daytime temperature, humidity, and solar radiation barriers. This interpretation is supported by information on birds, beetles, and bats.

Avaliação do potencial fotoprotetor e identificação de metabólitos secundários do fungo endofítico Annulohypoxylon stygium associado à alga marinha Bostrychia radicans

Os organismos marinhos constituem uma fonte potencial de metabólitos secundários biologicamente ativos. Neste contexto, os micro-organismos isolados de algas marinhas, dentre eles fungos endofíticos, representam alvos para a pesquisa de novas substâncias com potencial farmacológico pronunciado. Substâncias naturais provenientes de espécies de fungos associados às algas marinhas vêm sendo bastante utilizadas em formulações fotoprotetoras devido à ação antioxidante e ao potencial contra a radiação solar. Deste modo, o presente trabalho teve como objetivo a investigação biológica e química dos fungos endofíticos marinhos pertencentes à família Xylariaceae, o Annulohypoxylon stygium, o Cladosporium sp. e o Acremonium implicatum (Hypocreaceae). A princípio, foi realizado um screening para avaliar a absorção de luz ultravioleta na faixa do UVA e UVB pelos extratos obtidos em escala piloto destes fungos endofíticos associados às algas marinhas. O extrato do fungo A. stygium apresentou intensa absorção na região do UV, mostrando-se promissor para a produção de metabólitos secundários com ação fotoprotetora. Além do ensaio proposto, foi realizada a avaliação do potencial antibacteriano e antifúngico da espécie A. stygium. O estudo químico em escala ampliada deste fungo proporcionou o isolamento e identificação de uma substância inédita da classe derivada da 2,5- dicetopiperazina, 3-benzilideno-2-metil-hexahidro-pirrolo [1,2-?] pirazina-1,4-diona (Sf3), e além desta, foram isolados mais quatro metabólitos como, os diasteroisômeros 1-fenil-1,2- propanediol (Sd2) e 1-fenil-1,2-propanediol (Sd3), 1,3-benzodioxole-5-metanol (Sc1), 1,2- propanodiol-1-(1,3-benzodioxol-5-il) (Se1). Ainda foi possível a desreplicação de substâncias via cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM), entre elas o ácido palmítico, palmitato de metila, ácido metil linoléico, ácido oléico, álcool benzílico e o piperonal. Quanto ao estudo da atividade biológica, não foi observado potencial antibacteriano e antifúngico para os extratos e frações do fungo. Entretanto, notouse um potencial como fotoprotetor in vitro para as frações n-Hexano/AcOEt (2:3) e n- Hexano/AcOEt (1:4) obtidas a partir do extrato do cultivo de 28 dias do fungo A. stygium, extraído com solventes diclorometano/metanol (CH2Cl2/MeOH 2:1) e para a substância (Sf3) isolada do mesmo. Desta forma, o estudo químico e biológico do fungo Annulohypoxylon stygium demonstrou potencial para a produção de metabólitos secundários com atividade fotoprotetora, visto que uma estrutura inédita com esta atividade foi isolada e identificada como produto natural.

Vida útil de revestimento frio e autolimpante.

Considerando aspectos relacionados ao conforto térmico nas edificações e redução da demanda de energia para resfriamento, a utilização de revestimentos frios (que refletem boa parcela da radiação solar recebida e emitem calor) no envelope construtivo pode ser uma alternativa viável para alcançar estas condições. No entanto, a sua durabilidade é o caminho crítico. O presente estudo tem o objetivo de determinar a durabilidade de revestimento multifuncional que reúne as propriedades: fria e autolimpante. Para alcançar esta meta foi formulado um revestimento cimentício monocamada, com e sem a adição de pigmento, ambos com elevada refletância solar e emissividade iniciais. Para manter a refletância ao longo do tempo foi realizada a aplicação de TiO2 anatásio aos revestimentos de duas formas, na primeira as partículas foram adicionadas à matriz cimentícia, enquanto na segunda foram aplicadas superficialmente como pós-tratamento. A exposição à radiação UV proporciona a fotoativação do anatásio que possui capacidade de oxidação da matéria orgânica e alteração do ângulo de contato entre a água e a superfície, facilitando o arraste das sujidades quando esta é molhada tornando-a autolimpante. A manutenção das propriedades frias e a permanência das partículas de TiO2 sobre a superfície foram avaliadas após 6 e 12 meses de exposição natural em estações localizadas nas cidades de Ubatuba, Pirassununga e São Paulo. Após o envelhecimento observou-se a influência determinante das características dos sítios de exposição no comportamento dos materiais. Dentre as formas de aplicação do anatásio verificou-se uma melhora sutil no desempenho dos revestimentos com adição de TiO2 à matriz cimentícia em relação à aplicação superficial do pós-tratamento. O processo de lixiviação observado em ambos os revestimentos expôs as partículas encapsuladas na argamassa com adição de TiO2, enquanto no pós-tratamento houve a remoção da camada superficial de anatásio. Por esse motivo o revestimento com adição apresentou interação com a radiação UV e material a ser degradado por mais tempo. Entretanto os resultados sugeriram que o tempo de exposição foi insuficiente para afirmar este comportamento, pois os resultados são próximos entre si.

