Analisi spazio-temporale degli effetti di stress di origine antropica sull’ecosistema intertidale di spiagge sabbiose nell’alto Adriatico

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto Europeo Theseus (Innovative technologies for European coasts in a changing climate), volto a fornire una metodologia integrata per la pianificazione sostenibile di strategie di difesa per la gestione dell’erosione costiera e delle inondazioni che tengano in conto non solo gli aspetti tecnici ma anche quelli sociali, economici e ambientali/ecologici. L'area oggetto di studio di questo elaborato di tesi è la zona costiera della Regione Emilia Romagna, costituita unicamente da spiagge sabbiose. In particolare si è focalizzata l’attenzione sulla zona intertidale, in quanto, essendo l’ambiente di transizione tra l’ambiente marino e quello terrestre può fornire indicazioni su fenomeni erosivi di una spiaggia e cambiamenti del livello del mare, unitamente alla risposta agli interventi antropici. Gli obiettivi della tesi sono sostanzialmente tre: un primo obiettivo è confrontare ecosistemi di spiagge dove sono presenti strutture di difesa costiera rispetto a spiagge che ne erano invece prive. Il secondo obiettivo è valutare l’impatto provocato sugli ecosistemi di spiaggia dall’attività stagionale del “bulldozing” e in ultimo proporre un sistema esperto di nuova concezione in grado di prevedere statisticamente la risposta delle comunità bentoniche a diversi tipi di interventi antropici. A tal fine è stato pianificato un disegno di campionamento dove sono stati indagati tre siti differenti per morfologia e impatto antropico: Cesenatico (barriere e pratica bulldozing), Cervia, dissipativa e non soggetta a erosione (assenza di barriere e ma con pratica del bulldozing) e Lido di Dante, tendenzialmente soggetta a erosione (senza barriere e senza pratica del bulldozing). Il campionamento è stato effettuato in 4 tempi (due prima del “bulldozing” e due dopo) nell’arco di 2 anni. In ciascun sito e tempo sono stati campionati 3 transetti perpendicolari alla linea di costa, e per ogni transetto sono stati individuati tre punti relativi ad alta, media e bassa marea. Per ogni variabile considerata sono stati prelevati totale di 216 campioni. Io personalmente ho analizzato i campioni dell’ultima campagna di campionamento, ma ho analizzato l’insieme dei dati. Sono state considerate variabili relative ai popolamenti macrobentonici quali dati di abbondanza, numero di taxa e indice di diversità di Shannon e alcune variabili abiotiche descrittive delle caratteristiche morfologiche dell’area intertidale quali granulometria (mediana, classazione e asimmetria), detrito conchigliare, contenuto di materia organica (TOM), pendenza e lunghezza della zona intertidale, esposizione delle spiagge e indici morfodinamici. L'elaborazione dei dati è stata effettuata mediante tecniche di analisi univariate e multivariate sia sui dati biotici che sulle variabili ambientali, “descrittori dell’habitat”, allo scopo di mettere in luce le interazioni tra le variabili ambientali e le dinamiche dei popolamenti macrobentonici. L’insieme dei risultati delle analisi univariate e multivariate sia dei descrittori ambientali che di quelli biotici, hanno evidenziato, come la risposta delle variabili considerate sia complessa e non lineare. Nonostante non sia stato possibile evidenziare chiari pattern di interazione fra “protezione” e “bulldozing”, sono comunque emerse delle chiare differenze fra i tre siti indagati sia per quanto riguarda le variabili “descrittori dell’habitat” che quelle relative alla struttura dei popolamenti. In risposta a quanto richiesto in contesto water framework directive e in maniera funzionale all’elevate complessità del sistema intertidale è stato proposto un sistema esperto basato su approccio congiunto fuzzy bayesiano (già utilizzato con altre modalità all’interno del progetto Theseus). Con il sistema esperto prodotto, si è deciso di simulare nel sito di Cesenatico due ripascimenti virtuali uno caratterizzato da una gralometria fine e da uno con una granulometria più grossolana rispetto a quella osservata a Cesenatico. Il sistema fuzzy naïve Bayes, nonostante al momento sia ancora in fase di messa a punto, si è dimostrato in grado di gestire l'elevato numero di interazioni ambientali che caratterizzano la risposta della componente biologica macrobentonica nell'habitat intertidale delle spiagge sabbiose.

