Introduzione

In questa pagina viene riportata la tendenza dei raggi cosmici a terra, da ottobre 2016 ad oggi (04.2018). I dati sono stati prelevati dal rivelatore JUNG (Svizzera) appartenente alla rete mondiale di rivelatori di neutroni NMDB e da un rivelatore di muoni AMD5 (Tradate) della rete di ADA.

I dati di AMD5 sono stati messi a confronto con i dati ambientali: temperatura e umidità, non è stato invece possibile (almeno finora) reperire i dati storici della pressione atmosferica.

Come noto, il flusso dei raggi cosmici misurato a terra è variabile, ed è guidato prevalentemente da due fenomeni: il ciclo solare nello spazio e la modulazione dovuta a diversi processi in atmosfera.
Le particelle cosmiche a loro volta influenzano diversi parametri atmosferici e ambientali, ad esempio sono fonte di isotopi radioattivi, contribuiscono alla produzione delle nuvole e influenzano lo sviluppo della vita sul nostro pianeta.

La tendenza dei raggi cosmici

Oltre a osservare la tendenza, il lavoro didattico di analisi è servito per mettere in risalto la relazione tra i parametri ambientali e il flusso di raggi cosmici carichi (muoni) misurato.

Il primo grafico mostra i quattro parametri presi in considerazione, durante il periodo ottobre 2016 - ottobre 2017 che sono:

• I dati dei neutroni cosmici registrati dal rivelatore JUNG
• I dati dei muoni registrati dal rivelatore AMD5
• Temperatura
• Umidità

Raggi cosmici, temperatura e umidità a confronto (10.2016 - 10.2017)

 

 

L'insieme di questo grafico non è molto esplicativo quindi vediamo le singole componenti di seguito, iniziando dal rivelatore JUNG:

I dati del rivelatore dello Jungfrau in un anno solare (10.2016 - 10.2017).

 

 

I dati esprimono l'andamento dei neutroni cosmici giorno per giorno (conteggi al secondo), la linea nera smussata è la tendenza 'media' del mese (media mobile 9%). I dati dei rivelatori NMDB, in questo caso sono normalizzati per la pressione atmosferica quindi variano prevalentemente in funzione del flusso dei raggi cosmici, significa che i parametri atmosferici non influenzano di molto i risultati nel flusso registrato.

Questo grafico da solo evidenzia che ci sono diverse variazioni nel corso di un anno, da notare il picco negativo prodotto dal solar flare di settembre), la tendenza generale dei raggi cosmici sembra diminuire molto verso la fine del plot.

 

Analisi di regressione dello JUNG

 

 

In effetti il grafico qui sopra conferma che nel periodo preso in esame il flusso delle particelle cosmiche è visibilmente in diminuzione.

 

Veniamo ora ai dati del rivelatore di muoni AMD5:

 

Analisi dei dati registrati durante il periodo ottobre 2016 - ottobre 2017
tramite il rivelatore AMD5.

 

 

In questo caso i dati esprimono l'andamento dei muoni giorno per giorno (conteggi al minuto), la linea nera smussata è sempre la tendenza 'media' del mese (media mobile 9%). I dati dei rivelatori di ADA non sono normalizzati per i parametri atmosferici, quindi prevalentemente variano in funzione del flusso dei raggi cosmici, ma possono essere modulati dai valori di temperatura, pressione e umidità. In generale comunque la genesi dei muoni è diversa da quella dei neutroni, e rispondono a caratteristiche differenti.

Anche questo grafico comunque evidenzia che ci sono diverse variazioni nel corso di un anno, le cose principali che si possono notare sono: i picchi elevati intorno al giorno 20, in cui il loro valore supera di quasi 4 volte sigma (la deviazione standard), sicuramente prodotti da raggi cosmici di energia particolarmente elevata; una specie di concavità appare tra il giorno 200 e il giorno 350 circa (giugno-settembre); anche qui il solar flare di settembre è rappresentato da un picco negativo.
La tendenza generale dei raggi cosmici sembra diminuire molto verso la fine del plot.

 

Analisi di regressione dell' AMD5

 

L'analisi della regressione semplice conferma la tendenza fortemente negativa per il flusso dei raggi cosmici.

