UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRIESTE DIPARTIMENTO DI FISICA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRIESTE DIPARTIMENTO 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 I F 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 E D 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

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3 Ai miei genitori. Grazie per tutto il supporto che mi avete dato.

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5 I N D I C E 1 Il Sole Campo magnetico e attività solare Raggi cosmici Attività solare e clima Il mare Caratteristiche delle acque marine Temperatura Salinità Densità Circolazione termoalina Il Mar Mediterraneo Circolazione globale Circolazione locale Mar Ionio Analisi delle serie storiche 17 Bibliografia 37 v

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7 I N T R O D U Z I O N E Negli ultimi decenni, uno studio effettuato sul Mar Ionio ha messo in evidenza un cambio della circolazione superficiale da ciclonica ad anticiclonica. Lo scopo di questa tesi è confrontare tra loro dati solari, quindi numero di macchie solari e flusso di raggi cosmici, temperatura media globale, anomalia del livello marino del Mar Ionio, MEI index e oscillazione nord-atlantica, ponendo particolare attenzione al confronto tra l anomalia del livello marino e il flusso di raggi cosmici. Ci si sofferma su questo confronto perchè le modifiche che interessano lo Ionio avvengono in un arco di tempo di quasi 10 anni e, come è noto, un ciclo solare ha una durata di circa 11 anni. Si vuole quindi capire se può esserci o meno una correlazione tra i due fenomeni. La tesi è strutturata nel seguente modo: capitolo 1: viene descritta l attività solare, cosa sono i raggi cosmici e spiegati alcuni fenomeni che hanno portato all idea di una possibile correlazione tra i fenomeni solari e il clima sulla Terra. capitolo 2: vengono brevemente spiegate le caratteristiche principali delle acque, in cosa consiste la circolazione termoalina, la circolazione del Mediterraneo e quella caratteristica del Mar Ionio. capitolo 3: viene eseguita una analisi grafica, in cui vengono confrontate le serie storiche relative all attività solare, raggi cosmici, temperatura media globale, anomalia del livello marino del Mar Ionio, MEI index e oscillazione nord-atlantica. vii

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9 I L S O L E Campo magnetico e attività solare Il Sole è il principale corpo del sistema solare ed è costituito da plasma, ovvero materia allo stato gassoso per lo più ionizzato. Il campo magnetico del Sole è prodotto dalla rotazione delle particelle costituenti il gas attorno all asse di simmetria del Sole stesso. Inizialmente, come si può notare nella Figura 1, le linee di campo magnetico sono dirette dal Polo Nord al Polo Sud. Proprio perchè il Sole è costituito da plasma, il periodo di rotazione attorno all asse di simmetria varia con la latitudine; in particolare, il periodo di rotazione è minore all equatore e maggiore ai poli. Per questo motivo, la rotazione del Sole attorno al proprio asse è detta rotazione differenziale. Figura 1: Rotazione differenziale del Sole [5] Questa particolare rotazione determina una deformazione delle linee di campo magnetico 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

10 2 Il Sole innalzate al di fuori della superficie solare e su quest ultima sono visibili due macchie solari (Solar Spots), una con campo magnetico entrante e una con campo magnetico uscente (Figura 2), tramite le quali si identifica l attività solare. Finito questo processo, si hanno nuovamente delle linee di campo che congiungono i poli del Sole, questa volta con polarità invertita (effetto alpha) [14]. Il motivo per cui le macchie solari appaiono visibili sulla superficie del Sole è dovuto al fatto che hanno una temperatura media di K, mentre quella superficiale del Sole è 5800 K. 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 un massimo e un minimo. Il periodo che intercorre tra un massimo e il successivo, o tra un minimo e il successivo, 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.

