Evoluzione a lungo termine dei campi magnetici delle macchie solari (traduzione studio L&P)

Questo è anche il titolo dell’ultimo lavoro di Linvingston & Penn, datato 3 settembre 2010, che sembra confermare l’involuzione dell’attività magnetica del nostro Sole.

Ma se da un lato questi autori forniscono dei dati esplosivi sul futuro della nostra stella, dall’altro richiamano alla prudenza nell’interpretare i dati raccolti nel loro studio, in questo dimostrando la saggezza dei veri scienziati.

In particolare viene confermato che, indipendentemente dal ciclo solare, vi è una progressiva diminuzione della forza del campo magnetico delle macchie solari rivelato dai dati spettroscopici (sdoppiamento Zeeman emesso dagli atomi del ferro nell’atmosfera  del Sole quando sono attraversati da un campo magnetico) ottenuti dalla banda di emissione del ferro a 1564.8nm e ricavati utilizzando il telescopio McMath-Pierce di Kitt Peak del National Solar Observatory (NSO) in Arizona.

Il telescopio McMath-Pierce di Kitt Peak (Arizona)

Introduzione e tesi degli autori

Questa diminuzione progressiva dei campi magnetici delle macchie solari era un dato già rilevato nei loro precedenti lavori. Questa tendenza viene di nuovo confermata anche nella prosecuzione delle osservazioni sulle macchie solari del nuovo ciclo solare 24.

La novità di questo lavoro è che hanno anche osservato una perfetta corrispondenza tra le variazioni di luminosità delle macchie solari e l’intensità della banda di assorbimento molecolare.

Estrapolando una linea sul grafico di questa tendenza, Livingston e Penn hanno concluso che ciò potrebbe portare alla metà del numero di macchie solari nel ciclo 24 rispetto al ciclo di 23, e praticamente alla scomparsa delle macchie solari nel ciclo solare 25.

Gli stessi autori nello stesso lavoro hanno anche esaminato le osservazioni sinottiche ricavate dal Kitt Peak Vacuum Telescope del NSO, inizialmente con 4000 punti di risoluzione, ed hanno trovato una variazione di luminosità delle macchie solari che grossomodo concordano con le osservazioni eseguite ai raggi infrarossi.

Ad un esame più dettagliato con 13.000 punti, sia la luminosità in loco sia le linee di emissione del flusso magnetico rivelano che il rapporto tra campi magnetici delle macchie solari e la luminosità e le dimensioni delle stesse macchie rimangono costanti durante l’intero ciclo solare. Ma compaiono anche rare piccole variazioni temporali di luminosità, in base alla zona e alla dimensione, che poste in rapporto alle linee di flusso magnetico, possono essere osservate in questo campione decisamente più ampio.

A causa di questo piccolo disaccordo apparente tra i due insiemi di dati, Livingston e Penn discutono ampiamente nel loro lavoro se la linea spettrale all’infrarosso può essere l’unica valida misurazione diretta dei campi magnetici nelle macchie solari.

Sebbene le loro osservazioni siano iniziate già nel 1990, fondamentalmente  la loro attenzione si era incentrata solo sulle macchie solari di più grandi dimensioni visibili sul disco solare. Nel corso degli ultimi 10 anni queste osservazioni sono diventate molto più analitiche e in più si sono estese a tutte le più piccole macchie visibili, dai più minuti pori alle macchie più estese con ampia penombra.

Successivamente Livingston ha rimontato i propri dati ottenuti nella banda dell’infrarosso confrontandoli con quelli della luminosità presente sul MDI Continuum.

Già nel 2006 Penn e Livingston avevano riportato che i dati del campo magnetico rilevato con la spettroscopia all’infrarosso dimostravano una diminuzione della forza del campo magnetico delle macchie solari, assolutamente indipendente dalla fase delle macchie nel ciclo solare.

Inoltre, le misurazioni a suo tempo avevano rivelato una soglia di intensità del campo magnetico per produrre una macchia di circa 1500 Gauss, sotto alla quale i pori che si erano formati non davano più luogo a delle macchie. Una estrapolazione lineare sul grafico dell’andamento generale del campo magnetico delle macchie solari aveva suggerito che l’intensità media del campo avrebbe raggiunto questo valore soglia  di 1500 Gauss per l’anno 2017.

Questa volta, prendendo in esame anche l’analisi della luminosità delle macchie nel continuum, si è osservato, inoltre, un pari andamento lineare, e l’estrapolazione dei dati ha dimostrato che la luminosità delle macchie va a pari passo con la luminosità costante del Sole nello stesso anno.

