UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTEDIPARTIMENTO DI FISICA

A N A L I S I C O M PA R ATA D E L L E P E R I O D I C I TÀ D E IF L U S S I D I R A G G I C O S M I C I AT M O S F E R I C I ED E L L E C O R R E N T I M A R I N E N E L M A R I O N I O

Candidato: Fabrizio Riccioni

Relatore: Chiar .mo Prof . Gianrossano Giannini

Laurea Triennale in Fisica

18 Settembre 2015

Ai miei genitori.Grazie per tutto il supporto

che mi avete dato.

I N D I C E

1 Il Sole 1

1.1 Campo magnetico e attività solare . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Raggi cosmici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Attività solare e clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Il mare 7

2.1 Caratteristiche delle acque marine . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.2 Salinità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.3 Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Circolazione termoalina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Il Mar Mediterraneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Circolazione globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.2 Circolazione locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Mar Ionio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Analisi delle serie storiche 17

Bibliografia 37

v

I N T R O D U Z I O N E

Negli ultimi decenni, uno studio effettuato sul Mar Ionio ha messo in evidenzaun cambio della circolazione superficiale da ciclonica ad anticiclonica.

Lo scopo di questa tesi è confrontare tra loro dati solari, quindi numero dimacchie solari e flusso di raggi cosmici, temperatura media globale, anomalia dellivello marino del Mar Ionio, MEI index e oscillazione nord-atlantica, ponendoparticolare attenzione al confronto tra l’anomalia del livello marino e il flusso diraggi cosmici.

Ci si sofferma su questo confronto perchè le modifiche che interessano lo Ionioavvengono in un arco di tempo di quasi 10 anni e, come è noto, un ciclo solareha una durata di circa 11 anni.

Si vuole quindi capire se può esserci o meno una correlazione tra i due feno-meni.

La tesi è strutturata nel seguente modo:

• capitolo 1: viene descritta l’attività solare, cosa sono i raggi cosmici espiegati alcuni fenomeni che hanno portato all’idea di una possibile corre-lazione tra i fenomeni solari e il clima sulla Terra.

• capitolo 2: vengono brevemente spiegate le caratteristiche principali del-le acque, in cosa consiste la circolazione termoalina, la circolazione delMediterraneo e quella caratteristica del Mar Ionio.

• capitolo 3: viene eseguita una analisi grafica, in cui vengono confrontatele serie storiche relative all’attività solare, raggi cosmici, temperatura mediaglobale, anomalia del livello marino del Mar Ionio, MEI index e oscillazionenord-atlantica.

vii

1I L S O L E

1.1 Campo magnetico e attività solare

Il Sole è il principale corpo del sistema solare ed è costituito da plasma, ovveromateria allo stato gassoso per lo più ionizzato.

Il campo magnetico del Sole è prodotto dalla rotazione delle particelle costi-tuenti il gas attorno all’asse di simmetria del Sole stesso.

Inizialmente, come si può notare nella Figura 1, le linee di campo magneticosono dirette dal Polo Nord al Polo Sud.

Proprio perchè il Sole è costituito da plasma, il periodo di rotazione attornoall’asse di simmetria varia con la latitudine; in particolare, il periodo di rotazioneè minore all’equatore e maggiore ai poli.

Per questo motivo, la rotazione del Sole attorno al proprio asse è detta rota-zione differenziale.

Figura 1: Rotazione differenziale del Sole [5]

Questa particolare rotazione determina una deformazione delle linee di campomagnetico che, dopo molte rotazioni, assumono una forma toroidale (effetto

omega).Le linee di campo, continuando ad avvolgersi, intensificano sempre di più il

campo magnetico fino ad un valore critico, in corrispondenza del quale vengono

1

2 Il Sole

innalzate al di fuori della superficie solare e su quest’ultima sono visibili duemacchie solari (Solar Spots), una con campo magnetico entrante e una concampo magnetico uscente (Figura 2), tramite le quali si identifica l’attività solare.

Finito questo processo, si hanno nuovamente delle linee di campo che con-giungono i poli del Sole, questa volta con polarità invertita (effetto alpha)[14].

Il motivo per cui le macchie solari appaiono visibili sulla superficie del Soleè dovuto al fatto che hanno una temperatura media di 4000 − 5000K, mentrequella superficiale del Sole è 5800K.

Figura 2: Innalzamento delle linee di campo magnetico solare [3]

Il numero di macchie solari visibili viene quantificato tramite il Numero di

Wolf

R = K(10G+ S)

dove:

G è il numero totale di gruppi osservati.

S è il numero totale di macchie presenti.

K è un indice che dipende dal luogo in cui ci si trova e dalla strumentazione.

Queste macchie si formano in maniera ciclica e il loro numero varia tra unmassimo e un minimo.

Il periodo che intercorre tra un massimo e il successivo, o tra un minimo e ilsuccessivo, è detto ciclo solare e ha una durata di circa 11 anni.

Sarebbe, però, più corretto identificare un ciclo con un periodo di 22 anni,considerando entrambe le polarità del campo magnetico.

1.2 Raggi cosmici 3

1.2 Raggi cosmici

I raggi cosmici sono particelle cariche, distribuite in maniera uniforme nellospazio, che colpiscono gli strati più alti dell’atmosfera terrestre.