11 1.2 Raggi cosmici Raggi cosmici I raggi cosmici sono particelle cariche, distribuite in maniera uniforme nello spazio, 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 il restante 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 descritto dalla 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 mostrato in Figura 3. Figura 3: Spettro del flusso di raggi cosmici, [12]

12 4 Il Sole La zona di bassa energia, E 30 GeV, è caratterizzata da una dipendenza temporale dovuta a modulazioni causate dalla variazione del vento e del campo magnetico solare. Il punto in cui E ev è detto ginocchio (knee) e qui si ha una variazione della pendenza della curva; il secondo punto in cui si ha una variazione della pendenza, invece, è detto caviglia (ankle) e l energia che lo caratterizza è circa ev. La curva del flusso ha proprio questo particolare andamento a causa dell accelerazione dei raggi cosmici e della loro propagazione nella Galassia e nel Sistema Solare; l effetto di confinamento di cui è responsabile il campo magnetico galattico è origine del ginocchio. Essendo particelle cariche che si muovono in un campo magnetico, i raggi cosmici sono soggetti all azione della forza di Lorentz, F = q(v B), che è ortogonale 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 espressione R = E Z e Bv dove Z e v = βc sono, rispettivamente, il numero atomico e la velocità della particella 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 caratterizzazioni diverse: Solare (E < ev), Galattica (10 10 ev < E < ev) ed Extragalattica (E > ev). Nell attraversare l atmosfera terrestre, i raggi cosmici possono interagire con gli atomi e i loro nuclei, caratterizzanti l atmosfera stessa, dando origine alla radiazione secondaria, la quale può a sua volta interagire con nuclei di altri atomi e portare alla formazione di altre particelle e così via. Questo processo prende il nome di cascata atmosferica (Figura 4).

13 1.2 Raggi cosmici 5 Figura 4: Cascata atmosferica, [11] I raggi cosmici, nella loro propagazione, sono soggetti alla modulazione eliosferica e l equazione che descrive tale processo è la seguente [18]: dove: f t = [K f] V f v D f + 1 ( V) f 3 lnp f = f (r,t,p) è la funzione di distribuzione dei raggi cosmici, con r la posizione (in 3-D), t il tempo e p la rigidità. [K f] è il termine di diffusione e K il tensore di diffusione simmetrica. V f è il termine di convezione, con V la velocità del vento solare. v D f è il termine di deriva, con v D la velocità di deriva. 3 1 f ( V) 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 vengono deviati fino a distanze dell ordine di 200 A.U. (Astronomical Units) dal Sole.

14 6 Il Sole 1.3 Attività solare e clima Le prime ipotesi di una correlazione tra i raggi cosmici e il clima sulla Terra risalgono a tempi antichi, in cui si pensava che la forza e la direzione del vento portassero ad una connessione tra l oscillazione Nord Atlantica (caratterizzata da una differenza di pressione al livello del mare tra l Islanda e l arcipelago delle 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 considerando la presenza di nuvole, utilizzando dei monitor neutronici (strumenti che misurano il numero di raggi cosmici e la loro variazione durante i cicli solari), tramite i quali è stato notato che il flusso di raggi cosmici era minore in corrispondenza di una minore presenza di nuvole. Questo fenomeno, però, è stato riscontrato solo in alcune zone della Terra e non è, quindi, utilizzabile come modello globale [20]. Il numero di raggi cosmici rilevati sulla Terra, inoltre, risulta anticorrelato con il numero di macchie solari.

15 I L M A R E Caratter istiche delle acque mar ine Temperatura Figura 5: Variazione della temperatura marina in funzione della profondità [16] La variazione di temperatura delle acque marine profonde avviene in tempi molto lunghi e una volta che la temperatura è aumentata, l acqua mantiene il proprio calore per un tempo abbastanza lungo, rilasciando il calore molto lentamente. Per questo motivo, le variazioni di temperatura avvengono in tempi abbastanza lunghi [4]. La temperatura media delle acque superficiali è di 15 C, mentre quella delle acque più profonde è di 3.5 C: questo perché le acque superficiali vengono colpite direttamente dai raggi solari - e quindi riscaldate - mentre sul fondo si accumulano le acque fredde, più dense. Le acque abissali oceaniche a tutte le latitudini hanno temperature prossime allo zero, ma non congelano a causa dell elevata pressione a cui sono sottoposte. 7

16 8 Il mare La temperatura superficiale varia con la latitudine e, alle medie latitudini, anche con le stagioni: la temperatura ai poli può arrivare anche a 2 C, temperatura alla quale l acqua salata congela. Alle basse latitudini, invece, la temperatura superficiale dell acqua è anche superiore ai 20 C, fino a una profondità di circa 500 m, oltre la quale si trovano le acque fredde. Lo strato di transizione tra due fronti d acqua a temperatura diversa viene detto 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. Nello strato di termoclino, la temperatura diminuisce bruscamente e, sotto di esso, la temperatura rimane costantemente bassa [1].