Infine, la profondità della linea molecolare emessa dal Sole ha dimostrato una diminuzione della sua forza con il progredire del tempo, e il nuovo andamento suggerisce ancora una volta che la linea di assorbimento molecolare scomparirà mediamente intorno al  2017.

Entrando in dettaglio in merito, Livingston & Penn fanno notare i numerosi dati che testimoniano il notevole avanzamento dell’attuale ciclo, dall’oscillazione torsionale al numero di macchie e alla loro migrazione, riportata da altri autori e tracciano il parallelo esistente tra il ciclo 23 ed il 24 nell’evoluzione temporale, anche se con dati molto più al ribasso per il ciclo 24.

Ossia i due cicli appaiono confrontabili nella loro estensione, anche se il ciclo 24 appare, molto, ma molto più debole in intensità.

Questo confronto nei calcoli di Livingston e Penn, ci suggerisce che il giugno 2010 (ciclo 24) corrisponde al febbraio 1998 del ciclo 23 ed è molto  istruttivo esaminare i numeri di macchie solari mensili presenti rispettivamente in questi due mesi: nel febbraio 1998 il valore era 40, e nel giugno 2010 tale valore è sceso a 13.

Se osserviamo anche i 5 mesi che precedono questi periodi, troviamo che per un periodo di sei mesi il ciclo 24 ha mostrato solo 0,37 volte il numero di macchie visto nel ciclo 23.

Con la correzione della fase dei cicli solari, stiamo assistendo ad un numero di macchie solari di gran lunga inferiore a quanto visto nel precedente ciclo. In definitiva il ciclo solare 24 produce un numero insolitamente basso di ampie macchie dotate di penombra e perfino di pori.

Fig 1: Le misurazioni della forza totale del campo magnetico nella porzione più scura dell’ombra delle macchie solari e dei pori in funzione del tempo. Le croci indicano le misure individuali, gli asterischi indicano la media annuale. Vi sono tre linee che indicano le medie e la loro estrapolazione: la linea più bassa è quella ricavata dai dati del 1998-2006, come pubblicato nel lavoro scientifico di Livingston e Penn del 2006.

La linea superiore comprende tutti i dati ricavati solo dal ciclo 23, e la riga centrale comprende tutti i dati raccolti (ciclo 23 e 24).

Quali i risultati grafici delle osservazioni recenti

La figura 1 mostra le osservazioni sui campi magnetici delle macchie solari e dei pori ricavati dai dati delle misurazioni eseguite personalmente da Livingston.
La forza totale del campo magnetico nella zona più buia dell’ombra delle macchie solari e dei pori è in funzione del data della misurazione. Le misurazioni sono indicate come crocette. Vi è un’ampia distribuzione delle crocette riguardanti la forza dei campi magnetici visibili sulla fotosfera solare, ma sembra esserci una soglia più bassa per la formazione di macchie solari molto scure o pori via via che avanza il tempo.

Nessuna misurazione dimostra che la forza del campo magnetico totale è inferiore a circa 1500 Gauss nella parte più scura della macchia, e presumibilmente regioni con la massima intensità di campo magnetico inferiore a questo valore non vengono sottoposti a collasso convettivo.

Nella figura 1 le medie annuali delle misurazioni vengono anche visualizzate come degli asterischi, e la deviazione standard dalla media appare come una barra verticale (di errore di calcolo) posta sugli asterischi.

Sono anche indicate in questa figura diverse estrapolazioni delle funzioni lineari ricavate.

La linea (funzione lineare) posta più a sinistra (n.d.r. la più bassa) mostra il risultato del lavoro svolto da Penn e Livingston  nel 2006; la estrapolazione della linea mostra un’intercetta con il valore di 1500 Gauss nel 2017, e sono anche indicate le barre di deviazione standard (errore di calcolo) del punto di intercetta.

La linea più a destra comprende tutti i dati delle osservazioni di Livingston riguardanti il ciclo 23, comprendenti anche quelli derivati dalle misurazioni dei campi magnetici dal 2007 fino al 2008.

Questa ultima linea sposta l’intercetta dei 1500 Gauss al 2022.

La linea centrale comprende tutti i dati, comprese le misurazioni del ciclo 24, e la data di intercetta sembra essere nel 2021, ma tale data è anche compresa all’interno delle barre di errore (deviazione standard) dei dati ottenuti dalle macchie solari del ciclo 23.

