VARIABILITÀ SOLARE E CLIMA TERRESTRE

Del Dr. Tony Phillips– 8 Gennaio 2013

Nello schema galattico delle cose, il Sole è una stella straordinariamente costante. Mentre alcune stelle esibiscono pulsazioni drammatiche, violentemente yo-yoing in termini di dimensioni e luminosità, e talvolta persino in esplosione, la luminosità del nostro sole varia di un misero 0,1% nel corso del ciclo solare di 11 anni.

Tuttavia, tra i ricercatori vi è una idea nascente che anche queste variazioni apparentemente minuscole possono avere un effetto significativo sul clima terrestre. Un nuovo rapporto pubblicato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (NRC), “Gli effetti della variabilità solare sul clima della Terra”, espone alcuni dei modi sorprendentemente complessi in cui l’attività solare può farsi sentire sul nostro pianeta.

Queste sei immagini ultraviolette del sole, scattate dal Solar Dynamics Observatory della NASA, tracciano il crescente livello di attività solare mentre il sole sale verso il picco dell’ultimo ciclo di macchie solari di 11 anni.

Comprendere la connessione sole-clima richiede una vasta esperienza in campi come la fisica del plasma, l’attività solare, la chimica dell’atmosfera e la fluidodinamica, la fisica delle particelle energetiche e persino la storia terrestre. Nessun singolo ricercatore ha l’intera gamma di conoscenze necessarie per risolvere il problema. Per fare progressi, l’NRC ha dovuto riunire dozzine di esperti provenienti da molti campi in un singolo workshop. Il rapporto riassume i loro sforzi combinati per inquadrare il problema in un contesto veramente multidisciplinare.

Uno dei partecipanti, Greg Kopp del Laboratorio di Fisica dell’Atmosfera e dello Spazio presso l’Università del Colorado, ha sottolineato che mentre le variazioni di luminosità nel ciclo solare di 11 anni equivalgono a solo un decimo in percentuale della produzione totale del sole, una frazione così piccola è comunque importante. “Anche le tipiche variazioni a breve termine dello 0,1% nell’incidente irradianza superano tutte le altre fonti di energia (come la radioattività naturale nel nucleo della Terra) combinate”, afferma Kopp.

Di particolare importanza sono le radiazioni ultraviolette estreme (EUV) del sole, che raggiungono il massimo durante gli anni intorno al massimo solare. All’interno della banda relativamente stretta delle lunghezze d’onda EUV, l’uscita del sole varia non di un minuscolo 0,1%, ma di un fattore enorme di 10 o più. Questo può influenzare fortemente la chimica e la struttura termica dell’alta atmosfera.

Le misurazioni spaziali dell’Irradianza Solare Totale (TSI) mostrano variazioni dello 0,1% con l’attività solare su intervalli di tempo più brevi di 11 anni. Questi dati sono stati corretti per gli offset di calibrazione tra i vari strumenti utilizzati per misurare la TSI. FONTE: per gentile concessione di Greg Kopp, Università del Colorado.

Diversi ricercatori hanno discusso di come i cambiamenti nell’atmosfera superiore possono ridiscendere verso la superficie terrestre. Ci sono molti percorsi “top-down” che influenzano il sole. Ad esempio, Charles Jackman del Goddard Space Flight Center ha descritto come gli ossidi di azoto (NOx) creati dalle particelle energetiche solari e dai raggi cosmici nella stratosfera potrebbero ridurre i livelli di ozono di qualche punto percentuale. Poiché l’ozono assorbe le radiazioni UV, meno ozono significa che più raggi UV del sole raggiungerebbero la superficie terrestre.

Isaac Held del NOAA ha fatto un ulteriore passo avanti. Ha descritto come la perdita di ozono nella stratosfera potrebbe alterare la dinamica dell’atmosfera sottostante. “Il raffreddamento della stratosfera polare associata alla perdita di ozono aumenta il gradiente di temperatura orizzontale vicino alla tropopausa”, spiega. “Questo altera il flusso del momento angolare per i mulinelli a media latitudine. [Il momento angolare è importante perché] il bilancio angolare del momento della troposfera controlla i venti di superficie”. In altre parole, l’attività solare percepita nell’atmosfera superiore può, attraverso una complicata serie di influenze, spingere fuori rotta le tracce nelle tempeste di superficie.

Come i raggi cosmici e i protoni solari galattici entrano nell’atmosfera. FONTE: C. Jackman, Centro di volo spaziale Goddard della NASA, “L’impatto delle particelle energetiche di precipitazione sull’atmosfera”, presentazione al seminario sugli effetti della variabilità solare sul clima della Terra, 9 settembre 2011.