Essi sono costituiti per il 90% circa da protoni, 9% circa da nuclei di Elio e ilrestante 1% da nuclei di atomi più pesanti, elettroni, neutrini e particelle gamma(fotoni) ad alta energia.

In funzione dell’energia, l’andamento del flusso di raggi cosmici, è descrittodalla legge di potenza

dN

dE∝ E−k

dove l’indice spettrale k assume un valore compreso tra 2.5 e 2.7.Il grafico relativo all’andamento del flusso di raggi cosmici che raggiungono

l’atmosfera terrestre per unità di energia, tempo, area e angolo solido è mostratoin Figura 3.

Figura 3: Spettro del flusso di raggi cosmici, [12]

4 Il Sole

La zona di bassa energia, E 6 30GeV , è caratterizzata da una dipendenzatemporale dovuta a modulazioni causate dalla variazione del vento e del campomagnetico solare.

Il punto in cui E ≈ 1015 eV è detto ginocchio (knee) e qui si ha una variazionedella pendenza della curva; il secondo punto in cui si ha una variazione dellapendenza, invece, è detto caviglia (ankle) e l’energia che lo caratterizza è circa1018 eV .

La curva del flusso ha proprio questo particolare andamento a causa dell’ac-celerazione dei raggi cosmici e della loro propagazione nella Galassia e nel Si-stema Solare; l’effetto di confinamento di cui è responsabile il campo magneticogalattico è origine del ginocchio.

Essendo particelle cariche che si muovono in un campo magnetico, i raggicosmici sono soggetti all’azione della forza di Lorentz, F = q(v × B), che èortogonale alla loro velocità e che fa compiere loro delle traiettorie spiraleggianti.

Il raggio di tali traiettorie si chiama Raggio di Larmor ed è dato dall’espres-sione

R =E

Z|e|Bv

dove Z e v = βc sono, rispettivamente, il numero atomico e la velocità dellaparticella in esame, e è la carica elementare, B il modulo del campo magnetico.

In base al valore del raggio di Larmor, i raggi cosmici possono avere tre ca-ratterizzazioni diverse: Solare (E < 1010 eV), Galattica (1010 eV < E < 1015 eV) edExtragalattica (E > 1015 eV).

Nell’attraversare l’atmosfera terrestre, i raggi cosmici possono interagire congli atomi e i loro nuclei, caratterizzanti l’atmosfera stessa, dando origine allaradiazione secondaria, la quale può a sua volta interagire con nuclei di altriatomi e portare alla formazione di altre particelle e così via.

Questo processo prende il nome di cascata atmosferica (Figura 4).

1.2 Raggi cosmici 5

Figura 4: Cascata atmosferica, [11]

I raggi cosmici, nella loro propagazione, sono soggetti alla modulazione elio-sferica e l’equazione che descrive tale processo è la seguente [18]:

∂f∂t

= ∇ · [K∇f] − V · ∇f − 〈vD〉 · ∇f +1

3(∇ ·V)

∂f∂lnp

dove:

• f = f (r,t,p) è la funzione di distribuzione dei raggi cosmici, con r la posizio-ne (in 3-D), t il tempo e p la rigidità.

• ∇ · [K∇f] è il termine di diffusione e K il tensore di diffusione simmetri-ca.

• V · ∇f è il termine di convezione, con V la velocità del vento solare.

• 〈vD〉 · ∇f è il termine di deriva, con 〈vD〉 la velocità di deriva.

• 13(∇ ·V)

∂f∂lnp è lo scambio adiabatico di energia:

– se (∇ ·V) > 0, si hanno le perdite adiabatiche di energia

– se (∇ ·V) < 0, si hanno guadagni di energia

– se (∇ ·V) = 0, non ci sono scambi adiabatici di energia

Risentendo dell’azione del campo magnetico eliosferico, i raggi cosmici ven-gono deviati fino a distanze dell’ordine di 200A.U. (Astronomical Units) dalSole.

6 Il Sole

1.3 Attività solare e clima

Le prime ipotesi di una correlazione tra i raggi cosmici e il clima sulla Terrarisalgono a tempi antichi, in cui si pensava che la forza e la direzione del ventoportassero ad una connessione tra l’oscillazione Nord Atlantica (caratterizzatada una differenza di pressione al livello del mare tra l’Islanda e l’arcipelagodelle Azzorre) e l’attività solare, andando ad influenzare le piogge monsoniche.Non è chiaro però se tale connessione influenzava il clima globale.

Più recentemente, una possibile correlazione con il clima è stata ipotizzata con-siderando la presenza di nuvole, utilizzando dei monitor neutronici (strumentiche misurano il numero di raggi cosmici e la loro variazione durante i cicli so-lari), tramite i quali è stato notato che il flusso di raggi cosmici era minore incorrispondenza di una minore presenza di nuvole.

Questo fenomeno, però, è stato riscontrato solo in alcune zone della Terra enon è, quindi, utilizzabile come modello globale [20].

Il numero di raggi cosmici rilevati sulla Terra, inoltre, risulta anticorrelato conil numero di macchie solari.

