Mazzoni

Il Sole era un po’ nell’aria
Prime stime sul destino del Sole, in base all’
emissione di energia che si suppone
accumulata in qualche millennio di collisioni
cometarie. Sir William Thomson (Lord Kelvin):
On the Age of the Sun's Heat
Norman Lockyer, dalle righe in assorbimento
dello spettro della fotosfera, identifica un
nuovo elemento che chiama come il dio
greco del Sole. L’Elio sarà individuato sulla
Terra solo 25 anni più tardi.
Scuola Estiva SAIt
2013
Saltara
massimo mazzoni
3
Il Sole (G2V) in cifre
deplorevole
• Distanza media dalla Terra: 149 597 870 km
• Diametro equatoriale: 1 391 994 km (108.97 diam.
)
• Diametro apparente: 32 ’
• Massa: 1.989 1030 kg
(
: 6 1024 kg)
dm= 1.4 ton/m3
• Temperatura superficiale effettiva: 5780 K
• Gravità alla superficie: 273 m/s2 (27.9 g)
• Velocità di fuga: 6.177 105 m/s (11 km/s per la
)
• Magnitudine apparente visuale: -26.78 (bolometrica –26.85)
• Magnitudine assoluta: 4.79
• Luminosità: 3.827 1026 W (costante solare: 1360 W/m2)
• Età: 4.6 109 anni
• Periodo di rotazione: 25.38 d (all’equatore)
• Composizione: H (78%), He
(20%), metalli (2%)
massimo mazzoni
4

m a ssim o m a zzo ni
5
Ripartizione della massa nel SS
Sole
99.85%
Pianeti
0.135%
Comete
0.01%
Satelliti
0.00005%
Asteroidi
0.0000002%
Meteroidi
0.0000001%
Mezzo Interstellare
0.0000001%
massimo mazzoni
6
m a ssim o m a zzo ni
7
La Perfezione ha macchie?
Ottobre 1610
Il Sole ruota
e
le macchie evolvono
Ic_2001.mpg
Solari
Macchie
Quello che vide Messer Galileo
Le Macchie Solari
Una macchia solare è un morfologia nel sole, che scende
verso l’interno, a forma d’imbuto.
L’interno è più freddo (5000°) rispetto alla superficie
(6000°), quindi appare nera per contrasto
Ma se una macchia solare fosse da sola in mezzo al cielo
sarebbe molto molto più luminosa della luna piena!
E’ l’inizio dell’Astrofisica, che
come disciplina si affermerà due
secoli e mezzo più tardi, con lo
sviluppo della Spettroscopia
Il Sole è un sistema (stella) in equilibrio meccanico e termico
Equilibrio Meccanico significa che ad ogni livello la
pressione riesce a bilanciare il peso degli strati superiori.
Data la natura del Sole, si chiama Equilibrio Idrostatico.
Equilibrio Termico significa che l’energia che emette è
uguale a quella che si produce al suo interno.
E’ dunque necessario studiare i processi di Produzione e
Trasporto dell’Energia dentro una stella per capire come
funziona
massimo mazzoni
12
Produzione & trasporto dell’Energia
Sorgente di energia
Trasporto di energia
Radiazione em
massimo mazzoni
13
William
LordThomson
Kelvin
(1824-1907)
Su di lui ci sono troppe cose da dire, e quindi non diciamo nulla
Nel 1862, sul Macmillan’s Magazine pubblica
“
On the Age of the Sun’s Heat
Gli abitanti della Terra non potranno
godere a lungo della luce e del calore per
più di qualche milione di anni, a meno che
ignote sorgenti non siano pronte..
..in the great storehouse of creation.
No, non in grandi magazzini, ma in un volume
di raggio di un millesimo di miliardesimo di
millimetro
massimo mazzoni
14
Soho, settembre 1999, @304 A
Equilibrio generale, ma..
L’origine dell’energia solare è stata dibattuta a lungo.
Prima delle scoperte di fisica atomica appariva
paradossale perché il meccanismo oggi accettato
(reazione di fusione termonucleare) non era conosciuto.
massimo mazzoni
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Sorgente di energia del Sole
 Combustione (sorgente chimica): IMPOSSIBILE; durerebbe
al più 1000 anni.
 Energia da impatto meteorico: IMPOSSIBILE; si tratterebbe
di un flusso di 3 1015 kg/s (troppo per non essere
osservato) ed è in disaccordo con i modelli di una
temperatura decrescente dall’interno verso la superficie.
