Stochastic physics and representation of El Niño Southern Oscillation in climate models

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) è il maggiore fenomeno climatico che avviene a livello dell’Oceano Pacifico tropicale e che ha influenze ambientali, climatiche e socioeconomiche a larga scala. In questa tesi si ripercorrono i passi principali che sono stati fatti per tentare di comprendere un fenomeno così complesso. Per prima cosa, si sono studiati i meccanismi che ne governano la dinamica, fino alla formulazione del modello matematico chiamato Delayed Oscillator (DO) model, proposto da Suarez e Schopf nel 1988. In seguito, per tenere conto della natura caotica del sistema studiato, si è introdotto nel modello lo schema chiamato Stochastically Perturbed Parameterisation Tendencies (SPPT). Infine, si sono portati due esempi di soluzione numerica del DO, sia con che senza l’introduzione della correzione apportata dallo schema SPPT, e si è visto in che misura SPPT porta reali miglioramenti al modello studiato.

Dynamical models in neuroscience: the delay FitzHugh-Nagumo equation

Il primo modello matematico in grado di descrivere il prototipo di un sistema eccitabile assimilabile ad un neurone fu sviluppato da R. FitzHugh e J. Nagumo nel 1961. Tale modello, per quanto schematico, rappresenta un importante punto di partenza per la ricerca nell'ambito neuroscientifico delle dinamiche neuronali, ed è infatti capostipite di una serie di lavori che hanno puntato a migliorare l’accuratezza e la predicibilità dei modelli matematici per le scienze. L’elevato grado di complessità nello studio dei neuroni e delle dinamiche inter-neuronali comporta, tuttavia, che molte delle caratteristiche e delle potenzialità dell’ambito non siano ancora state comprese appieno. In questo lavoro verrà approfondito un modello ispirato al lavoro originale di FitzHugh e Nagumo. Tale modello presenta l’introduzione di un termine di self-coupling con ritardo temporale nel sistema di equazioni differenziali, diventa dunque rappresentativo di modelli di campo medio in grado di descrivere gli stati macroscopici di un ensemble di neuroni. L'introduzione del ritardo è funzionale ad una descrizione più realistica dei sistemi neuronali, e produce una dinamica più ricca e complessa rispetto a quella presente nella versione originale del modello. Sarà mostrata l'esistenza di una soluzione a ciclo limite nel modello che comprende il termine di ritardo temporale, ove tale soluzione non può essere interpretata nell’ambito delle biforcazioni di Hopf. Allo scopo di esplorare alcune delle caratteristiche basilari della modellizzazione del neurone, verrà principalmente utilizzata l’impostazione della teoria dei sistemi dinamici, integrando dove necessario con alcune nozioni provenienti dall’ambito fisiologico. In conclusione sarà riportata una sezione di approfondimento sulla integrazione numerica delle equazioni differenziali con ritardo.

La geodinamo e le inversioni del campo geomagnetico

Lo studio del geomagnetismo è una disciplina che da sempre ha catturato l’attenzione e la curiosità dell’uomo. L’inesorabilità dell’azione magnetica è probabilmente la particolarità che ha destato maggior interesse e ha certamente turbato l’uomo-navigatore, che sin dal primo millennio doveva considerare l’influenza magnetica sull’orientamento della bussola, ben prima che fossero sviluppati modelli per comprenderne i meccanismi. Quali sono le modalità di generazione del campo geomagnetico, che influenza simultaneamente la vita di tutti? Quali modelli si possono elaborare per simulare un processo simile? L’obiettivo di questa tesi è quello di dare una risposta a queste domande, alla cui soluzione si giungerà passando dallo sviluppo della formulazione delle equazioni della Magnetoidrodinamica, che governano l’interazione tra il campo magnetico e il moto del fluido conduttore, fino alla presentazione di modelli che riproducono in modo realistico la genesi del campo. È stata approfondita la teoria della Geodinamo, riconosciuto il ruolo primario ricoperto dall’interazione tra le due zone del nucleo, di composizione chimica diversa e ricostruita l’evoluzione temporale delle linee di campo. Nell’ultima parte dell’elaborato è stata poi indagata la dinamica di inversione di polarità del campo geomagnetico. Grazie a numerose misure paleomagnetiche, è stata individuata una ventina di periodi di transizioni di polarità e sono state precisate le modalità di inversione con una rotazione dell’asse del dipolo, che in un determinato istante di tempo interseca il piano equatoriale. Nello stesso intervallo temporale, si registra un parziale azzeramento dell’intensità del campo misurato sulla superficie terrestre e una successiva stabilizzazione del valore che torna a essere quello iniziale ma con polarità invertita. L’analisi del modello di Rikitake ha evidenziato inoltre il comportamento caotico delle inversioni, con una forte dipendenza dalle condizioni iniziali.

