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Relazioni matematiche tra SN e SF – Parte seconda

Riassunto delle puntate precedenti:

Qualche tempo addietro ho pubblicato un articolo in cui mettevo in evidenza un possibile legame lineare tra i vari conteggi del sunspot number e i valori di solar flux mensili. L’idea mi era venuta così, all’improvviso, e avevo fatto qualche osservazione empirica su alcuni dati. Non avrei mai pensato che l’argomento potesse suscitare l’attenzione che effettivamente è venuta fuori, ma evidentemente il tema trattato era di interesse. Perciò ho deciso di andare avanti con l’analisi, operando in maniera più dettagliata e mettendo a confronto diverse idee.

Dunque, partiamo.

Un limite dell’analisi precedente era quello di considerare una base di dati riguardante una scala temporale troppo limitata (meno di due anni), per cui questa volta abbiamo fatto le cose molto più in grande: questo lavoro si basa sulle registrazioni di SN e SF dal 1954 al 2008, prende cioè in considerazione 5 cicli solari interi (dall’inizio del 19 al 23). Ciò comporta necessariamente che non possiamo utilizzare il conteggio NIA come base dati, perché non abbiamo misurazioni del SN per tempi poco recenti. La scelta è stata quella di utilizzare il conteggio SIDC.

La mole di dati che sono stati elaborati è veramente enorme, quindi non verranno riportate di seguito le tabelle dei dati stessi ma solo i grafici di interesse.

Il primo punto su cui soffermarsi è: esiste correlazione lineare tra SN e SF? Nella discussione sul precedente articolo qualcuno (non ricordo chi) lo aveva escluso categoricamente, sostenendo che se c’era un legame tra i due valori esso doveva essere esprimibile mediante una legge matematica più complessa. Bene, di seguito sono riportati i grafici SF/SN dei cicli di cui disponiamo di dati completi (asse x: SN mensili / asse y: SF mensili):

ciclo 19

ciclo 20

ciclo 21

ciclo 22

ciclo 23

Penso che ci siano pochi commenti possibili a questi 5 grafici: per ciascuno di essi esiste una retta di interpolazione che si adatta veramente molto bene all’andamento dei punti. Quindi possiamo dare per dimostrato che esiste correlazione lineare forte tra SN e SF.

 Il secondo punto sul quale volevo focalizzare l’attenzione è questo: è evidente che, nonostante la correlazione lineare sia presente in tutti i cicli, col passare del tempo diminuisce la precisione con cui SF e SN sono legati da una legge matematica. In parole più semplici, si nota che in tempi recenti abbiamo più punti del grafico che si discostano in maniera significativa dalla retta di previsione. E’ un problema importante, perché si potrebbe ragionevolmente supporre l’esatto contrario: con l’aumentare della precisione degli strumenti di misurazione la correlazione tra SN e SF dovrebbe aumentare. E invece no: di seguito è riportato il grafico delle varianze dei set di dati relativi ad ogni ciclo solare, ecco cosa emerge:

Al di là della retta di interpolazione, che ci interessa poco, è veramente incredibile come il trend sia al rialzo e soprattutto si nota un salto enorme tra il ciclo 20 e il ciclo 21 (il passaggio tra i due cicli è avvenuto negli anni ’70). Qual’è il motivo di questa perdita di precisione nella relazione lineare?
Dare una risposta sicura è senz’altro difficile, ma è logico supporre questo: che un miglioramento degli strumenti di osservazione non porti in realtà alla produzione di un SN più “vero”, cioè più legato al SF, ma che al contrario la relazione peggiori quando nel conteggio delle macchie vengono inclusi pori e micropori, magari dalla vita di poche ore.
Questa osservazione, pur non avendo la pretesa di essere una dimostrazione scientifica, induce a riflettere sull’importanza di produrre un SN in continuità con quello del passato, non solo per un fatto di confrontabilità coi dati antichi ma anche per motivi di validità del SN stesso: Un buon conteggio delle macchie solari, come già detto, dovrebbe essere un’espressione diretta della forza del sole al momento della misurazione, e siccome anche il SF è una misurazione dello stesso tipo (anche se di una quantità ovviamente differente) si capisce l’importanza di conteggio come quello di NIA che tenta di ricreare le condizioni di osservazione dei tempi passati.