Relazione fra comunità macrobentoniche e morfodinamica nelle zone costiere dell’Alto Adriatico

Numerosi studi hanno messo in evidenza che la struttura delle comunità macrobentoniche delle spiagge sabbiose dipende da una serie di forzanti fisiche; queste ultime interagendo tra loro determinano la morfodinamica della spiagge stesse. Lo scopo di questo lavoro consiste nell’analisi dei popolamenti macrobentonici di due siti presenti lungo la costa emiliano - romagnola, che differiscono per caratteristiche morfodinamiche, grado di antropizzazione e modalità gestionali di difesa dall’erosione costiera. I siti oggetto di studio sono Lido Spina e Bellocchio; il primo è soggetto ad interventi di ripascimento periodici, mentre il secondo rappresenta un’opportunità rara, per lo studio degli effetti del retreat, in quanto è in forte erosione da molti anni ma, essendo inserito all’interno di una riserva naturale, non è sottoposto ad alcuna misura di gestione. Sono state analizzate le comunità macrobentoniche e le variabili abiotiche (mediana e classazione del sedimento, ampiezza della zona intertidale, pendenza della spiaggia, contenuto di sostanza organica totale presente nel sedimento e i principali parametri chimico-fisici). I risultati del presente studio hanno evidenziato un’elevata eterogeneità della struttura di comunità all’interno del sito di Bellocchio rispetto a Spina; inoltre i popolamenti presenti a Bellocchio mostrano una netta differenza tra i due livelli mareali. Per quanto riguarda i descrittori abiotici, i due siti differiscono per ampiezza della zona intertidale e pendenza della spiaggia; in particolare Lido Spina presenta una condizione di minore dissipatività, essendo caratterizzata da un profilo più ripido e una granulometria più grossolana rispetto a Bellocchio. Nel complesso le caratteristiche granulometriche (mediana e classazione) e il contenuto di materia organica rappresentano le variabili ambientali maggiormente responsabili delle differenze osservate tra i popolamenti macrobentonici analizzati. Al fine di valutare la resistenza dell’habitat intertidale agli eventi naturali di disturbo (storm surge e flooding), sono state effettuare delle simulazioni considerando lo scenario attuale (SLR=0), mediante un modello ibrido fuzzy naive Bayes. I risultati indicano una maggiore resistenza delle comunità presenti nel sito di Spina, in quanto non si hanno variazioni significative del numero medio di taxa e di individui; viceversa le simulazioni relative a Bellocchio mostrano una diminuzione del numero medio di taxa e aumento del numero medio di individui, sottolineando una maggiore vulnerabilità delle comunità macrobentoniche presenti in questo sito. L’inasprimento dei fenomeni estremi potrebbe quindi avere un effetto negativo sulla diversità della componente macrobentonica, soprattutto per gli ambienti di transizione già interessati da fenomeni erosivi, come nel caso di Bellocchio. La perdita di specie, che svolgono processi ecosistemici particolarmente importanti, come il riciclo di nutrienti, potrebbe favorire l’aumento di abbondanza di specie opportunistiche, l’insediamento di specie alloctone, con la conseguente alterazione, se non scomparsa delle principali funzioni ecologiche svolte da questi ecosistemi costieri.

Previsioni di stati ecosistemici dell'intertidale sabbioso del Nord Adriatico in risposta ad eventi meteorologici estremi