Un'altra stazione. Nuovo centro civico per il Quartiere Vigne di Cesena.

Lo sviluppo della forma di una città nel corso dei secoli è dettato dall’interazione tra ambiente, uomo e il soddisfacimento dei bisogni del tempo. Non sempre, però, queste tre cose si equilibrano e quelli che ne risultano sono spazi privi di caratteristiche proprie. Ne è esempio l’ingresso nord della stazione di Cesena: nonostante la sua posizione centrale all’interno della città e il numero di pendolari che tutti giorni la attraversano, non è ancora riuscito a definire una forma capace di affermarsi all’interno del tessuto urbano. Compreso tra la ferrovia e il parco novello, il progetto si propone la realizzazione di un nuovo complesso pubblico che possa al tempo stesso connettere le due parti di città e stabilire una relazione concreta con il grande corridoio verde. L’area ospiterà nuovi servizi per i viaggiatori e spazi polifunzionali aperti alla cittadinanza al fine di restituire una nuova immagine alla stazione ferroviaria capace di giocare un ruolo attivo nella dinamica urbana diventando polo attrattore del quartiere.

Il modello matriciale di Leslie applicato all'ecologia delle popolazioni

La matrice di Leslie è uno degli strumenti più utilizzati in ecologia nella dinamica delle popolazioni. Infatti a partire dallo studio dell'autovalore dominante della matrice e dell'autovettore ad esso associato è possibile prevedere l'evolversi della popolazione (sviluppo o estinzione), la convergenza di ogni classe di età e la sensibilità dell'autovalore dominante al variare delle componenti della matrice. L'obiettivo di questo elaborato è quindi quello di presentare e studiare questo modello matriciale, applicandolo a esempi di popolazioni e analizzandone le analogie con il Metodo delle Potenze.

Proprieta chemo-dinamiche delle sottostrutture nell'alone retrogrado della nostra galassia

Le stelle nate nelle galassie satelliti accresciute dalla MW durante il suo processo evolutivo, sono oggi mescolate nell'Alone Retrogrado della nostra Galassia, ma mantengono una coerenza chimica e dinamica che ci consente di identificarle e di ricostruirne l'origine. Tuttavia, investigare la chimica o la dinamica in maniera indipendente non è sufficiente per fare ciò. L'associazione di stelle a specifici eventi di merging basata esclusivamente sulla loro posizione nello spazio degli IoM può non essere univoca e portare quindi ad identificazioni errate o ambigue. Allo stesso tempo, la composizione chimica delle stelle riflette la composizone del gas della galassia in cui le stelle si sono formate, ma galassie evolutesi in maniera simile sono difficilmente distinguibili nei soli piani chimici. Combinare l'informazione chimica a quella dinamica è quindi necessario per ricostruire in maniera accurata la storia di formazione ed evoluzione della MW. In questa tesi è stato analizzato un campione di 66 stelle dell'Alone Retrogrado della MW (localizzate nei dintorni solari) combinando i dati fotometrici di Gaia e quelli spettroscopici ottenuti con PEPSI@LBT. L'obiettivo principale di questo lavoro è di associare univocamente le stelle di questo campione alle rispettive galassie progenitrici tramite l'utilizzo coniugato delle informazioni chimiche e cinematiche. Per fare questo, è stata prima di tutto ricostruita l'orbita di ognuna delle stelle. In seguito, l'analisi degli spettri dei targets ha permesso di ottenere le abbondanze chimiche. L'identificazione delle sottostrutture è stata effettuata attraverso un'analisi chemo-dinamica statisticamente robusta, ottenuta tramite l'applicazione di un metodo di Gaussian Mixture Model, e l'associazione finale ai relativi progenitori, nonchè la loro interpretazione in termini di strutture indipendenti, è stata eseguita accoppiando questa informazione con la composizione chimica dettagliata di ogni stella.

