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Oggetto:
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Elementi di Eliofisica e Meteorologia Spaziale

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Elements of Heliophysics and Space Weather

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Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN1517
Docente
Dott. Alessandro Bemporad (Titolare del corso)
Corso di studi
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Astrofisica e Fisica Teorica
Anno
1° anno
Periodo didattico
Terzo periodo didattico
Tipologia
C=Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/05 - astronomia e astrofisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Conoscenze base acquisite nel corso di studi
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Obiettivo del corso sarà sviluppare alcuni concetti chiave per la comprensione delle manifestazioni principali dell'attività solare e delle loro possibili interazioni con le magnetosfere planetarie e con la Terra in particolare. Al termine del corso lo studente avrà non solo acquisito le conoscenze principali necessarie per iniziare una futura ricerca di base nel campo della fisica solare ed eliosferica, ma avrà un bagaglio culturale generale sulla fisica del plasma e sulle principali conseguenze dell'attività solare a terra, quindi sui possibili risvolti per lo sviluppo delle moderne tecnologie (es.: trasmissioni radio, messa in orbita di satelliti, costruzione di elettrodotti, etc...).

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Risultati dell'apprendimento attesi

Questo corso sarà direttamente utile a qualsiasi studente che sia interessato alla ricerca in fisica solare, fisica stellare e planetologia, ma gli argomenti affrontati saranno direttamente utili anche a studenti universitari interessati più in generale ai plasmi astrofisici. Il corso sarà suddiviso nei seguenti 3 moduli: 1) il sole e l’attività solare; 2) magnetosfere planetarie e mezzo interplanetario; 3) effetti dell’attività solare sulla Terra.

Conoscenza e capacità di comprensione

Conoscenza: 1) dei principi base di fisica del plasma e loro applicazione alla fisica solare; 2) delle diverse manifestazioni dell'attività solare osservate nella struttura esterna del sole; 3) delle caratteristiche tipiche delle diverse magnetosfere planetarie nel sistema solare; 4) dei possibili effetti in magnetosfera, ionosfera e a terra di una tempesta geomagnetica.

Comprensione: 1) delle modalità di trasformazione e trasporto dell'energia dall'interno del sole fino al confine dell'eliosfera; 2) dei processi fisici di interazione dei prodotti dell'attività solare con le magnetosfere planetarie ed in particolare con la magnetosfera terrestre; 3) delle cause fisiche di questa interazione e le sue conseguenze sui plasmi della magnetosfera e ionosfera terrestri.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Capacità di: 1) individuare i processi fisici fondamentali alla base dei fenomeni naturali descritti nel corso, 2) valutare la possibile pericolosità di una tempesta solare per i suoi effetti a terra, 3) valutare gli ordini di grandezza in situazioni fisicamente differenti, ma che mostrano analogie (es: diverse magnetosfere planetarie), permettendo percio' l'uso di soluzioni conosciute in problemi nuovi.

Autonomia di giudizio

1) Capacità di autonoma identificazione dei principali aspetti di una tempesta solare e della sua pericolosità per gli effetti a terra tramite la ricerca di informazioni disponibili nei cataloghi on-line; 2) consapevolezza del ruolo dello scienziato nel mondo contemporaneo, in particolare per quanto concerne l'importanza per la comunità dei futuri avvisi di meteorologia spaziale.

Abilità comunicative

1) Organizzazione di una breve presentazione di argomenti selezionati del corso, con l'ausilio di strumenti per la comunicazione e la gestione dell'informazione, 2) capacità di comunicare e spiegare ad interlocutori specialisti e non specialisti, in forma efficace, processi fisici fondamentali in astrofisica.

Capacità di apprendimento

Capacità di aggiornarsi in modo autonomo seguendo gli sviluppi della Fisica e della tecnologia moderna e di estendere le proprie conoscenze attraverso il confronto interdisciplinare sviluppata esplorando, per la preparazione dell'esame, la letteratura scientifica fornita dal docente.

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Modalità di insegnamento

Le lezioni, della durata di 2 ore ciascuna, sono frontali e vengono svolte tramite l'utilizzo di presentazioni PowerPoint, per permettere la migliore visualizzazione di schemi, immagini e filmati acquisiti da diversi strumenti e pubblicati da diversi autori, così da aiutare una migliore comprensione dei diversi ambienti di fisica del plasma descritti nel corso. Le lezioni sono corredate di eventuali news pubblicate sulla ricerca correlata agli argomenti del corso.

Il docente è disponibile per qualunque chiarimento sia nel corso delle lezioni, che al termine di ogni lezione.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Interazioni col docente durante il corso, discussione e valutazione in sede di esame orale.

L'esame è orale (3 domande su argomenti del programma svolto, di cui la prima su un argomento a scelta) della durata di 40-50 minuti. Nel corso dell'esame si richiede conoscenza dell'argomento specifico e capacità di collegamento tra i diversi argomenti svolti nel corso.

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Programma



1° MODULO (18 ore): “Il Sole e l’attività solare”. Introduzione storica allo studio dell’ambiente Sole-Terra; contributi della fisica solare; caratteristiche fondamentali dei plasmi. Struttura interna del sole: equazioni fondamentali dell'equilibrio stellare, produzione e propagazione dell'energia. Dinamo solare: induzione e trasporto dei campi magnetici (eq. di induzione e Teor. di Alfven), moti di plasma per sostenere la dinamo, ciclo solare. Struttura esterna del sole: il sole quieto (fotosfera, cromosfera, corona) ed il sole attivo (regioni attive, macchie solari e ciclo solare, protuberanze, brillamenti). Attività solari responsabili della meteorologia spaziale: vento solare (modello di Parker), brillamenti, eiezioni coronali di massa (CME) e loro propagazione nello spazio interplanetario (modelli di riconnessione magnetica), particelle ad alta energia (SEP) e burst radio. Problema del riscaldamento coronale (onde di Alfven, riscaldamento per onde e nano-brillamenti). Problemi aperti.

