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Oggetto:
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Elementi di Eliofisica e Meteorologia Spaziale

Oggetto:

Elements of Heliophysics and Space Weather

Oggetto:

Anno accademico 2018/2019

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
Basic knowledges acquired during the previous academic years
Propedeutico a
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Sommario del corso

Oggetto:

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...).

Objective of the course will be to develop fundamental concepts for understanding of the main solar activity manifestations and their possible interactions with planetary magnetosphere and with the Earth in particular. After completing the course the student will not only have acquired the basic knowledge needed to start a future research in the field of solar and heliospheric physics , but it will have as well a general cultural background on plasma physics and on the main consequences on Earth of the solar activity, then on the possible implications for the development of modern technologies (eg .: radio broadcasts, satellites orbits, construction of power lines , 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.

This course will be useful to any student who is interested in solar physics research, stellar and planetary physics, but the topics discussed are also useful to college academic students interested in general in astrophysical plasmas. The course will be divided into the following three modules: 1) the sun and the solar activity; 2) planetary magnetosphere and the interplanetary medium; 3) effects of solar activity on Earth.

Knowledge and understanding

Knowledge: 1) basic principles of plasma physics and its applications to solar physics; 2) various manifestations of solar activity observed in the Sun's outer structure; 3) the typical characteristics of different planetary magnetospheres in the solar system; 4) possible effects of a geomagnetic storm in the magnetosphere, ionosphere and on the ground.

Understanding: 1) how the energy is transformed and transported from the interior of the Sun to the heliosphere's boundary; 2) physical processes responsible for the interaction of solar activity products with the planetary magnetospheres and in particular with the Earth's magnetosphere; 3) physical causes of this interaction and its consequences on the terrestrial ionosphere and magnetosphere plasmas.

Applying knowledge and understanding

Ability to: 1) identify fundamental physical processes at the origin of the natural phenomena described in the course, 2) evaluate the possible danger of a solar storm for its effects on ground, 3) evaluate the orders of magnitude in physically different situations, but showing similarities (eg: different planetary magnetospheres), allowing therefore the use of known solutions to solve new problems.

Making judgments

1) capability to autonomously identify the main aspects of a solar storm and its danger for ground effects by looking for information available in online catalogs; 2) awareness of the role of the scientist in the contemporary world, particularly as regards the importance for the community of future space weather alerts.

Communication skills

1) Organization of a short presentation of selected topics of the course, with the help of tools for communication and information management, 2) ability to communicate and explain to both specialist and non-specialist people, in effective form, fundamental physical processes in astrophysics.

Learning ability

Ability to update itself autonomously following the developments of physics and modern technology, and to extend their knowledge through the interdisciplinary approach developed by exploring, for exam preparation, the scientific literature provided by the teacher.

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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.

Lessons, lasting two hours each, are frontal and are carried out through the use of PowerPoint presentations, to allow better visualization of diagrams, pictures and movies captured by different instruments and published by several authors, in order to help a better understanding of the various plasma physics environments described during the course. The lectures are accompanied by news recently published on research related to the course topics.

The teacher is available for any clarification both during the lectures, and at the end of each lesson.

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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.

Discussions with the teacher during the course, discussion and evaluation during the oral exam.

The final examination is oral (3 questions on topics of the course program, the first of which on a topic chosen by the student) with a total duration of 40-50 minutes. During the examination it will be required to have specific knowledge of the subjects and ability to link between the various arguments developed during the course.

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Attività di supporto

Al termine del corso viene effettuata una visita presso l'Osservatorio Astrofisico di Torino per l'osservazione del Sole al telescopio, la visita ai laboratori di ottica, e per una breve introduzione alla ricerca svolta in fisica solare presso il nostro istituto.

At the end of the course there will be a visit to the Turin Astrophysical Observatory to observe the Sun at the telescope, to visit the optics laboratories, and for a brief introduction to the solar physics research being carried out at our Institute.

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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).

  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
Lunedì11:00 - 13:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Giovedì11:00 - 13:00Aula Verde Dipartimento di Fisica
Venerdì9:00 - 11:00Aula Verde Dipartimento di Fisica

Lezioni: dal 11/04/2019 al 14/06/2019

Nota: Prima lezione GIOVEDI 11 Aprile 2019 ore 11-13 Aula Verde, poi le altre a seguire secondo l'orario.

No lezione nei giorni seguenti:
18-19/04/2019 (lezioni sospese),
22/04/2019 (pasquetta),
25-26/04/2019 (festa liberazione),
06/05/2019, 09-10/05/2019 (impegni lavorativi).

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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.

No prerequisites required. Frequency is not mandatory, but it's strongly recommended especially because there is no single reference text for the course.

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Ultimo aggiornamento: 07/05/2017 16:00
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