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Relazione sole-clima – Parte I

Le osservazioni sulle macchie solari

L’osservazione del sole ha una lunga storia che si intreccia in modo indissolubile con la storia della nostra scienza. Le prime osservazioni a occhio nudo sono riportate in antichi annali cinesi, giapponesi e coreani, mentre le cronache russe del XIV° secolo recano testimonianze di macchie osservate sul Sole reso osservabile dal filtro offerto dal fumo degli estesi incendi forestali del 1371 (Newton, 1958).

Nel seicento si giunge alle prime osservazioni sistematiche con il cannocchiale. Scriveva Galileo Galilei (1564-1642) al granduca Cosimo II il 23 giugno 1612:

“Io mi sono finalmente accertato…. che tali macchie sono non pur vicine al Sole, ma contigue alla superficie di quello, dove continuamente altre se ne producono ed altre se ne dissolvono, essendo altre di breve et altre di lunga durazione; cioè alcune si disfanno in 2, 3 o 4 giorni et altre durano 15, 20, 30 et ancor più. Vannosi mutando di figura…..”.

Se Galileo osservò il Sole nel 1611-12, il padre gesuita Crisoforo Scheiner (1575-1650) svolse le proprie osservazioni dal 1611 al 1625. A testimonianza di tale epoca pionieristica, in figura 1 si riporta un’incisione tratta dal Mundus subterraneus di Kircher (1628) e che si ispira alle osservazioni di Scheiner. Il Sole vi viene rappresentato come un’enorme fornace fiammeggiante con aree più oscure, le macchie solari, descritte a mò di pennacchi di fumo.

Figura 1 – La superficie del Sole secondo Scheiner, riportata da Kircher nel suo Mundus subterraneus del 1628

Quelle su presenza e quantità di macchie solari sono dunque le informazioni più antiche sull’attività della nostra stella; si deve tuttavia giungere al XIX° secolo perché si giunga alla fondamentale scoperta dei cicli delle macchie solari. La scoperta fu fatta da un farmacista di Dessau, Samuel Heinrich Schwabe il quale, sulla base di osservazioni svolte in totale solitudine ed iniziate nel 1826, mise in luce la presenza di una ciclicità a 11 anni nelle macchie, oggi nota come ciclo di Schwabe. Tutto ciò emerse nel 1851 quando Alexander von Humboldt (padre delle geografia fisica) pubblicò nel terzo volume di Cosmos il fondamentale lavoro di Schwabe, comprendente le sue osservazioni dal 1926 a tutto il 1850.

Macchie, facule, granuli e TSI

L’energia totale irraggiata dal Sole è indicata con il termine di Total Solar Irradiance (TSI). Se ci si riferisce alla TSI come quantità di energia che perviene ad una superficie di 1 m2 posta immediatamente al di fuori dell’atmosfera terrestre e perpendicolare ai raggi solari, si parla di “costante solare” (il virgolettato è messo per sottolineare il fatto che in realtà costante non è) e che si aggira mediamente intorno ai 1367 W m-2.

Le macchie solari sono regioni scure e cioè a bassa temperatura (circa 4000 K contro i 5800 K della fotosfera – Usoskin, 2008) e di conseguenza a bassa emissione di energia, la cui presenza è massima nelle fasi di più intensa attività del Sole e cioè a massima TSI. L’apparente contraddizione tra massima presenza di superfici a bassa emissione e massima attività viene risolta dal fatto che attorno alle macchie si concentrano aree ad alta emissione, le facule, che compensano abbondantemente la riduzione di emissione dovuta alle macchie. L’effetto di facule e macchie sulla TSI lungo due cicli undecennali fra il 1977 e il 1994 è descritto in figura 2.

Figura 2 – Effetto di facule e macchie solari (diagrammi in alto) sull'irradianza solare totale TSI (diagramma in basso) valutata lungo due cicli solari compresi fra 1977 e 1994. Tutti i valori sono espressi in W per m2. Si noti che nelle fasi di maggiore attività di ogni ciclo si assiste ad una riduzione dell’emissione solare dalle macchie e che tuttavia è più che compensata dalla accresciuta emissione dalle facule (da Lean et al., 1995 - Modificato)

Occorre anche precisare che macchie e facule (figura 3) rendono conto dell’80% della variabilità totale nell’emissione solare mente il restante 20% di tale variabilità dipende probabilmente da altre regioni della superficie solare.

Figura 3 - Facule e macchie solari fotografate il 28 marzo 2001 in una fase di alta attività solare e mostrate sul sito della NASA http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=12802. Si notino le macchie (zone a scarsa emissione) e la rete delle faculae (zone a alta emissione). L'assenza di facule e macchie caratterizza invece la fasi ad attività minima

Rispetto allo spettro elettromagnetico il Sole si comporta come un qualsiasi corpo a 6000 K e pertanto emette in un arco vastissimo di lunghezze d’onda che va dalle radiazioni ultracorte alle onde chilometriche. Da queste radiazioni (ed in particolare da raggi X, raggi Gamma e Ultravioletto C, le più dannose per la materia vivente, nonché dalle onde radio decametriche) la Terra è schermata grazie agli strati atmosferici più esterni. Al suolo giunge dunque solo la frazione del Ultravioletto meno energetico (UV B e A da 0.28 a 0.38 micron), tutto il visibile (da 0.38 a 0.76 micron) e l’infrarosso vicino (da 0.76 a 3 micron). Dico questo perché quando si parla di TSI non ci si bisognerebbe limitarsi a parlare di quantità ma anche di qualità della radiazione in arrivo dal nostro astro. Da questo punto di vista un’attenzione particolare dovrebbe essere riservata alla componente più energetica (ultravioletto).

