Analisi modellistica di un intenso ciclone di tipo tropicale nel Mediterraneo (7-8 novembre 2014): predicibilità, caratteristiche termodinamiche e confronto con osservazioni da satellite

Il lavoro di tesi riguarda lo studio dettagliato di un ciclone di tipo tropicale (tropical like cyclone, TLC) verificatosi nel Canale di Sicilia nel novembre 2014, realizzato attraverso un'analisi modellistica effettuata con i modelli BOLAM e MOLOCH (sviluppati presso il CNR-ISAC di Bologna) e il confronto con osservazioni. Nel primo capitolo è fornita una descrizione generale dei cicloni tropicali e dei TLC, indicando come la formazione di questi ultimi sia spesso il risultato dell'evoluzione di cicloni extratropicali baroclini nel Mediterraneo; sono identificate le aree geografiche con i periodi dell'anno maggiormente soggetti all'influenza di questi fenomeni, riportando un elenco dei principali TLC verificatisi nel Mediterraneo negli utlimi tre decenni e lo stato dell'arte sullo studio di questi eventi. Nel secondo capitolo sono descritte le modalità di implementazione delle simulazioni effettuate per il caso di studio e presentati i principali prodotti dell'analisi modellistica e osservazioni da satellite. Il terzo capitolo si apre con la descrizione della situazione sinottica e l'analisi osservativa con immagini Meteosat e rilevazioni radar che hanno permesso di ricostruire la traiettoria osservata del TLC. In seguito, viene dapprima fornito l'elenco completo delle simulazioni numeriche, quindi sono presentati alcuni dei più importanti risultati ottenuti, dai quali emerge che la previsione della traiettoria e intensità del TLC differisce notevolmente dalle osservazioni. Tenendo conto della bassa predicibilità che ha caratterizzato l'evento, nel quarto capitolo è descritto il metodo usato per ricostruire in maniera ottimale la traiettoria, utilizzando spezzoni da varie simulazioni, che ha permesso un confronto più realistico con i dati osservati e un'analisi dei processi fisici. Nel quinto capitolo sono riportati i principali risultati di alcuni test mirati a valutare l'impatto di aspetti legati all'implementazione delle simulazioni e ad altre forzanti fisiche.

Deterministic and probabilistic verification of multi-model meteorological forecasts on the subseasonal timescale

In questo studio, un multi-model ensemble è stato implementato e verificato, seguendo una delle priorità di ricerca del Subseasonal to Seasonal Prediction Project (S2S). Una regressione lineare è stata applicata ad un insieme di previsioni di ensemble su date passate, prodotte dai centri di previsione mensile del CNR-ISAC e ECMWF-IFS. Ognuna di queste contiene un membro di controllo e quattro elementi perturbati. Le variabili scelte per l'analisi sono l'altezza geopotenziale a 500 hPa, la temperatura a 850 hPa e la temperatura a 2 metri, la griglia spaziale ha risoluzione 1 ◦ × 1 ◦ lat-lon e sono stati utilizzati gli inverni dal 1990 al 2010. Le rianalisi di ERA-Interim sono utilizzate sia per realizzare la regressione, sia nella validazione dei risultati, mediante stimatori nonprobabilistici come lo scarto quadratico medio (RMSE) e la correlazione delle anomalie. Successivamente, tecniche di Model Output Statistics (MOS) e Direct Model Output (DMO) sono applicate al multi-model ensemble per ottenere previsioni probabilistiche per la media settimanale delle anomalie di temperatura a 2 metri. I metodi MOS utilizzati sono la regressione logistica e la regressione Gaussiana non-omogenea, mentre quelli DMO sono il democratic voting e il Tukey plotting position. Queste tecniche sono applicate anche ai singoli modelli in modo da effettuare confronti basati su stimatori probabilistici, come il ranked probability skill score, il discrete ranked probability skill score e il reliability diagram. Entrambe le tipologie di stimatori mostrano come il multi-model abbia migliori performance rispetto ai singoli modelli. Inoltre, i valori più alti di stimatori probabilistici sono ottenuti usando una regressione logistica sulla sola media di ensemble. Applicando la regressione a dataset di dimensione ridotta, abbiamo realizzato una curva di apprendimento che mostra come un aumento del numero di date nella fase di addestramento non produrrebbe ulteriori miglioramenti.

