Applicazione ed integrazione di metodi di prospezione geofisica: studio idrogeofisico della Zona Insatura in condizioni idriche controllate

Il lavoro è incentrato sull’applicazione ed integrazione di differenti tecniche di indagine geofisica in campo ambientale e ingegneristico/archeologico. Alcuni esempi sono stati descritti al fine di dimostrare l’utilità delle metodologie geofisiche nella risoluzione di svariate problematiche. Nello specifico l’attenzione è stata rivolta all’utilizzo delle tecniche del Ground Penetrating Radar e del Time Domain Reflectometry in misure condotte su un corpo sabbioso simulante una Zona Insatura. L’esperimento è stato realizzato all’interno di un’area test costruita presso l’azienda agricola dell’Università La Tuscia di Viterbo. Hanno partecipato al progetto le Università di Roma Tre, Roma La Sapienza, La Tuscia, con il supporto tecnico della Sensore&Software. Nello studio è stato condotto un approccio definito idrogeofisico al fine di ottenere informazioni da misure dei parametri fisici relativi alla Zona Insatura simulata nell’area test. Il confronto e l’integrazione delle due differenti tecniche di indagine ha offerto la possibilità di estendere la profondità di indagine all’interno del corpo sabbioso e di verificare l’utilità della tecnica GPR nello studio degli effetti legati alle variazioni del contenuto d’acqua nel suolo, oltre a determinare la posizione della superficie piezometrica per i differenti scenari di saturazione. Uno specifico studio è stato realizzato sul segnale radar al fine di stabilire i fattori di influenza sulla sua propagazione all’interno del suolo. Il comportamento dei parametri dielettrici nelle condizioni di drenaggio e di imbibizione del corpo sabbioso è stato riprodotto attraverso una modellizzazione delle proprietà dielettriche ed idrologiche sulla base della dimensione, forma e distribuzione dei granuli di roccia e pori, nonché sulla base della storia relativa alla distribuzione dei fluidi di saturazione all’interno del mezzo. La modellizzazione è stata operata sulle basi concettuali del Differential Effective Medium Approximation.

Dinamica sedimentaria torbiditica in bacini confinati: margine orientale della Sardegna

La sedimentazione clastica di mare profondo è attualmente uno dei principali argomenti della ricerca sedimentologica sia in ambito puramente accademico che in ambito petrolifero-industriale. Gli studi recenti hanno enfatizzato l'influenza fondamentale della topografia preesistente del fondo marino sulla crescita e la morfologia sui fan di mare profondo; si è visto come, in molti systemi torbiditici, l’evoluzione dei processi deposizionali sia stata da moderatamente a fortemente controllata dall’ effetto di confinamento di scarpate tettoniche, ridge strutturali e seamounts. Scopo di questo lavoro è studiare l'effetto del confinamento alla scala di bacino sui principali sistemi torbiditici del margine orientale della Sardegna che rappresenta un margine passivo articolato di bacini di intraslope confinati verso mare da seamounts. Lo studio dei sistemi deposizionali è stato eseguito attraverso l'interpretazione di dati di batimetria multibeam ad alto dettaglio acquisiti dall’ISMAR di Bologna durante la crociera Tir99. L’ interpretazione multibeam è stata integrata con l’ analisi di profili sismici a riflessione per comprendere la morfologia l’organizzazione interna e l’evoluzione nel tempo dei principali elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. Tre bacini di intraslope (Olbia, Baronie e il settore settentrionale del bacino Ogliastra) sono stati investigati. Il bacino di Olbia è il bacino più settentrionale del margine orientale della Sardegna ed è limitato verso mare dai seamount Etruschi e Baronie. Il principale sistema torbiditico del bacino di Olbia è costituito dal Caprera, articolato in un sistema di canyon alimentatori nella piattaforma e nella scarpata continentale e da un ampio canale con argini alla base della scarpata. Il Caprera è fiancheggiato da un ampia piattaforma continentale, e questa, fungendo da “magazzino” per il materiale piu grossolando, può spiegare la peculiare architettura sedimentaria del suo fan. L'effetto di confinamento del bacino sulla forma e sull'evoluzione del fan del Caprera è evidente soprattutto sull'asimmetria dei leve e su fenomeni di avulsione che hanno coinvolto il canale. Il bacino di intraslope di Olbia appare completamente riempito, e, nel bordo orientale, è presente il canyon di intrabacino verso il bacino sottostante. Gli effetti dell'abbassamento del livello di base sono visibili nel settore distale del sistema, dove si ha lo sviluppo di canali distributari e di valli erosive a basso rilievo, che rappresentano le porzioni "upslope" dei canyon di "bypass". Il bacino di intraslope del Baronie è il bacino centrale del margine, confinato verso mare dal seamount delle Baronie, e presenta una via di fuga laterale rappresentato dal sistema di canyon di Gonone-Orosei. Il Posada è il sistema torbiditico principale, consiste di un canyon profondamente inciso nella piattaforma e nella scarpata, e sviluppa alla base della scarpata un piccolo fa radiale. La morfologia del è il risultato dell'interazione complessa tra la geoemtria del bacino ricevente ed il comportamento dei flussi sedimentari. La forma del bacino ha costretto il sistema torbiditico a cambiare la direzione di sviluppo, da est verso sud. Processi di framanento in massa a grande scala hanno inoltre contribuito alla riorganizzazione del sistema torbiditico. Il bacino dell’Ogliastra è localizzato nel settore meridionale del margine, limitato verso mare dal seamount Quirra. Il settore settentrionale della scarpata continentale del bacino Ogliastra è caratterizzato da canyon e incisioni di carattere ibrido, con tratti deposizionali ed erosivi. L'Arbatax è il principale sistema torbiditico del bacino di Ogliastra caratterizzato da un settore meridionale dominato da un canale alimentatore e da un settore settentrionale abbandonato, caratterizzato da fenomeni di smantellamento e instabilità gravitativa. In generale i risultati dello studio evidenziano l'importanza della combinazione dei fattori di controllo esterni, e della topografia preesistente, nello sviluppo dei processi sedimentari e degli elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. In particolare, appare evidente come lo stile deposizionale dei sistemi torbiditici in ambiente confinato diverga sostanzialmente da quello previsto dai modelli di fan sottomarini usati come strumenti predittivi nella esplorazione e sfruttamento dei giacimenti di idrocarburi.

