DEVELOPMENT OF A BEAM-SPECIFIC PLANNING TARGET VOLUME AND A ROBUST PLAN ANALYSIS TOOL FOR PROTON THERAPY

Proton therapy is growing increasingly popular due to its superior dose characteristics compared to conventional photon therapy. Protons travel a finite range in the patient body and stop, thereby delivering no dose beyond their range. However, because the range of a proton beam is heavily dependent on the tissue density along its beam path, uncertainties in patient setup position and inherent range calculation can degrade thedose distribution significantly. Despite these challenges that are unique to proton therapy, current management of the uncertainties during treatment planning of proton therapy has been similar to that of conventional photon therapy. The goal of this dissertation research was to develop a treatment planning method and a planevaluation method that address proton-specific issues regarding setup and range uncertainties. Treatment plan designing method adapted to proton therapy: Currently, for proton therapy using a scanning beam delivery system, setup uncertainties are largely accounted for by geometrically expanding a clinical target volume (CTV) to a planning target volume (PTV). However, a PTV alone cannot adequately account for range uncertainties coupled to misaligned patient anatomy in the beam path since it does not account for the change in tissue density. In order to remedy this problem, we proposed a beam-specific PTV (bsPTV) that accounts for the change in tissue density along the beam path due to the uncertainties. Our proposed method was successfully implemented, and its superiority over the conventional PTV was shown through a controlled experiment.. Furthermore, we have shown that the bsPTV concept can be incorporated into beam angle optimization for better target coverage and normal tissue sparing for a selected lung cancer patient. Treatment plan evaluation method adapted to proton therapy: The dose-volume histogram of the clinical target volume (CTV) or any other volumes of interest at the time of planning does not represent the most probable dosimetric outcome of a given plan as it does not include the uncertainties mentioned earlier. Currently, the PTV is used as a surrogate of the CTV’s worst case scenario for target dose estimation. However, because proton dose distributions are subject to change under these uncertainties, the validity of the PTV analysis method is questionable. In order to remedy this problem, we proposed the use of statistical parameters to quantify uncertainties on both the dose-volume histogram and dose distribution directly. The robust plan analysis tool was successfully implemented to compute both the expectation value and its standard deviation of dosimetric parameters of a treatment plan under the uncertainties. For 15 lung cancer patients, the proposed method was used to quantify the dosimetric difference between the nominal situation and its expected value under the uncertainties.

Modeling Techniques for the High-Resolution Interpretation of Cryo-Electron Microscopy Reconstructions