In ogni caso le linee tracciate per tutti i dati dimostrano comunque una diminuzione di circa 50 Gauss all’anno dell’intensità del campo magnetico nella porzione di più intensa oscurità delle macchie solari.

E ‘importante notare che sia le macchie solari che i pori sono inclusi in questo studio.

I pori, ai quali manca la penombra, possiedono spesso una forza di campo magnetico inferiore ai 2000 Gauss, ma comunque sempre più forte del valore soglia del campo magnetico di 1500 Gauss.

In secondo luogo, l’intercetta con questo valore soglia di 1500 Gauss nella forza media del campo magnetico non implica che tutte le macchie solari scompariranno entro il 2021, ma implica che la metà delle macchie solari che normalmente appaiono sulla superficie del Sole saranno ugualmente visibili.

Infine, il grafico non tratta degli altri campi magnetici sul Sole, ossia laddove il campo magnetico è di potenza inferiore a 1500 Gauss,  e non considera neppure il comportamento nel tempo dell’irradiazione solare costante e priva di tempeste magnetiche superficiali, che potrebbe essere molto diversa dal comportamento dimostrato dalle macchie solari.

Il supporto dei dati ricavati da altri studi

Successivamente Livingston e Penn si lanciano nell’illustrare i problemi affrontati nel confrontare i dati ricavati dalla spettrografia a infrarossi con la misurazione della luminosità delle macchie solari ricavate dal MDI Continuum, cercando il parallelo con altri autori, ma vorrei risparmiarvi questa parte, che comunque appare molto critica.

Vorrei solo farvi porre l’attenzione su alcune frasi, come di seguito discusso da Livingston e Penn: “Misurare la vera forza del campo magnetico nelle zone più oscure delle macchie solari o dei pori è conosciuto per essere un compito molto difficile, in quanto i livelli di luminosità sono bassi e le profondità delle linee di forza sono piccole (Liu, Norton & Scherrer 2007). Però utilizzando misurazioni simultanee (n.d.r. spettrografia ad infrarossi e MDI Continuum) su una macchia solare di grandi dimensioni (Hinode and MDI, Moon et al., 2007) si dimostra che le osservazioni MDI possono sottovalutare la forza del campo magnetico di un fattore pari a due. Le immagini del magnetogramma hanno diversi vantaggi in termini di cadenza di osservazioni e di integrità spaziale delle immagini, ma gli strumenti come lo spettrografo riescono a catturare i profili completi delle macchie più scure ed hanno maggiori vantaggi in termini di accuratezza”.

Livingston e Penn propongono a questo proposito un altro grafico con il quale, in base ai loro dati e con una proiezione statistica, suggeriscono l’evoluzione dei cicli successivi al 23.

Fig. 2 .- La funzione di probabilità di distribuzione del campo magnetico (PDF) mostra le misurazioni agli infrarossi delle macchie solari durante il ciclo 23. Con l’ipotesi discussa nel testo, si può produrre un PDF per i cicli 24 e 25, ossia con una semplice proiezione ottenuta utilizzando il numero totale delle macchie solari rilevate precedentemente che suggerisce che si raggiungerà il picco del ciclo 24 con un SSN di 66, mentre si raggiungerà il picco del ciclo 25 con un SSN di 7.

Quali implicazioni per il futuro

Come suggerito dalla Figura 1, la dettagliata analisi mostra che le macchie solari misurate durante la fase di ascesa del ciclo 24 hanno la stessa distribuzione dei punti nella forza dei campi magnetici del ciclo 23, ma il valore medio della distribuzione è ridotto.
Si tratta di una prudente conclusione ricavata dalle osservazioni di Livingston.

Bisogna comunque fare tre osservazioni:

1)      Prima di tutto bisogna capire che le osservazioni di Livingston  del 1998-2008 nella distribuzione dei campi magnetici è la fonte principale per la funzione di probabilità di distribuzione del campo magnetico (PDF) delle macchie solari del Ciclo di 23.

2)      In secondo luogo, si assume che la soglia di campo magnetico di 1500 Gauss rappresenta un limite fisico reale per la formazione di una macchia (un poro o una macchia solare) sulla fotosfera.

3)    Infine, si assume che la media dei campi magnetici per il calcolo del PDF continuino a diminuire linearmente con di tempo.

La Figura 2 mostra la funzione di probabilità di distribuzione del campo magnetico (PDF) calcolata per le macchie solari nei cicli di 24 e 25, considerando una diminuzione lineare del campo magnetico di 65 Gauss all’anno per una durata di 11 anni per ogni ciclo.