Molti dei meccanismi proposti al workshop avevano una qualità simile a Rube Goldberg. Si basavano su interazioni multi-passo tra più strati di atmosfera e oceano, alcuni che si affidavano alla chimica per svolgere il proprio lavoro, altri che si appoggiavano alla termodinamica o alla fisica dei fluidi. Ma solo perché qualcosa è complicato non significa che non sia reale.

Infatti, Gerald Meehl del Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica (NCAR) ha presentato prove convincenti che la variabilità solare sta lasciando un’impronta sul clima, specialmente nel Pacifico. Secondo il rapporto, quando i ricercatori esaminano i dati sulla temperatura della superficie del mare durante gli anni di picco delle macchie solari, il Pacifico tropicale mostra uno schema pronunciato simile a La Nina, con un raffreddamento di quasi 1 ^° C nel Pacifico orientale equatoriale. Inoltre, “ci sono segnali di un aumento delle precipitazioni nella zona ITCZ ​​del Pacifico (zona di convergenza inter-tropicale) e nella zona di convergenza del Pacifico meridionale (SPCZ), oltre alla pressione al livello del mare nella latitudine settentrionale e meridionale del Pacifico” correlato con i picchi nel ciclo delle macchie solari.

I segnali del ciclo solare sono così forti nel Pacifico, che Meehl e colleghi hanno iniziato a chiedersi se qualcosa nel sistema climatico del Pacifico sta agendo per amplificarli. “Uno dei misteri riguardanti il ​​sistema climatico terrestre … è come le fluttuazioni relativamente piccole del ciclo solare di 11 anni possono produrre l’ampiezza dei segnali climatici osservati nel Pacifico tropicale”. Usando i modelli di supercomputer del clima, mostrano che non solo sono necessari meccanismi “dall’alto verso il basso” ma anche “dal basso verso l’alto” che coinvolgono le interazioni atmosfera-oceano per amplificare la forzante solare sulla superficie del Pacifico.

Medie composte per dicembre-gennaio-febbraio per gli anni solari di picco. FONTE: GA Meehl, JM Arblaster, K. Matthes, F. Sassi e H. van Loon, amplificando la risposta del sistema climatico del Pacifico a un forcing del ciclo solare di 11 anni, Science 325: 1114-1118, 2009; ristampato con il permesso di AAAS.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno preso in considerazione la possibilità che il sole abbia un ruolo nel riscaldamento globale. Dopotutto, il sole è la principale fonte di calore per il nostro pianeta. Il rapporto NRC suggerisce, tuttavia, che l’influenza della variabilità solare è più regionale che globale. La regione del Pacifico è solo un esempio.

Caspar Amman di NCAR ha osservato nel rapporto che “Quando l’equilibrio radiativo della Terra è alterato, come nel caso di un cambiamento nella forzante del ciclo solare, non tutte le zone sono colpite allo stesso modo. Il Pacifico centrale equatoriale è generalmente più fresco, il deflusso dai fiumi in Perù è ridotto e le condizioni più secche colpiscono gli Stati Uniti occidentali”.

Raymond Bradley di UMass, che ha studiato le registrazioni storiche dell’attività solare impresse dai radioisotopi negli anelli degli alberi e nelle carote di ghiaccio, dice che le precipitazioni regionali sembrano essere più influenzate della temperatura. “Se c’è davvero un effetto solare sul clima, si manifesta con i cambiamenti nella circolazione generale piuttosto che con un segnale di temperatura diretto”. Ciò si adatta alla conclusione dell’IPCC e ai precedenti rapporti NRC che la variabilità solare NON è la causa del riscaldamento globale negli ultimi 50 anni.

Molto è stato fatto della probabile connessione tra il Maunder Minimum, un deficit di 70 anni di macchie solari nel tardo ^XVII secolo, e la parte più fredda della Piccola Era Glaciale, durante la quale l’Europa e il Nord America furono sottoposti ad inverni molto freddi. Il meccanismo per quel raffreddamento regionale avrebbe potuto essere un calo dell’output EUV del sole; questo è, comunque, speculativo.

Il numero medio annuo di macchie solari per un periodo di 400 anni (1610-2010). FONTE: per gentile concessione della NASA Marshall Space Flight Center.

Dan Lubin della Scripps Institution of Oceanography ha sottolineato il valore di osservare le stelle simili al sole in altre parti della Via Lattea per determinare la frequenza di simili minimi solari. “Le prime stime della grande frequenza minima nelle stelle di tipo solare variavano dal 10% al 30%, il che implica che l’influenza del sole potrebbe essere opprimente.  Studi più recenti che utilizzano dati di Hipparcos (un satellite astrometrico dell’Agenzia Spaziale Europea) e che rappresentano correttamente la loro metallicità delle stelle, in cui collocano la stima in un intervallo inferiore al 3%. “Questo non è un numero elevato, ma è significativo.