 
 

Andrea

Si ringraziano per l’elaborazione dei dati:

Fabio Nintendo per il trattamento statistico e l’analisi

Luca Nitopi per l’analisi

Alessandra Lanzoni per la tabulazione

 NOTA: chiunque fosse interessato ad avere i dati di SF e SN del SIDC per i cicli 19, 20, 21, 22 e 23 su foglio excel per poterci lavorare, può richiederli al mio indirizzo email: [email protected]

 

Confronto fra forza magnetica solare e SSN (smoothed sunspot number)

In un recente lavoro il dr Leif Svalgaard ricostruiva la forza magnetica solare (Heliopheric Magnetic field strength=HMF) utilizzando l’IDV (Interdiurnal magnetic field) per supplire alla mancanza dei dati nei primi del 1900. In tal modo è riuscito a costruire un grafico della forza magnetica solare fino al 1835.

1

Usando i dati grezzi presenti nel lavoro del dr Svalgaard ( http://www.leif.org/research/IDV09.pdf) ho ricostruito il grafico e li ho confrontati con gli SSN (smoothed sunspot number) dal 1835 al 2009. Tratto da wattsupwiththat QUI

HMF SSN

La forza magnetica dell’eliosfera dipende dal vento solare generato dalle macchie solari.

Interessante è il confronto far HMF e SSN durante il ciclo 20(1964-1976 circa). Durante il massimo del ciclo la forza magnetica dell’eliosfera è rimasta molto bassa rispetto ai cicli passati.

Quando l’eliosfera è molto debole magneticamente penetrano nel sistema solare una maggior quantità di raggi cosmici. Questi entrando in atmosfera provocano delle reazioni a piramide che producono anche le particelle responsabili della condensa del vapor acqueo (formazione di nubi). Di conseguenza più raggi cosmici penetrano in atmosfera maggiore sarà la copertura nuvolosa nella bassa troposfera (teroria di Svensmark articolo QUI). Con una maggiore copertura nuvolosa avremo un minor riscaldamento

I raggi cosmici possono essere presenti a diverse concentrazioni nella zona extra-sistema solare oppure essere prodotti dal sole. Per analizzare la concentrazione di raggi cosmici nei secoli passati viene utilizzata una misurazione indiretta. Viene misurata la concentrazione di un isotopo del Berilio (Berilio 10 Be 10) nelle carote di ghiaccio dei poli (più be10 = più raggi cosmici).

Nel lavoro del dr Svalgaard viene proposta una interessante comparazione proprio con il Berilio 10.

be 10 trade 1835_2009_rid

La freccia di grandi dimensioni segna l’inizio del monitor di neutroni con sistemi moderni. Si potrebbe ipotizzare che il valori estremamente bassi durante il 1883-1895 siano causati dall’esplosione vulcanica del Krakatoa. L’espulsione di aerosol di zolfo nella stratosfera avrebbero influenzato la deposizione di Be 10. (immagine estrapolata da Qui)

La concentrazione dell’isotopo del berilio non segue sempre l’andamento della curva della forza magnetica della eliosfera. Quindi anche la concentrazione dei raggi cosmici non dipende solo dalla forza magnetica dell’eliosfera ma anche dalla loro concentrazione presente in un dato punto dello spazio interstellare e dalla produzione da parte del sole. Da notare infatti che durante il ciclo 19 ,21,22,23 la concentrazione del Be 10 segue la curva della forza magnetica dell’eliosfera. L’eliosfera non lascia passare maggiori raggi cosmici ma è il sole maggiormente attivo che produce i raggi cosmici che arrivano sulla terra.