 

Il balletto cosmico

Vediamo ora il flusso in funzione dei parametri ambientali, iniziando a mettere a confronto raggi cosmici e temperatura. Per evidenziare meglio l'andamento si è ricorsi a un espediente statistico di normalizzazione. In questo caso è stata plottata la variazione in percentuale rispetto alla media che pertanto assume il valore zero. Un altro metodo utilizzabile in questi casi è quello dello Z-score con cui è possibile confrontare serie di dati di natura diversa (vedere box a lato).

 

Relazione tra temperatura e muoni

 

 

In questo caso il grafico è abbastanza eloquente, la temperatura nel corso dell'anno segue un andamento sinusoidale (in realtà nella fase centrale sembra comparire una sorta di armonica), i raggi cosmici rispondono al variare della temperatura con un effetto opposto. Questo balletto cosmico sembra spiegare la concavità osservata in precedenza. Come avevamo già riportato su queste pagine, la temperatura influisce sul flusso di particelle tramite due distinti e opposti processi.

1.Nei periodi estivi la massa di aria si espande più in alto, ne consegue che i muoni vengono prodotti a quote più alte ed essendo assorbiti prima, la loro intensità diminuisce (Blackett 1938).

2.Con l'aumento della temperatura la densità dell'aria diminuisce, i pioni (che sono i maggiori progenitori dei muoni) tendono a decadere spontaneamente (in muoni) piuttosto che interagire con le molecole di ossigeno o azoto.

In questa osservazione prevale il primo processo.

 

Umidità

Se l'andamento tra muoni e temperatura era già percepibile nel grafico di apertura, la stessa cosa non si può dire per quanto riguarda l'umidità:

 

Relazione tra umidità e muoni

 

Qui a vista è difficile scorgere una relazione, sembra tuttavia che alcuni picchi in aumento per l'umidità corrispondono ai picchi di aumento per i raggi cosmici. Non resta che condurre un'analisi statistica di correlazione:

 

Analisi di crosscorrelation

 

Il risultato di questa tabella dice che i grafici seguono un andamento simile, muoni e umidità in pratica vanno di pari passo con anche un ritardo di un giorno o più giorni per i muoni rispetto all'umidità, sembra che in qualche modo il livello di umidità dell'aria incide sul flusso di muoni misurato.

 

Conclusione

Come abbiamo visto, il flusso dei raggi cosmici è influenzato da quello che è definito effetto stagionale, a questo punto per cercare di ottenere la tendenza dei raggi cosmici, indipendente dai parametri atmosferici, dobbiamo cercare di eliminare tale effetto. Si tratta di un lavoro di normalizzazione tuttaltro che semplice, per questo motivo abbiamo lasciato fare questa attività in automatismo al software di analisi, di cui il risultato più soddisfacente sembra essere il seguente:

 

 

L'andamento ora ricalca più similmente quello del rivelatore di neutroni dello JUNG (preso come riferimento) e non è necessario fare altre analisi per osservare che il flusso nell'ultimo anno è sicuramente in discesa.

Per concludere di seguito l'aggiornamento da ottobre 2017 ad aprile 2018 utilizzando sempre i dati di JUNG:

 

I dati dello JUNG (10.2017-04.2018)

 

Apparentemente l'andamento del grafico - prelevato direttamente dal sito di NEST - sembra essere lineare, un'analisi più accurata rivela che i raggi cosmici in questo periodo sono in leggero rialzo. Osservare il flusso e la tendenza dei raggi cosmici è un metodo per osservare l'attività magnetica solare e tentare anche di prevedere l'andamento del ciclo periodico del Sole che ora si trova nella sua fase di quiete.

M.A.

 

I dati meteorologici sono stati forniti dalla stazione meteo ARPA - Regione Lombardia - di Saronno (VA)

I dati dello JUNG sono stati forniti da: NMDB database (www.nmdb.eu), founded under the European Union's | FP7 programme (contract no. 213007) | Jungfraujoch neutron monitor data were kindly provided by the Physikalisches Institut, University of Bern, Switzerland.

I dati di AMD5 sono stati forniti da: ADA - Astroparticle Detectors Array

 

 

 

 

 

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