2I L M A R E

2.1 Caratteristiche delle acque marine

2.1.1 Temperatura

Figura 5: Variazione della temperatura marina in funzione della profondità [16]

La variazione di temperatura delle acque marine profonde avviene in tem-pi molto lunghi e una volta che la temperatura è aumentata, l’acqua mantieneil proprio calore per un tempo abbastanza lungo, rilasciando il calore moltolentamente.

Per questo motivo, le variazioni di temperatura avvengono in tempi abbastan-za lunghi [4].

La temperatura media delle acque superficiali è di 15 ◦C, mentre quella del-le acque più profonde è di 3.5 ◦C: questo perché le acque superficiali vengonocolpite direttamente dai raggi solari - e quindi riscaldate - mentre sul fondo siaccumulano le acque fredde, più dense.

Le acque abissali oceaniche a tutte le latitudini hanno temperature prossimeallo zero, ma non congelano a causa dell’elevata pressione a cui sono sottoposte.

7

8 Il mare

La temperatura superficiale varia con la latitudine e, alle medie latitudini, anchecon le stagioni: la temperatura ai poli può arrivare anche a −2 ◦C, temperaturaalla quale l’acqua salata congela.

Alle basse latitudini, invece, la temperatura superficiale dell’acqua è anchesuperiore ai 20 ◦C, fino a una profondità di circa 500m, oltre la quale si trovanole acque fredde.

Lo strato di transizione tra due fronti d’acqua a temperatura diversa viene det-to termoclino (Figura 5): al di sopra di esso si trova lo strato di rimescolamento,in cui la temperatura è circa pari alla temperatura delle acque superficiali. Nellostrato di termoclino, la temperatura diminuisce bruscamente e, sotto di esso, latemperatura rimane costantemente bassa [1].

2.1 Caratteristiche delle acque marine 9

2.1.2 Salinità

Figura 6: Variazione della salinità in funzione della profondità [16]

La salinità è un parametro che esprime la concentrazione di sale nell’acqua.Essa è dovuta alla presenza di composti salini disciolti in acqua, sotto forma

di ioni, i quali vengono originati in tre modi possibili:

• degradazione delle rocce emerse ad opera degli agenti atmosferici (pioggia,vento, neve)

• processi idrotermali, ovvero il consolidamento magmatico

• emissioni vulcaniche sottomarine di gas e lava.

La salinità dei mari aperti è circa del 35‰, ovvero sono presenti 35 g di saleper 1Kg di acqua, mentre in mari chiusi o semichiusi è superiore in quantol’evaporazione è maggiore dell’apporto di acqua dolce.

In zone in cui è molto elevato il tasso di rovesci, la salinità è minore, mentre neimari in cui le masse d’acqua gelano durante l’inverno, la solidificazione escludeparzialmente i sali.

La salinità varia, oltre che con la profondità, anche con la distanza da fonti diacqua dolce e lo strato di transizione è detto aloclino (Figura 6) [1].

10 Il mare

2.1.3 Densità

A differenza dell’acqua pura, la cui densità è ρ = 1 g/cm3, la densità dell’acquadi mare è ρ = 1.025 g/cm3. Questo valore però è variabile, in quanto dipendedalla temperatura e dalla concentrazione di sali disciolti.

Figura 7: Variazione della densità in funzione della profondità [16]

Anche l’andamento della densità, così come quello della temperatura e dellasalinità, varia in funzione della profondità: all’aumentare della profondità au-menta la densità e la zona di transizione tra strati di acqua marina con diversadensità viene detta picnoclino (Figura 7) [2].

2.2 Circolazione termoalina 11

2.2 Circolazione termoalina

Figura 8: Circolazione termoalina [15].

La circolazione delle correnti marine è dovuta a tre fattori:

• venti, causati dalla differenza di pressione tra due punti

• maree, variazioni periodiche del livello del mare generate dall’attrazionegravitazionale che Terra, Luna e Sole esercitano tra loro

• differenza di densità

La causa principale della circolazione è la differenza di densità tra due massed’acqua; questa differenza fa sì che le masse d’acqua si muovano l’una versol’altra fino a distribuirsi su tutta la superficie terrestre ed è dovuta alla tempera-tura e alla salinità, quantità che dipendono - rispettivamente - da latitudine edevaporazione, o apporto, di acqua dolce da parte dei fiumi e delle piogge: unaumento della salinità provoca un aumento della densità dell’acqua.

A differenza dei venti, che interessano solo la circolazione superficiale delmare, la circolazione termoalina interessa anche le acque in profondità e consistein [6]:

• formazione delle acque profonde

• movimento delle acque profonde

• risalita delle acque profonde

Le masse d’acqua profonde hanno origine in alcune zone del Nord Atlanticoe nell’Oceano Antartico (Figura 8).

Nel Nord dell’Oceano Atlantico, le acque superficiali vengono raffreddate daiventi; ciò provoca un aumento della salinità con conseguente aumento delladensità delle acque, che, quindi, sprofondano.

12 Il mare

Queste acque sono dette North Atlantic Deep Water (NADW) e si muovono indirezione Sud.

Nell’Oceano Antartico, invece, i venti catabatici, che soffiano dal continentesui ghiacciai, danno origine alle cosiddette Polynyas, ovvero distese di acquacircondate da ghiacciai. La temperatura dell’oceano, pertanto, subisce un bruscocalo, con conseguente aumento della densità.

