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Navegando por Autor "Prestes, Alan"

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Ahead-of-Tsunami magnetic disturbance detection using intrinsic mode functions: Tohoku-Oki earthquake case study
(Springer Nature Link) Oliveira, Virgínia Klausner de; Macedo, Humberto Gimenes; Prestes, Alan
We document magnetic disturbances that occurred during the Tohoku-Oki tsunami of 11 March 2011 using empirical mode decomposition (EMD) in a dataset derived from a network of ground-based magnetometers (INTERMAGNET and GIS). The disturbances, obtained by filtering the magnetic field data using the first intrinsic mode function (IMF1) of EMD, propagate ahead of the tsunami at a speed in the range of 600–1.6 km/s. They also appear 3 min (near-field) to 2 h (far-field) earlier than the tsunami arrival at the magnetic observatories. We refer to these distur- bances as ahead-of-tsunami magnetic disturbances (ATMDs). A comparison with seismometer data shows them arriving 10 min after the arrival of Rayleigh waves. Their association with both seismogenic and tsunamigenic processes is discussed, and it is argued that the tsunamigenic process can well explain the magnetic disturbance propagation characteristics at the far-field. At near- field, the ATMDs are the coseismic magnetic signatures mainly driven by surface Rayleigh waves. Monitoring these ATMDs can be extremely useful for the early warning of the tsunami.
Análise de componentes principais aplicada à dendrocronologia
Silva, Daniela Oliveira da; Oliveira, Virgínia Klausner de; Prestes, Alan; Macedo, Humberto Gimenes
Avaliação de forçantes geofísicas e climáticas em dados dendrocronológicos utilizando a análise de componentes principais
(2020-01-31) Prestes, Alan; Oliveira Filho, Irapuan Rodrigues de; Fernandes, Francisco Carlos Rocha; Echer, Mariza Pereira de Souza; Vieira, Luis Eduardo Antunes; Silva, Daniela Oliveira da; Oliveira, Virgínia Klausner de; São José dos Campos
As árvores para se desenvolverem dependem de fatores internos, fatores biológicos, e de fatores externos, fatores ambientais. Fatores biológicos determinam a tendência natural de crescimento da espécie, enquanto os fatores ambientais, como por exemplo a temperatura e a precipitação, influenciam no maior ou menor crescimento dependendo das condições serem favoráveis ou não, ou seja, um meio desfavorável reduz o crescimento, pois ele interfere em diversos processos fisiológicos essenciais. Assim, informações sobre essas variáveis são conservadas em seus anéis de crescimento. O Sol é um dos principais fatores que influenciam neste desenvolvimento, proporcionando a possibilidade da árvore realizar fotossíntese, e por sua influência na temperatura atmosférica. Devido a essa influência direta e indireta, podemos utilizar as árvores como um registro natural da relação Sol-Terra-Clima, avaliando séries temporais dos anéis de crescimento de árvores. Assim, utilizou-se amostras da espécie imbuia, (Ocotea porosa (Nees & Mart) Barroso), coletadas na cidade de General Carneiro, região Sudeste do Estado do Paraná (26º24’01 25"S 51º24’03 91"O), Brasil, para estudar a condições ambientais no passado desta região. As amostras selecionadas para este estudo foram obtidas por meio de Análise de Clusters, que classifica objetos (amostras) com base em suas semelhanças. Com a finalidade de obter melhores resultados, aplicou-se nas séries dendrocronológicas de imbuia o método estatístico Análise de Componentes Principais (Principal Component Analysis - PCA) para analisar os dados obtidos a partir da Análise de Clusters. Estudo este realizado com auxílio do Software Matlab, onde executou-se o cálculo das Componentes Principais (PC). Obtidas as PCs, reconstruiu-se as séries sem a 1ª PC, sendo esta uma estimativa da tendência que melhor representa o crescimento natural de todas as árvores do local. Esta remoção, junto com a criação de uma série dendrocronológica média, faz-se necessária para maximizar os sinais dos fatores climáticos/geofísicos, que influenciaram no desenvolvimento das árvores. Os resultados obtidos pelo método de análise por PCA foram comparados com resultados obtidos em outro estudo das mesmas amostras, que utilizou o método de ajuste de curva polinomial (ACP) para representar a tendência de crescimento de cada árvore, desta forma, validouse a PCA como ferramenta para modelar a tendência de crescimento das árvores. O estudo dendroclimático foi realizado a partir de séries de precipitação e temperatura de reanálise obtidas em estações próximas ao local de estudo. Calculou-se a correlação de Pearson e sua significância entre a série dendrocronológica