Effects of Air Pollution Control on Climate

Urban air pollution and climate are closely connected due to shared generating processes (e.g., combustion) for emissions of the driving gases and aerosols. They are also connected because the atmospheric lifecycles of common air pollutants such as CO, NOx and VOCs, and of the climatically important methane gas (CH4) and sulfate aerosols, both involve the fast photochemistry of the hydroxyl free radical (OH). Thus policies designed to address air pollution may impact climate and vice versa. We present calculations using a model coupling economics, atmospheric chemistry, climate and ecosystems to illustrate some effects of air pollution policy alone on global warming. We consider caps on emissions of NOx, CO, volatile organic carbon, and SOx both individually and combined in two ways. These caps can lower ozone causing less warming, lower sulfate aerosols yielding more warming, lower OH and thus increase CH4 giving more warming, and finally, allow more carbon uptake by ecosystems leading to less warming. Overall, these effects significantly offset each other suggesting that air pollution policy has a relatively small net effect on the global mean surface temperature and sea level rise. However, our study does not account for the effects of air pollution policies on overall demand for fossil fuels and on the choice of fuels (coal, oil, gas), nor have we considered the effects of caps on black carbon or organic carbon aerosols on climate. These effects, if included, could lead to more substantial impacts of capping pollutant emissions on global temperature and sea level than concluded here. Caps on aerosols in general could also yield impacts on other important aspects of climate beyond those addressed here, such as the regional patterns of cloudiness and precipitation.

Progress in front propagation research

We review the progress in the field of front propagation in recent years. We survey many physical, biophysical and cross-disciplinary applications, including reduced-variable models of combustion flames, Reid's paradox of rapid forest range expansions, the European colonization of North America during the 19th century, the Neolithic transition in Europe from 13 000 to 5000 years ago, the description of subsistence boundaries, the formation of cultural boundaries, the spread of genetic mutations, theory and experiments on virus infections, models of cancer tumors, etc. Recent theoretical advances are unified in a single framework, encompassing very diverse systems such as those with biased random walks, distributed delays, sequential reaction and dispersion, cohabitation models, age structure and systems with several interacting species. Directions for future progress are outlined

Detecció, anàlisi de partícules provocades pel desgast en olis lubricant usats com a eina de manteniment de motors de combustió interna

A la física o a l’enginyeria es defineix com fregament o fricció a la resistència que s'oposa a la rotació o al lliscament d'un cos sobre un altre, o també a la força que apareix en la superfície de contacte de dos cossos quan s'intenta lliscar un sobre un altre. El fregament ha estat fins avui dia un gran problema físic, això és degut a que genera imperfeccions, especialment microscòpiques, entre les superfícies en contacte. Aleshores és quan apareix la tribologia. La tribologia és la ciència que estudia la fricció, el desgast i la lubricació de superfícies en contacte. El lliscament entre superfícies sòlides es caracteritza generalment per un alt coeficient de fricció i un gran desgast a causa de les propietats específiques de les superfícies. La lubricació consisteix en la introducció d'una capa intermèdia d'un material aliè entre les superfícies en moviment. En aquest projecte hem intentat aplicar tècniques i mètodes de control els quals puguin arribar a millorar i perfeccionar els sistemes de mesura i control a nivell industrial i/o particular. En el nostre cas ha estat l’estudi dels olis lubricants usats en motors de combustió interna de variats vehicles com motocicletes, automòbils, camions o vaixells. Hem introduït una millora d’automatització mitjançant un circuit pneumàtic al captador de partícules, hi hem introduït una tècnica per captar partícules a partir de filtres de membrana, hem estudiat les mostres i llurs ferrogrames i membranes amb la finalitat de detectar les anomalies dels motors. L’objectiu del treball és l’estudi del desgast originat en motors de combustió interna, majoritàriament, Dièsel de camions, automòbils i vaixells. Això, comprèn la captació de partícules en ferrografies, la seva observació i anàlisi en microscopi, la seva classificació, comparació i la detecció d’anomalies en els motors. Per altra banda, també s’aprofundirà en les tècniques d’anàlisi, la lubricació i manteniment dels motors i el nou disseny i validació d’un captador de partícules automatitzat

Aplicació de la tècnica d’ espectroscòpia d’ absorció atòmica de flama com a eina per al manteniment de vehicles