Queste acque profonde si muovono in direzione Nord ed Est e sono detteAnctarctic Bottom Water (ABW) .

Qui il flusso di acque atlantiche, una volta giunto nell’Oceano Antartico sidivide in due: una parte si muove verso l’Oceano Indiano, l’altra verso l’OceanoPacifico: nell’Oceano Indiano si ha una risalita verticale delle acque (overturning),causata dalla differenza di salinità e temperatura delle acque, mentre nel Pacificoil resto dell’acqua fredda, di origine atlantica, diventa più calda e quindi risale.

Le acque dense che affondano vanno a rimpiazzare le vecchie acque di fondo,diventate meno dense a causa del mescolamento oceanico.

Per mantenere l’equilibrio totale, si ha una risalita delle acque (upwelling).

2.3 Il Mar Mediterraneo

Il Mar Mediterraneo è un mare semi-chiuso che può essere suddiviso in duesotto-bacini: Orientale (Mar Adriatico, Mar Ionio, Mar Egeo, Mar Libico e Mardi Levante) ed Occidentale (Mare di Alboran, Mar Tirreno, Mare delle Baleari,Mar di Sardegna e Mar Ligure).

Figura 9: Circolazione globale del Mar Mediterraneo. [7]

La circolazione delle correnti nel Mar Mediterraneo è molto complessa (Figura9) e viene suddivisa in due blocchi: globale e locale [19].

2.3 Il Mar Mediterraneo 13

2.3.1 Circolazione globale

L’afflusso di acqua nel Mediterraneo proviene dall’Atlantico, attraverso lo Strettodi Gibilterra e, tramite il Canale di Sicilia, giunge nella zona orientale.

Le principali acque di fondo del Mediterraneo si formano nel Golfo del Leonee nel Sud Adriatico e prendono, rispettivamente, il nome di Western Mediterra-nean Deep Water (WMDW) e Eastern Mediterranean Deep Water (EMDW).

Altre fonti di acque profonde si trovano nel Nord-Est del Levante (LevantineDeep Water, LDW), e nel Nord del Levante.

Queste ultime prendono il nome di Levantine Intermediate Water (LIW) e laloro circolazione è la principale responsabile dell’efflusso di acqua nell’OceanoAtlantico.

Altre due masse d’acqua importanti hanno origine nel Mar Egeo e prendonoil nome di Cretan Intermediate Water (CIW) e Cretan Deep Water (CDW).

Il più importante cambiamento riguardante la circolazione termoalina e leproprietà dell’acqua nel Mediterraneo è avvenuto dopo il 1987, quando il MarEgeo ha iniziato a fornire gradualmente acqua più calda, più densa e più salatarispetto a quella precedentemente fornita dal Mar Adriatico (EMDW).

Dopo il 1990 anche le CIW hanno subìto delle modifiche, diventando più caldee più salate, alterando i processi di trasporto di acqua in profondità del bacino enella superficie.

Questo fenomeno prende il nome di Eastern Mediterranean Transient (EMT) esono state formulate numerose ipotesi sul motivo per cui sia avvenuto:

• ridistribuzione interna dei sali

• cambi atmosferici locali

• modifica delle circolazioni delle acque

La produzione di acqua più densa è iniziata nel 1987 nel sud del Mar Egeo:il continuo aumento della salinità nel periodo 1987− 1992 e il brusco calo delletemperature nel 1992 e nel 1993, hanno portato alla formazione di dense massed’acqua. L’aumento della salinità è dovuto a un lungo periodo di ridotta precipi-tazione, probabilmente a seguito di modifiche di eventi atmosferici (ad esempiol’oscillazione nord atlantica); il calo di temperatura delle acque, invece, è dovutoai freddi inverni del 1992 e del 1993 [19].

2.3.2 Circolazione locale

Nel Mediterraneo occidentale, le acque superficiali del Mare di Alboràn hannoun andamento anticiclonico nella parte più vicina allo Stretto di Gibilterra evariabile nella parte più orientale.

Le acque atlantiche (Modified Atlantic Water, MAW) possono portare alla forma-zione di vortici lungo le coste: quelli di carattere ciclonico hanno breve durata

14 Il mare

e sono caratteristici delle acque superficiali; quelli anticiclonici possono durareanche settimane o mesi.

Nel Canale di Sicilia, le acque provenienti dall’Atlantico, che si muovono lun-go le coste orientali e occidentali della Corsica, danno origine alla corrente liguro-provenza-catalana, mentre nel Mare delle Baleari si hanno intense attività vorti-cose, dirette verso il mare aperto, dal periodo invernale fino a quello primaverile,causando così una variabilità stagionale.

Le correnti atlantiche che giungono nella parte orientale del Mediterraneoattraverso il Canale di Sicilia si dividono tra il bacino ionico e quello levantino.

Anche nel Mar di Levante le correnti si separano: una si muove verso Cipro,per poi andare verso Nord e unirsi alla alla corrente dell’Asia Minore, la seconda,invece, si muove in direzione Est [19].

