Dipartimento di Fisica - Tesi di Dottorato

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A Lévy Walk approach to the propagation of solar energetic particles
(2013-11-26) Trotta, Enrico Maria; Bertolini, Roberto; Zimbardo, Gaetano
This thesis is dedicated to the problem of energetic particle propagation in the solar wind, with special emphasis on the propagation of solar energetic particles (SEPs). Those particles are accelerated either in the low corona by flares, usually giving rise to so-called impulsive SEP events, or in the higher corona by the shock driven by coronal mass ejections, giving rise to the so-called gradual SEP events. In either case, energetic particles propagate in the solar wind along the spiral magnetic field, and then reach the Earth’s environment, where they can intensify the auroral emission and downgrade or even damage spacecraft operations. Indeed, SEPs represent one of the major hazards of the research programme known as space weather, which aims at reducing the risks associated with the solar and space activities. The fluxes of energetic particles measured in the Earth’s environment depend both on the source strength and on the propagation properties. Traditionally, two limiting transport regimes are considered, that is, di usive transport and scatter-free, i.e., ballistic, transport. However, in the last two decades, anomalous transport regimes in which the mean square displacement grows nonlinearly with time have become more and more common. An anomalous transport regime, either subdi usive or superdi usive, would influence in a fundamental way the flux of solar energetic particles reaching the Earth. To study this problem we have developed two approaches, one based on the analysis of SEP fluxes measured by spacecraft in the solar wind, and the other on the numerical simulation of SEPs in the case of superdi usive transport. In the first approach, we considered SEPs measurements by ACE, Wind and other spacecraft for the case o mpulsive SEP events, and compared the time profile of the energetic particles with that corresponding to the di erent forms which the propagator assumes in the case of superdi usive transport. The comparison gives direct information on the transport regime, showing that electrons propagate in a superdi usive way with anomalous di usion exponent alpha running from 1.2 to 1.75. For protons, quasi-ballistic transport regimes are also found. In the second approach, the statistical mechanism giving rise to superdi usion, namely the Lévy random walk, is investigated numerically. We developed a new numerical code which simulates the Lévy walk while changing the parameters which determine the pace of transport, that is the exponent of the power law tails of the jump probability distribution. This code reproduces well the anomalous transport predictions for the mean square displacement and for the propagator of Lévy walks, while allowing a clear and simple identification of the parameters determining the transport regime. Therefore this code represents a powerful tool to compare the simulation results to spacecraft data. Comparison with the data has been considered both for impulsive and gradual SEP events. In this thesis, we show that the numerical code reproduces well the observations o mpulsive events for the various transport regimes. Additional work is required to apply the code to the propagation of gradual SEP events, as modeling of the shock source is required. While this will be implemented in the near future, the e ectivitiy of the numerical code will allow an important improvement in the understanding of SEP propagation and in the prediction of space weather perturbations
Air quality and pollutant modelling in the mediterranean regionDocumenti elettronici
(2013-11-11) Gengarelli, Christian Natale; Bertolini, Roberto; Pirrone, Nicola; Carbone, Vincenzo; Hedgecock, Michael