Questo vuole rappresentare un limite superiore, e il cambiamento magnetico corrisponde al picco della linea più inclinata in Figura 1. Possiamo vedere che i PDF per il Ciclo 24 e il 25 sono drasticamente diversi da quello osservato nel ciclo 23.

Se assumiamo che il tempo di comparsa delle macchie solari durante ogni ciclo è simile, si può utilizzare il numero totale di punti in ogni ciclo per calcolare il livello massimo di attività di tale ciclo, utilizzando il fatto che il ciclo 23 ha dimostrato un picco SSN di 130.

La diminuzione lineare di 65 Gauss per anno prevede che si raggiungerà il picco del ciclo 24 con un SSN di 66, e si raggiungerà il picco del ciclo 25 con un SSN di 7.

Se però utilizziamo un valore di decremento di 50 Gauss all’anno si prevede un SSN di 87 per ciclo 24 e di 20 per il Ciclo 25.

E ‘importante notare che è sempre rischioso estrapolare le tendenze lineari, ma l’importanza delle implicazioni di tale ipotesi giustifica questa azione.

Testualmente Livingston e Penn concludono: “Degno di nota è che il PDF, appena illustrato in grafico, deriva direttamente dalle osservazioni di Livingston che si dimostrano il mezzo più affidabile per la valutazione del campo magnetico delle macchie solari.

Si osserva, al contrario, che una macchia solare con una intensità di campo magnetico di 4200 Gauss è stata osservata nel ciclo 23 (NOAA 10.930, Luna et al. – 2007)), ma ciò non è stato osservato anche da Livingston e non compare in questa analisi.

Così la macchia solare apparsa di recente nel ciclo di 24 (NOAA 11.092, agosto 2010) con una intensità di campo magnetico di 3350 Gauss non invalida questi presupposti.

Certo, se un gran numero di macchie solari con intensità di campo magnetico superiore a 3000 Gauss comparissero, verrebbe dimostrato che il nostro PDF è errato.

Vedremo se nei prossimi mesi e anni le misure di campo magnetico a 1564.8nm dimostreranno differenze tra la fase di decadimento del ciclo 23 e la fase di ascesa del ciclo 24, implicando che i prossimi due cicli di macchie solari potrebbero essere molto diversi dal precedente.

Le osservazioni con i magnetogrammi ricavati dalla luce visibile non danno un significativo sostegno alle nostre affermazioni. Pertanto riteniamo indispensabile continuare le osservazioni seriali con questa particolarmente utile tecnica ad infrarossi (1564.8nm) per determinare se queste tendenze nel comportamento delle macchie solari troveranno conferma”.

Così concludono Livingston che, molto elegantemente, esprimono anche una piccola critica alle misurazioni del NOAA al quale non sembrano esprimere una stima sconfinata.

Certo le loro previsioni si basano sull’estrapolazione della funzione lineare ricavata dai loro dati, ma si tratta di dati rigorosi registrati in quasi 20 anni con una metodica molto rigorosa e che non ha presentato alcuna variazione inaspettata.

È difficile credere che William Livingston e Matthew Penn non abbiano una propria teoria sulla ragione di questa progressiva diminuzione di forza del campo magnetico delle macchie solari, ma preferiscono non avventurarsi su un terreno minato che potrebbe far perdere autorevolezza al loro lavoro e che ha già fatto delle vittime illustri.

In ogni caso chiedo scusa per l’eventuale sintesi eccessiva, in alcune parti di questo elaborato, di concetti difficili da esemplificare, ma ho cercato di rendere comprensibile a tutti un lavoro scientifico che ritengo basilare per la conoscenza del futuro del nostro Sole.

Traduzione e sintesi di Pablito

Fonte: Cornell University Library – Astrophysics – “Long-term Evolution of Sunspot Magnetic Fields“,Matthew Penn & William Livingston, (Submitted on 3 Sep 2010)

( http://arxiv.org/abs/1009.0784v1 )

Pdf:   http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1009/1009.0784v1.pdf

Precedenti lavori discussi qui: http://www.salviamoci2012.eu/LivingstonPenneloStregattosolare.htm

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32 pensieri su “Evoluzione a lungo termine dei campi magnetici delle macchie solari (traduzione studio L&P)

  1. ice2020 :

    @Fabio Nintendo

    Rimane sempre un blog amatoriale Fabio!

    nn sn aumentate le competenze e soprattutto le pretese di nessuno!