2.4 Mar Ionio

Il Mar Ionio è il bacino più profondo del Mediterraneo e, contemporaneamente,è anche la zona più piccola, quindi le variazioni climatiche globali avvengono inbreve tempo e sono più facili da analizzare. Le analisi della topografia e dellatemperatura della superficie marina, eseguite dal 1993 al 2001, hanno messoin evidenza dei cambiamenti della struttura superficiale del mare, che si pensasiano correlati con il rilassamento dell’Eastern Mediterranean Transient (EMT), checausa una inversione della circolazione superficiale della corrente marina daciclonica ad anticiclonica.

Durante questo fenomeno, l’acqua presente nel mar Ionio si sposta verso ilmar Egeo, producendo delle modifiche anche negli strati profondi e intermedi.

Analizzando i dati topografici e della temperatura superficiale del mare, èstato riscontrato un netto abbassamento della struttura topografica del bacinoionico (con cambio di verso della circolazione superficiale) e un innalzamentonel mar di Levante.

L’analisi dei dati, fatta separatamente per i due bacini, Mar Ionio e Mar Egeo,in due diversi periodi (1993 − 1997 e 1997 − 2001), ha messo in evidenza unadiminuzione della temperatura superficiale delle acque nella prima fase, durantela quale lo Ionio è caratterizzato da una circolazione anticiclonica.

Durante la seconda fase, vengono rilevati un innalzamento della temperaturae un abbassamento topografico nella zona Sud-Est di Creta, insieme a un abbas-samento della pressione al livello del mare e un abbassamento delle temperature:ciò avviene perchè nella zona di Creta si ha una risalita delle acque profonde (up-welling) del mar Egeo (Cretan Sea Outflow Water - CSOW e Cretan Sea IntermediateWater - CSIW).

La differenza più evidente tra i due periodi è proprio la struttura superficia-le e topografica del Mar Ionio: durante il primo periodo viene registrato uninnalzamento topografico e durante il secondo un abbassamento.

Questa caratteristica suggerisce un’inversione della circolazione superficialedello Ionio, da anticiclonica a ciclonica, che avviene quando la circolazione del

2.4 Mar Ionio 15

Mediterraneo Est si rilassa dalla fase transiente (ovvero quando avviene unrilassamento dell’Eastern Mediterranean Transient).

Analizzando i dati, si è giunti alla seguente spiegazione: prima del 1997 laCSOW occupa principalmente la zona Est e Nord-Est del Mar Ionio e la suaconcentrazione diminuisce muovendosi verso Ovest; ciò causa un gradiente dibassa pressione diretto verso il centro del bacino che, quindi, si trova ad avereuna circolazione ciclonica nello strato più basso e una anticiclonica in quello piùalto.

Dopo il 1997 la CSOW raggiunge la zona Nord-Est dello Ionio e si mescola conla CSIW nella zona centrale del bacino: le acque dell’Adriatico, avendo densitàminore di quella abissali, creano un gradiente di pressione dal centro del bacinoverso la costa che porterà a una circolazione anticiclonica nello strato più bassoe ciclonica in quello più alto [17].

3A N A L I S I D E L L E S E R I E S T O R I C H E

Nella Figura 10 viene mostrato l’andamento mensile delle serie storiche relativeall’attività solare, ovvero il numero di macchie solari mensili (fonte: NASA, [13])a partire dal 1749 fino ad oggi.

Figura 10: Serie storiche del numero di macchie solari

Per confrontare tra loro il numero di macchie solari e il flusso di raggi cosmici(fonte: Moscow Neutron Monitor, [8]), si sono considerati solo i dati a partire daGennaio del 1958, in quanto i valori dei raggi cosmici sono disponibili a partireda tale data.

Poichè i neutroni sono strettamente correlati al flusso di raggi cosmici, permisurare quest’ultimo si utilizzano i monitor neutronici, strumenti che misuranole componenti secondarie dei raggi cosmici che attraversano l’atmosfera.

I dati sono stati presi dal sito del Moscow Neutron Monitor, [8] e l’andamento èmostrato in Figura 11.

17

18 Analisi delle serie storiche

Figura 11: Flusso di raggi cosmici e attività solare

Come già detto, si nota che quando l’attività solare è massima, il numero diraggi cosmici che giunge sulla Terra è minimo e, viceversa, quando l’attività èminima, il numero di raggi cosmici è massimo.

Il motivo di questa anticorrelazione è dovuto al fatto che il campo magneticosolare risulta più intenso durante un massimo solare, facendo quindi deviare ilflusso fuori dal Sistema Solare.

Nella Figura 12 viene invece mostrata la stessa serie storica ma con flusso diraggi cosmici invertito.

Il numero di raggi cosmici invertito si è ottenuto tramite la formula

CRsinv =68+ (88.61−CRs)51.51

496

dove

• 68 è il valor medio del numero di macchie solari.

• 8861.2 è la media del flusso di raggi cosmici.

• CRs è il flusso di raggi cosmici.

• 51.51 è lo scarto quadratico medio del numero di macchie solari.

• 496 è lo scarto quadratico medio del flusso di raggi cosmici.

Analisi delle serie storiche 19

Figura 12: Attività solare e flusso invertito di raggi cosmici

Tutti questi valori sono stati ottenuti tramite il programma utilizzato per trac-ciare i grafici, Gretl, le cui caratteristiche sono descritte nell’appendice.