Ricorso allo screening 'coper/non-coper' nella gestione multidisciplinare delle lesioni del legamento crociato anteriore

Background: la lesione del LCA è l’infortunio più frequente per quanto riguarda l’articolazione del ginocchio e nella maggior parte dei casi viene trattato tramite intervento chirurgico di ricostruzione del legamento stesso. I pazienti vengono distinti in coper e non-coper, in base alla stabilità dinamica dell’articolazione in seguito al trauma: i primi possono essere sottoposti ad un programma di allenamento neuromuscolare progressivo e della forza (NMST) di 10 sessioni, che ha l’obiettivo di ripristinare le corrette risposte neuromuscolari e il recupero della forza muscolare tramite esercizi pliometrici ed esercizi neuromuscolari avanzati. Obiettivi: indagare la conoscenza e l’utilizzo di questo tipo di trattamento da parte di fisioterapisti e chirurghi ortopedici, oltre che la collaborazione tra queste due categorie di professionisti. Materiale e metodi: 471 fisioterapisti e 106 chirurghi ortopedici sono stati sottoposti ad un questionario online, tramite l’utilizzo della piattaforma “Moduli Google©”, in lingua italiana, nel periodo dal 10/10/2021 al 10/01/2022. Il questionario prevedeva 2 domande a risposta aperta e 10 domande con più opzioni di scelta. Risultati: dallo studio è emerso che solo il 18% dei fisioterapisti e il 22% degli ortopedici utilizza lo screening nella pratica clinica quotidiana avendone sufficiente familiarità. Inoltre, il 30% dei fisioterapisti si affida spesso ad un ortopedico di fiducia e il 30% dei chirurghi si affida sempre ad un fisioterapista di fiducia. Per quanto riguarda i professionisti esperti di LCA, 4 dei 22 fisioterapisti e 16 dei 38 ortopedici affermano di applicare lo screening nella pratica clinica quotidiana avendone sufficiente familiarità. Conclusione: i risultati mostrano una ridotta conoscenza e applicazione dello screening sia da parte dei fisioterapisti che dei chirurghi ortopedici. Emerge anche una scarsa collaborazione tra le due classi di professionisti, soprattutto tra quelli non esperti di LCA.

Monitoraggio della viscoelasticità di un modello di coltura cellulare 3D per lo studio della fibrosi epatica

Lo sviluppo di fibrosi epatica si associa caratteristicamente a un eccesso di produzione e reticolazione della matrice extracellulare del tessuto, che causa un progressivo aumento del modulo elastico e della viscosità dell’organo – che a loro volta determinano ipertensione portale e insufficienza funzionale. Modelli avanzati che riproducano in vitro il microambiente epatico sono cruciali per lo studio della patogenesi del fenomeno e per la valutazione di adeguate terapie future. Un esempio chiaro di questa strategia viene presentato in un recente lavoro di ricerca, nel quale Cacopardo et al. propongono una strategia basata sull’utilizzo di tipi differenti di idrogel, con proprietà elastiche e viscosità variabili, per studiare la meccano-dinamica in un ambiente di coltura tridimensionale. Idrogel di carichi di cellule sono dunque stati differenzialmente reticolati mediante transglutaminasi microbica, utilizzando un metodo citocompatibile originale che consenta l’esposizione delle cellule a un ambiente con proprietà meccaniche che variano nel tempo. Per la coltura dei costrutti 3D è stato inoltre utilizzato un bioreattore che si è dimostrato utile anche per monitorare nel tempo le proprietà meccaniche dei costrutti cellulari. I risultati hanno mostrato che una maggiore “solidità” della matrice è coerente con l’aumento dello stress cellulare. Il metodo proposto si è dimostrato quindi in grado di imitare efficacemente il microambiente meccanico associato alla fibrosi epatica e in evoluzione nel tempo e, di conseguenza, potrebbe fornire nuove informazioni sui processi fisiopatologici correlati e suggerire più efficaci strategie terapeutiche.