L'inquinamento atmosferico viene de nito come la presenza di sostanze che possono avere e etti dannosi sulla salute umana o sull'intero sistema ambientale (EC, 2008), causando e etti misurabili sugli animali, sulla vegetazione e sui diversi materiali. Queste sostanze, dette inquinanti, usualmente non sono presenti nella normale composizione atmosferica o lo sono ma a concentrazioni estremamente basse. Tra i pi u pericolosi inquinanti presenti in atmosfera c' e il mercurio (Hg), un inquinante globale sotto controllo soprattutto negli ultimi anni (UNEP, 2013b; Mason et al., 2012; Driscoll et al., 2013) in quanto provoca gravi e etti nocivi sulla salute umana. Elevate concentrazioni di mercurio negli ecosistemi sono causate dalle emissioni dirette, ma anche da reazioni chimiche che avvengono in atmosfera e dalle condizioni meteorologiche che, governate dalla sica dell'atmosfera, regolano la distribuzione, il trasporto e la deposizione del mercurio. Per individuare le cause delle elevate concentrazioni di inquinanti in atmosfera e necessaria un adeguata rete di monitoraggio, ma e molto complicato coprire vaste aree geogra che con stazioni di misura. Diviene dunque necessario ricorrere a modelli matematici che simulano le condizioni atmosferiche dal punto di vista sia meteorologico che chimico, in modo da ottenere i fattori sui quali e possibile intervenire per migliorare la qualit a dell'aria. Questo lavoro di tesi mostra lo sviluppo di un modello regionale online che simula il ciclo atmosferico del mercurio, in modo da valutare ed identi care le relazioni tra sorgenti e recettori a scala regionale e gli andamenti temporali degli scenari di emissione di mercurio attuali e futuri. Il risultato e una versione ampliata del modello numerico per la chimica ed il trasporto atmosferico WRF/Chem (modello Weather Research and Forecasting per la meteorologia integrato con la chimica atmosferica, Grell et al. (2005)), che pu o simulare il ciclo atmosferico del mercurio online. Questa versione del modello e in grado di riprodurre i campi di concentrazione ed i ussi di deposizione del mercurio a scala regionale, includendo le emissioni da sorgenti sia antropogeniche che naturali e simulando le interazioni e le reazioni chimiche che avvengono in atmosfera, nonch e i processi di deposizione. Per lo sviluppo di questo modello e stato necessario indagare i diversi aspetti della chimica del mercurio, analizzando ed implementando le interazioni con gli altri gas presenti in atmosfera, con la radiazione solare, con il vapore acqueo e con la pioggia; queste interazioni regolano i processi di ossidazione, riduzione e deposizione del mercurio. Inoltre sono stati implementati nel modello i processi di emissione da parte di sorgenti antropiche e naturali, parametrizzando le emissioni di mercurio dovute agli incendi boschivi e l'evasione di mercurio nell'interfaccia atmosfera - super ce del mare. Oltre alle deposizioni di mercurio da parte delle piogge (deposizione wet) sono stati implementati i meccanismi per deposizione al suolo dovuta alla forza gravitazionale ed ai moti atmosferici (deposizione dry). Il modello e in grado di riprodurre la variazione stagionale delle concentrazioni di mercurio, rappresentando adeguatamente anche gli andamenti di HgII e HgP nello strato atmosferico al limite con la super ce del Mar Mediterraneo (Mediterranean MBL). La medie annuali delle deposizioni di mercurio wet e dry modellate sono simili, ma con di erente distribuzione spaziale: la deposizione wet domina nelle zone umide mentre la deposizione dry e maggiore vicino alle sorgenti di emissione. Comparando le deposizioni con l'evasione di mercurio dalla super ce del mare risulta che il Mar Mediterraneo e una sorgente di mercurio per tutta l'area, con circa 70Mg di mercurio emessi in un anno. I risultati suggeriscono inoltre che nel MBL Mediterraneo il Bromo e un importante ossidante del mercurio. Il modello WRF/Chem e stato inizialmente usato per investigare la produzione fotochimica di un importante costituente atmosferico che in uenza il ciclo del mercurio nell'area del Mar Mediterraneo, l'ozono troposferico (O3). Oltre ad in uenzare il ciclo del mercurio, l'ozono e anche un pericoloso inquinante: elevate concentrazioni di ozono in prossimit a del suolo sono infatti dannose sia per la salute umana che per la produzione agricola. L'analisi modellistica dell'inquinamento da ozono troposferico mostra una forte in- uenza delle emissioni prodotte dalle navi che transitano nel Mar Mediterraneo, stimando il loro contributo in circa il 10{20% delle concentrazioni di ozono nelle aree continentali.

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