Il presente elaborato di tesi si inserisce nell’ambito del progetto europeo THESEUS (Innovative technologies for safer European coasts in a changing climate) fra i cui principali obiettivi c’è quello di fornire un’adeguata metodologia integrata per la pianificazione di strategie di difesa costiera sostenibili. Le zone costiere sono sempre più soggette agli impatti antropici, legati all’intensificazione dell’urbanizzazione, e agli effetti del global climate change, ed in particolare al conseguente sea level rise. Diventa quindi importante, in un’ottica di preservazione e di gestione, capire come gli ecosistemi costieri e i beni e servizi che essi forniscono risponderanno a questi cambiamenti ambientali. Fra questi, preponderanti sono quelli rappresentati dalle spiagge sabbiose. Al fine di valutare come differenti strategie di gestione possono influenzare il sistema spiaggia, è stata analizzata la riposta del comparto bentonico della zona intertidale di due differenti spiagge lungo la costa emiliano-romagnola. Lido di Spina è fortemente antropizzato e caratterizzato dalla presenza di infrastrutture balneari-turistiche permanenti. E’ soggetto, inoltre, a interventi di ripascimento annuali e di pulizia della spiaggia. Bellocchio, invece, è un sito naturale che presenta una spiaggia caratterizzata dall’arretramento della linea di costa causata dell’erosione, e non è soggetta a interventi di gestione finalizzati alla sua mitigazione. In questo studio è stata utilizzata la componente meiobentonica, generalmente trascurata, come indicatore chiave della vulnerabilità ecologica, mentre la zona intertidale sabbiosa è stata indagata in quanto reputata uno dei primi habitat costieri “recettore” degli eventi di flooding e degli interventi di gestione. Globalmente è stato possibile evidenziare differenze di struttura di comunità fra i due siti indagati, sottolineando come, anche questa componente sia in grado di far emergere i cambiamenti dovuti a differenti approcci di gestione delle coste sabbiose. Nella seconda parte del lavoro, invece, è stato testato un approccio metodologico innovativo, denominato “Fuzzy Bayes Ecological Model” (FBEM), sviluppato nell’ambito del progetto THESEUS. L’applicazione del FBEM in THESEUS è finalizzata alla simulazione delle risposte ecosistemiche ad eventi di flooding costiero ed al fenomeno del sea level rise. In questo elaborato, il modello è stato adottato al fine di descrivere eventuali cambiamenti dei popolamenti meiobentonici. Nello specifico, l’utilizzo del modello è servito per poter confrontare la situazione attuale relativa, quindi, allo scenario di sea level rise pari a zero, con quella ipotizzata dall’IPCC per il 2080 di sea level rise pari a 0,22 m, prendendo in considerazione otto tempi di ritorno di eventi simulati di flooding a intensità crescente. Dalle simulazioni emerge come il driver del danno ecologico sia l’onda frangente il cui effetto risulta, però, mitigato dal sea level rise. I popolamenti meiobentonici sono risultati dei buoni indicatori per la valutazione dei rischi connessi al flooding e al sea level rise, dimostrando così il loro possibile utilizzo come descrittori dei cambiamenti ecologici delle zone costiere. Per questo, lo studio ed il monitoraggio della dinamica e della struttura dei popolamenti meiobentonici può diventare un mezzo fondamentale per la comprensione delle funzionalità ecosistemiche delle spiagge sabbiose. E’ inoltre in grado di produrre alcune delle informazioni necessarie allo sviluppo dei piani di gestione integrata della fascia costiera in un ottica di conservazione di questi habitat costieri e dei servizi e beni da essi forniti.

Implementazione di un sistema per la classificazione di banchi di pesce da dati di acustica

La tesi è finalizzata ad una preliminare fase di sperimentazione di un algoritmo che, a partire da dati di acustica, sia in grado di classificare le specie di pesce presenti in cale mono e plurispecifiche. I dati sono stati acquisiti nella fascia costiera della Sicilia meridionale, durante alcune campagne di ricerca effettuate tra il 2002 e il 2011, dall’IAMC – CNR di Capo Granitola. Sono stati registrati i valori delle variabili ambientali e biotiche tramite metodologia acustica e della composizione dei banchi di pesci catturati tramite cale sperimentali: acciughe, sardine, suri, altre specie pelagiche e pesci demersali. La metodologia proposta per la classificazione dei segnali acustici nasce dalla fusione di logica fuzzy e teorema di Bayes, per dar luogo ad un approccio modellistico consistente in un compilatore naïve Bayes operante in ambiente fuzzy. Nella fattispecie si è proceduto alla fase di training del classificatore, mediante un learning sample di percentuali delle categorie ittiche sopra menzionate, e ai dati di alcune delle osservazioni acustiche, biotiche e abiotiche, rilevate dall’echosurvey sugli stessi banchi. La validazione del classificatore è stata effettuata sul test set, ossia sui dati che non erano stati scelti per la fase di training. Per ciascuna cala, sono stati infine tracciati dei grafici di dispersione/correlazione dei gruppi ittici e le percentuali simulate. Come misura di corrispondenza dei dati sono stati considerati i valori di regressione R2 tra le percentuali reali e quelle calcolate dal classificatore fuzzy naïve Bayes. Questi, risultando molto alti (0,9134-0,99667), validavano il risultato del classificatore che discriminava con accuratezza le ecotracce provenienti dai banchi. L’applicabilità del classificatore va comunque testata e verificata oltre i limiti imposti da un lavoro di tesi; in particolare la fase di test va riferita a specie diverse, a condizioni ambientali al contorno differenti da quelle riscontrate e all’utilizzo di learning sample meno estesi.