17 2.1 Caratter istiche delle acque mar ine 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 sale per 1 Kg di acqua, mentre in mari chiusi o semichiusi è superiore in quanto l evaporazione è maggiore dell apporto di acqua dolce. In zone in cui è molto elevato il tasso di rovesci, la salinità è minore, mentre nei mari in cui le masse d acqua gelano durante l inverno, la solidificazione esclude parzialmente i sali. La salinità varia, oltre che con la profondità, anche con la distanza da fonti di acqua dolce e lo strato di transizione è detto aloclino (Figura 6) [1].

18 10 Il mare Densità A differenza dell acqua pura, la cui densità è ρ = 1 g/cm 3, la densità dell acqua di mare è ρ = g/cm 3. Questo valore però è variabile, in quanto dipende dalla 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 della salinità, varia in funzione della profondità: all aumentare della profondità aumenta la densità e la zona di transizione tra strati di acqua marina con diversa densità viene detta picnoclino (Figura 7) [2].

19 2.2 Circolazione ter moalina Circolazione ter moalina 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 attrazione gravitazionale che Terra, Luna e Sole esercitano tra loro differenza di densità La causa principale della circolazione è la differenza di densità tra due masse d acqua; questa differenza fa sì che le masse d acqua si muovano l una verso l altra fino a distribuirsi su tutta la superficie terrestre ed è dovuta alla temperatura e alla salinità, quantità che dipendono - rispettivamente - da latitudine ed evaporazione, o apporto, di acqua dolce da parte dei fiumi e delle piogge: un aumento della salinità provoca un aumento della densità dell acqua. A differenza dei venti, che interessano solo la circolazione superficiale del mare, la circolazione termoalina interessa anche le acque in profondità e consiste in [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 Atlantico e nell Oceano Antartico (Figura 8). Nel Nord dell Oceano Atlantico, le acque superficiali vengono raffreddate dai venti; ciò provoca un aumento della salinità con conseguente aumento della densità delle acque, che, quindi, sprofondano.

20 12 Il mare Queste acque sono dette North Atlantic Deep Water (NADW) e si muovono in direzione Sud. Nell Oceano Antartico, invece, i venti catabatici, che soffiano dal continente sui ghiacciai, danno origine alle cosiddette Polynyas, ovvero distese di acqua circondate da ghiacciai. La temperatura dell oceano, pertanto, subisce un brusco calo, con conseguente aumento della densità. Queste acque profonde si muovono in direzione Nord ed Est e sono dette Anctarctic Bottom Water (ABW). Qui il flusso di acque atlantiche, una volta giunto nell Oceano Antartico si divide in due: una parte si muove verso l Oceano Indiano, l altra verso l Oceano Pacifico: nell Oceano Indiano si ha una risalita verticale delle acque (overturning), causata dalla differenza di salinità e temperatura delle acque, mentre nel Pacifico il 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 due sotto-bacini: Orientale (Mar Adriatico, Mar Ionio, Mar Egeo, Mar Libico e Mar di 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 (Figura 9) e viene suddivisa in due blocchi: globale e locale [19].