média e as séries climáticas anuais, mensais, e por estações. Os resultados obtidos mostram que as amostras da espécie imbuia do local de estudo tem estreita relação com a precipitação, apresentando melhor desenvolvimento durante as estações de primavera e verão. A partir desta conclusão, foi realizada a reconstrução dos padrões de precipitação para o local, utilizando a série de precipitação primavera-verão com a série dendrocronológica média, por meio do método de Análise de Componentes Principais e pelo método de Regressão Linear. A correlação entre as séries reconstruidas com a série de precipitação da primavera-verão, durante os anos em que ambas as séries coexistem, deram os valores de 61,97% para a reconstrução da PCA e 39,45%, para a reconstrução da Regressão Linear. Já a correlação entre ambas as séries reconstruídas apresentou uma correlação de 91,02%. Com os resultados apresentados pela PCA para a obtenção da Série Dendrocronológicas Média na reconstrução da precipitação, mostra que este método estatístico pode ser utilizado em todos os passos de análise de um estudo dendrocronológico/dendroclimático.
Caracterização geométrica de nuvens magnéticas interplanetárias por meio de experimentos computacionais
(2021-04-01) Ojeda González, Arian; Prestes, Alan; Oliveira, Virgínia Klausner de; Echer, Ezequiel; Silva, Marlos Rockenbach da; Oliveira, Rosemeire Aparecida Rosa; Pillat, Valdir Gil; São José dos Campos
Nuvens Magnéticas constituem de um caso particular das Ejeções de Massa Coronais Interplanetárias que são observadas no vento solar por diferentes satélites e apresentam características peculiares usadas em sua identificação. Esses eventos podem ser modelados analiticamente pelo modelo livre de força como um cilindro infinito, também chamado tubo de fluxo. Para encontrar a orientação do eixo do cilindro, o método da mínima variância (MVA) é aplicado em observações do campo magnético interplanetário. O MVA é um problema clássico de autovalores e autovetores que transforma dados medidos in situ em um novo sistema de coordenadas bidimensional, representando a melhor seção transversal possível do cilindro proposto pelo modelo livre de força. A aplicabilidade do MVA é tradicionalmente definida de acordo com relações entre os autovalores. No entanto, as regras de degeneração existentes na literatura são baseadas em estatísticas de erros. Além disso, os autovetores associados a estes autovalores, determinam a direção do eixo da nuvem magnética. Nesse sentido, o cálculo dos ângulos, os planos de máxima e de mínima variância e o tipo de tubo de fluxo desse novo sistema de coordenadas fica comprometido, uma vez que o método não especifica a orientação do eixo. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é relacionar o MVA e o modelo livre de força do ponto de vista geométrico. Com isso, propôs-se uma métrica capaz de medir a degeneração dos autovalores a partir da geometria do espaço de variância gerado pelo MVA. Além disso desenvolveu-se e será disponibilizado à comunidade científica um experimento computacional com interface gráfica, semi automático embasado no modelo livre de força e no método da mínima variância, a fim de sanar os problemas relacionados com o sentido dos autovetores gerados pelo MVA.
Climate Influence in Dendrochronological Series of Araucaria angustifolia from Campos do Jordão, Brazil
(MDPI) Silva, Daniela Oliveira da; Prestes, Alan; Klausner, Virginia; Souza, Táyla Gabrielle Gonçalves de
A dendrochronological series of Araucaria angustifolia was analyzed for a better under- standing of the climatic factors that operate in Campos do Jordão city, São Paulo state, Brazil. The dendroclimatic analysis was carried out using 45 samples from 16 Araucaria angustifolia trees to recon- struct the precipitation and the temperature over the 1803–2012 yearly interval. To this end, Pearson’s correlation was calculated between mean chronology and the climatic time series using a monthly temporal resolution to calibrate our models. We obtained correlations as high as r = 0.22 (α = 0.1) for precipitation (February), and r = 0.21 (α = 0.1) for temperature (March), both corresponding to the end of the summer season. Our results show evidence of temporal instabilities because the corre- lations for the halves of 1963–2012 were very different, as well as for the full period. To overcome this problem, the dendrochronological series and the climatic data were investigated using the wavelet techniques searching for time-dependent cause–effect relationships. From these analyses, we find a strong influence of the region’s precipitation and temperature on the growth of tree ring widths.