Analisi della suscettività da frane rapide nell'Appennino Bolognese

Nel presente lavoro di tesi, partendo dall’Inventario del Dissesto della Regione Emilia – Romagna sono stati individuati i fenomeni di colata rapida di detrito che hanno interessato l’Appennino Bolognese negli ultimi anni. Si tratta di fenomeni rapidi, altamente pericolosi e ancora poco studiati. Ad ogni evento individuato è stata associata la precipitazione di innesco, caratterizzandola in termini di durata (D) e intensità (I) al fine di confrontarla con le soglie probabilistiche bayesiane proposte da Berti et al. (2012). Nella maggior parte dei casi è stato verificato che gli eventi considerati ricadono al di sopra delle soglie considerate come limite accettabile. Successivamente è stato applicato il metodo fisicamente basato SHALSTAB (SHALlow STABility model. Montgomery & Dietricht, 1994) al fine di valutarne la capacità previsionale al variare dei dati di input. Ne è emerso che tale metodo risulta fortemente influenzato dalla topografia. Dai dati esaminati, è stato dedotto che i fenomeni di colata rapida si sono innescati in seguito a eventi di pioggia fortemente transitori, pertanto l’applicazione del metodo SHALSTAB, che presuppone flusso allo stato stazionario mal si adatta a riprodurre questi casi.

Flipped classroom ed apprendimento: un'esperienza di attività propedeutica nella scuola secondaria di primo grado

La Flipped Classroom è una metodologia didattica innovativa che prevede una inversione dei momenti classici delle didattica: la lezione frontale a scuola e lo studio individuale a casa. L’idea alla base della Flipped Classroom è utilizzare la tecnologia moderna per diffondere i contenuti fuori dall’orario scolastico così da concentrare poi le ore di lezione sull’elaborazione dei contenuti stessi. In questo modo si riporta l’attenzione didattica sull’elaborazione dei contenuti piuttosto che sul loro ascolto passivo. A seguito dello studio teorico del metodo Flipped ho fatto una esperienza di tirocinio presso una classe terza della Scuola secondaria di primo grado "`Il Guercino"' dell'IC9, in collaborazione con la professoressa Leone, per applicare questa metodologia didattica. Una volta in classe, io e la professoressa, abbiamo considerato più efficace e utile, per gli studenti con cui lavoravamo, fare propedeutica piuttosto che Flipped Classroom. L’esperienza di tirocinio è stata conclusa con un questionario per valutare l’utilizzo, da parte dei nostri studenti, della piattaforma didattica Moodle, in uso nella scuola. I risultati dell’analisi delle risposte è stato conforme a quanto da noi atteso: data l’età i nostri studenti non avevano il giusto grado di autonomia per lavorare con la metodologia della Flipped Classroom.

Risposta delle comunità bentoniche della zona intertidale di coste sabbiose a un evento estremo di mareggiata: il caso di Cesenatico

L’aumento della frequenza di accadimento e dell’intensità di eventi di tempesta rappresenta una seria minaccia per gli ambienti costieri, in particolare per quelli dominati da spiagge sabbiose. Nel seguente lavoro di tesi si è voluto approfittare di un evento di flooding che ha interessato la spiaggia di Cesenatico (Febbraio 2015), provocando un lieve arretramento della linea di riva, per valutare la risposta del comparto macrobentonico a uno shift da zona intertidale a quella di primo subtidale. I dati relativi al periodo post-disturbo (after), mostrano variazioni sia dal punto di vista dell’ambiente fisico che delle comunità bentoniche ad esso associate; per quanto riguarda i campioni del 2015, si è osservata una diminuzione della media granulometrica e un aumento della materia organica rispetto al 2011 (before). Si evidenziano differenze anche tra le comunità bentoniche before e after l’evento, con valori di abbondanza, numero di taxa e diversità maggiori in after, nonché dell’intera struttura di comunità in cui si osservano variazioni di dominanza di particolari specie e l’insediamento di specie non presenti prima dell’evento. In before c’è una dominanza di S. squamata, un polichete fossatorio tipico dell’intertidale. In after è risultato che molte più specie concorrono nel determinare i pattern osservati, ed emerge una netta dominanza di L. mediterraneum e dei tanaidacei del genere Apseudes. I valori delle variabili ambientali e biotiche sono stati utilizzati per costruire un modello previsionale FNB (fuzzy naive Bayes) che è stato utilizzato con i dati abiotici relativi all’after per prevedere i pattern di comunità. Dalle simulazioni si osserva che i pattern spaziali del macrobenthos seguono l’evoluzione dell’intero sistema, confermando uno shift da intertidale a primo subtidale e può essere usato come base per comprendere gli effetti di un flooding costiero su sistemi vulnerabili qual è la spiaggia di Cesenatico.