L’objectiu d’aquest projecte fi de carrera és en primer lloc, determinar les modificacions a realitzar en el laboratori de lubricants i combustibles de l’EPS per a la utilització de l’espectrofotòmetre d’absorció atòmica de flama; en segon lloc, posar a punt l’aparell establint els paràmetres i les condicions d’assaig idònies per a portar a terme les anàlisis de metalls de desgast presents en olis lubricants usats de motors de combustió interna. I finalment, establir un protocol de treball al laboratori i estudiar la viabilitat d’oferir el servei d’anàlisi de lubricants a empreses i particulars

Asociación de la concentración de material particulado en Bogotá con infarto agudo de miocardio

Introducción: la contaminación atmosférica no solo tiene efectos sobre el sistema respiratorio sino también sobre el cardiovascular. El objetivo de este estudio es generar evidencia que permita establecer una asociación entre el infarto agudo del miocardio y la concentración de PM10 en el ambiente como un estudio preliminar para un grupo de pacientes en Bogotá. Metodología: la asociación entre la concentración del material particulado (en este caso PM10 medido en la estación más cercana del lugar reportado por el paciente) y el infarto agudo del miocardio se estableció utilizando el diseño case crossover. Se utilizó información de las historias clínicas de los pacientes con infarto agudo del miocardio que ingresaron al Servicio de Urgencias de la FSFB, y las concentraciones de PM10 medido en la estación más cercana al lugar de inicio de los síntomas de síndrome coronario agudo, reportado por el paciente. Resultados: se encontró que la asociación entre la concentración de PM10 y el diagnóstico de infarto agudo del miocardio es estadísticamente significativa teniendo en cuenta tres momentos de control: 2 horas antes del evento, 24 horas antes del evento y 48 horas antes del evento. Discusión: este estudio sugiere que las altas concentraciones de material particulado en el ambiente son un factor de riesgo para el desarrollo de infarto agudo del miocardio especialmente en personas con enfermedad coronaria subyacente. Con esta investigación se demuestra la importancia de generar acciones que disminuyan la contaminación de la ciudad y de esta forma proteger la salud de las personas.

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Spatial covariation of Azotobacter abundance and soil properties: A case study using the wavelet transform

The soil microflora is very heterogeneous in its spatial distribution. The origins of this heterogeneity and its significance for soil function are not well understood. A problem for understanding spatial variation better is the assumption of statistical stationarity that is made in most of the statistical methods used to assess it. These assumptions are made explicit in geostatistical methods that have been increasingly used by soil biologists in recent years. Geostatistical methods are powerful, particularly for local prediction, but they require the assumption that the variability of a property of interest is spatially uniform, which is not always plausible given what is known about the complexity of the soil microflora and the soil environment. We have used the wavelet transform, a relatively new innovation in mathematical analysis, to investigate the spatial variation of abundance of Azotobacter in the soil of a typical agricultural landscape. The wavelet transform entails no assumptions of stationarity and is well suited to the analysis of variables that show intermittent or transient features at different spatial scales. In this study, we computed cross-variograms of Azotobacter abundance with the pH, water content and loss on ignition of the soil. These revealed scale-dependent covariation in all cases. The wavelet transform also showed that the correlation of Azotobacter abundance with all three soil properties depended on spatial scale, the correlation generally increased with spatial scale and was only significantly different from zero at some scales. However, the wavelet analysis also allowed us to show how the correlation changed across the landscape. For example, at one scale Azotobacter abundance was strongly correlated with pH in part of the transect, and not with soil water content, but this was reversed elsewhere on the transect. The results show how scale-dependent variation of potentially limiting environmental factors can induce a complex spatial pattern of abundance in a soil organism. The geostatistical methods that we used here make assumptions that are not consistent with the spatial changes in the covariation of these properties that our wavelet analysis has shown. This suggests that the wavelet transform is a powerful tool for future investigation of the spatial structure and function of soil biota. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A geostatistical analysis of the spatial variation of soil mineral nitrogen and potentially available nitrogen within an arable field.

The technology for site-specific applications of nitrogen (N) fertilizer has exposed a gap in our knowledge about the spatial variation of soil mineral N, and that which will become available during the growing season within arable fields. Spring mineral N and potentially available N were measured in an arable field together with gravimetric water content, loss on ignition, crop yield, percentages of sand, silt, and clay, and elevation to describe their spatial variation geostatistically. The areas with a larger clay content had larger values of mineral N, potentially available N, loss on ignition and gravimetric water content, and the converse was true for the areas with more sandy soil. The results suggest that the spatial relations between mineral N and loss on ignition, gravimetric water content, soil texture, elevation and crop yield, and between potentially available N and loss on ignition and silt content could be used to indicate their spatial patterns. Variable-rate nitrogen fertilizer application would be feasible in this field because of the spatial structure and the magnitude of variation of mineral N and potentially available N.