 Fissione nucleare: IMPROBABILE; nel nucleo solare non
dovrebbero esserci grandi quantità di nuclei complessi.
 Contrazione solare: PLAUSIBILE; ma non è molto compatibile
né con la durata né con la potenza del Sole.
 Fusione nucleare: IPOTESI ACCREDITATA; la grande
quantità di idrogeno la rende più facile.
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16
Combustibile: 600 milioni di tonnellate di H al secondo
Bilancio: -4 milioni di tonnellate al secondo
Prodotto: 596 milioni di tonnellate di He al secondo
G
He
<
H
oltre 300 miliardi di atmosfere al
centro
18
Fusione, allora…
Nella fusione nucleare, l’energia si ottiene unendo più
atomi leggeri per dar luogo ad un singolo atomo più
pesante.
Questa reazione base è la catena protone-protone (che è
affiancata da altre reazioni minori) e consiste di più fasi.
In sintesi 4 nuclei di idrogeno producono un nucleo di elio,
due neutrini e 2 positroni che, reagendo con gli elettroni
del plasma, liberano energia radiante (fotoni).
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19
Anzi, 2 Fusioni
20
 Nucleo
Bignami solare
 Zona radiativa
 Zona convettiva
 Fotosfera
 Cromosfera
 Corona
 Macchie Solari
 Granulazione
 Protuberanza
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21
KiloWatt
Ogni secondo il Sole emette una quantità
38 reazioni
diCienergia
superiore
a quella
consumata
sono 10
al secondo
dall’umanità in tutta la sua storia.
Mezzo miliardesimo
Il sole emette 3.85 kw, moltiplicati per
100 000 000 000 000 000 000 000
centomila miliardi di miliardi
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Costante Solare
Radiazione Solare
a tutte le
lunghezze d’onda al
limite dell’atmosfera
massimo mazzoni
23
Mezzo miliardesimo del totale
Tenuto conto dei metri quadri
della superficie terreste esposta
al sole, ed anche della loro
inclinazione, si calcola che sulla
Terra arrivano in quota
5 minuti della radiazione che investe la Terra
sono pari al consumo mondiale annuale di
energia
elettrica.
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Sorgenti di Energia (ancora!)
Il Sole, come le altre stelle, ha essenzialmente due forme di
Energia al suo interno:
- Energia Termica
- Energia
Gravitazionale
L’Energia
irradiata
dal Sole è quindi
Da misure di decadimento di U238, sappiamo che la Terra
ha circa 4.5 Mld anni. Età simile deve avere il Sole.
La Luminosità del Sole è 4 1033 erg / s
Deve essere rimasta costante almeno per i 3 Mld di anni
che la vita è presente sulla Terra.

massimo mazzoni
25
La Massa del Sole è 2 x 10 33 g
Dunque si ha un rapporto Energia / Massa
4 1017 erg / g
Nessuna reazione chimica produce più di
4 1012 erg / g
Quindi se la sorgente dell’Energia fosse chimica,
il Sole avrebbe avuto una vita di soli
50 mila anni
massimo mazzoni
26
L’Energia gravitazionale del Sole è data da:
2
S
M
3
U= G
5
RS
che corrisponde a
2 1048 erg
ossia
1015 erg / g
Di nuovo insufficiente…
massimo mazzoni
27
Nel caso della fusione invece:
E = 0.0071 c2
E = 6.4 1018 erg / g
massimo mazzoni
28
1893
Il 1893 fu un anno di massimo dell’attività solare.
Walter Maunder, del Royal Greenwich Obs., si accorse,
studiando gli annali dell’Osservatorio, che le registrazioni
solari del secolo precedente erano stranamente scarne.
Per 32 anni non era stata osservata neppure una macchia.
Per 65 anni il numero totale di macchie era stato minore
di quello di un solo anno di attività media.
Nel 1894 pubblicò, nell’indifferenza generale, “Un minimo
prolungato delle macchie solari”.
Nel 1922 ripubblicò, nella solita indifferenza generale, “Un
minimo prolungato delle macchie solari”.
Nel 1928 morì.
29
H-R, MS
All’esperienza
individuale,
il Sole
appare
Infatti
è una stella
stabile sulla
Sequenza
comePrincipale
una sorgente
costante diH-R.
energia
del diagramma
30
Il Sole è (anche) una stella (magnetica) variabile
+ 22
11 y
Non varia solo il campo magnetico: durante il ciclo solare
variano anche l’emissione di radiazione em a tutte le
lambda ed il vento solare, alternando massimi e minimi.