Essential biological processes are governed by organized, dynamic interactions between multiple biomolecular systems. Complexes are thus formed to enable the biological function and get dissembled as the process is completed. Examples of such processes include the translation of the messenger RNA into protein by the ribosome, the folding of proteins by chaperonins or the entry of viruses in host cells. Understanding these fundamental processes by characterizing the molecular mechanisms that enable then, would allow the (better) design of therapies and drugs. Such molecular mechanisms may be revealed trough the structural elucidation of the biomolecular assemblies at the core of these processes. Various experimental techniques may be applied to investigate the molecular architecture of biomolecular assemblies. High-resolution techniques, such as X-ray crystallography, may solve the atomic structure of the system, but are typically constrained to biomolecules of reduced flexibility and dimensions. In particular, X-ray crystallography requires the sample to form a three dimensional (3D) crystal lattice which is technically di‑cult, if not impossible, to obtain, especially for large, dynamic systems. Often these techniques solve the structure of the different constituent components within the assembly, but encounter difficulties when investigating the entire system. On the other hand, imaging techniques, such as cryo-electron microscopy (cryo-EM), are able to depict large systems in near-native environment, without requiring the formation of crystals. The structures solved by cryo-EM cover a wide range of resolutions, from very low level of detail where only the overall shape of the system is visible, to high-resolution that approach, but not yet reach, atomic level of detail. In this dissertation, several modeling methods are introduced to either integrate cryo-EM datasets with structural data from X-ray crystallography, or to directly interpret the cryo-EM reconstruction. Such computational techniques were developed with the goal of creating an atomic model for the cryo-EM data. The low-resolution reconstructions lack the level of detail to permit a direct atomic interpretation, i.e. one cannot reliably locate the atoms or amino-acid residues within the structure obtained by cryo-EM. Thereby one needs to consider additional information, for example, structural data from other sources such as X-ray crystallography, in order to enable such a high-resolution interpretation. Modeling techniques are thus developed to integrate the structural data from the different biophysical sources, examples including the work described in the manuscript I and II of this dissertation. At intermediate and high-resolution, cryo-EM reconstructions depict consistent 3D folds such as tubular features which in general correspond to alpha-helices. Such features can be annotated and later on used to build the atomic model of the system, see manuscript III as alternative. Three manuscripts are presented as part of the PhD dissertation, each introducing a computational technique that facilitates the interpretation of cryo-EM reconstructions. The first manuscript is an application paper that describes a heuristics to generate the atomic model for the protein envelope of the Rift Valley fever virus. The second manuscript introduces the evolutionary tabu search strategies to enable the integration of multiple component atomic structures with the cryo-EM map of their assembly. Finally, the third manuscript develops further the latter technique and apply it to annotate consistent 3D patterns in intermediate-resolution cryo-EM reconstructions. The first manuscript, titled An assembly model for Rift Valley fever virus, was submitted for publication in the Journal of Molecular Biology. The cryo-EM structure of the Rift Valley fever virus was previously solved at 27Å-resolution by Dr. Freiberg and collaborators. Such reconstruction shows the overall shape of the virus envelope, yet the reduced level of detail prevents the direct atomic interpretation. High-resolution structures are not yet available for the entire virus nor for the two different component glycoproteins that form its envelope. However, homology models may be generated for these glycoproteins based on similar structures that are available at atomic resolutions. The manuscript presents the steps required to identify an atomic model of the entire virus envelope, based on the low-resolution cryo-EM map of the envelope and the homology models of the two glycoproteins. Starting with the results of the exhaustive search to place the two glycoproteins, the model is built iterative by running multiple multi-body refinements to hierarchically generate models for the different regions of the envelope. The generated atomic model is supported by prior knowledge regarding virus biology and contains valuable information about the molecular architecture of the system. It provides the basis for further investigations seeking to reveal different processes in which the virus is involved such as assembly or fusion. The second manuscript was recently published in the of Journal of Structural Biology (doi:10.1016/j.jsb.2009.12.028) under the title Evolutionary tabu search strategies for the simultaneous registration of multiple atomic structures in cryo-EM reconstructions. This manuscript introduces the evolutionary tabu search strategies applied to enable a multi-body registration. This technique is a hybrid approach that combines a genetic algorithm with a tabu search strategy to promote the proper exploration of the high-dimensional search space. Similar to the Rift Valley fever virus, it is common that the structure of a large multi-component assembly is available at low-resolution from cryo-EM, while high-resolution structures are solved for the different components but lack for the entire system. Evolutionary tabu search strategies enable the building of an atomic model for the entire system by considering simultaneously the different components. Such registration indirectly introduces spatial constrains as all components need to be placed within the assembly, enabling the proper docked in the low-resolution map of the entire assembly. Along with the method description, the manuscript covers the validation, presenting the benefit of the technique in both synthetic and experimental test cases. Such approach successfully docked multiple components up to resolutions of 40Å. The third manuscript is entitled Evolutionary Bidirectional Expansion for the Annotation of Alpha Helices in Electron Cryo-Microscopy Reconstructions and was submitted for publication in the Journal of Structural Biology. The modeling approach described in this manuscript applies the evolutionary tabu search strategies in combination with the bidirectional expansion to annotate secondary structure elements in intermediate resolution cryo-EM reconstructions. In particular, secondary structure elements such as alpha helices show consistent patterns in cryo-EM data, and are visible as rod-like patterns of high density. The evolutionary tabu search strategy is applied to identify the placement of the different alpha helices, while the bidirectional expansion characterizes their length and curvature. The manuscript presents the validation of the approach at resolutions ranging between 6 and 14Å, a level of detail where alpha helices are visible. Up to resolution of 12 Å, the method measures sensitivities between 70-100% as estimated in experimental test cases, i.e. 70-100% of the alpha-helices were correctly predicted in an automatic manner in the experimental data. The three manuscripts presented in this PhD dissertation cover different computation methods for the integration and interpretation of cryo-EM reconstructions. The methods were developed in the molecular modeling software Sculptor (http://sculptor.biomachina.org) and are available for the scientific community interested in the multi-resolution modeling of cryo-EM data. The work spans a wide range of resolution covering multi-body refinement and registration at low-resolution along with annotation of consistent patterns at high-resolution. Such methods are essential for the modeling of cryo-EM data, and may be applied in other fields where similar spatial problems are encountered, such as medical imaging.