(1 – Continua)

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RIFERIMENTI RIPORTATI NEL TESTO

  • Foukal P., 2002. A comparison of variable solar total and ultraviolet irradiance outputs in the 20th century, Geophysical Research Letters, vol. 29, n°. 23, 2089, doi:10.1029/2002GL015474, 2002
  • Foukal P., Frohlich C., Foukal P., Spruit H., Wigley T. M. L. , 2006. Variations in solar luminosity and their effect on Earth’s climate, Nature, Vol 443|14 September 2006|doi:10.1038/nature05072.
  • Foukal P., 2010. How Reconstruction of Solar Irradiance Variation Helps Us Understand Climate Change Heliophysics, Inc., Solar Observer, n. 1/2010, 34-36 (www.heliophysics.com/documents/Solar%20Observer_Final.pdf).
  • Hammel H.B. e Lockwood G.W., 2007. Suggestive correlations between the brightness of Neptune, solar variability, and Earth’s temperature, Geophysical Research Letters, vol. 34, L08203, doi:10.1029/2006GL028764, 2007
  • Happ E., Wolk C. 2009. General theory of natural climate variation supported by observation of the changing temperature of the atmosphere and the sea between 1948 and September 2009. (http://climatechange1.wordpress.com/2009/11/08/the-climate-engine/)
  • Newton H.W., 1958. Il volto del Sole, Sansoni, 301 pp.
  • Ottera O.H., Bentsen M., Drange H., Suo L., 2010. External forcing as a metronome for Atlantic multidecadal variability, Nature geoscience, Vol. 3, October 2010, published online the 12 SEPTEMBER 2010 |DOI:10.1038/NGEO955
  • Solanki S.K., Usoskin I.G., Kromer B., Schussler M., Beer J., 2004. Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years, Nature, vol. 431, 28 OCTOBER 2004, 1084-1087.
  • Usoskin I.G., 2008. A History of Solar Activity over Millennia, Living Rev. Solar Phys.,5, (2008), 3, 1-88 (diponibile gratuitamente a http://www.livingreviews.org/lrsp-2008-3)
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Published inAttualitàClimatologiaNewsSole

5 Comments

  1. L’importanza della valutazione qualitativa nell’esaminare la variazione dell’irradianza solare è sicuramente l’aspetto che più di ogni altro potrà dare spunti alla ricerca e sicuramente regalarci nuove scoperte.
    L’articolo del prof. Mariani coglie una particolarità, come quella della radiazione ultravioletta sicuramente ad oggi non pienamente valutata. Così come l’interazione della radiazione ultravioletta con la nostra atmosfera. Atmosfera che a causa della ridotta emissione di raggi ultravioletti durante l’ultimo minimo solare si è modificata in maniera importante nella sua parte più esterna… http://www.climatemonitor.it/?p=11807

    • Luigi Mariani

      A proposito di UV occorre a mio avviso anche riflettere sulla ricostruzione dell’attività solare nel XX secolo effettuata da Foukal e di cui parlerò nella seconda parte di questo scritto (dedicandovi fra l’altro un apposito diagramma). Tale ricostruzione mostra che nel 20° secolo mentre TSI presenta un trend in complesso positivo e ben correlato con l’andamento delle temperature globali, un analogo trend non è manifestato dall’ultravioletto che si mantiene in complesso stazionario pur manifestando una variabilità considerevole, con un massimo principale negli anni ’50 ed un massimo secondario, assai meno potente, negli anni 80-90.
      Aggiungo che UV ha moltissimi effetti non solo a livello fisico ma anche biologico (ad esempio nei vegetali attiva molte biosintesi di pigmenti scuri ad effetto protettivo – in analogia con quanto avviene negli umani con l’abbronzatura – e dunque in qualche misura agisce anche sull’albedo della vegetazione).

  2. Luigi Mariani

    Cari Claudio e Donato,
    sono contento per l’interesse suscitato e che spero di non deludere nella prossima puntata. In proposito tenete conto che la bibliografia sulle relazioni sole-clima è sterminata, per cui tentarne una sintesi è veramente proibitivo.
    Approfitto per segnalare che la bibliografia riportata in calce alla prima puntata si riferisce in realtà all’intero articolo.

    Luigi

  3. Donato

    Articolo molto interessante, chiaro ed esaustivo. Aspetto il seguito con la speranza di poter sciogliere molti dei miei dubbi sulla relazione clima-attività solare.
    Ciao, Donato

  4. Claudio Costa

    Articolo bellissimo non se parla mai abbastanza
    Aspetto il seguito

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