Contextualização e interdisciplinaridade: revisando conceitos e aplicações no ensino de física e ciências
(Universidade do Vale do Paraíba) Fernandes, Francisco Carlos Rocha; Prestes, Alan
O ensino da disciplina de Física se baseia, muitas vezes, na apresentação dos conteúdos, conceitos e leis físicas de forma mecânica e fragmentada, além de distanciada das experiências e vivências prévias dos alunos. Em oposição a essa realidade, os documentos oficiais, que norteiam a educação no país, como os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), apontam, entre outras concepções metodológicas, a contextualização e a interdisciplinaridade do conhecimento como abordagens educacionais facilitadoras de uma aprendizagem, na qual, educadores e alunos são agentes ativos na construção do conhecimento. Neste artigo, é apresentada uma revisão da literatura dos conceitos de contextualização e interdisciplinaridade no ensino de Física do Ensino Médio e de Ciências no Ensino Fundamental, com o objetivo de melhor entender seu importante papel nas propostas e ações de ensino-aprendizagem, que privilegiam um conhecimento contextualizado e integrado à vida do educando. Relatos de experiências bem-sucedidas na adoção destas concepções são também apresentados e comentados.
Desenvolvimento de Ferramentas Computacionais para o Estudo de Variações Geomagnéticas e de Distúrbios Ionosféricos Propagantes
(2022-03-11) Oliveira, Virgínia Klausner de; Muella, Marcio Tadeu de Assis Honorato; Gomes, Anna Beatriz Silva; Cândido, Claudia Maria Nicoli; Macedo, Humberto Gimenes; Prestes, Alan; São José dos Campos
Esta dissertação aborda as assinaturas geomagnéticas e ionosféricas causadas por eventos solares, sísmicos e oceânicos. A atividade solar, principalmente as ejeções de massa coronal e as regiões de interação corrotantes, podem gerar variações geomagnéticas na forma de tempestades magnéticas e eventos HILDCAA em virtude do acoplamento entre a magnetosfera e o vento solar. Por outro lado, durante a ocorrência de terremotos tsunamigênicos verifica-se o desenvolvimento de ondas de gravidade na atmosfera neutra, pois a gravidade atua como uma força restauradora a fim de reestabelecer o equilíbrio após a perturbação inicial. Estas, por sua vez, propagam-se até a termosfera, onde interagem com o plasma ionosférico por meio de colisões entre íons e neutros, produzindo correntes elétricas e campos magnéticos secundários. Consequentemente, variações geomagnéticas irregulares são produzidas, com períodos e amplitudes na ordem de minutos e poucos nT , respectivamente. Além disso, devido ao fenômeno de indução por movimento, os fluxos oceânicos associados a um tsunami também geram variações geomagnéticas, tendo em vista que as águas oceânicas constituem um fluido condutor em movimento que está imerso no campo geomagnético. Em altitudes ionosféricas, as ondas de gravidade colocam a ionosfera em movimento e se manifestam como distúrbios ionosféricos propagantes, isto é, como flutuações de natureza ondulatória na densidade do plasma ionosférico. Esses distúrbios podem ser detectados por meio de várias técnicas de rádio sondagem, mas atualmente as medições do conteúdo eletrônico total obtidas por meio de sinais de satélite são utilizadas com esta finalidade. Tendo em vista o exposto, o propósito do presente trabalho é desenvolver ferramentas computacionais munidas com as principais técnicas matemáticas, tais como análise wavelet e decomposição em modo empírico, para a identificação e caracterização de variações geomagnéticas e distúrbios ionosféricos propagantes causados tanto pela atividade solar quanto por terremotos tsunamigênicos. Além de seu propósito científico, este trabalho tem importância prática, pois a compreensão desses fenômenos pode ajudar no desenvolvimento de sistemas de previsão e alerta do Clima Espacial e de catástrofes, podendo evitar ou mitigar prejuízos econômicos e, principalmente, humanos.