Pencil -beam redefinition algorithm dose calculations for electron therapy treatment planning

The electron pencil-beam redefinition algorithm (PBRA) of Shiu and Hogstrom has been developed for use in radiotherapy treatment planning (RTP). Earlier studies of Boyd and Hogstrom showed that the PBRA lacked an adequate incident beam model, that PBRA might require improved electron physics, and that no data existed which allowed adequate assessment of the PBRA-calculated dose accuracy in a heterogeneous medium such as one presented by patient anatomy. The hypothesis of this research was that by addressing the above issues the PBRA-calculated dose would be accurate to within 4% or 2 mm in regions of high dose gradients. A secondary electron source was added to the PBRA to account for collimation-scattered electrons in the incident beam. Parameters of the dual-source model were determined from a minimal data set to allow ease of beam commissioning. Comparisons with measured data showed 3% or better dose accuracy in water within the field for cases where 4% accuracy was not previously achievable. A measured data set was developed that allowed an evaluation of PBRA in regions distal to localized heterogeneities. Geometries in the data set included irregular surfaces and high- and low-density internal heterogeneities. The data was estimated to have 1% precision and 2% agreement with accurate, benchmarked Monte Carlo (MC) code. PBRA electron transport was enhanced by modeling local pencil beam divergence. This required fundamental changes to the mathematics of electron transport (divPBRA). Evaluation of divPBRA with the measured data set showed marginal improvement in dose accuracy when compared to PBRA; however, 4% or 2mm accuracy was not achieved by either PBRA version for all data points. Finally, PBRA was evaluated clinically by comparing PBRA- and MC-calculated dose distributions using site-specific patient RTP data. Results show PBRA did not agree with MC to within 4% or 2mm in a small fraction (<3%) of the irradiated volume. Although the hypothesis of the research was shown to be false, the minor dose inaccuracies should have little or no impact on RTP decisions or patient outcome. Therefore, given ease of beam commissioning, documentation of accuracy, and calculational speed, the PBRA should be considered a practical tool for clinical use. ^

Balance energético en unidades de tierra de una cuenca rural basado en un sistema de información geográfica.

El objetivo de este trabajo fue desarrollar una metodología de procesamiento de información espacial basada en un Sistema de Información Geográfica (SIG), para la determinación del balance de energía en unidades de tierra (UT) definidas en una cuenca hidrográfica rural. Se determinaron las UT a partir de mapas de unidades de paisaje y de mapas de estratos de superficie operada por productor. Se caracterizaron los ingresos (IE) y egresos energéticos (EE) en los sistemas de producción agrícolas. Se calculó la energía neta (EN) y la relación EE/IE (Re). Los datos se analizaron mediante un ANVA (p < 0,05). Los parámetros IE, EE, EN y Re no fueron significativamente diferentes entre UT, por lo que se infiere que el modelo productivo actualmente desarrollado, desde el punto de vista energético, resulta similar. Se hallaron relaciones de interés entre las variables de estudio y su ubicación geográfica, lo que permite recomendar para los sistemas agrícolas de una cuenca rural la planificación general del uso de la energía considerando las capacidades de los SIG.