Influência das áreas verdes urbanas na temperatura e na umidade do ar em São Carlos-SP

A remoção da vegetação para dar lugar a edificações e superfícies pavimentadas implica na anulação de diversos serviços ambientais. Entre eles está o sombreamento, que impede a aquecimento do ar derivado da re-emissão da radiação solar pelas superfícies. O ar quente e seco contribui para o aumento da sensação de desconforto e favorece a incidência de doenças respiratórias. O objetivo deste trabalho foi analisar valores de temperatura e umidade do ar, comparando-se dados coletados por estações meteorológicas automáticas instaladas em regiões arborizadas e áridas da cidade, durante a ocorrência de episódios representativos do clima da região. Os procedimentos metodológicos, baseados na Climatologia Dinâmica, consistiram em relacionar a sucessão de tipos de tempo meteorológico de escala regional às diferenças observadas entre os pontos de estudo, provocadas por fenômenos provenientes das atividades humanas. Isto permitiu a clara identificação de variações climáticas críticas para o conforto e a saúde humanos, tais como grandes amplitudes térmicas e baixos valores de umidade do ar. Os resultados mostraram amplitudes térmicas menores nas áreas arborizadas (em média 3ºC) e, em alguns casos, umidade do ar mais elevada em comparação aos valores observados nas partes áridas estudadas. Estas verificações reforçam a afirmação da necessidade de ampliação das áreas verdes de São Carlos, que contribuem na atenuação as condições climáticas de desconforto e insalubridade. Em conseqüência, aumentam a qualidade de vida da população e as condições de sustentabilidade do ambiente urbano. Tal afirmação vem ao encontro da legislação ambiental brasileira e dos anseios da população são-carlense. Espera-se que as constatações deste trabalho sejam um elemento adicional na adoção de políticas públicas mais comprometidas com a saúde humana e ambiental.

Avaliação dos níveis de radiação ambiental no laboratório de tomografia por emissão de pósitrons acoplada a tomografia computadorizada, microPET/CT

O sistema microPET/CT é um importante equipamento utilizado nas pesquisas de imagem diagnóstica em pequenos animais. O radiofármaco mais usado nesta tecnologia é o fluordeoxiglicose marcado com flúor-18. Este estudo tem como objetivo efetuar o controle radiológico no laboratório de pesquisa microPET/CT do Centro de Radiofarmácia do IPEN-CNEN/SP, de forma a satisfazer tanto as normas nacionais como as recomendações internacionais. O laboratório está classificado pela equipe de radioproteção da instalação como área supervisionada, nas quais embora não seja obrigatória a adoção de medidas específicas de proteção e segurança, devem ser submetidas reavaliações regulares das condições do ambiente de trabalho. Visando assegurar a proteção radiológica dos trabalhadores diretamente envolvidos no manuseio do equipamento, realizou-se o monitoramento do local de trabalho e a avaliação do controle de dose individual. Inicialmente foi feito o monitoramento pré-operacional, isto é, o levantamento radiométrico no laboratório. Além disso, mediu-se nível de radiação externa nas instalações do laboratório e suas adjacências, por meio da colocação de nove dosímetros termoluminescentes (TL) de CaSO4:Dy, em locais previamente selecionados. Os indivíduos ocupacionalmente expostos foram avaliados mensalmente por meio do uso de dosímetros TL posicionados no tórax e por medidas de corpo inteiro, tomadas a cada seis meses. O período do estudo foi de dois anos, com início em abril de 2014. Para o controle do microPET/CT realizou-se testes de desempenho de acordo com o protocolo padrão do equipamento e em conformidade com a norma desenvolvida pela força tarefa para estudos com PET em animais Animal PET Standard Task Force. O presente estudo permitiu demonstrar que os níveis de radiação das áreas (estimativas de dose ambiente e dose efetiva), assim como a blindagem do equipamento estão adequados de acordo com os limites da exposição ocupacional. Ressalta-se a importância de se seguir rigorosamente os princípios de radioproteção, já que se trata de pesquisas com fontes radioativas não seladas.