Lambda_c detection using a weighted Bayesian PID approach

Lo scopo della tesi è di stimare le prestazioni del rivelatore ALICE nella rivelazione del barione Lambda_c nelle collisioni PbPb usando un approccio innovativo per l'identificazione delle particelle. L'idea principale del nuovo approccio è di sostituire l'usuale selezione della particella, basata su tagli applicati ai segnali del rivelatore, con una selezione che usi le probabilità derivate dal teorema di Bayes (per questo è chiamato "pesato Bayesiano"). Per stabilire quale metodo è il più efficiente , viene presentato un confronto con altri approcci standard utilizzati in ALICE. Per fare ciò è stato implementato un software di simulazione Monte Carlo "fast", settato con le abbondanze di particelle che ci si aspetta nel nuovo regime energetico di LHC e con le prestazioni osservate del rivelatore. E' stata quindi ricavata una stima realistica della produzione di Lambda_c, combinando i risultati noti da esperimenti precedenti e ciò è stato usato per stimare la significatività secondo la statistica al RUN2 e RUN3 dell'LHC. Verranno descritti la fisica di ALICE, tra cui modello standard, cromodinamica quantistica e quark gluon plasma. Poi si passerà ad analizzare alcuni risultati sperimentali recenti (RHIC e LHC). Verrà descritto il funzionamento di ALICE e delle sue componenti e infine si passerà all'analisi dei risultati ottenuti. Questi ultimi hanno mostrato che il metodo risulta avere una efficienza superiore a quella degli usuali approcci in ALICE e che, conseguentemente, per quantificare ancora meglio le prestazioni del nuovo metodo si dovrebbe eseguire una simulazione "full", così da verificare i risultati ottenuti in uno scenario totalmente realistico.

Implementazione e benchmarking dell'algoritmo QDANet PRO per l'analisi di big data genomici

Dato il recente avvento delle tecnologie NGS, in grado di sequenziare interi genomi umani in tempi e costi ridotti, la capacità di estrarre informazioni dai dati ha un ruolo fondamentale per lo sviluppo della ricerca. Attualmente i problemi computazionali connessi a tali analisi rientrano nel topic dei Big Data, con databases contenenti svariati tipi di dati sperimentali di dimensione sempre più ampia. Questo lavoro di tesi si occupa dell'implementazione e del benchmarking dell'algoritmo QDANet PRO, sviluppato dal gruppo di Biofisica dell'Università di Bologna: il metodo consente l'elaborazione di dati ad alta dimensionalità per l'estrazione di una Signature a bassa dimensionalità di features con un'elevata performance di classificazione, mediante una pipeline d'analisi che comprende algoritmi di dimensionality reduction. Il metodo è generalizzabile anche all'analisi di dati non biologici, ma caratterizzati comunque da un elevato volume e complessità, fattori tipici dei Big Data. L'algoritmo QDANet PRO, valutando la performance di tutte le possibili coppie di features, ne stima il potere discriminante utilizzando un Naive Bayes Quadratic Classifier per poi determinarne il ranking. Una volta selezionata una soglia di performance, viene costruito un network delle features, da cui vengono determinate le componenti connesse. Ogni sottografo viene analizzato separatamente e ridotto mediante metodi basati sulla teoria dei networks fino all'estrapolazione della Signature finale. Il metodo, già precedentemente testato su alcuni datasets disponibili al gruppo di ricerca con riscontri positivi, è stato messo a confronto con i risultati ottenuti su databases omici disponibili in letteratura, i quali costituiscono un riferimento nel settore, e con algoritmi già esistenti che svolgono simili compiti. Per la riduzione dei tempi computazionali l'algoritmo è stato implementato in linguaggio C++ su HPC, con la parallelizzazione mediante librerie OpenMP delle parti più critiche.