Territorio, ambiente y actores. Aportes metodológicos para la formulación de Códigos urbanos : Caso Paraná, Entre Ríos. Area de la Bajada

El tema central se vincula con el Ordenamiento territorial y su correlato en herramientas y metodologías de intervención y gestión urbanas, desde una visión del saber ambiental. A partir de los conceptos categoriales de territorio, actores y ambiente se propone aportar, por un lado metodologías para la comprensión, explicación y análisis del territorio y sus lugares, por el otro mecanismos de gestión para una normativa basada en la inteligencia territorial. Desde estos conceptos se pretende entonces, realizar una vinculación conceptual y normativa para la gestión sustentable del territorio que logre salvar las diferencias entre el estatismo normativo y la dinámica socio-espacial. El área objeto de estudio, es el aquella denominada aquí Area de La Bajada. Así, para un abordaje integral y conceptual del territorio se trabaja desde lo metodológico con los métodos Territorii y Stlocus. Incluyendo mecanismos participativos, como talleres y encuestas que aporten a la comprensión del territorio real, pensado, legal, vivido y posible, propuestos por Territorii que estructura el proceso de lectura y comprensión del lugar. Por su parte el método Stlocus en su ensamble con Territorii permite indagar y analizar el lugar, desde el reconocimiento de patrones de ocupación del lugar, apropiación territorial y vocaciones. Conceptos que llevarán a incoporar a la normativa categorías y dimensiones de urbanístico-territoriales. Desde lo ambiental, se cree de gran importancia el desarrollo del riesgo (vulnerabilidad + amenazas) como concepto operativo para la obtención de dos objetivos: la inclusión de los actores a la dinámica de gestión y la operativización de acciones ambientales directas sobre el territorio. Finalmente, luego del proceso de comprensión y análisis iniciado se arriba a tres cuestiones fundamentales: los métodos propuestos son herramientas flexibles que aportan a la comprensión del territorio desde conceptos categoriales de espacio se torna fundamental, los actores pueden ser incluidos en esta indagación en cualquier etapa del proceso. Sin embargo, aquí aparece la terca línea fundamental: la participación y la gestión de territorios sustentables. Para ello es necesario iniciar un proceso de gobernanza que logre minimizar los impactos de los procesos distorsivos del mercado mediante un Estado proactivo que regule de manera inclusiva, para reducir al mínimo las diferentes dinámicas entre los cuerpos normativos, y su vinculación directa con el territorio deseado por todos los ciudadanos a través de una normativa urbana con inteligencia territorial