Analisi di video con visione binoculare

Nel TCR - Termina container Ravenna, è importante che nel momento di scarico del container sul camion non siano presenti persone nell’area. In questo elaborato si descrive la realizzazione e il funzionamento di un sistema di allarme automatico, in grado di rilevare persone ed eventualmente interrompere la procedura di scarico del container. Tale sistema si basa sulla tecnica della object segmentation tramite rimozione dello sfondo, a cui viene affiancata una classificazione e rimozione delle eventuali ombre con un metodo cromatico. Inoltre viene identificata la possibile testa di una persona e avendo a disposizione due telecamere, si mette in atto una visione binoculare per calcolarne l’altezza. Infine, viene presa in considerazione anche la dinamica del sistema, per cui la classificazione di una persona si può basare sulla grandezza, altezza e velocità dell’oggetto individuato.

Analisi delle modalità di termoregolazione nei sistemi di perfusione ex-vivo degli organi addominali - reni e fegato - destinati al trapianto.

La perfusione ex-vivo, ossia dopo il prelievo e prima del trapianto, degli organi si afferma come una delle possibili strategie per superare il divario esistente tra il numero dei pazienti in lista d’attesa e il numero degli organi disponibili e idonei al trapianto. Questo divario ha portato alla necessità di includere tra i donatori anche quelli marginali (anziani, con comorbidità, con cause di morte come l’arresto cardiaco e tempi di ischemia), fino ad oggi considerati non trapiantabili. L’utilizzo di questi organi ha messo in evidenza alcuni limiti di quella che, ad oggi, è stata considerata la tecnica di riferimento per la preservazione ex-vivo degli organi: la conservazione statica ipotermica che risulta, infatti, efficace per gli organi ottimali, mentre per quelli più compromessi, sembra accentuare di più il danno d’organo e incrementare il rischio di fallimento o di complicazioni. Si sono, perciò, affermate tecniche di conservazione dinamica per poter conservare gli organi in un ambiente simil-fisiologico, limitando i tempi di ischemia, valutandone la funzionalità ed eventualmente applicando dei trattamenti terapeutici. I diversi protocolli di perfusione sono stati implementati in numerosi sistemi per l’esecuzione dei trattamenti di perfusione ex-vivo. Essi differiscono principalmentente per la modalità termica eseguita: ipotermia (4-12°C), midtermia (13-24°C), subnormotermia (25-35°C), normotermia (35-37°C) o modalità combinate: tanto più la temperatura si avvicina a quella del corpo, tanto più occorre ricreare un ambiente fisiologico per l’organo. L’analisi delle unità termiche costituenti i sistemi di perfusione dei reni e fegati disponibili ha messo in evidenza i principali limiti e vantaggi di ogni soluzione adottata. Risulta evidente che una gestione ideale della termoregolazione constente di coprire i più vasti intervalli di temperatura, di combinare le diverse modalità, senza complicazioni esecutive e con limitati interventi da parte dell’operatore.