31
Le Macchie Solari
Il segno più evidente del ciclo solare sono le macchie solari.
Nel 1826 un farmacista tedesco astronomo dilettante
cercando il pianeta Vulcano, iniziò ad osservare le
macchie. Dopo 17 anni annunciò che queste
mostravano un periodo di circa un decennio.
Il direttore dell’Osservatorio di Zurigo,
Rudolf Wolf, condusse una ricerca sugli Heinrich
Schwabe
annali astronomici di 150 anni stabilendo
che il ciclo non è costante come durata e
ampiezza, ed ha un periodo medio di 11.1 anni.
32
Le Macchie Solari
Il loro periodo di solito è compreso tra i 10 ed i 12 anni.
Ma è stato anche di 8 e di 17 anni (inizio ‘800).
L’ampiezza è variata da 48 (1804, 1818) a 190 (1957).
L’associazione col campo magnetico si deve a George
Ellery Hale, del Mt. Wilson Obs., che misurò
l’ allargamento e la polarizzazione delle righe di
assorbimento nello spettro delle macchie, come si era
osservato in laboratorio negli spettri dei gas magnetizzati.
La misura dell’effetto Zeeman rivelò un campo solare tra
2000 e 3000 gauss. Sulla Terra, il campo magnetico è di
circa 1 gauss. Oggi sappiamo che il campo solare è così
intenso solo in corrispondenza delle macchie.
33
I tubi di flusso
34
Il modello
L’evoluzione del campo magnetico
solare non è ancora compresa
completamente, ma il fenomeno
chiave sta nel fatto che il Sole
non è un corpo solido.
La rotazione differenziale è alla
base dell’inversione del campo
magnetico. Il periodo all’equatore è di
25.4 d
corrispondenti a v = 2 km/s, che è circa il 20% maggiore di
quella a media latitudine. Ovviamente il periodo sinodico
(ossia quello delle macchie) è maggiore: 27.3 d
35
Dinamo solare
Nel modello attuale, è il meccanismo di
Dinamo Solare che produce il ciclo attuale
delle macchie: i campi magnetici generati in
profondità nella stella interagiscono con la
rotazione differenziale superficiale e generano
correnti elettriche che sono, a loro volta,
responsabili del campo magnetico associato
alle macchie.
36
La (non) Costante Solare
E’ la quantità di radiazione che arriva sulla Terra dal
Sole per unità di tempo e superficie, misurata su un
piano perpendicolare ai raggi, al livello superiore
dell'atmosfera terrestre, integrando a tutte le
lunghezze d’onda.
Si calcola facilmente, con la legge inversa del quadrato della
distanza, che la sua variazione tra afelio e perielio è circa il
Ma dura per pochi mesi. Dagli anni ’80 (SMM) c’è un
monitoraggio costante della radiazione solare. Fenomeni
occasionali possono produrre variazioni dello 0.2%
37
La (non) Costante Solare
Durante il ciclo solare, l’aumento di luminosità tra min e
max produce un aumento medio della temperatura
terrestre di 0.1 K. Può sorprendere che più numerose sono
le macchie, più alta è l’emissione di energia. Questo
avviene perché con il numero delle macchie aumenta
anche quello delle aree attive, e la loro superficie è in
generale maggiore di quella delle macchie.
Viceversa, si è calcolato che un calo della densità di flusso
radiante di qualche 0.n% protratta per decenni,
produrrebbe una diminuzione delle temperature di circa
0.5 K sotto i valori medi.
38
Space Weather
La Climatologia spaziale è una disciplina giovane:
ha un’età di poco più di un paio di decenni.
Secondo i geofisici, un raffreddamento medio di mezzo
grado esteso nel tempo sarebbe sufficiente per un’
estensione della copertura glaciale verso medie latitudini,
con pesanti effetti sull’Europa.
Il clima terrestre è un fenomeno complesso che dipende
dalla costante solare solo in approssimazione zero.
Circolazione atmosferica ed oceanica, precipitazioni,
salinità e fenomeni di superficie sono gli altri fattori, per
cui una piccola causa può essere amplificata in modo
inatteso.
39
14C
Un metodo per le datazioni storiche si basa sul 14C,
assorbito dalle piante nella fotosintesi.
La produzione dell’isotopo nell’alta atmosfera terrestre
dipende (anche) dagli energetici raggi cosmici galattici. La
loro penetrazione nel sistema solare diminuisce al crescere
dell’attività solare, a causa dei campi magnetici portati dal
vento solare. Ossia: Sole più quieto, maggiore 14C.