Disposiciones espaciales y valorización del capital. El caso de Nordelta

Asistimos a la ampliación de "...una lógica estrictamente capitalista en el desarrollo metropolitano, otorgando a la plusvalía urbana el rango de criterio urbanístico básico" (de Mattos, 2002:1). El gobierno del Estado se reemplaza por la gobernancia y el sector privado revaloriza su rol como constructor y decisor, el Estado se repliega y el capital encuentra nuevos nichos para valorizarse. La redefinición normativa y la gestión privada alteran la propiedad constitutiva de la ciudad como valor de uso complejo (Topalov, 1979). El capital aprende a valorizarse adquiriendo un control parcial sobre derechos, servicios y bienes públicos, y produciendo elementos urbanos que antes le resultaban irreproducibles. Así, la planificación de la ciudad y la comercialización de un nuevo estilo de vida para los sectores privilegiados deviene en una nueva forma de valorización del capital. ¿Pueden los agentes inmobiliarios por sí solos crear mundos de la vida (Habermas, 1987), en su doble concepción de espacios de sociabilidad y horizonte de apreciación, y asegurarse consumidores? El megaemprendimiento toma cuerpo en los estilos de vida de sus habitantes; una metamorfosis sufrida en sus disposiciones y competencias espaciales reorganiza el sentido de sus prácticas y representaciones territoriales. Los habitus (Bourdieu, 1997) se conforman junto a la nueva espacialidad como estructura estructurada por emprendimientos como Nordelta y como estructura estructurante de los nuevos objetos urbanos. Es decir, los habitus no resultan de la impresión mecánica de las estructuras sociales capitalistas sino que se constituyen en un complejo proceso irreducible a las dicotomías entre objetivismo-subjetivismo, acción-estructura, etc. Las disposiciones y competencias espaciales pueden pensarse como la articulación del par dialéctico que presenta Santos (1996) al referirse al espacio geográfico como un conjunto de sistemas de objetos y sistemas de acciones, considerados como el contexto único en el que se realiza la historia.

Disposiciones espaciales y valorización del capital. El caso de Nordelta

Asistimos a la ampliación de "...una lógica estrictamente capitalista en el desarrollo metropolitano, otorgando a la plusvalía urbana el rango de criterio urbanístico básico" (de Mattos, 2002:1). El gobierno del Estado se reemplaza por la gobernancia y el sector privado revaloriza su rol como constructor y decisor, el Estado se repliega y el capital encuentra nuevos nichos para valorizarse. La redefinición normativa y la gestión privada alteran la propiedad constitutiva de la ciudad como valor de uso complejo (Topalov, 1979). El capital aprende a valorizarse adquiriendo un control parcial sobre derechos, servicios y bienes públicos, y produciendo elementos urbanos que antes le resultaban irreproducibles. Así, la planificación de la ciudad y la comercialización de un nuevo estilo de vida para los sectores privilegiados deviene en una nueva forma de valorización del capital. ¿Pueden los agentes inmobiliarios por sí solos crear mundos de la vida (Habermas, 1987), en su doble concepción de espacios de sociabilidad y horizonte de apreciación, y asegurarse consumidores? El megaemprendimiento toma cuerpo en los estilos de vida de sus habitantes; una metamorfosis sufrida en sus disposiciones y competencias espaciales reorganiza el sentido de sus prácticas y representaciones territoriales. Los habitus (Bourdieu, 1997) se conforman junto a la nueva espacialidad como estructura estructurada por emprendimientos como Nordelta y como estructura estructurante de los nuevos objetos urbanos. Es decir, los habitus no resultan de la impresión mecánica de las estructuras sociales capitalistas sino que se constituyen en un complejo proceso irreducible a las dicotomías entre objetivismo-subjetivismo, acción-estructura, etc. Las disposiciones y competencias espaciales pueden pensarse como la articulación del par dialéctico que presenta Santos (1996) al referirse al espacio geográfico como un conjunto de sistemas de objetos y sistemas de acciones, considerados como el contexto único en el que se realiza la historia.

Territorio, ambiente y actores. Aportes metodológicos para la formulación de Códigos urbanos : Caso Paraná, Entre Ríos. Area de la Bajada