Inoltre vorrei fare una considerazione personale sui raggi cosmici che entrano in atmosfera (i raggi cosmici primari); la natura dei raggi cosmici è molto varia essi sono formati soppratutto da protoni ma anche da neutroni, elettroni, particelle alfa, neutrini, ecc (inoltre l’energia cinetica delle particelle dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza). Quindi essendo così varia la loro natura ritengo che non tutti i raggi cosmici producono il Be 10 e/o siano responsabili della produzione di particelle di condensazione delle nubi (teroria di Svensmark).

Bibliografia

IDV09 and Heliospheric Magnetic field 1835-2009
Leif Svalgaard1 and Edward W. Cliver2
Stanford University, HEPL, Cedar Hall, Via Ortega, Stanford, CA 94305-4085
Space Vehicles Directorate, Air Force Research Laboratory, Hanscom AFB, MA 01731-3010

Andrea B.

Confronto grafico Ciclo 23

Il primo articolo su NIA di Andrea-b, per palati fini… l’autore mi ha promesso che appena potrà nel corso della giornata interverrà a dare eventuali spiegazioni. Complimenti andrea.-Simon-

Gli indici utilizzati per il confronto grafico del ciclo 23 sono stati il Solar Flux, la Sunspot Area e il Numero di Sunspot. L’analisi inizia da aprile 1996 mese del minimo fra Ciclo 22 e Ciclo 23 termina a dicembre 2008 (presunto mese del minimo fra Ciclo 23 e Ciclo 24).

Quasi tutti i lettori conoscono il Solar flux (radiazione a 2,8 GHz, lunghezza d’onda 10,7 cm) e il numero di sunspot (SN) pochi conoscono la Sunspot Area che può essere definita come somma della superficie corretta di tutte le macchie solari osservate, in unità di milionesimi dell’emisfero solare (10E-6 Hemis.).

I valori della Sunspot Area provengono dal NOAA SWPC Space Weather prediction center (sono calcolati secondo il numero di sunspot che loro osservano, solitamente maggiore del sidc).

Il Ciclo 23 appare anomalo per molti aspetti in particolare citando il lavoro del dottor Svaalgard (http://daltonsminima.wordpress.com/2009/06/23/svaalgard-sul-solar-flux-e-sulla-sua-correlazione-con-il-sn/) c’è una forte discrepanza fra il Solar flux e il Numero di Sunspot (SN) osservati a partire dal 1989 (circa massimo del ciclo22) . Nei passati cicli il livello di correlazione fra Solar flux e SN era tale che conoscendo il valore del primo era possibile ricavare un SN (teorico) molto simile al valore di quello osservato(errore circa 3%) . Mentre osservando il grafico del ciclo attuale il valore SN osservato risulta più basso di quello teorico ricavato dal solar flux.

Quindi il Solar flux appare più alto del valore di SN osservato. Detto in altri termini il sole ha generato un minor numero di sunspot (oppure abbiamo contato un numero minore di macchie) rispetto ai valori di solar flux misurati.

Svaalgard propone tre spiegazioni per questo cambiamento avvenuto già a partire dal ciclo 23:

1) La procedura di conteggio delle macchie o gli osservatori sono cambiati apportando alterazioni nel conteggio rispetto al passato.

2) Cambiamenti nella corona o nella cromosfera hanno aumentato il valore del solar flux.

3) E’ vera la teoria di Livington e Penn secondo la quale le macchie durante gli ultimi anni sono sempre più calde e inosservabili perché è minimo il contrasto con il resto della fotosfera.

