Il Sole è una stella quieta, ma in un mondo costruito dall’uomo nell’ultimo secolo, un mondo fondato proprio sul controllo dell’elettromagnetismo, gli sbuffi di questo nostro dispensatore di vita potrebbero risultare piuttosto sconvenienti.
Proviamo solo ad immaginare cosa combinerebbe un nuovo evento di Carrington (la fortissima tempesta magnetica del 1859) ai giorni nostri.
Non possiamo tuttavia riflettere solo su eventi impulsivi, è necessario anche valutare quali potrebbero essere gli effetti di lungo periodo del variare dell’attività magnetica della nostra stella.
Come tutti sappiamo, c’è oggigiorno una diffusa accettazione dell’idea secondo cui il variare dell’attività solare sia un attore davvero importante nel modellare il clima.
Così probabilmente è accaduto in passato e così potrebbe accadere in futuro.
Se nel passato è possibile esplorare l’accaduto, per ciò che riguarda il futuro è bene mantenere un profilo prudente, poiché la macchina climatica, nonché quella solare, è davvero complessa e dunque è bene muoversi a piccoli passi. Comprendere il passato è tuttavia la chiave per tentare d’interpretare il futuro.

– Una storia piena di macchie

Dopo la formalizzazione del ciclo di Schwabe (Heinrich Schwabe – 1843, scoprì, cercando altro, l’altalenante ciclica variazione mediamente undecennale del numero di macchie solari), Wolf formulò il modo con cui tener traccia dell’attività solare. Questa espressione, a tutt’oggi utilizzata, prevede il conteggio delle macchia solari visibili come segue:

N = 10 x Numero di gruppi + Numero macchie singole.

Il dieci discende dal numero medio di macchie riscontrate in un gruppo.
Dunque quest’approccio all’attività solare, nel tempo, ha favorito ricerche indirizzate alla ricostruzione storica del ciclo di Schwabe. Un lavoro davvero impegnativo e gravoso, di cui tuttavia oggi possiamo goderne i frutti. Un’opera che portò, tra le altre cose, alla stesura nel 1976 del capitale lavoro di Eddy “The Mauder Minimum”.
Nel corso del tempo è tuttavia emerso un dubbio annoso. Ma sarà vero che 100 macchie oggi rappresentino il medesimo livello di attività solare di due secoli fa oppure fra due secoli ?
Schaefer nel 1993 mostrò come nel tempo il numero di macchie all’interno dei gruppi fosse rimasto costante. Per questo un numero basato solo sul numero di gruppi di macchie avrebbe potuto simulare il numero di Wolf e semplificare così la traduzione della variabilità dei cicli.
Nel 1994 Hoyt & Schatten diedero pertanto corpo ad un indice chiamato “Gruop Sunspot Number” (GSN) e dal suo studio notarono come quest’indice suggeriva un incremento stabile dell’attività solare dal Minimo di Mauder sino ad oggi. Da ciò nacque il concetto di “Grande massimo solare moderno” riferito al XX secolo (peraltro anche Eddy nel suo “The Maunder minimum” sollevò la questione dell’energia attività dell’allora corrente secolo).
Tuttavia il GSN mostro ben presto un fastidioso problema, ossia il rapporto col numero di wolf (il rapporto della media mensile del GSN con la media mensile del numero di Wolf) mostrava ben due distinte discontinuità; la prima grossomodo nel 1885 e la seconda attorno al 1945. Il rapporto tra le due entità permette di annullare la maggior parte delle variabilità sui singoli cicli.
Nella figura che segue evidenzia quanto descritto.

Come poter spiegare ciò ?
Il Sole o la mano dell’uomo nel modellare i dati alla base di quell’andamento ?
Dunque la domanda più importante: esiste o no il “grande massimo solare moderno” dato che lo si individua nei numeri in buon essenza attraverso il GNS ?

