Variabilità solare e clima terrestre

Nello schema galattico, il Sole è una stella molto costante. Mentre alcune stelle mostrano pulsazioni spettacolari, all’impazzata, sia in dimensione e luminosità, e talvolta possono anche esplodere, la luminosità del nostro sole varia di un misero 0,1% nel corso del suo ciclo di 11 anni.

Vi è, tuttavia, la consapevolezza nascente tra i ricercatori che anche queste variazioni apparentemente piccole possono avere un effetto significativo sul clima terrestre. Un nuovo rapporto pubblicato dal National Research Council (NRC) a titolo, “Gli effetti della variabilità solare sul clima della Terra”, espone alcuni dei modi sorprendentemente complessi con cui l’attività solare può farsi sentire sul nostro pianeta.

Queste sei immagini UV del sole, prese dal NASA Solar Dynamics Observatory, monitorano il livello crescente dell’attività solare e come il sole si muove verso il massimo, in quest’ultimo ciclo di 11 anni delle macchie solari.

Comprendere le connessioni tra sole e clima richiede una larghezza di competenze in settori quali, la fisica del plasma, l’attività solare, la chimica atmosferica e la dinamica dei fluidi, la fisica delle particelle energetiche, e anche la storia terrestre. Nessun singolo ricercatore ha l’intera gamma di conoscenze necessarie per risolvere il problema. Per progredire, l’NRC ha dovuto assemblare decine di esperti provenienti da molti campi in un unico laboratorio. Il rapporto riassume i loro sforzi congiunti per inquadrare il problema in un contesto veramente multi-disciplinare.

Uno dei partecipanti, Greg Kopp del Laboratorio di Fisica dell’Atmosfera e dello Spazio presso l’Università del Colorado, ha sottolineato che, anche se la variazione di luminosità in un ciclo solare di 11 anni corrisponde solo ad un decimo di punto percentuale della produzione totale del sole, tale piccola frazione è comunque importante.

Egli sostiene : “anche le tipiche variazioni nel breve termine, dello 0,1% in incidenza di irraggiamento superano tutte le altre fonti di energia combinate (come la radioattività naturale nel centro della Terra)”.

Di particolare importanza è la radiazione ultravioletta estrema del sole (EUV), che presenta dei picchi nel corso degli anni intorno al massimo solare. All’interno della fascia relativamente ristretta di lunghezze d’onda EUV, la produzione del sole non varia di un minuscolo 0,1%, ma di un fattore maggiore di 10 o più. Questa può influenzare fortemente la chimica e la struttura termica dell’atmosfera superiore.

Le misurazioni spaziali dell’irraggiamento solare totale (TSI) mostrano una variazione percentuale dello 0,1% nell’attività solare, negli 11 anni e per più brevi periodi. Questi dati sono stati corretti con gli offset di calibrazione tra i diversi strumenti utilizzati per misurare la TSI. FONTE: Su gentile concessione di Greg Kopp, Università del Colorado.

Diversi ricercatori hanno discusso come i cambiamenti nell’atmosfera superiore possono propagarsi alla superficie della Terra. Ci sono molti percorsi “top-down” per l’influenza solare. Per esempio, Charles Jackman del Goddard Space Flight Center ha descritto come gli ossidi di azoto (NOx) creati da particelle energetiche solari e raggi cosmici nella stratosfera potrebbero ridurre i livelli di ozono di alcuni punti percentuali. Poiché l’ozono assorbe la radiazione UV, meno ozono significa più raggi UV del sole che raggiungono la superficie terrestre.

Isaac Held del NOAA ha preso questo come ulteriore passo avanti, ed ha descritto come la perdita di ozono nella stratosfera potrebbe alterare la dinamica dell’atmosfera sottostante.

Dice: “Il raffreddamento della stratosfera polare associata alla perdita di ozono aumenta il gradiente orizzontale di temperatura vicino alla tropopausa”. “Ciò altera il flusso del momento angolare dei vortici alle medie latitudini. [Il momento angolare è importante perché] il bilancio del momento angolare della troposfera controlla i venti occidentali superficiali.” In altre parole, l’attività solare nell’atmosfera superiore, può, attraverso una serie complessa di influenze, spingere il percorso delle tempeste fuori rotta.

