Esiste una relazione tra rotazione solare e tuoni e fulmini?

di Franco Zavatti e Luigi Mariani _______________________________________________

Premessa

I fulmini sono fenomeni elettrici atmosferici che si producono fra nube e terra a seguito della separazione delle cariche che si genera all’interno di nubi a grande sviluppo verticale, i cumulonembi, le tipiche nubi temporalesche. Il tuono è l’onda sonora indotta da tali scariche elettriche per cui l’osservatore può cogliere o il bagliore del fulmine o, successivamente, il rumore del tuono. Si parla poi di lampi quando le scariche elettriche sono fra nube e nube. I fulmini hanno un ruolo essenziale in quanto rigenerano il campo elettrico atmosferico e in ogni istante sul nostro pianeta sono in atto vari temporali come è possibile cogliere dalle immagini in real time presenti al benemerito sito Blitzortung (http://it.blitzortung.org/live_lightning_maps.php).

Un recente articolo scientifico ha posto in relazione la frequenza dei fulmini con l’attività solare, evidenziando un legame causale che qualora confermato evidenzierebbe un’inedita interazione fra fenomeni astronomici e clima.

L’articolo di Miyahara et al.

Ci riferiamo qui al recente articolo di Miyahara et al., 2018 (di seguito Miya18) che pone la questione del possibile legame tra ciclo rotazionale del Sole e attività di tuoni/fulmini in Giappone nel XVIII e XIX secolo. Gli autori hanno avuto la possibilità di accedere a due serie di diari di prefetture locali tenuti fin dalla metà del XVII secolo. In questi diari, fra le altre notizie e registrazioni, venivano fornite indicazioni sulla presenza di tuoni e/o fulmini.

Nella seguente figura 1 di Miya18 si vedono i grafici delle serie derivate dai diari (un esempio di diario è nel sito di supporto), sotto forma di numero di giorni con tuoni/fulmini tra maggio e settembre di ogni anno (periodo estivo). Le tre serie disponibili iniziano tra il 1665 e il 1720 e terminano attorno al 1860.

Le osservazioni moderne della frequenza di tuoni/lampi mostrano un segnale di rotazione solare (il periodo di rotazione del Sole varia tra ~25 giorni all’equatore e ~33 giorni a 80° di latitudine) ma in generale queste sono serie di breve durata, tipo 2000-2005 e 2000-2007 in Inghilterra e 1991-1992 e 1999-2001 in Giappone. Una serie più lunga -dal 1989- è stata usata dalla stessa Miyahara in due lavori del 2017 (a,b).

Si è suggerito anche che la copertura nuvolosa abbia un periodo di 27 giorni e Takahashi et al., 2010 [tra gli autori è presente anche Miyahara] usano la radiazione infrarossa in uscita (OLR, Outgoing Longwave Radiation) come proxy per la copertura nuvolosa e trovano il periodo di 27 giorni durante i massimi di attività solare e periodi adiacenti durante i minimi.

In Miya18 si nota che, a causa della vita media delle macchie solari (alcuni mesi), la fase del periodo di 27 giorni dei vari parametri solari è variabile nel tempo e questo rende poco adatto l’uso dei normali metodi di analisi spettrale perchè lo spostamento di fase diluisce il segnale; quindi questi autori usano l’analisi degli istogrammi invece dell’analisi spettrale.

Noi abbiamo preferito usare gli spettri Lomb (i dati non sono a passo costante) assumendoci il rischio di un segnale meno visibile.
Delle tre serie riportate in figura 1, abbiamo usato quella di Hirosaki desunta dal “Diario dell’ufficio del governo del clan Hirosaka” redatto nel nord dell’isola di Honshu e una cui pagina è visibile qui foto.

I dati sono stati digitalizzati da un ingrandimento di figura 1c (v. sito di supporto) e consistono in 177 righe con anno e numero di giorni con tuoni/lampi (gli altri due numeri del file sono le coordinate rettangolari della digitalizzazione). Il dataset copre gli anni dal 1665 al 1866 con poche interruzioni.