2° MODULO (14 ore): “Magnetosfere Planetarie e Mezzo Interplanetario”. Spazio interplanetario: propagazione di vento solare, eiezioni coronali di massa, particelle energetiche, onde d'urto MHD. Struttura dell'eliosfera, interazione con raggi cosmici e gas interstellari. Introduzione storica alla fisica magnetosferica. Descrizione dei campi magnetici planetari (dipolo e sviluppo in multipoli), struttura generale della magnetosfera terrestre, plasma magnetosferico e moto delle particelle (teoria delle orbite, invarianti adiabatici). Interazioni vento - magnetosfera - ionosfera: corotazione e convezione magnetosferica, conversioni di energia (tempeste magnetiche). Magnetosfere planetarie nel sistema solare (cenni magnetosfere di Mercurio, Venere, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno).

3° MODULO (16 ore): “Effetti dell’attività solare sulla Terra”. Introduzione alla meteorologia spaziale. Magnetosfera terrestre: bow shock, magnetosheat, magnetopausa, coda magnetica, plasmasfera. Sistemi di correnti magnetosferiche: correnti di Chapman-Ferraro, di Birkeland, di coda, correnti ad anello. Ionosfera terrestre: proprietà generali, variabilità col ciclo solare, processi di ionizzazione, sistemi di correnti ionosferiche (di Pedersen, di Hall, dai venti neutri). Aurore: proprietà, spettri aurorali, elettrodinamica delle aurore, evoluzione durante le tempeste e sotto-tempeste magnetiche. Tempeste e sotto-tempeste magnetiche: caratteristiche generali, effetti a Terra. Meteorologia spaziale: introduzione storica, effetti sull'uomo e sulle tecnologie umane, previsioni di meteorologia spaziale; Sole e climatologia terrestre, effetti climatici a lungo e breve termine (cenni). Ricerche in corso presso l'INAF-Osservatorio Astrofisico di Torino su tempeste solari ed altri argomenti.



1st PART (18 hours): “Sun and Solar Activity”. Historical introduction to the study of the Sun-Earth Environment; main contribution of solar physics; fundamental properties of plasma. Internal structure of the Sun: stellar equilibrium equations, energy production and propagation. Solar dynamo: magnetic field induction and transport (induction eq. and Alfvén theorem), plasma motions supporting dynamo, solar cycle. External structure of the sun: the quiet Sun (photosphere, chromosphere, corona) and the active Sun (active regions, sunspots and solar cycle, prominences, flares). Solar activities responsible for Space Weather: solar wind (Parker model), flares, Coronal Mass Ejections (CMEs) and their propagation in the interplanetary medium (magnetic reconnection models), Solar Energetic Particles (SEPs) and radio bursts. Coronal heating problem (Alfvén waves, wave and nano-flare heating). Open problems.

2nd PART (14 hours): “Planetary Magnetosheres and Interplanetary Medium”. Interplanetary Space: propagation of solar wind, coronal mass ejections, energetic particles, MHD shock waves. Heliosphere structure, interaction with cosmic rays and interstellar gas. Historical introduction to the Magnetospehric Physic. Description of planetary magnetic fields (dipole and multipole development), general structure of the Earth's Magnetosphere, magnetospheric plasma and particle motion (particle orbital theory, adiabatic invariants). Wind - Magnetosphere - Ionosphere interactions: magnetospheric corotation and convection, energy conversions (magnetic storms). Planetary magnetospheres in the solar system (general description of Mercury, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun magnetospheres).

3rd PART (16 hours): “Impact of solar activity on the Earth”. Introduction to the Space Weather. Earth's Magnetosphere: bow shock, magnetosheat, magnetopause, magnetotail, plasmasphere. Magnetospheric current systems: Chapman-Ferraro, Birkeland, tail currents, ring currents. Earth's Ionosphere: general properties, variability with solar cycle, ionization processes, ionospheric current systems (Pedersen, Hall, from neutral winds). Aurorae: properties, auroral spectra, auroral electrodynamic, evolution during magnetic storms and sub-storms. Magnetic storms and sub-storms: general properties, consequences on Earth. Space Weather: historical introduction, consequences for human being and technologies, Space Weather forecasting; the Sun and terrestrial climatology, short and long-term climatic effects. Researches being conducted at the INAF-Turin Astrophysical Observatory on solar storms and other arguments.

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Testi consigliati e bibliografia

  1. "Fisica Solare", E. Landi Degl'Innocenti, Springer (2008).
  2. “Handbook of the Solar-Terrestrial Environment”, Y. Kamide & A. Chian Eds., Springer (2007).
  3. “Planetary Sciences”, I. de Pater & J. Lissauer, Cambridge Univ. Press (2001).
  4. “Heliophysics – Space storms and radiation: causes and effects”, AA.VV., C.J. Schrijver and G.L. Siscoe (Eds.), Cambridge Univ. Press (2010).
  5. "The Sun, Solar analogs and the Climate", Haigh, Lockwood and Giampapa, Saas-Fee Advanced Course 34, Swiss Society for Astrophysics and Astronomy (2004).
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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì11:30 - 13:30Sala Fubini Dipartimento di Fisica
Giovedì11:00 - 13:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Venerdì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Lezioni: dal 26/04/2016 al 23/06/2016

Nota: Prima lezione del corso giovedì 28/04 ore 11-13, Aula Verde.

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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata soprattutto per il fatto che non esiste un unico testo di riferimento per il corso.

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Ultimo aggiornamento: 18/04/2016 13:07
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