Studio della correlazione tra raggi cosmici ed altri parametri atmosferici mediante l’utilizzo di reti neurali

Introduzione
La temperatura terrestre  e aumentata di circa 1 °C negli ultimi cinquan-
t’anni; il riscaldamento globale in atto dalla ne del XIX secolo  e ormai un
fenomeno innegabile, le cui conseguenze sono sotto gli occhi di tutti. La
NASA prevede che entro il 2050 l’Oceano Artico sar a privo di ghiacciai; il
livello degli oceani si innalzer a di circa 2,4 metri, sommergendo intere isole
e citt a; il 30% della supercie terrestre diventer a arida, portando ad almeno
un miliardo di \profughi climatici" [1].
La maggioranza degli scienziati attribuisce la responsabilit a di questo
scenario catastroco alle attivit a umane, le cui emissioni di gas serra mi-
gliorerebbero la capacit a dell’atmosfera di trattenere il calore. Invece, si
ritiene che cause naturali, quali variazioni nella radiazione solare, abbiano
un impatto trascurabile sui cambiamenti climatici.
Tuttavia, dalla ne degli anni ’90, grazie alle menti di alcuni scienziati
danesi, tra cui Svensmark e Friss-Christensen, si diuse l’ipotesi che l’atti-
vit a solare non fosse responsabile unicamente del riscaldamento terrestre,
ma anche della modulazione del usso dei raggi cosmici diretti verso la
Terra; questi sono delle particelle cariche aventi origine galattica, le qua-
li, ionizzando l’atmosfera, favoriscono la formazione di nubi causando un
rareddamento netto della supercie terrestre. L’analisi dell’inuenza del-
la radiazione cosmica sul clima risulta dunque di grande importanza, dato
anche il fatto che negli ultimi 200 anni la radiazione solare incidente l’atmo-
sfera terrestre ha subito un aumento del 56%, provocando un calo del 19%
nei conteggi di raggi cosmici rilevati al suolo [2].
Nel seguente lavoro di tesi verr a studiata la dipendenza dei raggi cosmici
da alcuni parametri atmosferici, al ne di chiarirne le propriet a e gli eetti
sul clima globale. In particolare, verranno illustrate le procedure di raccolta
e preparazione di dati storici di diversi fattori climatici, dei quali verr a poi
studiata la correlazione. Strumenti fondamentali per il raggiungimento di
tali obiettivi saranno le reti neurali, implementate nell’ambiente Matlab e
ottimizzate per l’imputazione dei valori mancanti nei dataset di raggi cosmici
1
e temperatura.
La tesi sar a articolata in cinque capitoli.
Nel Capitolo 1 verr a introdotto il riscaldamento globale, del quale ver-
ranno analizzate le evidenze scientiche e i responsabili, tra cui le attivit a
umane ed altri fenomeni naturali. Nel corso della trattazione verranno ap-
profonditi diversi parametri atmosferici, tra cui le macchie solari e il ciclo di
Schwabe. Inne, verranno presi in esame i raggi cosmici, dei quali saranno
spiegati l’origine e l’impatto sul clima globale.
Il Capitolo 2 sar a interamente dedicato alle reti neurali: a partire dal
neurone biologico, verr a approfondita la struttura del neurone articiale e,
dunque, delle reti articiali. In seguito, verr a spiegata la distinzione tra reti
neurali feed-forward e ricorrenti mediante l’analisi di due tipologie di reti di
particolare interesse per lo sviluppo della tesi: il Multi-Layer Perceptron e
la Long Short-Term Memory.
Nel Capitolo 3 verranno presi in esame i dataset di raggi cosmici e tempe-
rature: dopo una breve descrizione delle procedure di raccolta, ne verranno
analizzati i problemi principali, tra cui la presenza di outliers e di valo-
ri mancanti. Questi verranno risolti mediante l’utilizzo delle reti neurali
approfondite nel Capitolo 2, con le quali verr a eseguita un’operazione di
imputazione delle anomalie.
Il Capitolo 4 si occuper a dell’analisi statistica della dipendenza dei raggi
cosmici da alcuni parametri atmosferici spiegati nel Capitolo 1, mediante
l’utilizzo di modelli di regressione lineare, graci di dispersione e analisi di
Fourier. In particolare, verr a approfondita la correlazione tra la componente
neutronica della radiazione cosmica e le macchie solari e tra la componente
muonica e la temperatura a diverse quote.
Nel Capitolo 5 verranno esposti i risultati principali del lavoro svolto,
ponendoli in correlazione con il riscaldamento globale.
2
Capitolo 1
I raggi cosmici ed altri
parametri atmosferici
1.1 L’innalzamento della temperatura globale
La temperatura terrestre  e sempre variata in maniera ciclica nel corso della
storia. Solamente negli ultimi 800 mila anni, ci sono stati all’incirca otto
cicli di ritirata e avanzata glaciale, di cui l’ultimo, iniziato intorno a 11.700
anni fa, ha sancito l’inizio dell’era moderna e consentito lo sviluppo della
civilt a umana.