In effetti, il sole potrebbe essere sulla soglia di un evento mini-Maunder proprio ora. Il ciclo solare 24 ora in corso è il più debole da oltre 100 anni (ndr). Inoltre, vi è una evidenza di un indebolimento a lungo termine dell’intensità del campo magnetico delle macchie solari. Matt Penn e William Livingston del National Solar Observatory predicono che al momento dell’arrivo del Solar Cycle 25, i campi magnetici del sole saranno così deboli che si formeranno poche o poche macchie solari. Linee di ricerca indipendenti che riguardano l’eliosismologia e i campi polari superficiali tendono a supportare la loro conclusione. (Nota: Penn e Livingston non erano presenti al workshop NRC).

“Se il sole sta davvero entrando in una fase non familiare del ciclo solare, allora dobbiamo raddoppiare i nostri sforzi per comprendere il legame sole-clima”, osserva Lika Guhathakurta del programma Living With a Star della NASA, che ha contribuito a finanziare lo studio NRC. “Il rapporto offre alcune buone idee su come iniziare.”

Questa immagine della fotosfera superiore del Sole mostra strutture magnetiche luminose e scure responsabili delle variazioni nella TSI. FONTE: per gentile concessione di P. Foukal, Heliophysics, Inc.

In una discussione di gruppo conclusiva, i ricercatori hanno identificato un numero di possibili prossimi passi. Il più importante tra questi era il dispiegamento di un’immagine radiometrica. I dispositivi attualmente utilizzati per misurare l’irraggiamento solare totale (TSI) riducono l’intero sole a un singolo numero: la luminosità totale sommata su tutte le latitudini, longitudini e lunghezze d’onda. Questo valore integrato diventa un punto isolato in una serie temporale che traccia l’output del sole.

Infatti, come ha sottolineato Peter Foukal di Heliophysics, Inc., la situazione è più complessa. Il sole non è una sfera informe di luminosità uniforme.  Invece, il disco solare è cosparso da nuclei scuri di macchie solari e da una brillante luminosità magnetica nota come faculae. L’immagine radiometrico dovrebbe, essenzialmente, mappare la superficie del sole e rivelare i contributi di ciascuno alla luminosità del sole. Di particolare interesse sono le faculae. Mentre le macchie scure tendono a svanire durante i minimi solari, le faculae luminose non lo fanno. Questo potrebbe essere il motivo per cui le registrazioni paleoclimatiche degli isotopi sensibili al sole C-14 e Be-10 mostrano un debole ciclo di 11 anni in esecuzione anche durante il Minimo di Maunder. Una immagine radiometrica, utilizzata in qualche futuro osservatorio spaziale, consentirebbe ai ricercatori di sviluppare la comprensione di cui hanno bisogno per proiettare il legame sole-clima in un futuro di immutabilità prolungata.

Alcuni partecipanti hanno sottolineato la necessità di inserire i dati del clima solare in formati standard e di renderli ampiamente disponibili per lo studio multidisciplinare. Poiché i meccanismi per l’influenza del sole sul clima sono complicati, i ricercatori di molti settori dovranno lavorare insieme per modellarli con successo e confrontare i risultati concorrenti. La collaborazione continua e migliorata tra NASA, NOAA e NSF sono le chiavi di questo processo.

Hal Maring, uno scienziato del clima presso la sede della NASA che ha studiato il rapporto, nota che “molte interessanti possibilità sono state suggerite dai relatori. Tuttavia, poche, se non nessuna, sono state quantificate al punto da poter valutare in modo definitivo il loro impatto sul clima. “Indurire le possibilità in modelli concreti e fisicamente completi è una sfida chiave per i ricercatori.

Infine, molti partecipanti hanno notato la difficoltà nel decifrare il legame tra sole e clima da record paleoclimatici come anelli degli alberi e carote di ghiaccio. Variazioni nel campo magnetico terrestre e nella circolazione atmosferica possono influenzare la deposizione di radioisotopi molto più della reale attività solare. Una migliore registrazione a lungo termine dell’irraggiamento solare potrebbe essere codificata nelle rocce e nei sedimenti della Luna o di Marte. Studiare altri mondi potrebbe essere la nostra chiave per un prossimo successo.

Il rapporto completo “Gli effetti della variabilità solare sul clima della Terra” è disponibile presso la National Academies Press all’indirizzo http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=13519.

Fonte: NASA Science