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Referente

  • Angelo De Santis
    UF Ricerche InterDisciplinari GEo-marine
  • B. Duka (Università di Tirana)

Tematiche

Progetto E-MAG


Progetto Bilaterale Italia Albania "Modellazione del campo magnetico terrestre sulla base della teoria dei sistemi dinamici non lineari"
Inizio:
Maggio 2008
Fine:
Dicembre 2010

Il campo geomagnetico è un’importante proprietà del nostro pianeta. Al momento, la sua evoluzione appare caotica e sembra propensa ad una possibile inversione di polarità (De Santis et al., 2004; De Santis, 2007). Questo tipo di processo risulta uno dei più intriganti in Natura: dalla sua conoscenza è possibile comprendere molti aspetti delle basi di elettromagnetismo e di fisica teorica. Le attuali tecnologie di comunicazione e misurazione permettono un’ampia e rapida diffusione dei dati geofisici; ad esempio Internet permette di raccogliere ogni tipo di dato geomagnetico registrato presso Osservatori sparsi per tutto il pianeta. Tra questi Osservatori geomagnetici ce ne sono molti in grado di fornire lunghe serie temporali di dati di campo magnetico con campionamenti che arrivano fino al minuto, permettendo uno studio di dettaglio dei cambiamenti passati del campo geomagnetico, addirittura fino a quelli avvenuti più di un secolo fa. Questi dati possono essere usati per studiare il comportamento nonlineare del campo geomagnetico e della sua variazione secolare, tema che negli ultimi anni è diventato di particolare interesse. Infatti, molti articoli scientifici hanno proposto studi, condotti da diversi punti di vista, sulla possibile modellazione delle variazioni temporali nonlineari del campo geomagnetico. Ad esempio, il team italiano ha pubblicato alcuni articoli sulla possibile caoticità del campo geomagnetico utilizzando la tecnica della ricostruzione dello spazio delle fasi col metodo dei ritardi successivi (Barraclough & De Santis, 1997; De Santis et al. 2002, De Santis et al., 2004) e applicando la Teoria dell’Informazione per verificare la possibilità di un’imminente inversione del campo magnetico terrestre. Questi articoli costituiscono il punto di partenza di un nuovo lavoro che Duka (team albanese) ha cominciato a sviluppare. Considerando valida l’ipotesi della natura nonlineare del campo geomagnetico l’idea di Duka è di andare oltre individuando le equazioni differenziali del sistema dinamico in grado di rappresentare, e quindi modellare, il campo e la sua variazione secolare osservata presso alcuni osservatori. Uno degli obiettivi è quello di prevedere il comportamento del campo geomagnetico e ricostruire mappe magnetiche aggiornate del territorio italiano e di quello albanese. Un altro aspetto del lavoro sarà volto a comprendere se il campo magnetico attuale sta andando verso una possibile inversione di polarità magnetica. A questo proposito, sono stati già individuati alcuni indizi (De Santis, 2007): a partire da un modello magnetico storico basato su dati dal 1600 ad oggi sono stati analizzati gli ultimi 400 anni di campo geomagnetico rilevando alcuni aspetti interessanti.

Obiettivi

Il gruppo italiano, in particolare De Santis, ha una lunga esperienza nella modellazione del campo geomagnetico, specialmente con analisi armonica su calotta sferica e con tecniche come la ricostruzione dello spazio delle fasi col metodo dei ritardi successivi e l’analisi del Contenuto di Informazione, sulle quali ha pubblicato alcuni articoli scientifici su riviste internazionali.
Il gruppo albanese, in particolare Duka, è di riferimento nella modellazione regionale e globale del campo geomagnetico e ha intrapreso uno studio sulle caratteristiche nonlineari del campo. Questo lavoro non è ancora stato pubblicato, ma l’idea base ed i primi risultati sono stati presentati presso l’INGV nel corso di un seminario. Altri risultati preliminari sono stati presentati già in occasione di congressi internazionali, e pubblicati in uno o più articoli su riviste internazionali. La diversità e la complementarità delle competenze di ciascun gruppo evidenzia la necessità di condividere in maniera bilaterale i rispettivi know-how. Una volta creato un database temporalmente ampio delle misure geomagnetiche da diversi Osservatori internazionali, sarà cercato il sistema di equazioni differenziali che meglio rappresenta i dati osservati. Per i diversi Osservatori sarà utilizzato lo stesso insieme d’equazioni, variando di volta in volta ed in modo appropriato i coefficienti del modello. Trovato un modello valido, funzione del tempo, sarà possibile usarlo per prevedere il comportamento del campo geomagnetico a breve termine e costruire le opportune carte magnetiche delle varie componenti aggiornate all’epoca più recente. A questo si aggiunge l’individuazione di tutti quei caratteri del campo magnetico che possano essere indizi di una possibile inversione del campo negli anni a venire. Il raggiungimento di questi due obiettivi avrebbe risvolti positivi nell’ambito di alcune grandi tematiche come quella dei cambiamenti climatici globali e in settori quali l’aeronautica, la navigazione e tutte quelle attività umane legate al campo geomagnetico.