In figura 2 (pdf) viene riportato il grafico del dataset e il suo spettro Lomb, con due livelli di zoom, dove si notano i segnali di ElNño (2-4 e 12 anni, v. qui su CM, fig.3) che si potevano facilmente immaginare essendo il Giappone ai margini della Pacific warm pool (piscina calda del Pacifico) dove si accumula l’acqua calda che “carica” il motore ENSO cil quale successivamente si scaricherà tramite El Niño. Crediamo quindi che questi massimi spettrali si possano dare per scontati e dunque concentriamo l’attenzione su quelli di periodo più breve, in particolare su quelli (con periodo in giorni) riportati nel riquadro giallo.

Fig.2: Valori osservati (digitalizzati) di Hirosaki, con la retta di regressione da cui si calcola il detrending richiesto dallo spettro Lomb. Gli spettri sono volutamente trascurati, per lasciare l’attenzione sul riquadro giallo in cui i periodi spettrali sono in giorni.

Qui si possono notare 4 massimi (più due, a ~47gg e ~52gg non indicati) di periodo circa 27, 29, 33 giorni, in pratica il periodo di rotazione differenziale del Sole all’equatore, a latitudini intermedie e attorno al Polo (~80°). Questi massimi sono tra i più evidenti di tutto lo spettro e, anche se si può legittimamente discutere se i dati siano o meno in grado di evidenziare un simile livello di dettaglio, l’insieme di questi picchi spettrali può legittimamente far pensare all’influenza della rotazione solare (che mostra di volta in volta alla Terra zone solari di differente attività).

Attività solare

Si discute della presenza della rotazione durante i periodi di bassa/media/alta attività solare e il lavori che trattano l’argomento (ad es. Miya18, Miyahaka et al., 2017a,b e Takahashi et al., 2010) trovano la rotazione nei periodi di alta aittivitàe non la trovano in quelli di bassa attività.

Abbiamo voluto verificare se gli spettri di sottoperiodi con diversa attività potessero registrare la presenza o meno dei massimi legati alla rotazione e abbiamo definito, seguendo Miya18, i diversi livelli di attività solare tramite i valori del GSN (Group Sunspot Number, disponibili al SIDC/SILSO), riportati nel sito di supporto, secondo lo schema

  • GSN>150 ———> attività alta
  • 75≥GSN<150 —> attività media
  • GSN<75 ———-> attività bassa

In questo modo sono state definite le tre serie; dal 1840 al 1870 (alta), dal1768 al 1792 (media), dal 1796 al 1826 (bassa) mostrate nelle figure 3 (pdf), 4 (pdf) e 5 (pdf) insieme ai loro spettri Lomb.

Fig.3: Serie di Hirosaki dal 1840 al 1870 (alta attività solare).

Fig.4: Serie di Hirosaki dal 1768 al 1792 (media attività solare).

Fig.5: Serie di Hirosaki dal 1794 al 1826 (bassa attività solare).

Nei tre spettri non si riesce a scendere sotto il periodo di ~80 giorni (0.22 anni) e quindi non siamo in grado di discutere la visibilità della rotazione solare in funzione dell’attività variabile.
Nell’alta attività si notano i massimi a 8.7 e 6.9 anni: di questi, nella bassa attività si ritrova solo il picco a 6.9 anni, mentre entrambi non sono presenti nella media attività; il massimo a 1.9 anni è presente nella media attività ed è praticamente inesistente sia nella bassa che nella alta.
I massimi inferiori a 7 anni, ancorchè leggermente diversi di periodo e a volte notevolmente diversi in potenza, sono generalmente presenti nei tre spettri.

Ci si potrà chiedere se le differenze siano legate alla diversa attività o se dipendano dalla brevità delle serie utilizzate, ma purtroppo non abbiamo una risposta a questa domanda. Ci limitiamo a evidenziare similitudini e diversità.

Conclusioni

Abbiamo mostrato la possibilità di evidenziare un segnale spettrale della rotazione solare anche nei dati derivati da diari giapponesi del XVIII e XIX secolo e relative ai giorni di tuoni/fulmini, il che ci consente di ipotizzare una relazione tra attività dell’atmosfera e rotazione solare.

Purtroppo non è stato possibile ottenere la stessa evidenza nei casi di alta, media e bassa attività solare.