Osservando i grafici, si nota che nei cicli dispari la variazione del flusso diraggi cosmici ha un ritardo rispetto al numero di macchie solari.

Si pensa che il motivo di questo ritardo sia dovuto all’interazione tra il campomagnetico eliosferico e quello galattico, oppure a una modulazione particolare,che fa percorrere ai raggi cosmici una distanza maggiore prima di giungere sullasuperficie della Terra

Ciò è confermato dalle figure 13 e 14, in cui viene mostrato l’andamento delnumero di raggi cosmici rilevati sulla Terra in funzione del numero di macchiesolari; andamento che ricorda molto quello chiuso di un ciclo di isteresi, in cuisi nota che l’ampiezza dei cicli pari è più stretta rispetto a quelli dispari.

20 Analisi delle serie storiche

Figura 13: Flusso di raggi cosmici in funzione del numero di macchie solari per i ciclipari

Figura 14: Flusso di raggi cosmici in funzione del numero di macchie solari per i ciclidipari

Analisi delle serie storiche 21

La Figura 15 mostra l’andamento mensile delle serie storiche relative alla tem-peratura media globale (espressa in centesimi di ◦C) a partire dal 1880 fino al2015 (fonte: NASA, [9]), in cui si nota un particolare incremento nel tempo piùrecente, fenomeno denominato global warming, riscaldamento globale, associatoai cambiamenti climatici in atto.

Figura 15: Serie storica della temperatura media globale

La figura 16 mostra l’andamento della temperatura modulata e del flussoinvertito di raggi cosmici nel tempo.

Per modulare la temperatura si è utilizzata la seguente formula

Tmod = (Tm − Tm− 1)10+ 56

dove

• Tm è la temperatura di un mese.

• Tm−1 è la temperatura del mese precedente.

• 10 e 56 sono dei fattori di scala scelti in modo tale da mantenere l’anda-mento della temperatura orizzontale e poter così confrontare i dati.

Un andamento simile è mostrato nella Figura 17, in cui la temperatura mediaglobale è mostrata insieme al numero di macchie solari.

22 Analisi delle serie storiche

Figura 16: Temperatura media globale e flusso invertito di raggi cosmici

Figura 17: Temperatura media globale e numero di macchie solari

Analisi delle serie storiche 23

Questi due grafici mostrano che, nonostante le varie ipotesi fatte, non c’è gran-de evidenza di correlazione tra i fenomeni solari e tali parametri climatici sullaTerra.

La variabilità è a maggiore frequenza e quindi un periodo decisamente corto,rispetto ai circa 11 anni dell’attività solare e del flusso di raggi cosmici.

Per avere una ulteriore conferma di ciò, si è fatto un confronto anche tra l’in-dice MEI (Multivariate ENSO Index) e il flusso di raggi cosmici e tra i dati NAO(riguardanti l’oscillazione nord-atlantica) e il flusso di raggi cosmici.

L’indice MEI è utilizzato per descrivere l’ENSO (El Niño Southern Oscillation),un fenomeno climatico di carattere periodico che si verifica nell’Oceano Pacificonel mese di dicembre, durante il quale si ha un incremento della temperaturamarina.

L’andamento è mostrato nella Figura 18.

Figura 18: Serie storica del MEI Index e del flusso invertito di raggi cosmici

Nella Figura 19 viene invece mostrato l’andamento delle serie storiche dell’o-scillazione nord-atlantica e del flusso di raggi cosmici.

In questi ultimi due grafici si vede che la periodicità dell’ENSO e del NAO nonè undecennale, a conferma del fatto che non è facile evidenziare una correlazionetra i fenomeni solari e il clima sulla Terra.

24 Analisi delle serie storiche

Figura 19: Serie storica dell’oscillazione nord-atlantica e del flusso invertito di raggicosmici

Considerando, infine,i dati riguardanti il Mar Ionio, la Figura 20 mostra l’in-dice mensile dell’anomalia del livello marino, caratterizzante la vorticità delloIonio, a partire dal 1993 fino al 2014.

Quando l’anomalia è negativa, la vorticità è positiva (rotazione in senso anti-orario) e la circolazione è ciclonica; viceversa, quando l’anomalia è positiva, lacircolazione è anticiclonica.

L’andamento dell’anomalia e del flusso di raggi cosmici, entrambi invertiti peril confronto con l’andamento dell’attività solare, è mostrato nella Figura 21, incui si nota che l’anomalia ha variazioni a volte in anticipo rispetto al flusso diraggi solari.

Questo fatto tende a escludere una possibile relazione di causa-effetto.

Analisi delle serie storiche 25

Figura 20: Anomalia del livello marino del Mar Ionio

Figura 21: Anomalia invertita del Mar Ionio e flusso invertito di raggi cosmici

Nella Figura 22, invece, viene considerato il numero di macchie solari al postodel flusso di raggi cosmici.