A spectroscopic and photometric study of MSP companions in Galactic Globular Clusters

This Thesis is devoted to the study of the optical companions of Millisecond Pulsars in Galactic Globular Clusters (GCs) as a part of a large project started at the Department of Astronomy of the Bologna University, in collaboration with other institutions (Astronomical Observatory of Cagliari and Bologna, University of Virginia), specifically dedicated to the study of the environmental effects on passive stellar evolution in galactic GCs. Globular Clusters are very efficient “Kilns” for generating exotic object, such as Millisecond Pulsars (MSP), low mass X-ray binaries(LMXB) or Blue Straggler Stars (BSS). In particular MSPs are formed in binary systems containing a Neutron Star which is spun up through mass accretion from the evolving companion (e.g. Bhattacharia & van den Heuvel 1991). The final stage of this recycling process is either the core of a peeled star (generally an Helium white dwarf) or a very light almos exhausted star, orbiting a very fast rotating Neutron Star (a MSP). Despite the large difference in total mass between the disk of the Galaxy and the Galactic GC system (up a factor 103), the percentage of fast rotating pulsar in binary systems found in the latter is very higher. MSPs in GCs show spin periods in the range 1.3 ÷ 30ms, slowdown rates ˙P 1019 s/s and a lower magnetic field, respect to ”normal” radio pulsars, B 108 gauss . The high probability of disruption of a binary systems after a supernova explosion, explain why we expect only a low percentage of recycled millisecond pulsars respect to the whole pulsar population. In fact only the 10% of the known 1800 radio pulsars are radio MSPs. Is not surprising, that MSP are overabundant in GCs respect to Galactic field, since in the Galactic Disk, MSPs can only form through the evolution of primordial binaries, and only if the binary survives to the supernova explosion which lead to the neutron star formation. On the other hand, the extremely high stellar density in the core of GCs, relative to most of the rest of the Galaxy, favors the formation of several different binary systems, suitable for the recycling of NSs (Davies at al. 1998). In this thesis we will present the properties two millisecond pulsars companions discovered in two globular clusters, the Helium white dwarf orbiting the MSP PSR 1911-5958A in NGC 6752 and the second case of a tidally deformed star orbiting an eclipsing millisecond pulsar, PSR J1701-3006B in NGC6266

A spectroscopic and photometric study of stellar populations in a sample of clusters in the Magellanic Clouds