Nel corso degli anni 40 l’osservatorio di Zurigo divenne il riferimento per il conteggio delle macchia. L’osservatorio ausiliario, posto oltralpe per minimizzare i problemi d’osservazione derivante dal clima, fu Locarno. A quell’epoca il direttore dell’osservatorio di Zurigo fu Max Waldmeier, il quale, a proposito del conteggio delle macchie, impose la seguente nuova direttiva:

“A spot like a fine point is counted as one spot; a larger spot, but still without penumbra, gets the statistical weight 2, a smallish spot with penumbra gets 3, and a larger one gets 5.”

Questa manovra alterò il valor medio del conteggi e oggi il salto del 1945 viene chiamato la discontinuità di Waldmeier. Anche la discontinuità del 1885 ha una spiegazione più che naturale. Difatti l’inizio dello studio sistematico dell’andamento solare (periodo che può essere compreso tra il 1848 e il 1928) fu compiuto prima da Wolf e in seguito da Alfred Wolfer, i quali si sovrapposero nelle osservazioni dal 1848 al 1893 (anno della morte di Wolf). Nelle sue osservazioni Wolf utilizzò un piccolo cannocchiale manuale, mentre Wolfer un rifrattore da 80 mm Fraunhofer. La discrepanza tra i valori pre e post 1885 nasce dalla diversa strumentazione in uso e dunque da ciò che videro l’uno e l’altro.
Risolta anche l’altra discontinuità presente nel GSN, si procedette ad una normalizzazione dei dati e con essi divenne sfumato il concetto del grande massimo solare moderno.

– Qualcosa di più fisico

Poco dopo la seconda guerra mondiale Arthur Covington, del National Research Council di Ottawa, riadattò un radar militare in disuso per ricerche astronomiche nel campo delle microonde.
La frequenza d’esercizio della piccola antenna (1.2 m) fu di 28000 Hz, ossia di 10.7 Cm di lunghezza d’onda.
Covington puntò la sua antenna su vari oggetti della volta celeste, ma quello che lo sorprese di più fu il Sole.
Il nostro astro a quella frequenza mostrò fluttuazioni d’emissione. La cosa sorprese non poco Covington, poiché cosa del tutto inattesa. Tuttavia, dato il basso potere risolutore dell’antenna, non riuscì per un certo tempo a capire quale fosse la causa delle fluttuazioni registrate. L’occasione venne durante un eclissi di Sole del 23 Novembre del 1946. Quando la luna oscurò un grosso gruppo di macchie il flusso cambiò repentinamente e così lo scienziato capì che l’energia misurata a quella frequenza esprimeva un importante segnale dell’attività solare. Nella storia del flusso solare, così come nel caso delle macchie solari, si può proprio dire che la fortuna bacia gli audaci !
Oggi sappiamo che il numero di macchie e il flusso solare hanno, perlomeno nei cicli dal ciclo 18 al ciclo 23 escluso, un’espressione piuttosto intima. Si tratta di set di dati potenzialmente intercambiabile e risponde alla formula empirica che segue (N è il numero di macchie):

Ma sappiamo anche che il flusso è, più in generale, l’espressione dell’attività magnetica del sole. Difatti nella figura che segue si evidenzia come questo sia ottimamente correlato linearmente con la forza del campo magnetico solare

Difatti il flusso, anche in fase di minimo con sunspot zero, non scende mai (per ciò che sino ad oggi è stato misurato) sotto i 67 s.f.u.
Non c’è dunque sorpresa se anche nella banda medio-dura dell ‘ultravioletto (che per frequenze inferiori ai 300 nm è prodotta in gran parte nelle facole) si trova usa stretta correlazione col flusso solare a 10.7 Cm

A proposito della fig. 4, non prestate troppa attenzione al grosso calo apparente degli UV nell’ultimo minimo, poiché c’è più di un sospetto che sia figlio di un degrado della sonda SOLSTICE (DeLand & Cebula, 2010).
In altre parole il flusso a 10.7 Cm è il miglior indicatore dell’attività solare, poiché comprensivo di una gamma di fenomeni di cui le macchie ne sono si una parte rilevante ma non esaustiva della fenomenologia. Inoltre il flusso solare è misurato, mentre la stima delle macchie solari, come ben sappiamo, è più opinabile.