Come l’entrata dei raggi cosmici galattici e dei protoni solari penetrano l’atmosfera. FONTE: C. Jackman, NASA Goddard Space Flight Center, “L’impatto delle precipitazioni di particelle energetiche sul clima,” presentazione al Workshop sugli effetti della variabilità solare sul clima della Terra, 9 Settembre 2011.

Molti dei meccanismi proposti durante il seminario hanno avuto un simile Rube Goldberg di qualità. Si sono affidati ad interazioni multi-step tra più strati dell’atmosfera e gli oceani, basandosi sulla chimica per il loro lavoro, altri si appoggiano sulla termodinamica o sulla fisica dei fluidi. Ma solo perché qualcosa è complicato, non significa che non è 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, in particolare nel Pacifico. Secondo il rapporto, quando i ricercatori hanno analizzato i dati delle temperature superficiali del mare durante l’anno di picco delle macchie solari, il Pacifico tropicale ha mostrato un modello pronunciato di Nina, con un raffreddamento di circa 1°C. nel Pacifico equatoriale orientale. Inoltre, “ci sono segni di precipitazioni maggiori nel Pacifico ITCZ (Inter-Tropical Convergence Zone) e SPCZ (South Pacific Convergence Zone) oltre ad una pressione superiore al normale al livello del mare a metà latitudine Nord e Sud del Pacifico,” correlata con i picchi del ciclo delle macchie solari.

I segnali del ciclo solare sono così forti nel Pacifico, che Meehl e colleghi hanno cominciato a chiedersi se qualcosa nel sistema climatico del Pacifico agisce per amplificarli. “Uno dei misteri relativi al sistema climatico della Terra … è come le fluttuazioni relativamente piccole del ciclo solare di 11 anni siano in grado di produrre l’entità dei segnali climatici osservati nel Pacifico tropicale.” Utilizzando supercomputer con i modelli del clima, essi mostrano che non solo i meccanismi di “top-down”, ma anche quelli di “bottom-up”, che coinvolgono le interazioni atmosfera-oceano, sono necessari per amplificare il forcing solare sulla superficie del Pacifico.

Medie composite per dicembre-gennaio-febbraio per gli anni di picco solare. FONTE: G.A. Meehl, JM Arblaster, K. Matthes, F. Sassi, e H. van Loon, Risposta amplificata del sistema climatico del Pacifico al piccolo ciclo di 11 anni solare, Science 325:1114-1118, 2009; ristampato con il permesso di AAAS.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno considerato la possibilità che il sole gioca un ruolo nel riscaldamento globale. Dopo tutto, 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 del NCAR fa notare nella relazione che “Quando l’equilibrio radiativo della Terra è alterato, come nel caso di un cambiamento di forcing del ciclo solare, non tutte le località sono colpite allo stesso modo. Il Pacifico equatoriale centrale è generalmente più fresco, il deflusso dei fiumi in Perù è ridotto, e condizioni di siccità influiscono nella parte occidentale degli USA.”

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 interessate della temperatura. “Se c’è davvero un effetto solare sul clima, si manifesta con cambiamenti nella circolazione generale, piuttosto che in un segnale diretto della temperatura.” Ciò è in sintonia con la conclusione del IPCC e precedenti relazioni NRC che la variabilità solare non è la causa del riscaldamento globale negli ultimi 50 anni.

Molto è stato fatto per il probabile collegamento tra il minimo di Maunder, (periodo nel quale si registrò un deficit di 70 anni delle macchie solari, tra il tardo 17 ° e l’inizio del 18 ° secolo) e il forte raffreddamento noto nella piccola era glaciale. Periodo in cui l’Europa e il Nord America sono state sottoposte a freddi inverni. Il meccanismo di raffreddamento regionale potrebbe essere stato un calo della produzione EUV del sole; questo è tuttavia, speculativo.

L’annuale media di numero di macchie solari per un periodo di 400 anni (1.610-2.010). FONTE: Per gentile concessione di NASA Marshall Space Flight Center.

Dan Lubin dello Scripps Institution of Oceanography ha sottolineato il valore di guardare le stelle simili al Sole in altre parti della Via Lattea per determinare la frequenza di simili grande minimi.

“Le prime stime della frequenza dei grandi minimi, in stelle di tipo solare, variano dal 10% al 30%, il che implica che l’influenza del sole potrebbe essere eccessiva. Studi più recenti, che utilizzano i dati di Hipparcos (European Space Agency astrometry satellite) e ben rappresentano la meccanica delle stelle, posizionano la stima in una gamma inferiore al 3%.” Questo non è un gran numero, ma è significativo.