Bibliografia

  • Hiroko Miyahara, Chika Higuchi, Toshio Terasawa, Ryuho Kataoka, Mitsuteru Sato and Yukihiro Takahashi: Solar 27-day rotational period detected in wide-area lightning activity in Japan , Ann.Geophys., 35,583-588, 2017a, doi:10.5194/angeo-35-583-2017.
  • Hiroko Miyahara, Ryuho Kataoka, Takehiko Mikami, Masumi Zaiki, Junpei Hirano, Minoru Yoshimura, Yasuyuki Aono and Kiyomi Iwahashi: Searching for the 27-day solar rotational cycle in lightning events recorded in old diaries in Kyoto from the 17th to 18th century , Ann.Geophys., 35, 1195-1200, 2017b, doi:10.5194/angeo-35-1195-2017.
  • Hiroko Miyahara, Ryuho Kataoka, Takehiko Mikami, Masumi Zaiki, Junp Yasuyuki Aono and Kiyomi Iwahashi: Solar rotational cycle in lightning activi during the 18-19th centuries. Ann. Geophys., 36, 633-640, 2018. doi:10.5194/angeo-36-633-2018
  • Y. Takahashi, Y. Okazaki, M. Sato, H. Miyahara 27-day variation in cloud amount in the Western Pacific warm pool region and relationship to the solar cycle , Atmos. Chem. Phys., 10, 1577-1584, 2010. doi:10.5194/acp-10-1577-2010
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6 Comments

  1. @ Sergio Messina (ho provato a rispondere al commento usando il tasto Reply, ma il sistema non funziona)

    Grazie per i suggerimenti ma ho già scritto molte volte che non voglio usare livelli di confidenza costruiti su 10 mila serie finte (montecarlo) e dedurre da queste che il risultato finale possa essere vero. Il problema è quasi lo stesso delle medie di modelli climatici, ognuno dei quali fornisce risultati sbagliati, a cui si attribuisce un valore di verità superiore. Preferisco usare una probabilità frequestista: quanto lo stesso massimo spettrale si presenta più volte lo considero attendibile, indipendentemente dalla sua potenza.
    In questo caso trovo massimi su varie serie uguali o molto simili (almeno nelle parti comuni).
    Avevo mandato il lavoro (e il sito di supporto) alla dott.ssa Miyahara (prima autrice del lavoro): mi ha appena risposto (mentre sto scrivendo questo commento) dicendo che i dati che ho usato sono annuali e quindi non in grado di trovare periodicità mensili (però le trovo) ma che, se li desidero, mi manderà i dati giornalieri. Penso di risponderle che vorrei avere questi dati, abbastanza estesi nel tempo, per verificare i miei risultati (che, ricordo, sono ottenuti dalla digitalizzazione di una figura) e poi proverò a fare nuovi conti.
    Però, come si vede nel sito di supporto, nel frattempo ho trovato i dati giornalieri di Kyoto (pubblicati sempre da Miyahara) e i risultati -a parte l’estensione temporale- non cambiano. Miyahara è molto interessata ai massimi di 11 e 22 anni che avrei trovato nelle derivate prime, in particolare quello a 22 anni, che io non ricordo di aver trovato … forse ha guardato i valori numerici perché nei grafici non ci sono.
    Per ora non posso dedicare molto tempo a questo lavoro ma mi riprometto di approfondire l’aspetto dei periodi mensili ai quali non sono abituato ma che trovo molto interessanti. Franco

    Post a Reply
  2. Grazie per i suggerimenti ma ho già scritto molte volte che non voglio usare livelli di confidenza costruiti su 10 mila serie finte (montecarlo) e dedurre da queste che il risultato finale possa essere vero. Il problema è quasi lo stesso delle medie di modelli climatici, ognuno dei quali fornisce risultati sbagliati, a cui si attribuisce un valore di verità superiore. Preferisco usare una probabilità frequestista: quanto lo stesso massimo spettrale si presenta più volte lo considero attendibile, indipendentemente dalla sua potenza.
    In questo caso trovo massimi su varie serie uguali o molto simili (almeno nelle parti comuni).
    Avevo mandato il lavoro (e il sito di supporto) alla dott.ssa Miyahara (prima autrice del lavoro): mi ha appena risposto (mentre sto scrivendo questo commento) dicendo che i dati che ho usato sono annuali e quindi non in grado di trovare periodicità mensili (però le trovo) ma che, se li desidero, mi manderà i dati giornalieri. Penso di risponderle che vorrei avere questi dati, abbastanza estesi nel tempo, per verificare i miei risultati (che, ricordo, sono ottenuti dalla digitalizzazione di una figura) e poi proverò a fare nuovi conti.
    Però, come si vede nel sito di supporto, nel frattempo ho trovato i dati giornalieri di Kyoto (pubblicati sempre da Miyahara) e i risultati -a parte l’estensione temporale- non cambiano. Miyahara è molto interessata ai massimi di 11 e 22 anni che avrei trovato nelle derivate prime, in particolare quello a 22 anni, che io non ricordo di aver trovato … forse ha guardato i valori numerici perché nei grafici non ci sono.
    Per ora non posso dedicare molto tempo a questo lavoro ma mi riprometto di approfondire l’aspetto dei periodi mensili ai quali non sono abituato ma che trovo molto interessanti. Franco