El tema central se vincula con el Ordenamiento territorial y su correlato en herramientas y metodologías de intervención y gestión urbanas, desde una visión del saber ambiental. A partir de los conceptos categoriales de territorio, actores y ambiente se propone aportar, por un lado metodologías para la comprensión, explicación y análisis del territorio y sus lugares, por el otro mecanismos de gestión para una normativa basada en la inteligencia territorial. Desde estos conceptos se pretende entonces, realizar una vinculación conceptual y normativa para la gestión sustentable del territorio que logre salvar las diferencias entre el estatismo normativo y la dinámica socio-espacial. El área objeto de estudio, es el aquella denominada aquí Area de La Bajada. Así, para un abordaje integral y conceptual del territorio se trabaja desde lo metodológico con los métodos Territorii y Stlocus. Incluyendo mecanismos participativos, como talleres y encuestas que aporten a la comprensión del territorio real, pensado, legal, vivido y posible, propuestos por Territorii que estructura el proceso de lectura y comprensión del lugar. Por su parte el método Stlocus en su ensamble con Territorii permite indagar y analizar el lugar, desde el reconocimiento de patrones de ocupación del lugar, apropiación territorial y vocaciones. Conceptos que llevarán a incoporar a la normativa categorías y dimensiones de urbanístico-territoriales. Desde lo ambiental, se cree de gran importancia el desarrollo del riesgo (vulnerabilidad + amenazas) como concepto operativo para la obtención de dos objetivos: la inclusión de los actores a la dinámica de gestión y la operativización de acciones ambientales directas sobre el territorio. Finalmente, luego del proceso de comprensión y análisis iniciado se arriba a tres cuestiones fundamentales: los métodos propuestos son herramientas flexibles que aportan a la comprensión del territorio desde conceptos categoriales de espacio se torna fundamental, los actores pueden ser incluidos en esta indagación en cualquier etapa del proceso. Sin embargo, aquí aparece la terca línea fundamental: la participación y la gestión de territorios sustentables. Para ello es necesario iniciar un proceso de gobernanza que logre minimizar los impactos de los procesos distorsivos del mercado mediante un Estado proactivo que regule de manera inclusiva, para reducir al mínimo las diferentes dinámicas entre los cuerpos normativos, y su vinculación directa con el territorio deseado por todos los ciudadanos a través de una normativa urbana con inteligencia territorial

Disposiciones espaciales y valorización del capital. El caso de Nordelta

Asistimos a la ampliación de "...una lógica estrictamente capitalista en el desarrollo metropolitano, otorgando a la plusvalía urbana el rango de criterio urbanístico básico" (de Mattos, 2002:1). El gobierno del Estado se reemplaza por la gobernancia y el sector privado revaloriza su rol como constructor y decisor, el Estado se repliega y el capital encuentra nuevos nichos para valorizarse. La redefinición normativa y la gestión privada alteran la propiedad constitutiva de la ciudad como valor de uso complejo (Topalov, 1979). El capital aprende a valorizarse adquiriendo un control parcial sobre derechos, servicios y bienes públicos, y produciendo elementos urbanos que antes le resultaban irreproducibles. Así, la planificación de la ciudad y la comercialización de un nuevo estilo de vida para los sectores privilegiados deviene en una nueva forma de valorización del capital. ¿Pueden los agentes inmobiliarios por sí solos crear mundos de la vida (Habermas, 1987), en su doble concepción de espacios de sociabilidad y horizonte de apreciación, y asegurarse consumidores? El megaemprendimiento toma cuerpo en los estilos de vida de sus habitantes; una metamorfosis sufrida en sus disposiciones y competencias espaciales reorganiza el sentido de sus prácticas y representaciones territoriales. Los habitus (Bourdieu, 1997) se conforman junto a la nueva espacialidad como estructura estructurada por emprendimientos como Nordelta y como estructura estructurante de los nuevos objetos urbanos. Es decir, los habitus no resultan de la impresión mecánica de las estructuras sociales capitalistas sino que se constituyen en un complejo proceso irreducible a las dicotomías entre objetivismo-subjetivismo, acción-estructura, etc. Las disposiciones y competencias espaciales pueden pensarse como la articulación del par dialéctico que presenta Santos (1996) al referirse al espacio geográfico como un conjunto de sistemas de objetos y sistemas de acciones, considerados como el contexto único en el que se realiza la historia.