Metodologia

  1. Raccolta dei dati attraverso database accessibili on-line. I dati prelevati verranno ricondotti a dati con campionamento desiderato.
  2. Individuazione del migliore sistema di equazioni per descrivere la variazione secolare del campo geomagnetico, la cui validità sarà misurata tramite le deviazioni (in termini di errore quadratico medio) tra modello e dati.
  3. Il migliore sistema di equazioni sarà integrato con il metodo Runge-Kutta.
  4. Analisi del contenuto di Informazione di Shannon per verificare i trend a lungo termine del campo magnetico per una migliore sua previsione. Le precedenti operazioni verranno effettuate tramite appositi programmi FORTRAN. I due gruppi si manterranno in contatto sfruttando le visite per discutere i punti più cruciali della ricerca e i risultati.

Attività del gruppo italiano:

  1. Selezione di lunghe serie temporali di medie annuali da Osservatorio (Gen - Feb 2008);
  2. Collezione di dati da internet (Mar - Mag 2008);
  3. Procedura ‘Guess and try’ su un campione di Osservatori selezionati (Giu – Ago 2008);
  4. Prima (lunga) visita in Albania (Set 2008);
  5. Definizione del migliore set di equazioni dinamiche per gli Osservatori selezionati (Nov 2008 - Gen 2009);
  6. Prove per trovare le migliori funzioni e coefficienti del modello (Feb - Mar 2009);
  7. Integrazione delle equazioni (Apr 2009);
  8. Seconda (breve) visita in Albania e applicazione della Teoria dell’Informazione (Mag 2009);
  9. Confronto tra le diverse tecniche e rifinitura dell’analisi e interpretazione (Giu 2009 - Apr 2010);
  10. Terza (breve) visita in Albania (Mag 2010);
  11. Previsioni del campo fino all’epoca 2012 e preparazione dell’articolo comune per la pubblicazione (Giu – Set 2010);
  12. Conclusione e stesura rapporto finale progetto (Ott - Dic 2010)

Attività del gruppo albanese:

  1. Collezione di dati da internet (Mar - Giu 2008);
  2. Prove per trovare le migliori funzioni della variazione secolare su tutti gli osservatori disponibili (Lug – Ott 2008);
  3. Prima (breve) visita in Italia (Nov 2008);
  4. Definizione del miglior set di equazioni dinamiche per gli Osservatori selezionati (Dic 2008 - Gen 2009);
  5. Prove per determinare i migliori coefficienti del modello (Feb - Mar 2009);
  6. Integrazione del sistema di equazioni (Apr 2009);
  7. Confronto tra le diverse tecniche e rifinitura modelli (May 2009 - Ago 2009);
  8. Applicazione delle tecniche della Teoria dell’Informazione di Shannon (Sett 2009);
  9. Seconda (breve) visita in Italia (Ott 2009);
  10. Preparazione dell’articolo per la pubblicazione (Dic 2009 – Ago 2010);
  11. Terza (lunga) visita in Italia (Set 2010);
  12. Conclusione e stesura del rapporto finale progetto (Ott - Dic 2010).

Risultati attesi

  • Raccolta dati magnetici osservatori europei.
  • Raccolta dati magnetici altri osservatori con lunga serie temporale.
  • Modelli semplici di campo magnetico terrestre globale e locale.
  • Serie temporali sintetiche di simulazione del campo magnetico terrestre.
  • Modelli analitici nazionali (Italia, Albania) del campo magnetico terrestre recente sulla base dei dati sperimentali.
  • Determinazione delle funzioni analitiche approssimanti l’andamento del campo magnetico presso osservatori europei.
  • Determinazioni delle funzioni analitiche per altri osservatori.
  • Modelli di previsione del campo magnetico terrestre a breve termine e relative mappe magnetiche.
  • Confronto con altri modelli globali (tipo IGRF o CM) e/o regionali.
  • Aggiornamento declinazione magnetica in Italia e Albania e sua possibile previsione a breve termine.
  • Tesi di dottorato di ricerca con formazione di un ricercatore albanese (Qamili) presso la struttura italiana (INGV) nella tematica del geomagnetismo e la conduzione di un osservatorio magnetico. Per quest’ultimo punto è stata richiesta anche una tesi sperimentale congiunta (STAT-MAG).
  • Pubblicazione nazionale o internazionale dei risultati.

 


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