Per oltre 4,5 miliardi di anni, la Terra ha ricevuto energia dal Sole, la nostra stella di riferimento. L'irradianza solare totale (TSI), che rappresenta l'emissione di energia luminosa dal Sole che raggiunge la Terra, non è un valore costante ma subisce gli effetti dei campi magnetici sulla superficie solare. Questa variabilità, sebbene spesso modesta in termini di energia assoluta, influenza l'atmosfera terrestre su scale temporali che spaziano dai giorni ai millenni, e la sua comprensione è fondamentale per decifrare i complessi meccanismi che regolano il clima del nostro pianeta.
Le Componenti della Variabilità della TSI: Facole e Macchie Solari
Le variazioni della TSI sono intrinsecamente legate alla presenza e all'evoluzione di specifiche strutture magnetiche sulla superficie del Sole: le facole e le macchie solari.
Le facole sono strutture magnetiche concentrate che producono luce brillante. La loro presenza tende ad aumentare la TSI, in quanto emettono più energia rispetto alle aree circostanti.Al contrario, le macchie solari sono strutture magnetiche più grandi, più fredde e più scure. Queste regioni riducono la TSI poiché assorbono più energia di quanto ne emettano, apparendo come "buchi neri" sulla superficie solare visibile.
È interessante notare come il contributo di queste strutture alla TSI dipenda dalla loro posizione sul disco solare. Quando le regioni attive, che includono sia facole che macchie, si trovano al lembo del Sole (le regioni periferiche), il contributo facolare luminoso può superare quello delle macchie solari, portando a un aumento della TSI. Al contrario, quando le regioni attive sono vicine al centro del disco solare, il contributo negativo delle macchie solari tende a dominare, causando una diminuzione della TSI. Questo fenomeno è evidente nelle misurazioni dell'irraggiamento solare totale, dove le linee verticali rosse marcano le date in cui sono stati acquisiti i dati delle immagini fotosferiche.
Sebbene sulla scala rotazionale solare di 27 giorni le macchie solari producano tipicamente un oscuramento superiore rispetto all'amplificazione facolare, quando integrate nel ciclo solare di 11 anni, il contributo facolare tende a dominare. Di conseguenza, la TSI varia in fase con il ciclo solare, ovvero tende ad essere più elevata durante i periodi di massima attività solare, quando le facole sono più numerose e luminose.
PILLOLE ASTRONOMICHE - Le macchie solari
Il Ciclo Solare e la Misurazione dell'Attività Solare
L'attività solare viene misurata principalmente in base al numero di macchie solari che compaiono sulla superficie solare. La loro comparsa è ciclica e la loro intensità varia. Quando la superficie solare mostra un ampio numero di macchie, il Sole sta attraversando una fase di maggior attività ed emette più energia nello spazio circostante. Il numero medio di macchie solari presenti sul Sole non è costante, ma varia tra periodi di minimo e di massimo.
Il ciclo solare è il periodo, lungo in media 11 anni, che intercorre tra un periodo di minimo (o massimo) dell'attività solare e il successivo. Questo ciclo nella variazione del numero delle macchie solari venne intuito per primo dall'astronomo danese Christian Pedersen Horrebow (1718-1776). Tuttavia, il fenomeno fu riconosciuto in modo definitivo solo nel 1845 grazie alle osservazioni, estese su decine di anni, compiute dall'astrofilo tedesco Heinrich Schwabe. Il ciclo venne poi esaminato in maniera più sistematica negli anni Cinquanta dell'Ottocento dall'astronomo svizzero Rudolf Wolf, che introdusse il numero di Wolf per la caratterizzazione dell'attività solare. Questo numero viene calcolato moltiplicando per 10 il numero di gruppi di macchie presenti sul disco solare e aggiungendovi poi il numero di macchie presenti in tutti i gruppi.
Da quando nel 1610 Galileo mise a punto il telescopio, il Sole e le sue macchie sono state osservate con assiduità. Nel 1851, Heinrich Schwabe osservò che l'attività solare variava secondo un ciclo di undici anni, con massimi e minimi ben definiti. L'astronomo solare E.W. Maunder si accorse che tra il 1645 e il 1715 il Sole interruppe il ciclo undecennale e ci fu un'epoca in cui quasi non ci furono macchie. Questo periodo è stato denominato minimo di Maunder.
Il Sole e le stelle passano un terzo della loro vita in periodi analoghi a questo, che corrispondono a minimi di emissione dell'energia e quindi a periodi freddi nel clima terrestre. Ci sono stati sei minimi solari simili a quello di Maunder dal minimo egizio dell'anno 1300 a.C. Questi eventi sono però molto irregolari, con intervalli fra i minimi che variano tra i 180 e i 1100 anni; in media i periodi di scarsa attività solare durano circa 115 anni e si ripetono approssimativamente ogni 600 anni.
Le variazioni recenti della TSI sono state monitorate dallo spazio a partire dagli anni '70, fornendo dati preziosi per comprendere meglio la sua dinamica.
