Il Sole, le relazioni Sole Terra e l`energia solare

Il Sole, le relazioni Sole Terra e l’energia solare
Alberto Righini
Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università degli Studi di Firenze
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Il Sole è una stella non sostanzialmente diversa dal gran numero di stelle che affollano il cielo
notturno. Si è formato circa cinque miliardi di anni fa e attualmente sta “bruciando” il suo combustibile
nucleare piuttosto lentamente tanto che, date le scorte disponibili, si prevede che vivrà ancora per altri cinque
miliardi di anni prima di evolvere verso stati che costituiranno un breve preludio alla sua trasformazione in
una stella del tipo nana bianca. Il Sole si trova a circa trentamila anni luce dal centro della nostra Galassia,
sufficientemente lontano dai fenomeni altamente energetici che hanno luogo vicino al nucleo galattico e
appartiene al così detto braccio di Orione della Galassia.
Le caratteristiche fisiche del Sole sono comuni a più del 90% delle stelle della nostra Galassia, al suo
intorno si è sviluppato a un sistema planetario che fino a agli anni ’90 del XX secolo si riteneva essere una
caratteristica molto peculiare della stella, adesso le moderne tecniche osservative sembrano suggerire che
molte stelle di tipo solare sono il centro di sistemi planetari anche se per ora “mostruosi” se confrontati al
nostro, ma il problema è solo di selezione osservativa, perché le tecniche adottate per ora, molto
difficilmente, possono rilevare l’esistenza di piccoli pianeti di tipo terrestre.
L’energia solare emessa dal Sole è fondamentale per rendere la Terra un pianeta abitabile tuttavia la
temperatura media del Nostro Pianeta dipende sia dalla quantità di energia che il Sole ci invia nell’unità di
tempo, sia da quella che il nostro ecosistema è capace di trattenere. Questo equilibrio, apparentemente molto
fragile, determina il clima della Terra. Il sole influenza l’ambiente terrestre anche in molte altre maniere per
cui lo studio della stella Sole e del suo comportamento nel tempo è un argomento che presenta anche degli
aspetti pratici particolarmente rilevanti. Dispiace constatare che i fondi che vengono destinati agli studi solari
sono andati progressivamente diminuendo
I calcoli teorici sulla struttura stellare1 indicano che il Sole possiede un nucleo in cui si deposita
l’elio attorno a cui c’è uno strato in cui avvengono le reazioni di fusione dell’Idrogeno e la conseguente
formazione di elio, esaurito l’idrogeno disponibile nella “buccia” in cui avviene la fusione, diminuisce
l’energia emessa e anche la pressione di radiazione che sostiene la stella che a sua volta comincia a contrarsi,
ricreando sulla superficie del nocciolo di elio le condizioni per cu la fusione possa proseguire. Naturalmente
tutto il processo non avviene a scatti ma è una situazione di equilibrio stabile che può prolungarsi fintanto
che la Stella è capace di fornire idrogeno alla buccia di bruciamento. L’energia prodotta, sotto forma di
energia elettromagnetica si propaga per radiazione venendo continuamente assorbita e ri-emessa dai
successivi strati di materia. La zona in cui avviene questo fenomeno, prende il nome di zona radiativa.
E’importante notare che in questa zona la materia solare sta ferma e l’energia emessa dal centro via via si
1
Il modello teorico della Stella Sole è stato pienamente confermato dai recenti studi di elio sismologia.
diluisce perché aumenta la superficie di ciascuna buccia sferica di stella su cui l’energia si deve distribuire e
quindi la temperatura del gas solare diminuisce fino ad un particolare limite in cui iniziano dei fenomeni di
assorbimento dell’energia da parte della materia stessa che comincia a muoversi verso l’alto. Il modo in cui
l’energia viene trasferita verso l’interno della stella cambia a circa il 70 % del raggio della stella, diventando
convettivo da radiativo che era. Questo significa che l’energia oltre che propagarsi per radiazione viene
trasportata dalla materia che si sposta dagli strati bassi fino alla superficie della stella. Il Sole, come tutte le
stelle termina, verso lo spazio, con tutta una serie di fenomeni complicati che hanno sede in strati che
prendono nome di Fotosfera, Cromosfera, Zona di Transizione, e Corona. La Fotosfera (letteralmente sfera
di Luce) è lo strato più interno che si riesce ad osservare.
Già circa nel 400 a.C. l’astronomo Metone aveva osservato ad Atene che talvolta il disco del Sole era
coperto da macchie, e registrazioni di macchie solari le abbiamo nei diari di osservazione degli astronomi
cinesi e in un manoscritto di John da Worcester del XI secolo che ci raffigura un disco solare con dentro una
grossa macchia solare disegnata con la sua ombra e la sua penombra. Galileo, Dudley, Harriot e Scheiner,
riscoprirono, agli inizi del XVII secolo l’esistenza delle macchie solari, forse Galileo fu proprio il primo a
fare la riscoperta e da allora la scienza non smise più di osservare i fenomeni transienti dell’atmosfera solare.