This Ph.D. Thesis has been carried out in the framework of a long-term and large project devoted to describe the main photometric, chemical, evolutionary and integrated properties of a representative sample of Large and Small Magellanic Cloud (LMC and SMC respectively) clusters. The globular clusters system of these two Irregular galaxies provides a rich resource for investigating stellar and chemical evolution and to obtain a detailed view of the star formation history and chemical enrichment of the Clouds. The results discussed here are based on the analysis of high-resolution photometric and spectroscopic datasets obtained by using the last generation of imagers and spectrographs. The principal aims of this project are summarized as follows: • The study of the AGB and RGB sequences in a sample of MC clusters, through the analysis of a wide near-infrared photometric database, including 33 Magellanic globulars obtained in three observing runs with the near-infrared camera SOFI@NTT (ESO, La Silla). • The study of the chemical properties of a sample of MCs clusters, by using optical and near-infrared high-resolution spectra. 3 observing runs have been secured to our group to observe 9 LMC clusters (with ages between 100 Myr and 13 Gyr) with the optical high-resolution spectrograph FLAMES@VLT (ESO, Paranal) and 4 very young (<30 Myr) clusters (3 in the LMC and 1 in the SMC) with the near-infrared high-resolution spectrograph CRIRES@VLT. • The study of the photometric properties of the main evolutive sequences in optical Color- Magnitude Diagrams (CMD) obtained by using HST archive data, with the final aim of dating several clusters via the comparison between the observed CMDs and theoretical isochrones. The determination of the age of a stellar population requires an accurate measure of the Main Sequence (MS) Turn-Off (TO) luminosity and the knowledge of the distance modulus, reddening and overall metallicity. For this purpose, we limited the study of the age just to the clusters already observed with high-resolution spectroscopy, in order to date only clusters with accurate estimates of the overall metallicity.

Properties of gas and dark matter in X-ray galaxy clusters with Sunyaev Zel'dovich measurements

I have studied entropy profiles obtained in a sample of 24 X-ray objects at high redshift retrieved from the Chandra archive. I have discussed the scaling properties of the entropy S, the correlation between metallicity Z and S, the profiles of the temperature of the gas, Tgas, and performed a comparison between the dark matter 'temperature' and Tgas in order to constrain the non-gravitational processes which affect the thermal history of the gas. Furthermore I have studied the scaling relations between the X-ray quantities and Sunyaev Zel'dovich measurements. I have observed that X-ray laws are steeper than the relations predicted from the adiabatic model. These deviations from expectations based on self-similarity are usually interpreted in terms of feedback processes leading to non-gravitational gas heating, and suggesting a scenario in which the ICM at higher redshift has lower both X-ray luminosity and pressure in the central regions than the expectations from self-similar model. I have also investigated a Bayesian X-ray and Sunyaev Zel'dovich analysis, which allows to study the external regions of the clusters well beyond the volumes resolved with X-ray observations (1/3-1/2 of the virial radius), to measure the deprojected physical cluster properties, like temperature, density, entropy, gas mass and total mass up to the virial radius.

Ricostruzione degli sforzi in elementi finiti di piastra

Nell’ambito dell’analisi computazionale delle strutture il metodo degli elementi finiti è probabilmente uno dei metodi numerici più efficaci ed impiegati. La semplicità dell’idea di base del metodo e la relativa facilità con cui può essere implementato in codici di calcolo hanno reso possibile l’applicazione di questa tecnica computazionale in diversi settori, non solo dell’ingegneria strutturale, ma in generale della matematica applicata. Ma, nonostante il livello raggiunto dalle tecnologie ad elementi finiti sia già abbastanza elevato, per alcune applicazioni tipiche dell’ingegneria strutturale (problemi bidimensionali, analisi di lastre inflesse) le prestazioni fornite dagli elementi usualmente utilizzati, ovvero gli elementi di tipo compatibile, sono in effetti poco soddisfacenti. Vengono in aiuto perciò gli elementi finiti basati su formulazioni miste che da un lato presentano una più complessa formulazione, ma dall’altro consentono di prevenire alcuni problemi ricorrenti quali per esempio il fenomeno dello shear locking. Indipendentemente dai tipi di elementi finiti utilizzati, le quantità di interesse nell’ambito dell’ingegneria non sono gli spostamenti ma gli sforzi o più in generale le quantità derivate dagli spostamenti. Mentre i primi sono molto accurati, i secondi risultano discontinui e di qualità scadente. A valle di un calcolo FEM, negli ultimi anni, hanno preso piede procedure di post-processing in grado, partendo dalla soluzione agli elementi finiti, di ricostruire lo sforzo all’interno di patch di elementi rendendo quest’ultimo più accurato. Tali procedure prendono il nome di Procedure di Ricostruzione (Recovery Based Approaches). Le procedure di ricostruzione qui utilizzate risultano essere la REP (Recovery by Equilibrium in Patches) e la RCP (Recovery by Compatibility in Patches). L’obbiettivo che ci si prefigge in questo lavoro è quello di applicare le procedure di ricostruzione ad un esempio di piastra, discretizzato con vari tipi di elementi finiti, mettendone in luce i vantaggi in termini di migliore accurattezza e di maggiore convergenza.