Io ipotizzo invece è che a causa del rallentamento della Dinamo Solare il sole abbia ridotto il numero di Sunspot prodotte ma al contempo queste ultime siano di superficie maggiore. Se le sunspot hanno una maggiore superficie si crea un aumento del solar flux. Se l’ipotesi che ho fatto fosse vera ricadremmo nella seconda ipotesi (cambiamenti nella corona o nella cromosfera hanno aumentato il valore del solar flux).

Conoscendo la superficie totale delle macchie solari possiamo meglio renderci conto della radiazione incidente sulla terra (Solar flux).

confronto Sn, Sunspot area e Solar flux

Ritengo sia opportuno fare una ricerca non solo in termini mensili ma osservando il ciclo 23 anche in termini settimanali in quanto le aree attive sono presenti sulla faccia visibile mediamente solo per 1- 2 settimane.

Sunspot Area Ciclo 23

Sunspot Area Ciclo 23

Infatti se consideriamo un singolo picco in un mese molto fiacco il dato mensile risulta molto ridimensionato. In particolare vorrei segnalare il picco di fine ottobre 2003 riportando i valori dal sito NOAA SWPC Space Weather prediction center:

#
#                        Sunspot
#          Radio  SESC     Area
#          Flux  Sunspot  10E-6
#  Date    10.7cm Number  Hemis.

2003 10 18  109     91      370
2003 10 19  120     89     1110
2003 10 20  135    113     1500
2003 10 21  152    144     1850
2003 10 22  154    117     1950
2003 10 23  183    122     2930
2003 10 24  191    160     3000
2003 10 25  222    139     4060
2003 10 26  298    191     3770
2003 10 27  257    238     4270
2003 10 28  274    230     4520
2003 10 29  279    330     5160
2003 10 30  271    293     5690
2003 10 31  249    266     4420
2003 11 01  210    277     4170
2003 11 02  190    174     4050
2003 11 03  167     76     2830
2003 11 04  168     79     1100
2003 11 05  114     32      130
2003 11 06   98     12      100

Facendo l’analisi grafica sulla base settimanale della Sunspot Area il picco misurato a fine Ottobre 2003 risulta maggiore di quello misurato durante il massimo e mostra tutta la sua intensità rispetto al grafico che si può ottenere misurando i dati SN con media settimanale.

confronto sunspot area e sn ciclo 23

confronto sunspot area e sn ciclo 23

confronto sunspot e solar flux ciclo 23

confronto sunspot e solar flux ciclo 23

L’insieme dei picchi rende difficile una analisi visiva pertanto applico al valore medio settimanale una media mobile (smoothed) di3 ; cioè tengo conto delle due settimane precedenti e delle due successive al valore che cerco (formula dato n=(n1+n2+n3)/3).

confronto setimanale smoothed 3
confronto setimanale smoothed 3

Andrea B

Il punto di Simon:

Quindi secondo Andrea il solar flux sembra seguire più l’area delle macchie piuttosto che il SN.

Vero: questo lo si può verificare nei suoi grafici, tra cui l’ultimo in cui si nota che sia durante il minimo del ciclo 23 e poi durante il suo massimo ed immediatamente dopo, il flusso solare segue più l’area delle macchie piuttosto che lo SN. E ciò come spiega l’autore potrebbe essere dovuto al fatto che il rallentamento della dinamo ha da una parte diminuito il numero di macchie, ma dall’altro ne ha aumentato le dimensioni.

Ma dalla fine del 2004 in poi, ovvero (guarda caso) da quando è iniziato l’altro minimo, quello attuale praticamente, tra il ciclo 23 ed il ciclo 24, è diminuito sia il numero delle macchie (SN) che la loro grandezza come Ale ci ha ben dimostrato qualche articolo fa: a questo punto non mi vien altro a che pensare (tralasciando il fatto che gli osservatori non è vero che contano di meno, ma semmai il contrario), che l’unica altra spiegazione sia l’effetto di L&P!

Se così fosse, aspettiamoci la scomparsa totale delle macchie da qui al 2012.

In ogni caso signori, che minimo strano…