Territorio, ambiente y actores. Aportes metodológicos para la formulación de Códigos urbanos : Caso Paraná, Entre Ríos. Area de la Bajada

El tema central se vincula con el Ordenamiento territorial y su correlato en herramientas y metodologías de intervención y gestión urbanas, desde una visión del saber ambiental. A partir de los conceptos categoriales de territorio, actores y ambiente se propone aportar, por un lado metodologías para la comprensión, explicación y análisis del territorio y sus lugares, por el otro mecanismos de gestión para una normativa basada en la inteligencia territorial. Desde estos conceptos se pretende entonces, realizar una vinculación conceptual y normativa para la gestión sustentable del territorio que logre salvar las diferencias entre el estatismo normativo y la dinámica socio-espacial. El área objeto de estudio, es el aquella denominada aquí Area de La Bajada. Así, para un abordaje integral y conceptual del territorio se trabaja desde lo metodológico con los métodos Territorii y Stlocus. Incluyendo mecanismos participativos, como talleres y encuestas que aporten a la comprensión del territorio real, pensado, legal, vivido y posible, propuestos por Territorii que estructura el proceso de lectura y comprensión del lugar. Por su parte el método Stlocus en su ensamble con Territorii permite indagar y analizar el lugar, desde el reconocimiento de patrones de ocupación del lugar, apropiación territorial y vocaciones. Conceptos que llevarán a incoporar a la normativa categorías y dimensiones de urbanístico-territoriales. Desde lo ambiental, se cree de gran importancia el desarrollo del riesgo (vulnerabilidad + amenazas) como concepto operativo para la obtención de dos objetivos: la inclusión de los actores a la dinámica de gestión y la operativización de acciones ambientales directas sobre el territorio. Finalmente, luego del proceso de comprensión y análisis iniciado se arriba a tres cuestiones fundamentales: los métodos propuestos son herramientas flexibles que aportan a la comprensión del territorio desde conceptos categoriales de espacio se torna fundamental, los actores pueden ser incluidos en esta indagación en cualquier etapa del proceso. Sin embargo, aquí aparece la terca línea fundamental: la participación y la gestión de territorios sustentables. Para ello es necesario iniciar un proceso de gobernanza que logre minimizar los impactos de los procesos distorsivos del mercado mediante un Estado proactivo que regule de manera inclusiva, para reducir al mínimo las diferentes dinámicas entre los cuerpos normativos, y su vinculación directa con el territorio deseado por todos los ciudadanos a través de una normativa urbana con inteligencia territorial

Modeling the sensitivity of precipitation oxygen isotopes to the Last Glacial Maximum boundary conditions: A study using Community Atmosphere Model (CAM3.0)

To understand the validity of d18O proxy records as indicators of past temperature change, a series of experiments was conducted using an atmospheric general circulation model fitted with water isotope tracers (Community Atmosphere Model version 3.0, IsoCAM). A pre-industrial simulation was performed as the control experiment, as well as a simulation with all the boundary conditions set to Last Glacial Maximum (LGM) values. Results from the pre-industrial and LGM simulations were compared to experiments in which the influence of individual boundary conditions (greenhouse gases, ice sheet albedo and topography, sea surface temperature (SST), and orbital parameters) were changed each at a time to assess their individual impact. The experiments were designed in order to analyze the spatial variations of the oxygen isotopic composition of precipitation (d18Oprecip) in response to individual climate factors. The change in topography (due to the change in land ice cover) played a significant role in reducing the surface temperature and d18Oprecip over North America. Exposed shelf areas and the ice sheet albedo reduced the Northern Hemisphere surface temperature and d18Oprecip further. A global mean cooling of 4.1 °C was simulated with combined LGM boundary conditions compared to the control simulation, which was in agreement with previous experiments using the fully coupled Community Climate System Model (CCSM3). Large reductions in d18Oprecip over the LGM ice sheets were strongly linked to the temperature decrease over them. The SST and ice sheet topography changes were responsible for most of the changes in the climate and hence the d18Oprecip distribution among the simulations.