Enhancing learning of the Grad-Shafranov Equation through scientific literature: part 1 of a physics education series
(Sociedade Brasileira de Física) Ojeda González, Arian; Santos, Lenadro Nunes dos; La Luz, Victor Hugo de; Oliveira, Matheus Felipe Cristaldo de; Sousa, Antonio Nilson Laurindo; Prestes, Alan; Klausner, Virgínia; Pilling, Sergio
This article provides a comprehensive review of relevant studies in the fields of plasma physics, electromagnetism, and space physics. The aim is to demonstrate how the study of the scientific literature can be used to enhance problem-solving abilities and develop innovative solutions in physics. In this paper, we focus on the study of solutions of the specific Grad-Shafranov equation. Two of the new solutions proposed by Yoon and Lui (2005) are used as a basis for the development of a new solution. The new solution presented has singular points similar to the Yoon-Lui-2 solution, but with an inverted configuration, and also presents less rounded double islands compared to the Yoon-Lui-2 solution. Additionally, the new solution does not exhibit the formation of a current ring, a characteristic of the Yoon-Lui-1 solution, and varying its parameters may lead to higher plasma confinement efficiency. In summary, we illustrate how a thorough analysis of literature can serve as a powerful means for generating innovative approaches to resolving theoretical issues in physics.
Enhancing learning of the Grad-Shafranov equation through scientific literature: part 2 of a physics education series
(Sociedade Brasileira de Física) Santos, Lenadro Nunes dos; Ojeda González, Arian; La Luz, Victor Hugo de; Oliveira, Virgínia Klausner de; Pilling, Sergio; Prestes, Alan; Sousa, Antonio Nilson Laurindo; Oliveira, Matheus Felipe Cristaldo de
In part 1 of our physics education series, we introduced a novel solution based on Yoon-Lui’s solutions 1 and 2. Building upon that, this follow-up presents a new solution obtained by combining the generating functions of Yoon-Lui-1 and Yoon-Lui-3, resulting in a new and simplified general solution. We also calculate the singular points and determine their coordinates for various parameter values. A graphical representation of the solution is presented, showing the magnetic field lines and current density distribution. The behavior of the magnetic field and the effect of varying the parameter are discussed. The observed magnetic islands and singular points are relevant in the fields of Plasma Physics and Space Physics, providing insights into magnetic structures in plasmas and their impact on confinement and stability. Furthermore, this study encourages innovation and equips researchers and students with the necessary tools to make meaningful contributions to the field, emphasizing the integration of scientific literature into physics education to promote a comprehensive understanding of physical concepts and their practical applications.
Estudo estatístico das variações de entropia do campo magnético interplanetário no ponto de lagrange L1 nos anos de 1999 a 2001
(2020-03-10) Ojeda González, Arian; Prestes, Alan; Oliveira, Alexandre Soares de; Mendes Junior, Odim; Cardoso, Marcus Vinicius Chemello; São José dos Campos
A pesquisa teve como foco a estimativa das variações nos valores de entropia no campo magnético interplanetário no ponto de Lagrange L1 no período de 1999 a 2001, utilizando quatro métodos: Entropia Espaço-Temporal (STE), Entropia Espectral (SE), Entropia na análise de quantificação de recorrência (ENTR) e densidade de entropia em período de Recorrência (RPDE). Os dados foram colhidos do satélite ACE e com eles obtidos as séries temporais do campo magnético interplanetário (IMF) e das componentes da velocidade do vento solar. A partir dessa etapa a entropia foi calculada de cada componente do IMF, criando-se para cada método os seguintes índices: IESTE, IESE, IEENTR e IERPDE. A obtenção destes índices possibilitou fazer uma análise estatística da entropia do ano 1999 a 2001 e separar os diferentes tipos de Distúrbios interplanetários (DIs) para estudar suas características. Neste trabalho foram identificados dezoito intervalos Alfvênicos com durabilidade maior que dois dias e vinte intervalos não-Alfvênicos também de longa duração. A correlação linear do IESTE com IESE, IEENTR, e IERPDE foi de 60, 8%, -82, 2% e 31, 5%, respectivamente. No estudo dos DIs, o IESE e IEENTR mostraram resultados semelhantes ao IESTE na caracterização dos eventos. No entanto, o IESTE foi melhor para identificar ICMEs, flux-ropes e MCs. O IESE se mostrou melhor para estudar eventos Alfvênicos de longa duração. Dos métodos utilizados apenas o RPDE não apresentou valores do IERPDE estatisticamente significativos para caracterizar os DIs. O trabalho deixa em aberto a possibilidade de utilizar de forma automática o IESE e IEENTR para estender o estudo estatístico em outros anos. A escolha do máximo do ciclo solar 23 permitiu analisar uma quantidade estatisticamente significativa de DIs, pois num período de mínimo teríamos mais dificuldades para caracterizá-los.