Exploring the spatial relations between soil physical properties and apparent electrical conductivity

Relations between the apparent electrical conductivity of the soil (ECa) and top- and sub-soil physical properties were examined for two arable fields in southern England (Crowmarsh Battle Farms and the Yattendon Estate). The spatial variation of ECa and the soil properties was explored geostatistically. The variogram ranges showed that ECa varied on a similar spatial scale to many of the soil physical properties in both fields. Several features in the map of kriged predictions of ECa were also evident in maps of the soil properties. In addition, the correlation coefficients showed a strong relation between ECa and several soil properties. A moving correlation analysis enabled differences in the relations between ECa and the soil properties to be examined within the fields. The results indicated that relations were inconsistent; they were stronger in some areas than others. A regression of ECa on the principal component scores of the leading components for both fields showed that the first two components accounted for a large proportion of the variance in ECa, whereas the others accounted for little or none. For Crowmarsh topsoil sand and clay, loss on ignition and volumetric water measured in the autumn had large correlations on the first component, and for Yattendon they were large for topsoil sand and clay, and autumn and spring volumetric water. The cross-variograms suggested strong coregionalization between ECa and several soil physical properties; in particular subsoil sand and silt at Crowmarsh, and subsoil sand and clay at Yattendon. The structural correlations from the linear model of coregionalization confirmed the strength of the relations between ECa and the subsoil properties. Nevertheless, no one property was consistently important for both fields. Although a map of ECa can indicate the general patterns of spatial variation in the soil, it is not a substitute for information on soil properties obtained by sampling and analysing the soil. Nevertheless, it could be used to guide further sampling. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

When smoke gets in our eyes: The multiple impacts of atmospheric black carbon on climate, air quality and health

With both climate change and air quality on political and social agendas from local to global scale, the links between these hitherto separate fields are becoming more apparent. Black carbon, largely from combustion processes, scatters and absorbs incoming solar radiation, contributes to poor air quality and induces respiratory and cardiovascular problems. Uncertainties in the amount, location, size and shape of atmospheric black carbon cause large uncertainty in both climate change estimates and toxicology studies alike. Increased research has led to new effects and areas of uncertainty being uncovered. Here we draw together recent results and explore the increasing opportunities for synergistic research that will lead to improved confidence in the impact of black carbon on climate change, air quality and human health. Topics of mutual interest include better information on spatial distribution, size, mixing state and measuring and monitoring. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Direct estimates of emissions from the megacity of Lagos

We report here top-down emissions estimates for an African megacity. A boundary layer circumnavigation of Lagos, Nigeria was completed using the FAAM BAe146 aircraft as part of the AMMA project. These observations together with an inferred boundary layer height allow the flux of pollutants to be calculated. Extrapolation gives annual emissions for CO, NOx, and VOCs of 1.44 Tg yr−1, 0.03 Tg yr−1 and 0.37 Tg yr−1 respectively with uncertainties of +250/−60%. These inferred emissions are consistent with bottom-up estimates for other developing megacities and are attributed to the evaporation of fuels, mobile combustion and natural gas emissions.

Direct estimates of emissions from the megacity of Lagos

We report here top-down emissions estimates for an African megacity. A boundary layer circumnavigation of Lagos, Nigeria was completed using the FAAM BAe146 aircraft as part of the AMMA project. These observations together with an inferred boundary layer height allow the flux of pollutants to be calculated. Extrapolation gives annual emissions for CO, NOx, and VOCs of 1.44 Tg yr(-1), 0.03 Tg yr(-1) and 0.37 Tg yr(-1) respectively with uncertainties of (+250)/(-60%). These inferred emissions are consistent with bottom-up estimates for other developing megacities and are attributed to the evaporation of fuels, mobile combustion and natural gas emissions.