Learning and accepting quantum physics. Re-analysis of a teaching proposal

Nella tesi è analizzata nel dettaglio una proposta didattica sulla Fisica Quantistica elaborata dal gruppo di ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Bologna, in collaborazione con il gruppo di ricerca in Fisica Teorica e con ricercatori del CNR di Bologna. La proposta è stata sperimentata in diverse classi V di Liceo scientifico e dalle sperimentazioni sono emersi casi significativi di studenti che non sono riusciti ad accettare la teoria quantistica come descrizione convincente ad affidabile della realtà fisica (casi di non accettazione), nonostante sembrassero aver capito la maggior parte degli argomenti e essersi ‘appropriati’ del percorso per come gli era stato proposto. Da questa evidenza sono state formulate due domande di ricerca: (1) qual è la natura di questa non accettazione? Rispecchia una presa di posizione epistemologica o è espressione di una mancanza di comprensione profonda? (2) Nel secondo caso, è possibile individuare precisi meccanismi cognitivi che possono ostacolare o facilitare l’accettazione della fisica quantistica? L’analisi di interviste individuali degli studenti ha permesso di mettere in luce tre principali esigenze cognitive (cognitive needs) che sembrano essere coinvolte nell’accettazione e nell’apprendimento della fisica quantistica: le esigenze di visualizzabilità, comparabilità e di ‘realtà’. I ‘cognitive needs’ sono stati quindi utilizzati come strumenti di analisi delle diverse proposte didattiche in letteratura e del percorso di Bologna, al fine di metterne in luce le criticità. Sono state infine avanzate alcune proposte per un suo miglioramento.

Particelle di cellulosa come nuclei di ghiacciamento in nube

La formazione del ghiaccio nelle nubi avviene prevalentemente per nucleazione eterogenea, grazie alla presenza di nuclei di ghiacciamento (Ice Nucleating Particles, INP), ovvero particelle di aerosol (prevalentemente polveri minerali) in grado di favorire la solidificazione di una gocciolina o il passaggio diretto dalla fase vapore alla fase ghiaccio. Recentemente, l'interesse si è esteso anche all'aerosol di tipo biologico (funghi, spore, etc.), in grado di agire come INP a temperature più elevate rispetto all'aerosol minerale. Il lavoro sperimentale di questa tesi, svolto presso il laboratorio del gruppo Nubi e Precipitazioni dell’ISAC-CNR di Bologna, ha avuto come obiettivo lo studio della capacità della cellulosa di agire come INP. Esso si inserisce in un’attività di ricerca internazionale dedicata allo studio degli INP (progetto Ice NUclei research unIT, INUIT, Germania). Il lavoro sperimentale ha riguardato la messa a punto di due diversi sistemi di generazione dell'aerosol di cellulosa, la caratterizzazione dimensionale delle particelle, la loro osservazione al microscopio elettronico e la preparazione dei filtri per le misure di INP. I risultati ottenuti hanno evidenziato che le proprietà nucleanti della cellulosa sono inferiori rispetto alle polveri minerali ma paragonabili ad altri materiali, come la cenere vulcania e l'aerosol marino. Quindi, in aree ricche di vegetazione o dove le polveri minerali non sono abbondanti, la cellulosa potrebbe costituire un importante materiale per la formazione del ghiaccio nelle nubi miste. Misure preliminari hanno evidenziato come le particelle di cellulosa con dimensioni inferiori a 0,5μm risultano meno attive nella nucleazione del ghiaccio rispetto a quelle di dimensioni maggiori. I risultati ottenuti sono stati presentati al Congresso PM2016 (Roma, 17-19 maggio 2016) e saranno presentati in un poster alla prossima European Aerosol Conference (Tours, Francia, 4-6 settembre 2016).

Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Sviluppo e caratterizzazione di scaffolds polimerici a base di gelatina e nanocellulosa per la rigenerazione dei tessuti

L’ingegneria tissutale rappresenta oggi una delle tematiche più importanti di ricerca in ambito medico-ingegneristico. Questa disciplina si pone come obiettivo di far fronte alla mancanza, sostituzione o riparazione di tessuto attraverso lo sviluppo di scaffolds opportunamente ottimizzati. I polimeri naturali rappresentano una classe di materiali particolarmente indicata per soddisfare i requisiti richiesti soprattutto per la biocompatibilità che spesso li caratterizza. La gelatina è uno dei materiali che si presta alla realizzazione di scaffolds innovativi ad altissima biocompatibilità nonostante le scarse proprietà meccaniche e la facilità di degradazione. Proprio per questo è possibile migliorarne le prestazioni attraverso l’ottimizzazione di processi di blending con altri polimeri, in questo caso le nanofibre di cellulosa e l’impiego di agenti reticolanti. Lo scopo di questo lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR) di Faenza, è la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di scaffolds polimerici porosi a base di gelatina e nanocellulosa opportunamente reticolati per un ampio range di applicazioni nell’ambito dell’ingegneria tissutale. A questo scopo, sono stati sviluppati cinque dispositivi 3D porosi, ottenuti tramite liofilizzazione, che differiscono per il tipo di processo reticolante applicato. Il progetto ha previsto una prima fase di ricerca bibliografica che ha permesso di conoscere lo stato dell’arte sull’argomento trattato. Si è potuto così procedere alla realizzazione degli scaffolds e a una prima caratterizzazione di carattere chimico-fisico e morfologico. A questo punto, sulla base dei dati ottenuti, sono stati scelti i campioni su cui effettuare ulteriori caratterizzazioni meccaniche. In ultimo, sono stati analizzati e rielaborati tutti i risultati.