Exploring patterns in dendrochronological data through cluster analysis
(Universidade Federal do Paraná) Muraja, Daniela Oliveira Silva; Leite, Cecília Lemes; Klausner, Virginia; Prestes, Alan; Silva, Iuri Rojahn da
This study employed the dendrogram methodology to analyze time series data obtained from measuring tree growth rings. A total of 64 samples were collected from 21 individual trees. Polynomials were applied to filter the natural growth pattern of the trees and enhance the impact of external factors, such as climate influences. Cluster analysis using Ward's minimum variance and Euclidean squared distance was utilized to group the data based on similarity. Three dendrograms were constructed, consisting of 10, 47, and 64 samples, respectively. The analysis revealed that the samples with the highest correlations, encompassing over 95% of the total samples, formed homogeneous groups. Pearson correlation was also employed to confirm the results obtained from the dendrograms. Consequently, it can be affirmed that the most suitable samples were utilized in constructing the average chronology from the available data.
Exploring the centennial-scale climate history of Southern Brazil with Ocotea porosa (Nees & Mart.) Barroso Tree-Rings
(MDPI) Muraja, Daniela Oliveira Silva; Klausner, Virginia; Prestes, Alan; Aakala, Tuomas; Macedo, Humberto Gimenes; Silva, Iuri Rojahn da
This article explores the dendrochronological potential of Ocotea porosa (Nees & Mart) Barroso (Imbuia) for reconstructing past climate conditions in the General Carneiro region, Southern Brazil, utilizing well-established dendroclimatic techniques. A total of 41 samples of Imbuia were subjected to dendroclimatic analysis to reconstruct precipitation and temperature patterns over the period from 1446 to 2011. Notably, we achieved the longest reconstructions of spring precipitation and temperature for the Brazilian southern region, spanning an impressive 566-year timeframe, by employing a mean chronology approach. To achieve our objectives, we conducted a Pearson’s correlation analysis between the mean chronology and the climatic time series, with a monthly temporal resolution employed for model calibration. Impressively, our findings reveal significant correlations with coefficients as high as |rx,P| = 0.32 for precipitation and |rx,T| = 0.45 for temperature during the spring season. Importantly, our climate reconstructions may elucidate a direct influence of the El Niño—South Oscillation phenomenon on precipitation and temperature patterns, which, in turn, are intricately linked to the natural growth patterns of the Imbuia trees. These results shed valuable light on the historical climate variability in the Southern Brazil region and provide insights into the climatic drivers affecting the growth dynamics of Ocotea porosa (Nees & Mart) Barroso.