Aerogel-coated metal nanoparticle colloids as novel entities for the synthesis of defined supported metal catalysts

Nanometer metal particles of tailored size (3-5 nm) and composition prepared via inverse microemulsion were encapsulated by ultrathin coatings (<2.5 nm) of inorganic porous aerogels covered with surface -OH groups. These composite materials formed metastable colloids in solvent(s), and the organic surfactant molecules were subsequently removed without leading to aggregation (the ethanolic colloid solution was shown to be stable against flocculation for at least weeks). We demonstrate that the totally inorganic-based composite colloids, after the removal of surfactant, can be anchored to conventional solid supports (gamma-alumina, carbons) upon mixing. Application of a high temperature resulted in the formation of strong covalent linkages between the colloids and the support because of the condensation of surface groups at the interface. Detailed characterizations (X-ray diffraction (XRD), pore analysis, transmission electron microscopy (TEM), CO chemisorption) and catalytic testing (butane combustion) showed that there was no significant metal aggregation from the fine metal particles individually coated with porous aerogel oxide. Most of these metal sites on the coated nanoparticles with and without support are fully accessible by small molecules hence giving extremely active metal catalysts. Thus, the product and technology described may be suitable to synthesize these precursor entities of defined metal sizes (as inks) for wash coat/impregnation applications in catalysis. The advantages of developing inorganic nanocomposite chemical precursors are also discussed.

Life cycle analysis of UK coal fired power plants

This paper examines the life cycle GHG emissions from existing UK pulverized coal power plants. The life cycle of the electricity Generation plant includes construction, operation and decommissioning. The operation phase is extended to upstream and downstream processes. Upstream processes include the mining and transport of coal including methane leakage and the production and transport of limestone and ammonia, which are necessary for flue gas clean up. Downstream processes, on the other hand, include waste disposal and the recovery of land used for surface mining. The methodology used is material based process analysis that allows calculation of the total emissions for each process involved. A simple model for predicting the energy and material requirements of the power plant is developed. Preliminary calculations reveal that for a typical UK coal fired plant, the life cycle emissions amount to 990 g CO2-e/kWh of electricity generated, which compares well with previous UK studies. The majority of these emissions result from direct fuel combustion (882 g/kWh 89%) with methane leakage from mining operations accounting for 60% of indirect emissions. In total, mining operations (including methane leakage) account for 67.4% of indirect emissions, while limestone and other material production and transport account for 31.5%. The methodology developed is also applied to a typical IGCC power plant. It is found that IGCC life cycle emissions are 15% less than those from PC power plants. Furthermore, upon investigating the influence of power plant parameters on life cycle emissions, it is determined that, while the effect of changing the load factor is negligible, increasing efficiency from 35% to 38% can reduce emissions by 7.6%. The current study is funded by the UK National Environment Research Council (NERC) and is undertaken as part of the UK Carbon Capture and Storage Consortium (UKCCSC). Future work will investigate the life cycle emissions from other power generation technologies with and without carbon capture and storage. The current paper reveals that it might be possible that, when CCS is employed. the emissions during generation decrease to a level where the emissions from upstream processes (i.e. coal production and transport) become dominant, and so, the life cycle efficiency of the CCS system can be significantly reduced. The location of coal, coal composition and mining method are important in determining the overall impacts. In addition to studying the net emissions from CCS systems, future work will also investigate the feasibility and technoeconomics of these systems as a means of carbon abatement.

Controls of carbon dioxide concentrations and fluxes above central London

Eddy-covariance measurements of carbon dioxide fluxes were taken semi-continuously between October 2006 and May 2008 at 190 m height in central London (UK) to quantify emissions and study their controls. Inner London, with a population of 8.2 million (~5000 inhabitants per km2) is heavily built up with 8% vegetation cover within the central boroughs. CO2 emissions were found to be mainly controlled by fossil fuel combustion (e.g. traffic, commercial and domestic heating). The measurement period allowed investigation of both diurnal patterns and seasonal trends. Diurnal averages of CO2 fluxes were found to be highly correlated to traffic. However changes in heating-related natural gas consumption and, to a lesser extent, photosynthetic activity that controlled the seasonal variability. Despite measurements being taken at ca. 22 times the mean building height, coupling with street level was adequate, especially during daytime. Night-time saw a higher occurrence of stable or neutral stratification, especially in autumn and winter, which resulted in data loss in post-processing. No significant difference was found between the annual estimate of net exchange of CO2 for the expected measurement footprint and the values derived from the National Atmospheric Emissions Inventory (NAEI), with daytime fluxes differing by only 3%. This agreement with NAEI data also supported the use of the simple flux footprint model which was applied to the London site; this also suggests that individual roughness elements did not significantly affect the measurements due to the large ratio of measurement height to mean building height.