    Post a Reply
  3. Salve,

    trovo questo argomento estremamente interessante. Sicuramente merita di essere ulteriormente approfondito sia dal punto di vista dell’analisi sia nella ricerca (meno facile) di altre serie storiche.

    Un mio suggerimento per una eventuale futura ed aggiornata versione dello stesso studio è quella di associare sempre gli spettri di Lonb con la FAP, cioè la False Alarm Probability, cioè la probabilità che un qualsiasi picco nello spettro di potenza non rappresenti una vera periodicità ma sia il risultato del rumore statistico associato ai dati. In parole semplici la FAP mi dice il livello di confidenza con cui un picco sia veramente rappresentativo di una periodicità (più piccola la FAP più elevata la significatività). Esistono diverse prescrizioni per il calcolo della FAP, una delle più comuni si basa sui metodi di Monte Carlo.

    As esempio, sulla base della mia personale esperienza, tutti i picchi a bassa frequenza (quindi periodicità dell’ordine degli anni) non sono significativi avendo potenza molto bassa. Questi avranno FAP molto alte.

    Un’altra considerazione riguarda la correlazione tra periodi di massima attività solare e mancata o scarsa rivelazione della periodicità a 27 giorni.

    Di fatto questo torna perfettamente. Infatti durante i massimi di attività solare, le regioni attive (regioni con intensa attività magnetica) sulla superficie del Sole tendono a distribuirsi lungo tutte le longitudini solari per cui la modulazione rotazionale, sia del flusso di radiazione che del flusso di particelle elettriche, tende a sparire. Al contrario, durante i minimi le regioni attive sono distribuite asimmetricamente e pertano la loro visibiltà (e di conseguenza il flusso) viene modulato dalla rotazione.

    Post a Reply
  4. Pensando alla ciclogenesi e quindi alle formazioni nuvolose organizzate, con associati fenomeni più o meno estremi. Quel che intendo se picchiamo il chiodo:

    1) In passato avvenivano fasi ENSO relativamente “blande”, paragonate a quelle viste gli ultimi trent’anni. Presumo vi fossero precedentemente fasi fredde predominanti a fasi calde, quindi una ciclicità ENSO. Eppure in chiave ENSO, lunghe fasi di equilibrio termodinamico, tra una fase fredda ed una fase calda.

    2) Al momento, avvengono fasi de la Niña con intense pause estive mediterranee. Pesanti sottomedia. Grandinate fuori stagione. Quindi suppongo aria molto fredda, in contrasto con masse d’aria calde. Scarso equilibrio termodinamico e perciò, significativo in senso di alto gradiente barico poli-equatore. Direi ancora, non si può non pensare, all’orientamento dell’alta pressione delle azzorre. In quanto in un sistema climatico in riscaldamento costante, resterebbe legata prevalentemente, ad una base oceanica atlantica più calda. Mentre vediamo l’opposto.. l’Atlantico per forza di cose sta raffreddando, complice il ciclico e stagionale riversamento d’acqua fredda, dalle aree glaciali artiche.

    3) Se pensiamo al Niño, ad una Stella con bassa attività. Alle nubi che abbassano la quantità di energia giungente al suolo, congiunte ad acque oceaniche più fredde del normale. Ad un sistema complesso e fatto di cicli, estati atipiche e per certi versi simili, come quella del 2014 e 2018. Oppure serie di estati fresche o ventose, precedenti al 1996 (e precedenti al ciclo solare 23) Serie di estati protratte dopo il 1996, le ultime avvenute appunto a fine anni novanta e fine anni duemila.
    Si può anche qui concludere: Se prima un episodio stagionale era poco significativo e raro, ora la sua cadenza nel tempo e sintomo di ciclicità, non di cambiamenti radicali del clima terrestre.