Gli integrali di cammino

Normalmente la meccanica quantistica non relativistica è ricavata a partire dal fatto che una particella al tempo t non può essere descritta da una posizione $x$ definita, ma piuttosto è descritta da una funzione, chiamata funzione d'onda, per cui vale l'equazione differenziale di Schr\"odinger, e il cui modulo quadro in $x$ viene interpretato come la probabilità di rilevare la particella in tale posizione. Quindi grazie all'equazione di Schr\"odinger si studia la dinamica della funzione d'onda, la sua evoluzione temporale. Seguendo quest'approccio bisogna quindi abbandonare il concetto classico di traiettoria di una particella, piuttosto quello che si studia è la "traiettoria" della funzione d'onda nei vari casi di campi di forze che agiscono sulla particella. In questa tesi si è invece scelto di studiare un approccio diverso, ma anch'esso efficace nel descrivere i fenomeni della meccanica quantistica non relativistica, formulato per la prima volta negli anni '50 del secolo scorso dal dott. Richard P. Feynman. Tale approccio consiste nel considerare una particella rilevata in posizione $x_a$ nell'istante $t_a$, e studiarne la probabilità che questa ha, nelle varie configurazioni dei campi di forze in azione, di giungere alla posizione $x_b$ ad un successivo istante $t_b$. Per farlo si associa ad ogni percorso che congiunge questi due punti spazio-temporali $a$ e $b$ una quantità chiamata ampiezza di probabilità del percorso, e si sviluppa una tecnica che permette di sommare le ampiezze relative a tutti gli infiniti cammini possibili che portano da $a$ a $b$, ovvero si integra su tutte le traiettorie $x(t)$, questo tipo di integrale viene chiamato integrale di cammino o più comunemente path integral. Il modulo quadro di tale quantità darà la probabilità che la particella rilevata in $a$ verrà poi rilevata in $b$.

Modellazione e simulazione di un processo di produzione per l'industria 4.0

In un mondo in continua trasformazione cresce sempre più il numero delle aziende che hanno colto l’importanza della digitalizzazione dei processi produttivi. Alcune di esse si affidano ad esperti capaci di suggerire soluzioni per ottenere servizi di alta qualità e fruibilità con l’integrazione di sistemi gestionali. Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo l’analisi del processo produttivo di una azienda che realizza armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Si compone di sei capitoli, il primo affronta il tema della Simulazione e le sue principali caratteristiche per analizzare un processo di produzione; il secondo esamina i linguaggi, le applicazioni e i modelli di simulazione; il terzo analizza e descrive le peculiarità e le caratteristiche del software utilizzato per la simulazione; il quarto capitolo affronta il tema dell’industria 4.0 spingendo all’innovazione nei sistemi produttivi per raggiungere una produzione del tutto automatizzata e interconnessa; nel quinto viene descritto il modello digitale per ottenere in modo preciso un oggetto fisico, così da avere una Simulazione precisa, infine, il sesto esamina la Simulazione e Modellizzazione come strumento per l’ottimizzazione del processo produttivo riguardante armadi per stazioni di ricarica elettrica serie terra a colonna. Il raggiungimento dell’uso della simulazione come supporto all’analisi dinamica di un processo consente di avere una panoramica complessiva di tutte le operazioni, rappresentando, così un vantaggio per le aziende che possono valutare con oggettività soluzioni progettuali alternative, di cui è difficile prevedere il comportamento, le prestazioni e l’impatto su altri sistemi. Questi risultati sono la risposta alle necessità di disporre strumenti per l’anticipazione, il dimensionamento e il contenimento dei rischi di progetto.

Modellazione analitica e caratterizzazione sperimentale di cuscinetti ad aria per simulazioni di dinamiche rotazionali

La complessità dei satelliti e la difficoltà nell’analizzare e risolvere eventuali malfunzionamenti che occorrono dopo la messa in funzione, comportano la necessità di completare estensive campagne di verifica sperimentale prima del lancio in orbita. Nel caso del sistema di determinazione e controllo di assetto (ADCS) è necessario riprodurre a terra le condizioni di microgravità e quasi totale assenza di attrito che si riscontrano in orbita. Per simulare l’ambiente spaziale a terra si usano quindi dei banchi prova progettati e costruiti appositamente per questo scopo: vengono solitamente impiegati dei cuscinetti ad aria sferici, piani oppure di entrambi i tipi per dare al sistema da verificare gradi di libertà rotazionali. Il Laboratorio Microsatelliti Microsistemi Spaziali dell’Università di Bologna ha sviluppato un banco prova in cui possono essere utilizzati alternativamente due cuscinetti sferici, uno realizzato in PVC e l’altro in alluminio. Al fine di certificare l’affidabilità dei risultati ottenuti dalle prove sperimentali, è necessario caratterizzare tutte le fonti di disturbo e in particolare verificare che i disturbi introdotti dai cuscinetti siano sufficientemente bassi da assicurare una fedele simulazione dell’ambiente spaziale. Nel presente elaborato è descritta la progettazione e la realizzazione di una piattaforma sperimentale necessaria per quantificare le coppie di disturbo dei due cuscinetti utilizzati presso il laboratorio. I risultati sperimentali ottenuti sono stati comparati con un modello analitico ricavato da precedenti conclusioni pubblicate nella letteratura scientifica. In seguito, la tesi esamina l’approccio utilizzato per stimare le coppie di disturbo e compara i risultati per entrambi i cuscinetti disponibili. Il lavoro svolto mette a servizio del laboratorio gli strumenti necessari a dimensionare i cuscinetti che verranno sviluppati e utilizzati in futuro.