The photosynthetic bacterial reaction center in native and artificial envirnoments: effects on light-induced electron transfer

In this thesis we focussed on the characterization of the reaction center (RC) protein purified from the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides. In particular, we discussed the effects of native and artificial environment on the light-induced electron transfer processes. The native environment consist of the inner antenna LH1 complex that copurifies with the RC forming the so called core complex, and the lipid phase tightly associated with it. In parallel, we analyzed the role of saccharidic glassy matrices on the interplay between electron transfer processes and internal protein dynamics. As a different artificial matrix, we incorporated the RC protein in a layer-by-layer structure with a twofold aim: to check the behaviour of the protein in such an unusual environment and to test the response of the system to herbicides. By examining the RC in its native environment, we found that the light-induced charge separated state P+QB - is markedly stabilized (by about 40 meV) in the core complex as compared to the RC-only system over a physiological pH range. We also verified that, as compared to the average composition of the membrane, the core complex copurifies with a tightly bound lipid complement of about 90 phospholipid molecules per RC, which is strongly enriched in cardiolipin. In parallel, a large ubiquinone pool was found in association with the core complex, giving rise to a quinone concentration about ten times larger than the average one in the membrane. Moreover, this quinone pool is fully functional, i.e. it is promptly available at the QB site during multiple turnover excitation of the RC. The latter two observations suggest important heterogeneities and anisotropies in the native membranes which can in principle account for the stabilization of the charge separated state in the core complex. The thermodynamic and kinetic parameters obtained in the RC-LH1 complex are very close to those measured in intact membranes, indicating that the electron transfer properties of the RC in vivo are essentially determined by its local environment. The studies performed by incorporating the RC into saccharidic matrices evidenced the relevance of solvent-protein interactions and dynamical coupling in determining the kinetics of electron transfer processes. The usual approach when studying the interplay between internal motions and protein function consists in freezing the degrees of freedom of the protein at cryogenic temperature. We proved that the “trehalose approach” offers distinct advantages with respect to this traditional methodology. We showed, in fact, that the RC conformational dynamics, coupled to specific electron transfer processes, can be modulated by varying the hydration level of the trehalose matrix at room temperature, thus allowing to disentangle solvent from temperature effects. The comparison between different saccharidic matrices has revealed that the structural and dynamical protein-matrix coupling depends strongly upon the sugar. The analyses performed in RCs embedded in polyelectrolyte multilayers (PEM) structures have shown that the electron transfer from QA - to QB, a conformationally gated process extremely sensitive to the RC environment, can be strongly modulated by the hydration level of the matrix, confirming analogous results obtained for this electron transfer reaction in sugar matrices. We found that PEM-RCs are a very stable system, particularly suitable to study the thermodynamics and kinetics of herbicide binding to the QB site. These features make PEM-RC structures quite promising in the development of herbicide biosensors. The studies discussed in the present thesis have shown that, although the effects on electron transfer induced by the native and artificial environments tested are markedly different, they can be described on the basis of a common kinetic model which takes into account the static conformational heterogeneity of the RC and the interconversion between conformational substates. Interestingly, the same distribution of rate constants (i.e. a Gamma distribution function) can describe charge recombination processes in solutions of purified RC, in RC-LH1 complexes, in wet and dry RC-PEM structures and in glassy saccharidic matrices over a wide range of hydration levels. In conclusion, the results obtained for RCs in different physico-chemical environments emphasize the relevance of the structure/dynamics solvent/protein coupling in determining the energetics and the kinetics of electron transfer processes in a membrane protein complex.