Il ciclo 23 smazza le carte

Dal 1998 tuttavia qualcosa è iniziato a cambiare nella correlazione tra flusso solare e numero di macchie.
Si è difatti notato come, per dato flusso, il numero di macchie proporzionalmente stia scendendo.
Si tratta di una novità rilevante, poiché tale rapporto è rimasto sostanzialmente stabile da quando il flusso è misurato

Senza dover scomodare i mostri sacri della climatologia e dell’astronomia, questa cosa la si nota abbastanza benone semplicemente computando i dati segmentati per flusso.
Nel grafico seguente si tenga presente che per valori di flusso < 100 s.f.u. si è considerato tutto il periodo del minimo (cioè fine ciclo precedente e inizio ciclo successivo ).
Per questo, ad esempio, quello definito come ciclo 20 considera il flusso minore di 100 dalla fine del ciclo 19 e l’inizio del ciclo 20.

Nel 1998 Livingston & Penn notarono come il campo magnetico solare si stesse stabilmente indebolendo e come le macchie, anch’esse come il resto espressione del magnetismo solare, apparissero più brillanti (o più calde se preferite) e per questo meno contrastate.
Nel 2012 si è calcolato (Livingston et al., 2012) un calo dell’ordine del 25% di intensità a partire dal 1998.
In un recentissimo lavoro (Lefevre & Clette, 2012) questo calo viene interpretato come determinato dalla perdita delle macchie più piccole.
Ma quest’occorrenza getta una nuova ombra sulla valenza dell’analisi delle macchie come descrittore dell’attività solare in fase di minimi profondi o profondissimi, poiché non è esclusa una significativa perdita di correlazione col flusso e, a cascata, un difetto di descrizione dell’attività magnetica del Sole.

– A spasso tra i minimi

Ricostuire l’attività solare durante i grandi minimi è dunque un elemento d’interesse estremo, poiché da queste analisi potrebbero dicendere elementi chiarificato su possibili scenari futuri.
Non ci si può per questo esimere dal porsi domande sull’attività solare durante il grande minimo di Mauder.
Nel 2007 Eddy & Foukal misero in evidenza come durante le eclissi totali del 1706 e del 1715 fu osservata la foresta di spicole (red flash), il che implica la presenza di una rete di strutture brillanti, ossia in buona sostanza all’epoca un’attività magnetica della cromosfera e della fotosfera.
Nel 2009 Berggren et al. confermarono la presenza di attività magnetica significativa durante il minimo di Mauder dall’analisi della modoluazione di concentrazione dell’isotopo di natura cosmogenica Berillo 10 (nella figura che segue la linea Rossa è il GSN normalizzato).

Attraverso lo studio di vari proxy dell’attività solare nel tempo, primi tra tutti proprio gli isotopi di natura cosmogenica Be10 e C14, nel corso degli anni si è dato vita ad una serie di modelli d’irradiazione spettrale del nostro astro. La sintesi di questo lavoro può essere ben riassunta nell’immagine che segue.

Si nota come il valor medio del TSI rispetto all’odierno oscilli attorno ai 2 W/m2. Da non troppi anni (Shapiro et al., 2011) è stato sviluppato un nuovo modello d’analisi dell’irradiazione spettrale del Sole (LIS), secondo il quale durante il minimo di Mauder il TSI fu di 6 W/m2 (errore +/- 3 W/m2) rispetto all’attuale.
Dunque più basso (o molto più basso) di quanto stimato in precedenza , ma tendenzialmente più in linea coi risultati di Lean. Di seguito (l’area grigia rappresenta l’incertezza d’andamento) è mostrata quest’ultima ricostruzione dell’andamento del TSI.

Da queste analisi emerge, seppur senza troppa enfasi, il concetto di “massimo solare moderno”.
Può la variazione del TSI nell’intorno dei 3 W/m2 sconvolgere il clima come accaduto durante il minimo di Mauder ? La domanda è di quelle toste e a tutt’oggi vi è un acceso dibattito sul tema.
In questa sede non sarà approfondito quest’aspetto (magari in futuro si tornerà sull’argomento. Alcuni aspetti davvero interessanti vi sono), poiché è bene porre l’attenzione su di una “preda” più succulenta; la variazione della componente ultravioletta medio-dura.
Difatti dai modelli spettrali messi in campo per l’analisi del TSI, sia da Lean che da Shapiro, emerge una sorprendende coincidenza nei numeri della variazione d’emissione in quelle bande spettrali.
Di seguito proponiamo i risultati ottenuti da Shapiro (immagine che segue).