Alla metà del XIX secolo, l’astronomo Rudolf Wolf propose di valutare la presenza delle macchie sul Sole
utilizzando un parametro detto appunto Numero di Wolf ottenuto come somma del numero di macchie in
contate sul Sole e del numero di gruppi di macchie presenti. Se per esempio si contavano in totale 13
macchie, distribuite su 3 gruppi il numero di Wolf era 43. Si deve notare che il numero di Wolf può essere
anche ricostruito da narrazioni di osservazioni sporadiche. Ben presto ci si accorse che l’attività solare
presenta un periodo principale di circa 11 anni con qualche eccezione. Se riportiamo in grafico il numero di
Wolf calcolato per un periodo di circa 400 anni dalle prime osservazioni di Galileo fino alle soglie del terzo
millennio risultano molto evidenti i periodi di 11 anni, ma è anche evidente un’anomala assenza di macchie
nel periodo che va dal 1650 al 1720 circa e si può anche notare che l’ampiezza dei massimi non è uguale. per
ogni ciclo. È notevole il fatto che durante il minimo di attività detto minimo di Maunder gli inverni siano
stati più rigidi, almeno per quanto riguarda le registrazioni climatiche disponibili in Europa, e si sono avuti
fenomeni anomali come il congelamento delle foci del Tamigi e della Senna. Le interazioni tra fenomeni di
attività solare e il clima terrestre sono molto complesse e difficili da studiarsi, mentre invece sono
ampiamente acclarate le influenze dell’attività solare con le fluttuazioni del campo magnetico terrestre e con
certi fenomeni complessi del nostro ambiente come la posizione della ionosfera e il verificarsi delle aurore
boreali. Dalle osservazioni eseguite durante le eclissi totali di Sole, cioè quando la Luna si interpone tra noi e
il Sole, si sapeva che quando la fotosfera era completamente occultata dal disco lunare si potevano osservare
dal bordo del sole dei bellissimi lampi di luce rossastra,ma talvolta anche gialla o verde, e anche delle
strutture prominenti che appunto furono chiamate protuberanze. Questo particolare e misterioso strato
dell’atmosfera solare dai colori intensi fu chiamato Cromosfera (dal greco Chromos che significa colore).
Agli inizi del XX secolo un geniale rampollo di una famiglia americana che aveva fatto fortuna costruendo
gli ascensori, George Ellery Hale, appassionato di astronomia e capace economicamente anche di costruirsi
un suo proprio osservatorio e di dotarlo della strumentazione più recente, mise a punto un dispositivo che
prese nome di Spettroeliografo con il quale era possibile osservare la cromosfera anche in assenza di una
eclissi di Sole L’invenzione di Hale dette il via a diversi programmi di osservazione routinaria della
cromosfera solare negli osservatori Mt. Wilson, Arcetri, Meudon, Kodaikanal. La cromosfera si presentò agli
astronomi ricca di dettagli e sede di fenomeni molto complessi. Fu chiaro a tutti che le grandi nubi brillanti
(faculae) che si osservavano in cromosfera erano strettamente associate all’esistenza dei gruppi di macchie
solari e che anche le protuberanze che si erano osservate in eclisse, erano una sorta di archi che in gran parte
avevano le loro basi nei sistemi di macchie. Con altri strumenti fu possibile a Hale e ai suoi collaboratori, tra
cui Giorgio Abetti, in Arcetri dimostrare che nelle vicinanze delle macchie solari si trovavano dei fortissimi
campi magnetici. Questa scoperta incoraggio la costruzione di magnetografi, cioè di strumenti in grado di
misurare il campo magnetico solare. I primi magnetografi furono costruiti a Mt. Wilson in California da
Babcok e in Germania da Kiepenheuer. Fu chiaro allora che i gruppi di macchie, a cui erano associate le
facole cromosferiche e in molti casi le protuberanze erano strettamente connessi all’esistenza di forti polarità
magnetiche che si andavano distribuendo come sorta di iceberg nell’atmosfera solare. Queste strutture erano
tenute insieme da complesse condizioni di equilibrio, quando queste si rompevano avevano luogo delle
esplosioni drammatiche dette brillamenti o flares associate a forti emissioni di particelle nello spazio. Fu
possibile anche constatare che a queste esplosioni in molti casi erano associati forti disturbi del campo
magnetico terrestre e spesso anche aurore boreali. Oltre la cromosfera esiste la zona di transizione che
costituisce il passaggio ad una nube di gas a polveri che circonda il sole che prende il nome di Corona
Solare. La corona, che è sostanzialmente composta da un gas molto tenue in cui le singole particelle hanno
liberi cammini medi molto grandi, è anche sede di fenomeni molto energetici in cui vengono emessi raggi x e
radiazione Ultra Violetta. Queste radiazioni renderebbero impossibile la vita sulla Terra se non ci fosse la
nostra atmosfera ad intercettarle e ad assorbirle, grazie allo strato di Ozono che tuttavia è chimicamente
molto fragile.
L’energia solare costituisce una grande risorsa per l’Umanità, e si manifesta sulla Terra in diverse
maniere: come energia eolica, energia delle onde del mare, energia da bruciamento di legname, carbone o
materiali fossili o proprio come energia radiante. Ognuna di queste forme di energia può essere convertita in
energia elettrica utile per la moderna civiltà, tuttavia ogni forma di conversione produce una sua impronta
ambientale che deve essere attentamente valutata essendo l’equilibrio che regola il funzionamento del clima
del nostro pianeta molto delicato e molto verosimilmente non lineare, cioè potremmo dire “a scatto” , nel
senso che il pianeta può sopportare modifiche chimiche dell’atmosfera fino ad un certo punto oltre il quale si
innescano dei processi irreversibili mediante i quali il nostro pianeta raggiunge un nuovo equilibrio che non è
detto che sia ottimale per il genere umano da cui è popolato.