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  5. Metodologie diverse di indagini applicate ad uno stesso fenomeno, dimostrano che esiste una correlazione tra il Sole e l’atmosfera terrestre, nella fattispecie numero di fulmini e lampi. Premesso che relazione non implica causalità e considerato che i fulmini ed i lampi sono legati all’attività temporalesca, potremmo affermare che la rotazione del Sole è correlata con eventi meteorologici che avvengono nell’atmosfera terrestre.
    .
    Mi incuriosisce molto il meccanismo fisico con cui il Sole riesce a influenzare il numero dei giorni con tuoni e fulmini. Essendo i fulmini fenomeni di natura elettrostatica, i raggi cosmici di origine solare potrebbero modificare le caratteristiche dielettriche dell’atmosfera terrestre e, in tal modo favorire lo sviluppo dei fulmini. Mi piace pensare, però, che l’influenza solare si manifesti in modo tale da influenzare la formazione delle nubi attraverso la modulazione del processo di nucleazione delle stesse.
    .
    Una cosa salta subito agli occhi guardando i grafici. Pur in presenza di una serie lunga quasi due secoli, non sono presenti periodi maggiori di 12 anni, anzi il periodo di 12 anni non è neanche ben definito ed è di bassa potenza.
    Sulla base di questa considerazione, potremmo dire che il Sole è correlato con le manifestazioni elettriche in atmosfera solo alle alte frequenze e non alle basse frequenze. Le serie analizzate, cioè, non presentano segnali a scala climatica, ma solo a scala meteorologica.
    .
    Stupisce ancora di più, però, il fatto che i periodi di maggiore o minore attività solare, non siano correlati ai giorni con tuoni e fulmini. Durante i minimi e massimi solari cambiano, infatti, i flussi di particelle solari che raggiungono la Terra, per cui se un legame esistesse, dovrebbe manifestarsi anche a scala decadale e multi decadale.
    Le analisi degli spettri non evidenziano, però, questo legame.
    .
    Mah! Miya18 mi lascia piuttosto perplesso.
    Ciao, Donato.
    Sex, per cui spett

    Post a Reply
    • Caro Donato, io invece mi sono molto meravigliato quando lo spettro di Hirosaki (cioè dei dati dedotti dai diari di Hirosaki) mi ha permesso di raggiungere periodi di qualche decina di giorni e quando i massimi di più alta frequenza disponibili erano proprio simili (per tre volte!) alla rotazione differenziale del Sole. I dati sono la somma da maggio a settembre di registrazioni della presenza di tuoni/fulmini
      essenzialmente con un si/no o 1/0 (ho aggiunto al sito di supporto i dati di Kyoto complessivi e anche, come esempio, i dati originali per il 1668, primo anno della serie) e non mi aspettavo di evidenziare periodi dell’ordine del mese. Takahashi (2010), analizzando gli spettri di OLR, la radiazione
      infrarossa in uscita, trova picchi attorno a 27 giorni durante i periodi di alta attività solare e non li trova (trova un “buco”) quando l’attività solare è al minimo. Accludo gli spettri in fondo.
      Miyahara preferisce non usare gli spettri ma una “analisi degli istogrammi” che, certo per mia colpa, non ho capito bene; anche lei però non trova per Hirosaki una relazione alta_attività-periodo di 27 giorni (solo una vaga relazione media_attività-periodo di 27 gg). La trova però per le altre due serie che usa nell’articolo.
      Usando gli spettri, sono stati selezionati gli intervalli definiti dai valori GSN (Group Sunspot Number) e questi intervalli sono chiaramente troppo brevi (si arriva a periodi di circa 0.2-0.3 anni mentre bisognerebbe arrivare tra 0.17 e 0.09 anni).
      Forse si poteva giocare un po’ sui valori GSN per estendere gli intervalli, ma preferisco usare il cherry-picking quando e se posso permettermelo.
      Tutto questo discorso per dire che noi non siamo stati in grado di verificare la relazione attività solare-attività atmosferica, non che questa non esista. Il lavoro di Miyahara e degli altri gruppi è difficile ma interessante e spero possa portare buoni frutti sull’interazione di alta frequenza tra Sole e atmosfera. I dati di partenza sono strani? Forse, ma non più delle date di vendemmia o delle date di fioritura del ciliegio che hanno permesso importanti risultati alla climatologia storica (e non solo). Ciao. Franco

      Immagine allegata

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