Geomagnetic Disturbances During the Maule (2010) Tsunami Detected by Four Spatiotemporal Methods
(Springer Nature Link) Klausner, Virginia; Macedo, Humberto Gimenes; Cezarini, Marina Vedelago; Ojeda-González, Arian; Prestes, Alan; Cândido, Claudia Maria Nicoli; Kherani, Esfhan Alam; Santos, Thiago de Almeida
Separating tsunamigenic variations in geomagnetic field measurements in the presence of more dominant magnetic variations by magnetospheric and ionospheric currents is a challenging task. The purpose of this article is to survey the tsunamigenic variations in the vertical component (Z) and the horizontal component (H) of the geomagnetic field using four spatiotemporal methods. Spatiotemporal analysis has shown enormous potential and efficiency in retrieving tsunamigenic contributions from geomagnetic field measurements. We select the Maule (2010) tsunami event on the west coast of Chile and examine the geomagnetic measurements from 13 ground magnetometers scattered in the Pacific Ocean covering a wide area from Chile, crossing the Pacific Ocean to Japan. The tsunamigenic magnetic disturbances are possibly due to two types of contributions, one arising from direct ocean motion and the other from atmospheric motion, both associated with tsunami forcing. Moreover, even though the tsunami waves decrease considerably with increasing epicentral distance, the tsunamigenic contributions are retrieved from a magnetic observatory in Australia ( 13,000 km radial distance from the epicenter). These results suggest that various types of tsunamigenic disturbances can be identified well from the integrated analysis framework presented in this work.
Identificação e análise de eventos HILDCAA/HILDCAA* para o ano de 1998 usando Python
(Universidade do Vale do Paraíba) Lamin, Isabelle Cristine Pellegrini; Klausner, Virginia; Ojeda González, Arian; Prestes, Alan; Pillat, Valdir Gil; Cezarini, Marina
O artigo visa o desenvolvimento de um novo algoritmo via Python para estudar eventos de Atividade Auroral Contínua do Índice AE (Eletrojato Auroral), de Grande Intensidade e Longa Duração, HILDCAAs e HILDCAAs* (no qual * corresponde ao fenômeno HILDCAA flexibilizado). Este algoritmo é baseado e validado por meio do algoritmo previamente desenvolvido por Prestes et al. (2017a) em MATLAB. O intuito deste novo algoritmo proposto aqui é tornar o fluxograma deste acessível a todos os usuários, além de complementar e atualizar o algoritmo em MATLAB já existente. Um importante aspecto é o fato da linguagem de programação de alto nível Python ser uma ferramenta gratuita. Ademais, o artigo também objetiva a comparação dos eventos encontrados no ano de 1998 neste trabalho com aqueles obtidos por Prestes et al. (2017a) e Guarnieri (2006). A nova flexibilização adotada aqui não tem a intensão de suprimir ou modificar a concepção original das HILDCAAs, mostra que os eventos encontrados aqui continuam associados aos fenômenos HSSs/CIRs (Feixes Rápidos do Vento Solar/Regiões de Interações Corrotantes).
Identification of ocean-atmosphere and solar parameters in araucaria angustifolia growth ring chronologies : a comparison between cities in southern Brazil
(2023-08-23) Muraja, Daniela Oliveira Silva; Oliveira, Virgínia Klausner de; Oliveira Filho, Irapuan Rodrigues de; Ojeda González, Arian; Oliveira, Luiz Eduardo de; Fernandes, Francisco Carlos Rocha; Echer, Mariza Pereira de Souza; Prestes, Alan; Aakala, Tuomas; São José dos Campos,
Compreender o clima regional do sul do Brasil é de grande importância devido à alta variabilidade climática na região, que afeta o crescimento das árvores. A Dendrocronologia, que examina os anéis de crescimento das árvores, é uma ferramenta valiosa para estudar parâmetros climáticos e geofísicos que influenciam uma região. Isso permite o desenvolvimento de modelos matemáticos potenciais para reconstruir climas passados e até mesmo identificar ciclos solares antigos. Para este estudo, a espécie Araucaria angustifolia foi utilizada devido às suas características morfológicas e anatômicas, anéis de crescimento visíveis, longevidade e adequação para pesquisas dendrocronológicas e dendroclimáticas (sensibilidade climática). As amostras usadas neste estudo fazem parte de um banco de dados do Laboratório de Registros Naturais, onde algumas das quais foram previamente estudadas por outros pesquisadores. Além disso, uma nova série de amostras para a cidade de Canela (29 ° 19’ S lat and 50° 48’ lon) é introduzida e analisada nesta tese. Todas as séries passaram pelo mesmo método de remoção de tendências e correção da variância da cronologia média, e dados estatísticos expressando a qualidade das séries