La Ricostruzione dell'Attività Solare Storica: L'Isotopo del Carbonio-14
Per comprendere l'attività solare su scale temporali più lunghe, che vanno oltre le osservazioni dirette, gli scienziati si avvalgono di metodi indiretti. Uno di questi si basa sull'analisi dell'isotopo del carbonio-14.
Oltre alle particelle provenienti dal Sole, la Terra è continuamente colpita dai raggi cosmici galattici (GCR, dall'inglese galactic cosmic rays) provenienti da sorgenti al di fuori del Sistema solare. Quando i GCR colpiscono la parte alta dell'atmosfera terrestre, producono una cascata di particelle che dà origine a isotopi cosmogenici. Il carbonio-14 è un sottoprodotto di questa interazione: si forma continuamente in natura, lo si trova negli alberi in crescita e nelle lastre di ghiaccio, e ha un'emivita di durata notevole - ben 5370 anni.
L'abbondanza del carbonio-14 nei sedimenti o negli anelli degli alberi e la lunga durata della sua emivita ne fanno un indicatore molto importante per studiare l'attività solare su lunga scala attraverso la misura di phi, il cosiddetto potenziale solare. Le variazioni di Carbonio-14 e l'attività solare sono correlate. Questo permette, attraverso gli studi di dendrocronologia (l'analisi degli anelli degli alberi), di ricostruire queste attività e metterle in relazione con i minimi e i massimi di attività solare.
Un team di scienziati dell'Università di Roma Tor Vergata e del National Solar Observatory (Usa) ha sfruttato i dati storici relativi all'isotopo del carbonio-14 negli ultimi 500 anni per ricostruire l'area di Sole coperta dalle facole e dalle macchie solari dal 1513 al 2001. Analizzando dati relativi al carbonio-14 negli ultimi 500 anni, gli autori dello studio sono riusciti a ricostruire l'area di Sole coperta da facole e macchie solari dal 1513 al 2001. Un risultato ottenuto calcolando la correlazione fra una porzione delle serie temporali sull'abbondanza di carbonio-14 con le misure effettive dell'area coperta dalle facole e dalle macchie solari, ed estrapolando poi i risultati per completare la ricostruzione delle misure di queste aree fino al 1513. Questo grafico mostra l'irradianza solare totale ricostruita con il modello di Penza e colleghi (linea rossa) e, per confronto, le ricostruzioni ottenute con modelli diversi. I nomi in alto si riferiscono ai grandi minimi verificatisi nel periodo analizzato, ovvero Spörer, Maunder, Dalton e Gleissberg.
Recenti studi dell'attività solare che tengono conto oltre che delle variazioni del Carbonio-14 anche delle variazioni dell'isotopo del berillio (10Be) intrappolato nelle calotte polari, evidenziano come l'aumento di attività solare prodottosi in questi ultimi duecento anni sia il più spettacolare che si sia registrato negli ultimi novemila anni.
«La ricostruzione delle variazioni dell'irradianza totale emessa dal Sole nei secoli passati», spiega la prima autrice dello studio, Valentina Penza, ricercatrice all'Università di Roma Tor Vergata, «rappresenta un tassello fondamentale per la comprensione di possibili collegamenti tra la variabilità del Sole e cambiamenti climatici locali o globali sul nostro pianeta». La variazione dei livelli di TSI tra il minimo di Maunder e l'epoca attuale, stando alle stime di Penza e colleghi, è risultata attorno ai 2,5 watt per metro quadrato. Una variazione di questa portata modificherebbe le temperature globali di circa 0,13 °C, dunque una quantità piuttosto modesta. Questi studi sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal nell'articolo “Total Solar Irradiance during the Last Five Centuries”, di V. Penza, F. Berrilli, L. Bertello, M. Cantoresi, S. Criscuoli e P.
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L'Influenza dell'Attività Solare sul Clima Terrestre
Da sempre la comunità scientifica ha riconosciuto nel Sole l'elemento che fornisce la quasi totalità dell'energia che muove le dinamiche climatiche terrestri (venti, piogge, correnti oceaniche, movimenti delle nuvole e delle masse d'aria…). Più complicato è stato trovare quanto e come l'attività del Sole influisca oggi sulle variazioni del clima terrestre.
Fino a qualche anno fa, la quasi totalità della comunità scientifica internazionale, sulla base della ricostruzione del clima da parte dei modelli, aveva maturato la convinzione che da sole le variazioni più o meno periodiche nell'intensità della radiazione solare non sarebbero riuscite a giustificare il forte riscaldamento attuale, poiché al più potevano provocare fluttuazioni di non più di 0,2 °C nel clima terrestre nell'arco di qualche decennio.