    E forse è proprio questa la forza di NIA…chiarezza e semplicità!

    Ne riparleremo in sede privata….anche per me il tempo è sempre meno, ma la “lotta” deve continuare!

    E tu servi eccome al Blog, sei una delle sue colonn portanti!

    Con stima, Simon

    oggi è giornata depressiva.
    con le nuova legge è possibile che scompaia Scienze statistiche a Bologna, e nessuno sa cosa potrebbe succedere il prossimo anno, sono un po’ giù

      (Quote)  (Reply)

  2. Ecco questa è un’altra delle cose che mi fanno andare in bestia e sarebbe da aprirci una crociata ma non è questo il luogo …… quindi mi astengo ma Fabio hai tutta la mia solidarietà

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  3. Complimenti Pablito hai reso leggibile e comprensibile una pubblicazione abbastanza “tecnica”.
    Per Fabio Nintendo coraggio e tieni duro … a proposito vedo che sono finiti gli articoli in bozza.
    Questo dimostra che le ferie e il divertimento é finito il tempo da dedicare a NIA ridotto e bisogna rimettersi a lavorare … uffa!
    Di sicuro la recessione non é finita e con le aziende in crisi … per molti sarà dura.

      (Quote)  (Reply)

  4. ecco, gli articoli stanno per finire, è questo che dico io, alla fine non contribuisco, se non ai soliti riassunti sui ghiacci e sul gw.
    non ho idee e tempo per scriverne altri.

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  5. @Fabio Nintendo
    Anche i riassunti e le rubriche mensili sono importanti. Se vuoi renderli ancora più importanti prova ad integrarli con dei tuoi commenti.
    Le idee nuove verranno, siamo esseri umani, non geniacci in continua “eruzione” creativa, un periodo di scarsa ispirazione può capitare a tutti ogni tanto, specie quando ci sono altre preoccupazioni.

      (Quote)  (Reply)

  6. Ma poi io ho sempre detto al buon Fabio che nn c’è nessun problema se anche per un pò nn scrive articoli tranne quelli sui ghiacci e sul gw però) e nn ha idee particolari!

    nn è che bisogna sempre fare il colpaccio o lo scoop!

    Siamo esseri umani a volte anche pieni d’impegni, ma nn per questo bisogna lasciare u Blog…

    Simon

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  7. @Fabio Nintendo
    Io seguo NIA dall’inizio. Lo leggo quasi quotidianamente anche se non intervengo mai se non rarissimamente per domande o osservazioni (anche cannate), però è da qui che attingo le informazioni che più m’interessano, vale a dire l’influenza che avrà nei prossimi anni il minimo di Eddy sui ghiacci e sul GW! Proprio le tue cose. Apprezzo sia Simon perchè ha inventato e fondato questo blog sia te che sei stato fondamentale (quando Simon ha chiesto aiuto per non chiudere bottega sei stato uno dei primi a rispondere e collaborare seriamente) per l’impronta di correttezza e imparzialità data. Ecco quello che penso. Ciao e sempre complimenti a tutti i collaboratori.

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  8. @Fabio Nintendo

    E’ un momento difficile per tutti, ma NIA penso sia un mondo un pò a s’è stante. Se non ci fossimo tutti noi il blog non esisterebbe nemmeno, NIA è fatta da chi la segue, un blog non seguito è un blog vuoto.

    Per questo mi viene da dire che tutti sono fondamentali per NIA, e non credo che succederà mai che qualcuno sia inutile qui dentro, gli stessi troll hanno comunque portato spunti per il dialogo, dove questi naturalmente non hanno portato a inutili litigi. XD

    E soprattutto tu, che hai dato un contributo evidente e fondamentale al blog, non potrai mai essere inutile 🙂

    E poi ora il sole sta finalmente regalandoci uno spettacolo magnifico, non vorrai mica perdertelo! XD

    Su, basta con la depressione, citando Benigni: “la vita è bella!” 🙂

      (Quote)  (Reply)

  9. ciao sono angelo,
    ho da poco scoperto il vostro sito e devo dire che è interessante anche per uno come me che di questi asopetti tecnici ne capisco poco, anzi, nulla.
    se mi posso permettere un consiglio, dovreste, a date definite, fare un resoconto, una fotografia, mensile ma in prospetto annuale (come si fa per gli studi economici, PIL).
    cosi facendo si creano oggi schede e previsioni che esaminate domani ti dicono se hai fatto bene o no.

    buon lavoro e grazie

    formic

      (Quote)  (Reply)

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