Nella Figura 1.1  e rappresentata l’anomalia della temperatura globale
1
a partire da 800 migliaia di anni fa no ad oggi; per ricavare misurazioni di
temperatura tanto antiche, sono stati applicati metodi di misura indiretti,
chiamati proxies, con cui la variabile di interesse viene monitorata mediante
la misurazione di variabili secondarie, correlate con la prima secondo una
relazione nota a priori. Tra queste grandezze secondarie vi sono le carote
di ghiaccio estratte in Groenlandia, Antartide e in alcune regioni del Nord
America, delle quali viene solitamente misurato il rapporto tra gli isotopi
18
O e
16
O dell’acqua (detto  18
O); infatti, per via di alcune considerazioni
riguardanti la loro diversa velocit a di evaporazione e condensazione, si pu o
aermare che la temperatura in un certo periodo storico sia inversamente
proporzionale al valore di tale rapporto alla profondit a corrispondente [3].
Oltre alle carote di ghiaccio, vengono condotti studi sugli anelli di crescita
degli alberi, i quali appaiono pi u spessi nei periodi caldi e pi u sottili in quelli
1
L’anomalia della temperatura  e lo scostamento del valore medio annuo di temperatura
da un valore di riferimento, in questo caso (e nei successivi) la temperatura media tra il
1951 e il 1980.
3
freddi; questa proxy pu o fornire stime di temperatura relative a centinaia di
migliaia di anni fa.
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Anomalia di temperatura (°C)
Migliaia di anni fa
Anomalia della temperatura a partire da 800 mila anni fa 
Figura 1.1: Andamento della GST a partire da 800 mila anni fa no ad oggi [4].
Grazie alla combinazione di queste (e molte altre) tecniche,  e stato pos-
sibile ricostruire l’andamento della temperatura degli ultimi 800 mila anni.
Come si pu o notare dalla Figura 1.1, esso  e caratterizzato da una periodi-
cit a; questa  e causata da cambiamenti periodici dell’orbita terrestre intorno
al Sole e dell’attivit a solare, i quali determinano variazioni nella quantit a di
energia ricevuta dal pianeta.
Tuttavia, l’attuale ciclo di ritirata risulta particolarmente signicativo,
in quanto sta avanzando con un ritmo senza precedenti. In particolare, ci o
che desta preoccupazione presso la comunit a scientica  e che l’uomo sarebbe
uno dei maggiori responsabili di tale andamento.
Il Goddard Institute for Space Science Studies (GISS) della NASA ha
condotto approfonditi studi sull’andamento della temperatura terrestre negli
ultimi due secoli
2
. Analizzando in Figura 1.2 il trend della temperatura
2
In particolare, questi studi prendono il nome di GISTEMP (GISS Surface Temperature
Analysis) e incorporano i dati di temperatura di pi u di 20.000 stazioni meteorologiche, navi
e boe in un unico completo data set. L’obiettivo del GISS  e quello di fornire una stima
dell’andamento della temperatura sulla base delle previsioni del cambiamento climatico in
4
superciale globale (Global Surface Temperature, GST) dal 1880 al 2020,
si pu o notare come la temperatura terrestre, in tale lasso di tempo, abbia
subito un innalzamento di quasi 1,5°C; in particolare, solo dal 1970 ad oggi
l’incremento  e stato di circa 1 °C.
 Figura 1.2: Anomalia della temperatura tra il 1880 e il 2020. La linea rossa  e la
media mobile con periodo di cinque anni. Le parti grigie rappresentano l’incertezza
annuale totale a cui sono soggetti i dati sia relativi alle terre emerse (LSAT) sia
agli oceani (SST) [5].
Per comprendere quanto questo incremento sia signicativo, bisogna con-
siderare che la temperatura globale coincide con la media delle rilevazioni
sull’intera supercie del pianeta. Pertanto, a dierenza della temperatura
assoluta, non  e inuenzata da eventi ciclici quali l’alternarsi del giorno e del-
la notte o delle stagioni, ma dipende dalla quantit a di energia che la Terra
riceve dal Sole e da quella che viene irradiata verso lo spazio. Di conseguen-
za, l’innalzamento di un solo grado della GST non  e aatto trascurabile, in
quanto, per determinare anche una piccola variazione di temperatura sull’in-
tera supercie terrestre,  e necessario somministrare una quantit a di calore
estremamente elevata; basti pensare che un abbassamento della temperatu-
ra globale di 1-2 °C fu responsabile della Piccola era glaciale, che avvenne
dalla met a del XIV alla met a del XIX secolo [6].
Le cause che hanno portato a tale innalzamento della GST sono oggetto
di grandi discussioni all’interno della comunit a scientica.
risposta ad aerosol, anidride carbonica e variazioni nell’attivit a solare.
5
Secondo una buona parte degli studiosi, il riscaldamento globale a cui
si  e assistiti a partire dagli anni ’70 sarebbe causato esclusivamente dalle
crescenti emissioni di gas serra nell’atmosfera, dovute ad attivit a antropiche.