21 2.3 Il Mar Mediterraneo Circolazione globale L afflusso di acqua nel Mediterraneo proviene dall Atlantico, attraverso lo Stretto di Gibilterra e, tramite il Canale di Sicilia, giunge nella zona orientale. Le principali acque di fondo del Mediterraneo si formano nel Golfo del Leone e nel Sud Adriatico e prendono, rispettivamente, il nome di Western Mediterranean Deep Water (WMDW) e Eastern Mediterranean Deep Water (EMDW). Altre fonti di acque profonde si trovano nel Nord-Est del Levante (Levantine Deep Water, LDW), e nel Nord del Levante. Queste ultime prendono il nome di Levantine Intermediate Water (LIW) e la loro circolazione è la principale responsabile dell efflusso di acqua nell Oceano Atlantico. Altre due masse d acqua importanti hanno origine nel Mar Egeo e prendono il nome di Cretan Intermediate Water (CIW) e Cretan Deep Water (CDW). Il più importante cambiamento riguardante la circolazione termoalina e le proprietà dell acqua nel Mediterraneo è avvenuto dopo il 1987, quando il Mar Egeo ha iniziato a fornire gradualmente acqua più calda, più densa e più salata rispetto a quella precedentemente fornita dal Mar Adriatico (EMDW). Dopo il 1990 anche le CIW hanno subìto delle modifiche, diventando più calde e più salate, alterando i processi di trasporto di acqua in profondità del bacino e nella superficie. Questo fenomeno prende il nome di Eastern Mediterranean Transient (EMT) e sono 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 e il brusco calo delle temperature nel 1992 e nel 1993, hanno portato alla formazione di dense masse d acqua. L aumento della salinità è dovuto a un lungo periodo di ridotta precipitazione, probabilmente a seguito di modifiche di eventi atmosferici (ad esempio l oscillazione nord atlantica); il calo di temperatura delle acque, invece, è dovuto ai freddi inverni del 1992 e del 1993 [19] Circolazione locale Nel Mediterraneo occidentale, le acque superficiali del Mare di Alboràn hanno un andamento anticiclonico nella parte più vicina allo Stretto di Gibilterra e variabile nella parte più orientale. Le acque atlantiche (Modified Atlantic Water, MAW) possono portare alla formazione di vortici lungo le coste: quelli di carattere ciclonico hanno breve durata

22 14 Il mare e sono caratteristici delle acque superficiali; quelli anticiclonici possono durare anche settimane o mesi. Nel Canale di Sicilia, le acque provenienti dall Atlantico, che si muovono lungo le coste orientali e occidentali della Corsica, danno origine alla corrente liguroprovenza-catalana, mentre nel Mare delle Baleari si hanno intense attività vorticose, 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 Mediterraneo attraverso 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 in breve tempo e sono più facili da analizzare. Le analisi della topografia e della temperatura della superficie marina, eseguite dal 1993 al 2001, hanno messo in evidenza dei cambiamenti della struttura superficiale del mare, che si pensa siano correlati con il rilassamento dell Eastern Mediterranean Transient (EMT), che causa una inversione della circolazione superficiale della corrente marina da ciclonica ad anticiclonica. Durante questo fenomeno, l acqua presente nel mar Ionio si sposta verso il mar Egeo, producendo delle modifiche anche negli strati profondi e intermedi. Analizzando i dati topografici e della temperatura superficiale del mare, è stato riscontrato un netto abbassamento della struttura topografica del bacino ionico (con cambio di verso della circolazione superficiale) e un innalzamento nel mar di Levante. L analisi dei dati, fatta separatamente per i due bacini, Mar Ionio e Mar Egeo, in due diversi periodi ( e ), ha messo in evidenza una diminuzione della temperatura superficiale delle acque nella prima fase, durante la quale lo Ionio è caratterizzato da una circolazione anticiclonica. Durante la seconda fase, vengono rilevati un innalzamento della temperatura e un abbassamento topografico nella zona Sud-Est di Creta, insieme a un abbassamento 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 (upwelling) del mar Egeo (Cretan Sea Outflow Water - CSOW e Cretan Sea Intermediate Water - CSIW). La differenza più evidente tra i due periodi è proprio la struttura superficiale e topografica del Mar Ionio: durante il primo periodo viene registrato un innalzamento topografico e durante il secondo un abbassamento. Questa caratteristica suggerisce un inversione della circolazione superficiale dello Ionio, da anticiclonica a ciclonica, che avviene quando la circolazione del