foram obtidos. A região de interesse para este estudo é o sul do Brasil, caracterizada por estações do ano bem definidas e influenciada pelos Oceanos Atlântico e Pacífico, que impactam o clima e os fenômenos atmosféricos na área. O principal objetivo é identificar a influência de parâmetros oceânicos-atmosféricos no crescimento das árvores, como o Índice de Oscilação Sul (IOS) e o NIÑO 3.4 (temperatura da superfície do mar no Oceano Pacífico), ligados à Oscilação Sul El Niño (ENSO). Esses parâmetros têm efeitos diretos nos níveis de precipitação, levando a condições anormalmente úmidas ou secas e impactos consequentes na agricultura, no meio ambiente e na economia. Além disso, outros parâmetros climáticos, como níveis de precipitação e temperaturas máximas, médias e mínimas para cada região, bem como a temperatura da superfície do mar do Oceano Atlântico (ATLSW), são avaliados. Além disso, o número de manchas solares (SUNSPOT) é considerado devido à influência da radiação solar na variação do clima da Terra. A identificação dos parâmetros nas cronologias regionais foi inicialmente realizada usando a correlação de Pearson, mas resultados insuficientes foram obtidos. Para superar essa limitação, utilizou-se a análise de coerência cruzada de ondeletas (WTC), que forneceu periodicidades relacionadas aos parâmetros analisados. Os resultados foram primeiramente descritos por cidade para identificar todos os parâmetros que influenciam o crescimento das árvores em cada localização. Em seguida, utilizando a potência média normalizada das ondeletas, comparou-se as respostas das cidades a cada parâmetro. Os resultados mostraram uma influência significativa de parâmetros relacionados ao ENSO, bem como a influência solar nos sinais das cronologias médias de todas as cidades. Surpreendentemente, a precipitação e a temperatura não foram os principais fatores limitantes para as árvores estudadas, possivelmente devido à existência de outros fatores externos que influenciam o crescimento das árvores, e a atividades humanas (desmatamento, poluição, etc). Considerando o impacto humano no meio ambiente, mudanças nas características florestais e microclima podem ter um efeito profundo na sobrevivência das árvores, inclusive na Araucaria angustifolia, que já está em risco de extinção devido à atividades intensivas de exploração madeireira nas últimas décadas. Este estudo aprimora nossa compreensão dos parâmetros climáticos, oceânicos- atmosféricos e solares que influenciam o desenvolvimento dessa espécie na região sul do Brasil. Esta tese foi trabalhada com um intuito de gerar um manual com códigos em linguagem R para facilitar a acessibilidade de pesquisadores na área, em especial alunos iniciantes do Laboratório de Registros Naturais (LRN - UNIVAP).
Ocean–atmosphere interaction identified in tree-ring time series from southern Brazil using cross-wavelet analysis
(Springer Nature Link) Muraja, Daniela Oliveira Silva; Klausner, Virginia; Prestes, Alan; Silva, Iuri Rojahn da
Tropical dendrochronology has gained significant attention in recent years, particularly with the dendrochronological study of new species that produce annual growth rings and are responsive to environmental changes. Despite the progress, the extent to which ocean–atmosphere interactions influence regional climate and, consequently, tree growth, is not fully understood. Among the new species, Ocotea porosa (Nees & Mart.) Barroso (also known as Imbuia) has shown excellent potential for climate research. This study investigates the climatic and solar influences on a chronology of 41 Imbuia tree samples. Pearson’s correlation was used alongside Wavelet transform to evaluate periodicities between the tree-ring chronology and climatic parameters such as the southern-oscillation index (SOI), annual precipitation, El Niño 3.4 (PACE), and the South Atlantic Index (ATLS). Our analysis revealed evidence of the influence of the El Niño Southern Oscillation (SOI) on rainfall variability in the region, the Hale and Gleissberg solar cycles causing precipitation variation, likely due to the influence of the Atlantic Ocean, and the Brückner-Egeson-Lockyer climatic cycle, which is correlated with sunspot activity. Furthermore, our wavelet analysis identified possible connections to the Eastern Pacific-type El Niño events during five specific periods: 1911–1912, 1918–1919, 1976–1977, 1982–1983, and 1986–1987. The results indicate that southern Brazil is affected by several climatic and geophysical parameters from both the Atlantic and Pacific oceans, which directly affect the growth of Imbuia trees as their tree-ring series display sensitivity to these parameters.