In tal senso, ossia per l’ultravioletto, possiamo ben parlare di “grande massimo moderno” !
Ma perché tanto interesse per l’ultravioletto ?
Da accurati studi di Hood del 2004, l’ultravioletto è uno degli indiziati primari per essere una forzante sull’attività climatica del nostro pianeta.
La radiazione con lunghezza d’onda compresa tra i 190 e i 240 nm può entrare in stratosfera penetrando fino alle quote tra i 30 e i 50 km, laddove si trova la zona di formazione dell’ozono.
La conseguenza del riscaldamento radiativo è il gradiente termico positivo all’aumentare dell’altezza (a differenza di quanto avviene in troposfera) e dunque un aumento della stabilità della stratosfera.
Pertanto, una riduzione della quantità di radiazione ultravioletta in arrivo, determina una riduzione del riscaldamento radiativo: ciò rende la stratosfera più fredda ed instabile (si riduce il gradiente termico positivo all’aumentare dell’altezza).
E nella moderna climatologia la stratosfera è considerata essere un attore di assoluto rilievo.
Ciò, d’altra parte, darebbe un senso concreto a ciò che accadde durante il minimo di Maunder.

“The stratosphere is a major player in determining the memory of the climate system”
(Baldwin et al., 2003).

“The variable Sun is the most likely candidatefor natural forcing of past climate change on time scales of 50 to 1000 years.Evidence for this understanding is that the terrestrial climate correlatespositively with solar activity.”
(Shapiro et al., 2011)

– Il ciclo 24 e l’entrante ciclo 25

Come inizialmente indicato, il Sole ha un’attività ciclica di cui le macchie solari sono un proxy.
La ciclicità delle macchie è mediamente di 11 anni (ma può oscillare in quell’intorno di alcuni anni) e, ad ogni ciclo, queste tendono inizialmente a presentarsi ad alte latitudini solari, per poi migrare verso le aree equatoriali sul finire del ciclo. Nella fase di minimo poi, le macchie divengono scarse o assenti.
Ciò dà vita al cosiddetto “grafico a farfalla” (legge di Sporer) di cui sotto riportiamo l’immagine

Oltre a ciò, Hale, all’inizio del secolo, individuò un secondo ciclo (detto ciclo magnetico) di durata circa doppia rispetto al ciclo undecennale delle macchie. Ogni macchia solare porta in dote una polarizzazione magnetica e il ciclo di Hale si chiude quando le macchie riacquisiscono la stessa polarizzazione. Quindi una caratteristica chiave per l’inizio del nuovo ciclo undecennale, è proprio l’inversione della polarità magnetica delle macchie. L’immagine che segue propone la polarità magnetica del ciclo 21 e del 22 (notate la disposizione delle chiazze nere e bianche)

E’ notizia di questi giorni il manifestarsi di una piccola area ad alta latitudine (abbastanza alta diciamo) con polarità invertita rispetto al ciclo 24 (chiamata AR 2727), il che suggerisce che si tratti di un buon precursore dell’inizio del nuovo ciclo 25.

Il ciclo 24 è oramai al suo punto di minimo e dunque non è una sorpresa la comparsa di una siffatta struttura. La domanda che da anni gli scienziati si fanno è come sarà questo ciclo 25.
L’immagine che segue mostra la serie degli ultimi cicli e, come indicato in precedenza, una tendenza all’indebolimento dall’attività della nostra stella.

Oggigiorno non esiste un modello di dettaglio sufficiente che permetta la previsione dell’intensità dei cicli solari, tuttavia gli studi tendenzialmente suggeriscono un ciclo simile al precedente n. 24.

Alcune ricerche lo inquadrano un po’ più energico e altre un po’ più debole, ma la cosa di rilievo è che pare giunto al termine il “grande massimo solare moderno”.