Vulnerabilidade à queda de árvores por meio de simulações microclimáticas

Muitos são os benefícios provenientes da arborização de vias públicas, como aumento da vida útil do asfalto por meio do sombreamento, filtragem de poluentes, absorção de CO2, interceptação da água da chuva e da radiação solar e mitigação de ilhas de calor; porém, por questões culturais, é considerada muitas vezes pela população como algo negativo, cujas folhas entopem calhas, raízes destroem calçadas, troncos e folhas atrapalham fiação elétrica e, principalmente, elas estão susceptíveis às quedas. A pesquisa teve como objetivo estudar o comportamento das quedas de árvores no município de Piracicaba/SP, Brasil, com atenção especial ao regime de ventos na cidade, baseado em dados fornecidos pelo Corpo de Bombeiros de Piracicaba, Secretaria de Defesa do Meio Ambiente de Piracicaba (SEDEMA) e Estação Meteorológica da Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\" (ESALQ). De caráter inédito, o principal resultado foi a relação direta entre quedas e zonas urbanizadas, que, em constantes alterações no uso do solo, acabam por danificar a sustentação das árvores (raízes), fato justificado pela alta concentração de quedas na parte central (36,7%), com destaque para as estações da primavera e do verão, ou seja, ventos e chuvas, na qual, juntas, somaram 78,0% do total. O período de retorno esperado para ventos superiores a 75 km h-1, classificados como temporais na Escala de Vento de Beaufort, foi de 2,8 eventos por ano. Enquanto verificou-se o predomínio de ventos alísios de sudeste, pertencentes ao quarto quadrante, a direção das rajadas de vento teve maior variação e, assim, com predomínio daqueles ventos, é recomendável instalações de parques industriais nas zonas norte, noroeste e oeste, haja vista a importância de evitar que os poluentes adentrem a cidade. As espécies de maior vulnerabilidade foram: Pachira aquatica Aubl. (monguba), Handroanthus sp. (ipê roxo) e Tipuana tipu (Benth.) Kuntze (tipuana). Por meio de simulação microclimática computacional, utilizando o programa ENVI-met versão 3.1, em dois estudos de caso, sendo um em bairro residencial e outro na Praça José Bonifácio, foi possível identificar locais de maior atenção quanto às quedas de árvores, em função da rugosidade do local, capaz de alterar a velocidade e a direção do vento.

Transferability of Regional Permafrost Disturbance Susceptibility Modelling Using Generalized Linear and Generalized Additive Models

To effectively assess and mitigate risk of permafrost disturbance, disturbance-p rone areas can be predicted through the application of susceptibility models. In this study we developed regional susceptibility models for permafrost disturbances using a field disturbance inventory to test the transferability of the model to a broader region in the Canadian High Arctic. Resulting maps of susceptibility were then used to explore the effect of terrain variables on the occurrence of disturbances within this region. To account for a large range of landscape charac- teristics, the model was calibrated using two locations: Sabine Peninsula, Melville Island, NU, and Fosheim Pen- insula, Ellesmere Island, NU. Spatial patterns of disturbance were predicted with a generalized linear model (GLM) and generalized additive model (GAM), each calibrated using disturbed and randomized undisturbed lo- cations from both locations and GIS-derived terrain predictor variables including slope, potential incoming solar radiation, wetness index, topographic position index, elevation, and distance to water. Each model was validated for the Sabine and Fosheim Peninsulas using independent data sets while the transferability of the model to an independent site was assessed at Cape Bounty, Melville Island, NU. The regional GLM and GAM validated well for both calibration sites (Sabine and Fosheim) with the area under the receiver operating curves (AUROC) N 0.79. Both models were applied directly to Cape Bounty without calibration and validated equally with AUROC's of 0.76; however, each model predicted disturbed and undisturbed samples differently. Addition- ally, the sensitivity of the transferred model was assessed using data sets with different sample sizes. Results in- dicated that models based on larger sample sizes transferred more consistently and captured the variability within the terrain attributes in the respective study areas. Terrain attributes associated with the initiation of dis- turbances were similar regardless of the location. Disturbances commonly occurred on slopes between 4 and 15°, below Holocene marine limit, and in areas with low potential incoming solar radiation

Terrain Controls and Landscape-Scale Susceptibility Modelling of Active-Layer Detachments, Sabine Peninsula, Melville Island, Nunavut

Modelling the susceptibility of permafrost slopes to disturbance can identify areas at risk to future disturbance and result in safer infrastructure and resource development in the Arctic. In this study, we use terrain attributes derived from a digital elevation model, an inventory of permafrost slope disturbances known as active-layer detachments (ALDs) and generalised additive modelling to produce a map of permafrost slope disturbance susceptibility for an area on northern Melville Island, in the Canadian High Arctic. By examining terrain variables and their relative importance, we identified factors important for initiating slope disturbance. The model was calibrated and validated using 70 and 30 per cent of a data-set of 760 mapped ALDs, including disturbed and randomised undisturbed samples. The generalised additive model calibrated and validated very well, with areas under the receiver operating characteristic curve of 0.89 and 0.81, respectively, demonstrating its effectiveness at predicting disturbed and undisturbed samples. ALDs were most likely to occur below the marine limit on slope angles between 3 and 10° and in areas with low values of potential incoming solar radiation (north-facing slopes).