Diapositiva 1 - Società Astronomica Italiana

XVII Scuola Estiva di Astronomia
23 – 28 Luglio 2012; Stilo (RC)
massimo mazzoni
1
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.
massimo mazzoni
società astronomica italiana
Un ciclo fuori dall’ordinario
dell’attività solare
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
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
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.
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.
Osservazione Macchie Solari
Galilei
Harriot
Scheiner
Osservazioni risultano già un paio di secoli aC sia in Occidente che in Oriente
L’andamento quasi periodico
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.
Prima
Schema
della prima
attualeWW
Hale scoprì che le macchie tendono a presentarsi a coppie,
come un dipolo magnetico, circa allineato con l’equatore
solare. Inoltre con l’inizio del nuovo ciclo la polarità dei
dipoli si era invertita. Nel ciclo successivo, dopo il minimo,
l’inversione si era ripetuta.
Il CMS è dipolare verso l’equatore, ma ha una geometria
più complessa ai poli. Le “polarità dei poli” si invertono
intorno al massimo di attività.
Com’è noto, il plasma si muove lungo tubi magnetici sotto
la fotosfera e le macchie si formano all’intersezione dei
tubi magnetici con la fotosfera.
I tubi di flusso
Disegno di GG
Il modello
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
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.
L’andamento quasi periodico
Sole attivo
VIS: fotosfera
macchie
facole
brillamenti
Ha: cromosfera
filamenti
Sole molto attivo
RT < 1/100 RS
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%
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.
L’inizio
Nimbus 7
(1979)
SMM
Solar Maximum Mission
(1980)
ERBS
Earth Radiation Budget
(1984)
etc etc
Altre periodicità
Studi estesi su lunghissimi intervalli di tempo
dimostrano che l'irraggiamento solare varia con
periodicità diverse quali:
11 anni (Schwabe),
88 anni (ciclo Gleisberg),
208 anni (ciclo di DeVries ) e
1.000 anni (ciclo di Eddy).
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.
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.
Dati Osservatorio Geofisico Finlandese (2008)
GCR vs Numero Macchie
DT: da 2 mesi ad 1 anno
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.
E’ un’informazione già organizzata in anni.
“Cursus macularum” 1643
“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.
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
Astronomi? Meteoropatici
La prima ipotesi esaminata, e scartata, è
stata la solita Sindrome Crab: 70 anni di
tempo nuvoloso. Almeno nel Nord Europa..
Niente di più facile, in Fisica, da smentire:
negli anni ‘80 del 1600 passano e si
osservano sull’Europa quelle comete che
innescano la pubblicazione dei Principia
Matematica (1687) e consegnano
Edmond Halley alla storia.
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
Dalle loro registrazioni si hanno i dati:
1620
6
1630
9
1640
0
1650
3
1660
7
1670
0
1680
1
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.
Aurore boreali
Ci sono altre prove.
Per tutta l’estensione del Minimo di Maunder non si
Corona solare
osservarono aurore boreali. Lo stesso Halley, divenuto
Astronomo Reale,Durante
nel 1716
scrivetotali
un articolo
pergli
le eclissi
del periodo,
spiegare la naturaastronomi
di un aurora
appena osservata,
che,
non segnalano
quelle
particolari
strutture
afferma, è la prima
della sua
vita. (pennacchi) che
sono associate alla presenza di macchie.
E’ un indizio,Quell’anno
non una prova,
al 60.
neperché
compiva
quel tempo le eclissi si osservavano
soprattutto per riflessione, non
direttamente.
Pinus aristata
L’associazione: anelli arborei-14C permette di ricostruire il
livello di attività solare per molto tempo nel passato,
arrivando fino all’Età del Bronzo.
A partire dagli anni ‘70 del XX secolo, tramite alberi,
eclissi e aurore, si è studiato il comportamento del Sole,
identificando altri periodi estesi di sua minore o
maggiore attività.
Per esempio il Minimo di Spörer (1410-1500)..
..o il Massimo Medioevale (1100-1300)..
..o il Massimo attuale (dalla fine degli anni ‘60)..
Effetto Revelle-Suess
Sono stati i primi scienziati (un geologo ed un chimico)
ad occuparsi di Riscaldmento Globale a partire dagli anni
’60, portandolo all’attenzione, ma anche negando il
bisogno urgente di interventi.
Il crescente uso di combustibili fossili sta alterando
pesantemente la composizione dell’atmosfera
terrestre, in particolare nella sua composizione in
12Carbonio e nei suoi isotopi. Questo effetto
probabilmente altererà il metodo delle datazioni
basato sul Carbonio entro alcune decine di anni.
John Eddy (1931-2009)
“The Maunder Minimum”
Science (1976)
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
“..si accorda..”
Numero macchie solari
Rigore invernale a Parigi e a Londra
Sembra che l’inverno più rigido sia stato quello 1708-09
Minimo di Maunder
Temperatura a Londra
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.
I soliti esempi
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.
Altri minimi
Il minimo di Sporer (1450-1550) era già stato scoperto
dallo stesso Maunder, e si trova poi ancora un mimimo,
sia pure meno marcato: il minimo di Dalton (1790-1830).
Conteggio giornaliero e media mensile
Altre cause
Il MM ebbe come probabile conseguenza l’attenuarsi della
cintura di convezione oceanica, con conseguenza indiretta
di raffreddamento.
GdA
Non solo
Sole
2012
Nel caso del Minimo di Dalton si aggiunse un’altra causa.
1816: l’anno senza estate
Nell’aprile 1815, durante il periodo di Dalton (quel
Dalton, anche meteorologo) ci fu anche un’enorme
eruzione vulcanica: il monte Tambora, in Indonesia.
Il monte perse 1300 metri
di vetta, ed eruttò 150 km3
di roccia e polvere.
90 anni di minimo di Spörer
A quel tempo non si svolgeva ancora un’attività di
monitoraggio delle macchie: quindi questo minimo è
stato scoperto col metodo del 14C.
E poi altri minimi, come si vede, e il massimo in corso.
Correlazione Terra-Sole
Nonostante quanto mostrato fin’ora, non sembra esista
una relazione generale diretta tra macchie solari e
temperatura terrestre. O, almeno, non è stata trovata.
Invece esiste una relazione tra l’attività solare (flares, e
macchie comprese) ed il nostro clima, anche se ne
abbiamo capito solo le linee generali, per ora, e
limitatamente ad effetti su lunghi periodi (non risulta un
andamento 11-ennale di nessun parametro
meteorologico).
Le Macchie Solari
C’era spazio solo per arrivare
fino al 2012.
Questo un
giorno farà
impazzire
qualcuno