23 2.4 Mar Ionio 15 Mediterraneo Est si rilassa dalla fase transiente (ovvero quando avviene un rilassamento dell Eastern Mediterranean Transient). Analizzando i dati, si è giunti alla seguente spiegazione: prima del 1997 la CSOW occupa principalmente la zona Est e Nord-Est del Mar Ionio e la sua concentrazione diminuisce muovendosi verso Ovest; ciò causa un gradiente di bassa pressione diretto verso il centro del bacino che, quindi, si trova ad avere una circolazione ciclonica nello strato più basso e una anticiclonica in quello più alto. Dopo il 1997 la CSOW raggiunge la zona Nord-Est dello Ionio e si mescola con la CSIW nella zona centrale del bacino: le acque dell Adriatico, avendo densità minore di quella abissali, creano un gradiente di pressione dal centro del bacino verso la costa che porterà a una circolazione anticiclonica nello strato più basso e ciclonica in quello più alto [17].

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25 A N A L I S I D E L L E S E R I E S T O R I C H E 3 Nella Figura 10 viene mostrato l andamento mensile delle serie storiche relative all 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 da Gennaio del 1958, in quanto i valori dei raggi cosmici sono disponibili a partire da tale data. Poichè i neutroni sono strettamente correlati al flusso di raggi cosmici, per misurare quest ultimo si utilizzano i monitor neutronici, strumenti che misurano le componenti secondarie dei raggi cosmici che attraversano l atmosfera. I dati sono stati presi dal sito del Moscow Neutron Monitor, [8] e l andamento è mostrato in Figura

26 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 di raggi cosmici che giunge sulla Terra è minimo e, viceversa, quando l attività è minima, il numero di raggi cosmici è massimo. Il motivo di questa anticorrelazione è dovuto al fatto che il campo magnetico solare risulta più intenso durante un massimo solare, facendo quindi deviare il flusso fuori dal Sistema Solare. Nella Figura 12 viene invece mostrata la stessa serie storica ma con flusso di raggi cosmici invertito. Il numero di raggi cosmici invertito si è ottenuto tramite la formula dove CRs inv = 68 + (88.61 CRs) è il valor medio del numero di macchie solari è la media del flusso di raggi cosmici. CRs è il flusso di raggi cosmici è lo scarto quadratico medio del numero di macchie solari. 496 è lo scarto quadratico medio del flusso di raggi cosmici.

27 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 tracciare i grafici, Gretl, le cui caratteristiche sono descritte nell appendice. Osservando i grafici, si nota che nei cicli dispari la variazione del flusso di raggi cosmici ha un ritardo rispetto al numero di macchie solari. Si pensa che il motivo di questo ritardo sia dovuto all interazione tra il campo magnetico eliosferico e quello galattico, oppure a una modulazione particolare, che fa percorrere ai raggi cosmici una distanza maggiore prima di giungere sulla superficie della Terra Ciò è confermato dalle figure 13 e 14, in cui viene mostrato l andamento del numero di raggi cosmici rilevati sulla Terra in funzione del numero di macchie solari; andamento che ricorda molto quello chiuso di un ciclo di isteresi, in cui si nota che l ampiezza dei cicli pari è più stretta rispetto a quelli dispari.

28 20 Analisi delle serie storiche Figura 13: Flusso di raggi cosmici in funzione del numero di macchie solari per i cicli pari Figura 14: Flusso di raggi cosmici in funzione del numero di macchie solari per i cicli dipari

29 Analisi delle serie storiche 21 La Figura 15 mostra l andamento mensile delle serie storiche relative alla temperatura media globale (espressa in centesimi di C) a partire dal 1880 fino al 2015 (fonte: NASA, [9]), in cui si nota un particolare incremento nel tempo più recente, fenomeno denominato global warming, riscaldamento globale, associato ai cambiamenti climatici in atto. Figura 15: Serie storica della temperatura media globale La figura 16 mostra l andamento della temperatura modulata e del flusso invertito di raggi cosmici nel tempo. Per modulare la temperatura si è utilizzata la seguente formula dove T mod = (T m Tm 1) T m è la temperatura di un mese. T m 1 è la temperatura del mese precedente. 10 e 56 sono dei fattori di scala scelti in modo tale da mantenere l andamento della temperatura orizzontale e poter così confrontare i dati. Un andamento simile è mostrato nella Figura 17, in cui la temperatura media globale è mostrata insieme al numero di macchie solari.