Anomaly Detection in Random Graph

La presenti tesi ha come obiettivo lo studio di due algoritmi per il rilevamento di anomalie all' interno di grafi random. Per entrambi gli algoritmi sono stati creati dei modelli generativi di grafi dinamici in modo da eseguire dei test sintetici. La tesi si compone in una parte iniziale teorica e di una seconda parte sperimentale. Il secondo capitolo introduce la teoria dei grafi. Il terzo capitolo presenta il problema del rilevamento di comunità. Il quarto capitolo introduce possibili definizioni del concetto di anomalie dinamiche e il problema del loro rilevamento. Il quinto capitolo propone l' introduzione di un punteggio di outlierness associato ad ogni nodo sulla base del confronto tra la sua dinamica e quella della comunità a cui appartiene. L' ultimo capitolo si incentra sul problema della ricerca di una descrizione della rete in termini di gruppi o ruoli sulla base della quale incentrare la ricerca delle anomalie dinamiche.

Tecniche innovative microbiome-based per il recupero della vongola comune nelle aree ad alta mortalità nell’area FLAG dell’Emilia Romagna

Negli ultimi decenni sono state registrate preoccupati fenomeni di mortalità della vongola Chamelea gallina, in particolare nell’area costiera emiliano-romagnola e di cui non sono ancora state chiarite le cause. Il presente studio si è occupato di caratterizzare la comunità microbica associata alla vongola nella ghiandola digestiva, utilizzando il sequenziamento della regione ipervariabile V3-V4 del gene rRNA 16S, al fine di individuare fenomeni di disbiosi in aree ad elevata mortalità. Sono state quindi esplorate le variazioni stagionali (da luglio a novembre) nella struttura del microbiota della vongola e nell'ecosistema microbico dell'acqua di mare circostante, in quattro siti scelti ad hoc, secondo un gradiente di incidenza storica di mortalità, da Nord a Sud, tra le aree di Ravenna e Rimini. Lo stato di salute della vongola e del suo microbiota associato sono stati esplorati tramite, rispettivamente, l’indice di condizione e lo studio mediante NGS della composizione dell’ecosistema microbico intestinale. I nostri dati, sebbene preliminari, dimostrano come tra le aree Nord e Sud ci sia un comportamento differente e reciproco relativamente all’andamento stagionale dei valori di diversità interna (alfa) al microbiota della vongola, che si riduce dall’estate all’autunno nelle aree Nord (Ravenna e Lido di Savio), mentre aumenta - nello stesso periodo di tempo - nelle aree Sud (Rimini e Cesenatico). A conferma dei dati di alfa diversità, l’analisi mediante PCoA delle variazione del microbiota della vongola tra i quattro siti di indagine stratificate per stagione, dimostrano profonde differenze tra i due estremi nord-sud. In particolare, l’analisi integrata dei dati storici di produttività, indice di condizione e dinamica del microbiota della g.d. ci ha consentito di discriminare cinque famiglie microbiche come potenziali Growth Promoting Bacteria, poiché associate ad un picco di indice di condizione che si registra nelle aree a bassa mortalità, nel mese di settembre.