In entrambe le figure mostrate, si nota che i fenomeni solari, quindi flusso diraggi cosmici e numero di macchie solari, non sono la causa del cambio di circo-lazione superficiale del Mar Ionio, a meno di ipotizzare un ritardo dell’ordine di

26 Analisi delle serie storiche

Figura 22: Anomalia invertita del Mar Ionio e numero di macchie solari

4− 5 anni.La causa dell’inversione della circolazione nel Mar Ionio, potrebbe essere attri-

buita all’oscillazione nord-atlantica.Nella Figura 23 vengono mostrate le serie storiche del NAO index (fonte: NOAA,

[10]) e dell’anomalia del Mar Ionio.Si nota che non vi è alcuna correlazione tra i due fenomeni.

Analisi delle serie storiche 27

Figura 23: Oscillazione nord-atlantica e anomalia marina del Mar Ionio

Per provare a quantificare il ritardo del flusso di raggi cosmici rispetto all’atti-vità solare, si è utilizzato il ”correlogramma incrociato” su Gretl.

Nella Figura 24 viene mostrato il ritardo del flusso di raggi cosmici rispetto alnumero di macchie solari: tale ritardo è di circa 7 mesi.

Nella Figura 25, invece, viene mostrato l’anticipo dell’anomalia del livello delmare rispetto al flusso di raggi cosmici, che è di circa 8 mesi.

28 Analisi delle serie storiche

Figura 24: Ritardo del flusso di raggi cosmici rispetto al numero di macchie solari

Figura 25: Anticipo dell’anomalia del livello del mare rispetto al flusso di raggi cosmici

Di seguito vengono mostrati i periodogrammi dell’attività solare (Figura 26),del flusso di raggi cosmici (Figura 27), dell’anomalia del livello marino (Figura28), del MEI Index (Figura 29) e dell’oscillazione nord-atlantica (Figura 30).

Analisi delle serie storiche 29

Figura 26: Periodogramma del numero di macchie solari

Per tracciare i periodogrammi, le serie sono state filtrate, sempre tramite Gretl,con il filtro di Baxter-King, in cui vengono inseriti i valori di massima e minimafrequenza.

Scelto un valore minimo di 2 e uno massimo di 8, valori utilizzati per tutti ecinque i periodogrammi rappresentati, il picco della densità spettrale relativo alnumero di macchie solari è 0.24872, che corrisponde a un periodo di 130.8 mesi.

Dividendo questo valore per il numero di mesi presenti in un anno, si ottienecome risultato 10.9 anni, che è circa la durata di un ciclo solare.

Nei raggi cosmici, il picco della densità spettrale è 22.310, a cui corrispondeun periodo di 131.60, ossia 10, 9 anni.

Anche questo in accordo con quanto noto.Il picco di densità dell’anomalia del livello marino ha un valore di 7.4× 10−6,

a cui corrisponde un periodo di 54.5 mesi, cioè 4 anni e mezzo.Per il MEI index, il picco è pari a 0.0011, a cui corrisponde un periodo di 29.86

mesi, cioè 2 anni e mezzo.Infine, per quanto riguarda l’oscillazione nord-atlantica, il picco di densità è

0.00025, a cui corrisponde a un periodo di 32.9 mesi, ossia 2.7 anni.

30 Analisi delle serie storiche

Figura 27: Periodogramma del flusso di raggi cosmici

Figura 28: Periodogramma della vorticità

Analisi delle serie storiche 31

Figura 29: Periodogramma del MEI Index

Figura 30: Periodogramma dell’oscillazione nord-atlantica

C O N C L U S I O N I

Ci sono soltanto due possibili conclusioni:se il risultato conferma le ipotesi, allora hai appena fatto una misura;

se il risultato è contrario alle ipotesi, allora hai appena fatto una scopertaenrico fermi

Il presente lavoro di tesi è nato con l’obiettivo di confrontare tra loro i datisolari, in particolar modo il flusso di raggi cosmici atmosferici e l’anomalia dellivello marino del Mar Ionio.

Il flusso dei raggi cosmici risulta anticorrelato con l’attività solare, in quantoil campo magnetico solare ed eliosferico, fino ai confini del sistema solare, è piùintenso durante un periodo di massimo e quindi fa deviare i raggi cosmici al difuori del sistema solare.

Inoltre, è stato notato che il flusso di raggi cosmici dei cicli dispari è sfasatorispetto al numero di macchie solari.

Il motivo di questo sfasamento si pensa che sia dovuto all’interazione tra ilcampo magnetico eliosferico e quello galattico, o a una modulazione particolare,che induce i raggi cosmici di segno della carica determinato, predominantemen-te positivo, a percorrere distanze più o meno lunghe prima di giungere sullaTerra.

Non è stata, inoltre, osservata chiaramente una possibile correlazione tra ifenomeni solari e il clima sulla Terra, in quanto la temperatura media globalemostra una maggiore frequenza di variabilità e quindi un periodo decisamenteminore rispetto a quello undecennale dei raggi cosmici.

Ulteriore conferma di ciò si è avuta confrontando tra loro le serie storiche delMEI index e del flusso di raggi cosmici e quelle dell’oscillazione nord-atlantica edel flusso dei raggi cosmici: nessuno dei due fenomeni (MEI index e oscillazionenord-atlantica) ha un periodo undecennale.

L’analisi delle serie storiche riguardanti l’anomalia del livello del Mar Ionioha mostrato che quest’ultimo ha un andamento ”in fase” sia col flusso di rag-gi cosmici che con il numero di macchie solari, ma è in anticipo rispetto adentrambi.