30 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

31 Analisi delle serie storiche 23 Questi due grafici mostrano che, nonostante le varie ipotesi fatte, non c è grande evidenza di correlazione tra i fenomeni solari e tali parametri climatici sulla Terra. 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 indice 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 Pacifico nel mese di dicembre, durante il quale si ha un incremento della temperatura marina. 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 oscillazione nord-atlantica e del flusso di raggi cosmici. In questi ultimi due grafici si vede che la periodicità dell ENSO e del NAO non è undecennale, a conferma del fatto che non è facile evidenziare una correlazione tra i fenomeni solari e il clima sulla Terra.

32 24 Analisi delle serie storiche Figura 19: Serie storica dell oscillazione nord-atlantica e del flusso invertito di raggi cosmici Considerando, infine,i dati riguardanti il Mar Ionio, la Figura 20 mostra l indice mensile dell anomalia del livello marino, caratterizzante la vorticità dello Ionio, a partire dal 1993 fino al Quando l anomalia è negativa, la vorticità è positiva (rotazione in senso antiorario) e la circolazione è ciclonica; viceversa, quando l anomalia è positiva, la circolazione è anticiclonica. L andamento dell anomalia e del flusso di raggi cosmici, entrambi invertiti per il confronto con l andamento dell attività solare, è mostrato nella Figura 21, in cui si nota che l anomalia ha variazioni a volte in anticipo rispetto al flusso di raggi solari. Questo fatto tende a escludere una possibile relazione di causa-effetto.

33 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 posto del flusso di raggi cosmici. In entrambe le figure mostrate, si nota che i fenomeni solari, quindi flusso di raggi cosmici e numero di macchie solari, non sono la causa del cambio di circolazione superficiale del Mar Ionio, a meno di ipotizzare un ritardo dell ordine di

34 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 attribuita 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.

35 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 attività solare, si è utilizzato il correlogramma incrociato su Gretl. Nella Figura 24 viene mostrato il ritardo del flusso di raggi cosmici rispetto al numero di macchie solari: tale ritardo è di circa 7 mesi. Nella Figura 25, invece, viene mostrato l anticipo dell anomalia del livello del mare rispetto al flusso di raggi cosmici, che è di circa 8 mesi.

36 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 (Figura 28), del MEI Index (Figura 29) e dell oscillazione nord-atlantica (Figura 30).

37 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 minima frequenza. Scelto un valore minimo di 2 e uno massimo di 8, valori utilizzati per tutti e cinque i periodogrammi rappresentati, il picco della densità spettrale relativo al numero di macchie solari è , che corrisponde a un periodo di mesi. Dividendo questo valore per il numero di mesi presenti in un anno, si ottiene come risultato 10.9 anni, che è circa la durata di un ciclo solare. Nei raggi cosmici, il picco della densità spettrale è , a cui corrisponde un periodo di , ossia 10, 9 anni. Anche questo in accordo con quanto noto. Il picco di densità dell anomalia del livello marino ha un valore di , a cui corrisponde un periodo di 54.5 mesi, cioè 4 anni e mezzo. Per il MEI index, il picco è pari a , a cui corrisponde un periodo di mesi, cioè 2 anni e mezzo. Infine, per quanto riguarda l oscillazione nord-atlantica, il picco di densità è , a cui corrisponde a un periodo di 32.9 mesi, ossia 2.7 anni.

38 30 Analisi delle serie storiche Figura 27: Periodogramma del flusso di raggi cosmici Figura 28: Periodogramma della vorticità

39 Analisi delle serie storiche 31 Figura 29: Periodogramma del MEI Index Figura 30: Periodogramma dell oscillazione nord-atlantica