Icebergs in the Amundsen Sea (Antarctica) determined from ENVISAT ASAR WSM data using object-based image analysis approach, link to ESRI GDB files

ENVISAT ASAR WSM images with pixel size 150 × 150 m, acquired in different meteorological, oceanographic and sea ice conditions were used to determined icebergs in the Amundsen Sea (Antarctica). An object-based method for automatic iceberg detection from SAR data has been developed and applied. The object identification is based on spectral and spatial parameters on 5 scale levels, and was verified with manual classification in four polygon areas, chosen to represent varying environmental conditions. The algorithm works comparatively well in freezing temperatures and strong wind conditions, prevailing in the Amundsen Sea during the year. The detection rate was 96% which corresponds to 94% of the area (counting icebergs larger than 0.03 km**2), for all seasons. The presented algorithm tends to generate errors in the form of false alarms, mainly caused by the presence of ice floes, rather than misses. This affects the reliability since false alarms were manually corrected post analysis.

Numerical modeling of marine radiocarbon reservoir ages during the last deglaciation

A critical problem in radiocarbon dating is the spatial and temporal variability of marine reservoir ages (MRAs). We assessed the MRA evolution during the last deglaciation by numerical modeling, applying a self-consistent iteration scheme in which an existing radiocarbon chronology (derived by Hughen et al., Quat. Sci. Rev., 25, pp. 3216-3227, 2006) was readjusted by transient, 3-D simulations of marine and atmospheric Delta14C. To estimate the uncertainties regarding the ocean ventilation during the last deglaciation, we considered various ocean overturning scenarios which are based on different climatic background states (PD: modern climate, GS: LGM climate conditions). Minimum and maximum MRAs are included in file 'MRAminmax_21-14kaBP.nc'. Three further files include MRAs according to equilibrium simulations of the preindustrial ocean (file 'C14age_preindustrial.nc'; this is an update of our results published in 2005) and of the glacial ocean (files 'C14age_spinupLGM_GS.nc' and 'C14age_spinupLGM_PD.nc').

Time-series of seagrass and land cover maps from 1972 to 2010, in South East Queensland, Australia, with links to GeoTIFFs

Long term global archives of high-moderate spatial resolution, multi-spectral satellite imagery are now readily accessible, but are not being fully utilised by management agencies due to the lack of appropriate methods to consistently produce accurate and timely management ready information. This work developed an object-based remote sensing approach to map land cover and seagrass distribution in an Australian coastal environment for a 38 year Landsat image time-series archive (1972-2010). Landsat Multi-Spectral Scanner (MSS), Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper (ETM+) imagery were used without in situ field data input (but still using field knowledge) to produce land and seagrass cover maps every year data were available, resulting in over 60 map products over the 38 year archive. Land cover was mapped annually using vegetation, bare ground, urban and agricultural classes. Seagrass distribution was also mapped annually, and in some years monthly, via horizontal projected foliage cover classes, sand and deep water. Land cover products were validated using aerial photography and seagrass maps were validated with field survey data, producing several measures of accuracy. An average overall accuracy of 65% and 80% was reported for seagrass and land cover products respectively, which is consistent with other studies in the area. This study is the first to show moderate spatial resolution, long term annual changes in land cover and seagrass in an Australian environment, created without the use of in situ data; and only one of a few similar studies globally. The land cover products identify several long term trends; such as significant increases in South East Queensland's urban density and extent, vegetation clearing in rural and rural-residential areas, and inter-annual variation in dry vegetation types in western South East Queensland. The seagrass cover products show that there has been a minimal overall change in seagrass extent, but that seagrass cover level distribution is extremely dynamic; evidenced by large scale migrations of higher seagrass cover levels and several sudden and significant changes in cover level. These mapping products will allow management agencies to build a baseline assessment of their resources, understand past changes and help inform implementation and planning of management policy to address potential future changes.