Secondo una minoranza degli scienziati, l’innalzamento della GST sarebbe
un fenomeno del tutto naturale e, in quanto tale, non controllabile dall’uomo.
Inne, alcuni ritengono che il surriscaldamento sia dovuto alla combinazione
delle due precedenti cause [7].
1.2 Il contributo dell’uomo
Nell’ultimo report dell’IPCC
3
si legge:
It is extremely likely that more than half of the observed in-
crease in global average surface temperature from 1951 to 2010
was caused by the anthropogenic increase in GHG concentrations
and other anthropogenic forcings together.
[Intergovernmental Panel on Climate Change, Ginevra, 2014.]
1.2.1 L’eetto serra
Si deniscono gas serra quelle sostanze che, quando immesse nell’atmosfera,
bloccano il calore irradiato dalla Terra, impedendone la fuoriuscita.
I GHG sono principalmente:
• Vapore acqueo.
 E il gas pi u abbondante tra i gas serra; agisce come
feedback: quando la temperatura aumenta, anche il vapore acqueo
aumenta, favorendo la formazione di nubi e precipitazioni.
• Anidride carbonica.
 E presente in piccole quantit a ma  e uno dei gas
pi u importanti;  e rilasciata da processi naturali, quali la respirazione
e le eruzioni dei vulcani, e da attivit a antropiche, come la deforesta-
zione e l’utilizzo di combustibili fossili. L’uomo, dalla Rivoluzione
Industriale, ne ha incrementato la concentrazione del 48%.
• Metano.
 E un idrocarburo prodotto sia da processi naturali che dal-
le attivit a umane, come ad esempio lo smaltimento dei riuti nelle
3
L’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)  e il principale organismo in-
ternazionale per la valutazione dei cambiamenti climatici. Istituito nel 1988 dalla World
Meteorological Organization (WMO) e dallo United Nations Environment Programme
(UNEP) ha lo scopo di fornire al mondo una visione chiara e scienticamente fondata
dello stato attuale delle conoscenze sui cambiamenti climatici e sui loro potenziali impatti
ambientali e socio-economici [8].
6
discariche, l’agricoltura (soprattutto la coltivazione del riso) e l’alleva-
mento.
• Monossido di azoto.
 E un gas prodotto dalla coltivazione del suolo,
in particolare mediante l’utilizzo di fertilizzanti, combustibili fossili,
acido nitrico e la combustione delle biomasse.
• Clorouorocarburi . Sono composti sintetici di origine industriale il
cui utilizzo e rilascio sono limitati da accordi internazionali, in quanto
contribuiscono alla distruzione dello strato di ozono.
Tutti questi gas hanno diversi tempi medi di permanenza nell’atmosfera;
ad esempio, i clorouorocarburi hanno una vita media di 45 anni e il metano
di 12 anni.
I GHG contribuiscono all’eetto serra, un fenomeno naturale essenziale
per la presenza e lo sviluppo della vita sulla Terra, in quanto determina
la capacit a dell’atmosfera di trattenere il calore; si stima che, in assenza
dell’eetto serra, la temperatura terrestre sarebbe inferiore di circa 30 °C.
Questo fenomeno, infatti, permette alle radiazioni solari a corta lunghezza
d’onda di penetrare nell’atmosfera e di raggiungere la supercie terrestre;
tali radiazioni vengono in parte riesse e in parte assorbite dalla Terra e con-
vertite in calore. Quest’ultimo viene rimandato verso lo spazio sottoforma
di irraggiamento infrarosso, il quale andr a ad interagire con i gas serra, che,
in base alla loro quantit a, ne tratterranno una parte pi u o meno consistente,
determinando un accumulo di energia termica nell’atmosfera. Dunque, si
pu o aermare che l’aumento dell’eetto serra determini un incremento della
temperatura superciale globale [1].
1.2.2 Andamento delle emissioni di CO
2
negli ultimi secoli
Dalla Figura 1.3, si evince che le emissioni di gas serra, e in particolare di
anidride carbonica, hanno subito un notevole incremento a partire dagli anni
’50. In particolare, la CO
2
 e aumentata da 285 a 314 ppm tra il 1800 e il 1950
(circa 0,2 ppm/anno), per poi aumentare circa sette volte pi u velocemente
tra il 1950 e il 2020 (circa 1,4 ppm/anno) [2].
7
250
270
290
310
330
350
370
390
410
430
1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
CO2 (ppm)
Anno
Concentrazione della CO2 dal 1600 ad oggi
Figura 1.3: Andamento della concentrazione di anidride carbonica tra il 1600 e il
2020.
Ci o che crea allarmismo presso la comunit a scientica  e che concentra-
zioni simili di CO
2
nell’atmosfera non si sono mai registrate in 800 mila anni
(Figura 1.4).
Figura 1.4: Andamento della concentrazione di CO
2
negli ultimi 800 mila anni [9].
8