Questo tende ad escludere un rapporto causa-effetto tra i fenomeni solari e ilcambio di circolazione.

Se, dunque, il cambiamento di verso della circolazione non è riconducibile allevariazioni del flusso di raggi cosmici, nè all’attività solare, a che cosa potrebbeessere dovuto?

Ciò apre la porta a ulteriori studi e approfondimenti che saranno ottenibiliquando il fenomeno sarà seguito su un maggior numero di anni.

33

A P P E N D I C E

Gretl

É il programma utilizzato per tracciare i grafici presenti nel Capitolo 3.Si tratta di un software rilasciato con licenza Gnu, sviluppato per analizzare le

serie storiche di dati econometrici, che utilizza il linguaggio C.Oltre alle serie storiche, esso permette di strutturare i dati anche in Cross

Section e PanelTra le caratteristiche di questo programma, vi è la possibilità di filtrare le

serie. Tutti i dati numerici rappresentati graficamente sono stati filtrati tramite ilcomando ”media mobile semplice”, utilizzando 12 osservazioni per la media ecentrandola sul valore centrale dell’intervallo temporale.

Per tracciare i periodogrammi, è stato applicato il filtro passa-banda di Baxter-King, in cui viene inserito il valore 11 alla variabile k. Questo filtraggio dei datirichiede anche l’inserimento dei valori minimi e massimi delle frequenze.

Si possono fare anche i correlogrammi incrociati tra due o più serie di dati,utilizzati per stimare il ritardo o l’anticipo di una variabile rispetto a un’altra.

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B I B L I O G R A F I A

[1] http://ginux.univpm.it.

[2] http://lnx.didascienze.org/lezioni/geologia/idrosfera/oceani.php.

[3] http://www.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100/images/sunmagneticfield.jpg.

[4] http://web.unife.it/utenti/remigio.rossi/didattica/ecologia/ecobase/modulo%20acque.htm.

[5] http://www.konkoly.hu/solstart/stellar_activity.html.

[6] http://www.pik-potsdam.de/.

[7] http://www.meteoweb.eu.

[8] http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm, .

[9] http://data.giss.nasa.gov/gistemp/, .

[10] http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtml.

[11] http://www.mgaerospace.it/?p=814.

[12] http://www.quantumdiaries.org/.

[13] http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml, .

[14] https://daltonsminima.wordpress.com/2009/05/17/la-formazione-delle-macchie-solari/, .

[15] hhttp://www.ces.fau.edu/nasa/resources/global-ocean-conveyor.php.

[16] http://www.windows2universe.org/.

[17] Gian Luca Eusebi Borzelli, Miroslav Gacic, Vanessa Cardin, and GiuseppeCivitarese. Eastern mediterranean transient and reversal of the ionian seacirculation. Geophysical Research Letters, 36(15), 2009.

[18] Marius Potgieter. Solar modulation of cosmic rays. arXiv preprintarXiv:1306.4421, 2013.

[19] Allan R Robinson, Wayne G Leslie, A Theocharis, and A Lascaratos. Medi-terranean sea circulation. Ocean Currents: A Derivative of the Encyclopedia ofOcean Sciences, pages 1689–1705, 2001.

[20] Terence Sloan and AW Wolfendale. Cosmic rays, solar activity and theclimate. Environmental Research Letters, 8(4):045022, 2013.

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R I N G R A Z I A M E N T I

La discussione della presente tesi rappresenta per me una tappa fondamentale e, pertanto,desidero ringraziare tutti coloro che mi hanno appoggiato e supportato durante questianni.

Il primo grazie va al mio relatore, il Prof. Gianrossano Giannini, per l’aiuto, la dispo-nibilità e l’incoraggiamento datomi nella scrittura della tesi.

Ringrazio il Prof. Renzo Mosetti per aver letto la mia tesi e il Dott. Miroslav Gacicper avermi fornito i dati su cui lavorare.

Grazie di cuore ai miei genitori, per avermi permesso di intraprendere questo percorso,essermi stati vicini nei momenti in cui pensavo che non ce l’avrei fatta e per avermiscosso quando ne avevo bisogno.

Grazie a mia sorella Alice per essere stata sempre presente, sin da quando eravamobambini, ogni volta che avevo bisogno di sfogarmi o parlare, per l’affetto e la fiducia neimiei confronti.

Grazie a mia sorella Nicole per la presenza e anche a mio nonno Basilio per l’affetto.Un grazie particolare ad Annamaria per aver sopportato le mie lamentele e avermi

sempre incoraggiato.Un sentito grazie a Dino, con cui, dal 1998, condivido una grande amicizia e con cui

ho passato i momenti più belli della gioventù.Grazie a Dario e ad Alessandro per avermi fatto ridere ogni volta che ne avevo bisogno.Ringrazio tanto i miei compagni di università, Chiara, Giulio, Michele, Eva e France-

sca, con i quali ho passato momenti belli e brutti e ringrazio Elisabetta per i consigli el’assistenza fornitami nell’ultimo mese.

Un super grazie ai mitici Alpha Dogs e, infine, grazie ai Lacuna Coil che, con la loromusica, mi hanno accompagnato durante la scrittura della tesi.

Trieste, 18/09/2015