Tuttavia, oggigiorno molti studiosi fanno notare che l'influenza del Sole sul clima della Terra si esplica non tanto attraverso le fluttuazioni - modeste - della quantità di energia solare in arrivo sul pianeta, quanto piuttosto attraverso un meccanismo più complesso legato all'attività solare. I risultati degli studi, pubblicati sul Journal of Climate e su Science, dimostrano come in questo modello anche un piccolo aumento di attività solare influenzi in maniera determinante l'area tropicale e le precipitazioni di tutto il globo terrestre.
In particolare, gli effetti di una maggiore attività solare si fanno sentire in maniera forte nel riscaldamento della troposfera tropicale (dove aumenta la quantità di ozono prodotta dai raggi UVA), nell'aumento della forza dei venti alisei, nell'aumento dell'evaporazione nella zona equatoriale e nell'aumento dell'annuvolamento e delle precipitazioni. Lo studio rileva come ci sia una indubbia associazione fra il periodico picco dell'attività solare e lo schema delle precipitazioni e della temperatura superficiale delle acque del Pacifico. Il modello messo a punto dai ricercatori mostra anche le influenze che i picchi solari hanno con due importanti fenomeni collegati al clima: La Niña e El Niño, che sono originati da eventi associati ai cambiamenti nella temperatura delle acque superficiali del Pacifico orientale.
Raggi Cosmici Galattici e Formazione delle Nuvole
Un'altra importante relazione è stata osservata tra il flusso dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra e l'aumento o diminuzione della copertura nuvolosa terrestre. A sua volta, il flusso di particelle cosmiche che giungono sulla Terra varia con il variare dell'attività solare.
Quando l'attività solare aumenta, aumenta anche il vento solare, un flusso di particelle cariche che si propaga nello spazio insieme al suo forte campo magnetico. Ma tale campo magnetico posto tra il Sole e la Terra deflette i raggi cosmici, velocissime particelle cariche provenienti dal Sole e dallo spazio intergalattico. Questi raggi cosmici, stante la loro elevata energia di urto, hanno la proprietà di ionizzare l'atmosfera, specie laddove questa è più densa (e quindi gli urti sono più numerosi) ovvero nella parte più prossima al suolo. Le molecole d'aria elettrizzate dai raggi cosmici possono andare a costituire centri di nucleazione, insieme al pulviscolo atmosferico, ottenendo di coagulare su di sé il vapore acqueo circostante, favorendo in tal modo la formazione di nubi nella bassa atmosfera. A sua volta, le nubi basse hanno la proprietà di raffreddare la Terra.
Quindi, quando l'attività solare è più intensa, l'atmosfera ha meno copertura nuvolosa perché i raggi cosmici saranno maggiormente deviati dal vento solare, così che maggiore energia giunge fino alla superficie terrestre (contribuendo così al riscaldamento climatico). Invece, quando l'attività solare è più debole, sarà maggiore la copertura nuvolosa dell'atmosfera terrestre, per cui diminuisce l'energia che arriva sino alla superficie, energia che viene respinta dalle nuvole.
Analizzando la situazione vediamo come l'attività solare sia aumentata nel corso degli ultimi 300 anni e in particolare negli ultimi 50 anni. Negli ultimi 30 anni, l'aumento dell'attività solare ha tenuto lontano dalla Terra gran parte dei raggi cosmici e quindi vi è stata una minore formazione di nubi in prossimità del suolo. Questo potrebbe spiegare, insieme ad altri fattori, il forte riscaldamento della Terra degli ultimi decenni. Nell'ultimo decennio, invece, l'attività solare sembra aver subito un lento declino: il Sole, nel suo ciclo undecennale, dopo avere raggiunto il minimo di attività nelle macchie solari nel 2007, in seguito ha dato solo timidi segnali di risveglio. Dal 2004 al 2011 sono stati 821 i giorni senza macchie, contro una media di 486. Negli ultimi 100 anni soltanto tra il 1911 e il 1914 il sole era stato così eccezionalmente pigro.
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Fenomeni Geomagnetici e Loro Implicazioni
Il Sole è una stella con alcune caratteristiche molto variabili, che cambiano con periodi che vanno da poche ore a centinaia d'anni. La direzione del campo magnetico interplanetario, e la velocità e la densità del vento solare, dipendono tutte dall'attività del Sole. Possono cambiare drasticamente in poco tempo e influenzare l'attività geomagnetica.
Quando questa aumenta, il bordo meridionale dell'aurora boreale si muove verso sud. Anche le emissioni di materia della corona solare causano ovali aurorali più grandi. I disturbi della magnetosfera terrestre sono chiamati tempeste geomagnetiche. Esse possono produrre cambiamenti improvvisi nella forma e nel moto dell'aurora, chiamati sottotempeste aurorali.
Le fluttuazioni magnetiche di tutte queste tempeste possono causare disturbi alla rete di energia elettrica, a volte facendo guastare alcuni apparecchi e causando blackout estesi. Possono anche influenzare il funzionamento delle radiocomunicazioni via satellite. Le tempeste magnetiche possono durare parecchie ore o anche giorni, e sottotempeste aurorali possono avvenire molte volte al giorno.