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41 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 scoperta enrico fermi Il presente lavoro di tesi è nato con l obiettivo di confrontare tra loro i dati solari, in particolar modo il flusso di raggi cosmici atmosferici e l anomalia del livello marino del Mar Ionio. Il flusso dei raggi cosmici risulta anticorrelato con l attività solare, in quanto il campo magnetico solare ed eliosferico, fino ai confini del sistema solare, è più intenso durante un periodo di massimo e quindi fa deviare i raggi cosmici al di fuori del sistema solare. Inoltre, è stato notato che il flusso di raggi cosmici dei cicli dispari è sfasato rispetto al numero di macchie solari. Il motivo di questo sfasamento si pensa che sia dovuto all interazione tra il campo magnetico eliosferico e quello galattico, o a una modulazione particolare, che induce i raggi cosmici di segno della carica determinato, predominantemente positivo, a percorrere distanze più o meno lunghe prima di giungere sulla Terra. Non è stata, inoltre, osservata chiaramente una possibile correlazione tra i fenomeni solari e il clima sulla Terra, in quanto la temperatura media globale mostra una maggiore frequenza di variabilità e quindi un periodo decisamente minore rispetto a quello undecennale dei raggi cosmici. Ulteriore conferma di ciò si è avuta confrontando tra loro le serie storiche del MEI index e del flusso di raggi cosmici e quelle dell oscillazione nord-atlantica e del flusso dei raggi cosmici: nessuno dei due fenomeni (MEI index e oscillazione nord-atlantica) ha un periodo undecennale. L analisi delle serie storiche riguardanti l anomalia del livello del Mar Ionio ha mostrato che quest ultimo ha un andamento in fase sia col flusso di raggi cosmici che con il numero di macchie solari, ma è in anticipo rispetto ad entrambi. Questo tende ad escludere un rapporto causa-effetto tra i fenomeni solari e il cambio di circolazione. Se, dunque, il cambiamento di verso della circolazione non è riconducibile alle variazioni del flusso di raggi cosmici, nè all attività solare, a che cosa potrebbe essere dovuto? Ciò apre la porta a ulteriori studi e approfondimenti che saranno ottenibili quando il fenomeno sarà seguito su un maggior numero di anni. 33

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43 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 Panel Tra le caratteristiche di questo programma, vi è la possibilità di filtrare le serie. Tutti i dati numerici rappresentati graficamente sono stati filtrati tramite il comando media mobile semplice, utilizzando 12 osservazioni per la media e centrandola 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 dati richiede 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. 35

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45 B I B L I O G R A F I A [1] [2] [3] sunmagneticfield.jpg. [4] ecobase/modulo%20acque.htm. [5] [6] [7] [8] [9] [10] shtml. [11] [12] [13] [14] la-formazione-delle-macchie-solari/,. [15] hhttp:// [16] [17] Gian Luca Eusebi Borzelli, Miroslav Gačić, Vanessa Cardin, and Giuseppe Civitarese. Eastern mediterranean transient and reversal of the ionian sea circulation. Geophysical Research Letters, 36(15), [18] Marius Potgieter. Solar modulation of cosmic rays. arxiv preprint arxiv: , [19] Allan R Robinson, Wayne G Leslie, A Theocharis, and A Lascaratos. Mediterranean sea circulation. Ocean Currents: A Derivative of the Encyclopedia of Ocean Sciences, pages , [20] Terence Sloan and AW Wolfendale. Cosmic rays, solar activity and the climate. Environmental Research Letters, 8(4):045022,

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47 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 questi anni. Il primo grazie va al mio relatore, il Prof. Gianrossano Giannini, per l aiuto, la disponibilità e l incoraggiamento datomi nella scrittura della tesi. Ringrazio il Prof. Renzo Mosetti per aver letto la mia tesi e il Dott. Miroslav Gacic per 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 avermi scosso quando ne avevo bisogno. Grazie a mia sorella Alice per essere stata sempre presente, sin da quando eravamo bambini, ogni volta che avevo bisogno di sfogarmi o parlare, per l affetto e la fiducia nei miei 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 Francesca, con i quali ho passato momenti belli e brutti e ringrazio Elisabetta per i consigli e l assistenza fornitami nell ultimo mese. Un super grazie ai mitici Alpha Dogs e, infine, grazie ai Lacuna Coil che, con la loro musica, mi hanno accompagnato durante la scrittura della tesi. Trieste, 18/09/2015