Quindi l’attività solare negli ultimi secoli può essere datata
e controllata misurando l’abbondanza relativa del 14C negli
anelli degli alberi centenari.
40
“Cursus macularum” 1643
41
“Un minimo prolungato delle macchie solari”
L’osservazione durò 10 giorni nel
Maggio del 1643 ed Hevelius
pubblicò la tavola nel libro
Selenographia (1647).
L’attività solare sembrava normale.
L’anno prima era morto Galileo, due anni dopo il Sole
“portò il lutto” per 70 anni.
Infatti l’attività solare fu quasi assente dal 1645 al 1715.
42
Numero macchie per anno
Cassini
Hevelius
Scheiner
Galileo
1645-1715
Minimo di Maunder
A Parigi l’eccellente Signor Cassini ha
osservato recentemente nuove macchie sul Sole,
dopo tutti questi anni in cui non se ne videro.
Philosophical Transaction of the Royal Society of London
43
Il conteggio
Ci sono altre prove.
Per gli astronomi del tempo, come Hevelius o Domenico
Cassini, ligure, studiare numero e forma delle macchie era
una tipica attività.
1610
9
1620
6
Dalle loro registrazioni si hanno i dati:
1630
9
1640
0
1650
3
1660
7
1670
0
1680
1
44
Aurore boreali
Ci sono altre prove.
Per tutta l’estensione del Minimo di Maunder non si
osservarono aurore boreali. Lo stesso Halley, divenuto
Astronomo Reale, nel 1716 scrive un articolo per
spiegare la natura di un aurora appena osservata, che,
afferma, è la prima della sua vita.
Quell’anno ne compiva 60.
45
Effetti sulla Terra
Già Maunder si era interessato alle possibili conseguenze
delle variazioni dell’attività solare sul bilancio energetico
terrestre.
Oggi ci si è resi conto che potrebbe essere soltanto una
coincidenza, però..
Però di fatto l’intervallo del Minimo di Maunder si accorda
bene con gli anni di minor temperatura, entro un periodo
così freddo da essere chiamato Piccola Era Glaciale.
Eppure, secondo i climatologi moderni, l’abbassamento
di temperatura rispetto ai valori storici fu dell’ordine di
46
MM sta per Minimo di Maunder
Durante il MM il numero di macchie osservato fu circa 1
millesimo di quello per un periodo standard di ugual
lunghezza. Il MM iniziò senza altri fenomeni di preavviso,
mentre la fine fu graduale.
La piccola era glaciale andò dall’inizio ‘400 a circa metà
‘800, coinvolgendo Europa e Nord America.
47
I soliti esempi
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Una possibile spiegazione
Eddy, studiando i dati di Hevelius aveva ricavato che,
subito prima del MM, il Sole sembrava ruotare più
velocemente, quasi un giorno in meno a periodo.
Una possibile spiegazione suggerisce un successivo
❷
❶
rallentamento dovuto all’espansione del Sole, che ha
provocato anche un suo raffreddamento.
❸
La relazione causa-effetto non sarebbe tra riduzione delle
macchie e clima terrestre, ma tra raffreddamento del
Sole, la cui attività ha un indice nelle macchie, e clima sul
nostro pianeta.
49
Il Precambriano del Galles
Il Cambriano inizia col formarsi della vita marina
dopo il dominio esclusivo dei batteri.
Avviene 540 milioni di anni (Ma) fa, + o Tutto il periodo precedente, a partire dalla
formazione della Terra, si chiama Pre-cambriano.
La formazione della Terra si ha 4570
Ma fa, quindi il Pre-cambriano
copre l’88% della storia del pianeta.
massimo mazzoni
50
Stromatoliti
Le prime formazioni risalgono ad oltre 3
miliardi di anni fa.
Ma c’è un loro netto calo verso la fine del
Precambriano.
Si pensa che a quel tempo, la Terra fosse..
massimo mazzoni
51
Questo è un effetto a feedback
positivo, per motivi di albedo.
Ciò che ha permesso un risalita della
temperatura della Terra sembra sia
stato l’effetto di ..
massimo mazzoni
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Ciò che ha permesso un risalita della
Questo è un effetto a feedback
temperatura della Terra sembra sia
positivo, per motivi di albedo.
stato probabilmente l’effetto di ..
che ha permesso l’esposione vitale del
Cambriano
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