Principal component analysis applied to dendrochronology
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte) Silva, Daniela Oliveira da; Klausner, Virginia; Prestes, Alan; Macedo, Humberto Gimenes
This work uses samples of the species Ocotea porosa (Nees & Mart) Barroso (Imbuia), collected in the city of General Carneiro, Southeast region of the State of Paraná (26o24'01 25"S 51o24'03 91"W), Brazil, to generate average chronology (GC index) of this region. The objective of this article is to remove the natural growth trends of trees using a tool that is still little explored for this purpose, Principal Component Analysis (PCA). In each tree sample, the width of each growth ring was measured, obtaining a time series (1 ring per year). The samples were selected using Cluster Analysis, which classifies samples based on their similarities. Once the Principal Components (PCs) were obtained, the dendrochronological series were reconstructed without the first PC. This methodology is an estimate of the trend that best represents the natural growth of all trees on the site. The arithmetic mean of the series without the 1st PC is the GC index. It was found that PCA has three benefits: fast data processing, preservation of low-frequency signals and, when integrated with a powerful tool, the Alternated Least Squares (ALS) method, missing data estimation.
Principal component analysis in the modeling of HILDCAAs during the Solar Minimum of Cycle 23/24
(Elsevier) Klausner, Virginia; Lamin, Isabelle Cristine Pellegrini; Ojeda-González, Arian; Macedo, Humberto Gimenes; Cândido, Claudia Maria Nicoli; Prestes, Alan; Cezarini, Marina Vedelago
In this article, we propose a new approach to model the high-intensity, long-duration, continuous AE (Auroral Electrojet) activity (HILDCAA) by relaxing one of the criteria originally designed, based on the interplanetary features during the unusual Solar Minimum of Cycle 23/24 (SMC23/24). This relaxation does not intend to suppress or modify the original HILDCAAs’ conception, but propose a new view of the same phenomena by enlarging the sample of events, which in turn may improve space weather monitoring and prediction programs. To assess and classify the Alfvénity associated with HILDCAAs, the values of 4h-Windowed Pearson Cross-Correlation (4WPCC) between the IMF components and the solar wind speed components observed in situ at the Lagrangian point L1 (1 AU) were evaluated. The principal component analysis (PCA) was performed on the dataset and, from the first three principal components, which represent 65% of the accumulative percent variance, we applied principal component regression (PCR) in each of the following parameters: the AE index, the Interplanetary Magnetic Field (IMF) components, the plasma density, the solar wind speed, the temperature, the IMF magnitude, and the SYM-H geomagnetic index. Furthermore, we applied Multiple Linear Regression (MLR) to establish a linear model to express the AE index in terms of the PCR-based model parameters. The AE MLR-based model demonstrated to hold a prognosis potential for HILDCAAs. Despite that, this model is only suitable for the SMC23/24. In this sense, this model might be implemented a real-time analysis for short-term HILDCAA prognosis in the near future.
Principal Components Analysis: An Alternative Way for Removing Natural Growth Trends
(Springer Nature Link) Silva, Daniela Oliveira da; Klausner, Virginia; Prestes, Alan; Macedo, Humberto Gimenes; Aakala, Tuomas; Silva, Iuri Rojahn da
In this article, we establish a new approach for removing natural growth trends from tree-ring samples, also called detrending. We demonstrate this approach using Ocotea porosa (Nees & Mart) Barroso trees. Nondestructive samples were collected in General Carneiro city, located in the Brazilian southern region (Paraná state). To remove natural tree growth trends, principal components analysis (PCA) was applied on the tree-ring series as a new detrending method. From this, we obtained the tree-ring indices by reconstructing the tree-ring series without the first principal component (PC), which we expect to represent the natural growth trend. The performance of this PCA method was then compared to other detrending methods commonly used in dendrochronology, such as the cubic spline method, negative exponential or linear regression curve, and the regional curve standardization method. A comparison of these methods showed that the PCA detrending method can be used as an alternative to traditional methods since (1) it preserves the low-frequency variance in the 566-year chronology and (2) represents an automatic way to remove the natural growth trends of all individual measurement series at the same time. Moreover, when implemented using the alternating least squares (ALS) method, the PCA can deal with tree-ring series of different lengths.

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