In effetti, il sole potrebbe essere al momento, sulla soglia di un evento mini-Maunder. Il Ciclo Solare 24 in corso è il più debole in più di 50 anni. Inoltre, vi è la prova (controversa) di una tendenza nel lungo periodo di un indebolimento della forza del campo magnetico delle macchie solari. Matt Penn e William Livingston del National Solar Observatory prevedono che entro l’inizio del ciclo solare 25, i campi magnetici sul sole saranno così deboli che poche o nessune macchie solari si formeranno. Linee indipendenti di ricerca che coinvolgono campi eliosismologici e i campi magnetici polari tendono a sostenere la loro conclusione. (Nota: Penn e Livingston non hanno partecipato al workshop NRC.)

“Se il sole in realtà sta entrando in una fase sconosciuta del ciclo solare, allora dobbiamo raddoppiare i nostri sforzi per comprendere il collegamento sole-clima”, osserva Lika Guhathakurta della NASA’s Living with a Star Program, che ha contribuito a finanziare lo studio NST. “Il rapporto offre alcune buone idee per come iniziare.”

In una tavola rotonda conclusiva, i ricercatori hanno individuato una serie di possibili passi successivi. Primo fra tutti è stato la distribuzione di una termocamera radiometrica. I dispositivi attualmente utilizzati per misurare la radiazione solare totale (TSI) riducono l’intero sole ad un solo numero: la luminosità totale calcolata cumulativamente su tutte le latitudini, longitudini, e lunghezze d’onda. Questo valore integrato diventa un solo punto in una serie temporale di monitoraggio del sole.

Questa immagine della fotosfera superiore del Sole mostra strutture magnetiche chiare e scure responsabili delle variazioni della TSI. FONTE: Per gentile concessione di P. Foukal, Eliofisici, Inc.

In realtà, come Peter Foukal di Heliophysics, Inc., ha sottolineato, la situazione è più complessa. Il sole non è una palla informe di luminosità uniforme. Al contrario, il disco solare è punteggiato dai nuclei scuri delle macchie solari e spruzzate con schiuma magnetica brillante conosciute come facole. L’immagine radiometrica servirebbe, in sostanza, a mappare la superficie del sole e rivelare i contributi di ciascuno, alla luminosità del sole. Di particolare interesse sono le facole. Mentre le macchie scure tendono a scomparire durante i minimi solari, le luminose facole non lo fanno. Questo può essere confermato, dalle registrazioni paleoclimatiche del sole, sensibili agli isotopi C-14 e Be-10, mostrano un debole ciclo di 11 anni, anche durante il minimo di Maunder. Termocamere radiometriche, montate nei futuri osservatori spaziali, consentiranno ai ricercatori, di sviluppare le conoscenze di cui hanno bisogno per realizzare il collegamento sole-clima, in un futuro di prolungata assenza di macchie.

Alcuni partecipanti hanno sottolineato la necessità di mettere i dati in formato standard e renderli universalmente disponibili per lo studio multidisciplinare. Poiché i meccanismi di influenza del sole sul clima sono complicati, i ricercatori di molti campi dovranno lavorare insieme per modellare con successo i loro lavori e confrontare i risultati in competizione. I continui miglioramenti delle collaborazioni tra la NASA, NOAA e la NSF sono le chiavi per questo processo.

Hal Maring, climatologo presso la sede della NASA, ha studiato il rapporto, e rileva che “un sacco di possibilità interessanti sono state suggerite dai relatori. Tuttavia, pochi, sono stati quantificati al punto che possiamo definitivamente valutare il loro impatto sul clima.”

Infine, molti partecipanti hanno sottolineato la difficoltà nel decifrare i collegamenti sole-clima delle registrazioni paleoclimatiche, come gli anelli degli alberi e le carote di ghiaccio. Le variazioni del campo magnetico terrestre e le variazioni della circolazione atmosferica possono influenzare il deposito dei radioisotopi molto più che l’effettiva attività solare. Dati migliori e maggiori dell’irradiamento del sole, nel lungo termine, potrebbero essere codificati nelle rocce e nei sedimenti della Luna o su Marte.

Studiare altri mondi potrebbe essere la chiave per il nostro.

Autore: Dr. Tony Phillips |Editore: Dr. Tony Phillips | Crediti: Science@NASA

 

Fonte : http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/08jan_sunclimate/