Questo “orologio solare” può prevedere con precisione gli eventi del ciclo solare con anni di anticipo


Evoluzione delle componenti del dipolo e del multipolo solare dall’espansione del campo magnetico coronale del Wilcox Solar Observatory. Le linee tratteggiate rappresentano i terminatori; le linee punteggiate rappresentano i pre-terminatori. La freccia rossa corrisponde alla tempesta di Halloween del 2003: si noti il calo del momento di dipolo (pannello superiore) che non ha eguali in nessun altro ciclo.

Da quando l’uomo ha potuto osservare per la prima volta le macchie solari, circa 400 anni fa, le ha utilizzate per cercare di definire il ciclo solare. Ogni 11 anni circa, l’attività solare, come le macchie solari e i brillamenti solari, si altera, causando cambiamenti nei modelli meteorologici sulla Terra e, occasionalmente, minacciando le telecomunicazioni. Prevedere questi cambiamenti in modo affidabile potrebbe aiutare tutti, dagli agricoltori ai militari.

Tradizionalmente, gli scienziati hanno usato il concetto di “minimo solare”, quando l’attività solare è ridotta, per segnare l’inizio di ogni ciclo. Ma il concetto di “minimo solare” è alquanto arbitrario e impreciso, spiega Robert Leamon, ricercatore presso il Partnership for Heliophysics and Space Environment Research (PHaSER), una partnership dell’UMBC con la NASA.

Leamon ha condotto una nuova ricerca che dimostra che un “orologio solare” basato sul campo magnetico del sole, piuttosto che sulla presenza o l’assenza di macchie solari, può descrivere e prevedere con precisione molti cambiamenti chiave durante il ciclo solare. Il nuovo schema offre un miglioramento significativo rispetto al metodo tradizionale delle macchie solari, in quanto è in grado di prevedere con anni di anticipo l’aumento di pericolose eruzioni solari o il cambiamento delle tendenze meteorologiche.

In particolare, la nuova ricerca, pubblicata su Frontiers in Astronomy and Space Sciences, dimostra che il ciclo solare funziona come una sequenza distinta di eventi. Ad ogni quinto di ciclo si verificano cambiamenti notevoli e talvolta bruschi. Questo è vero indipendentemente dalla lunghezza esatta di un determinato ciclo, che può variare da alcuni mesi a un anno. Facendo un cenno agli appassionati di musica, Leamon e colleghi lo chiamano “cerchio delle quinte“.

Trovare i punti di riferimento

Il nuovo lavoro di Leamon e dei colleghi Scott McIntosh, del National Center for Atmospheric Research (NCAR), e Alan Title, del Lockheed Martin Advanced Technology Center, si basa sul lavoro di Leamon, McIntosh e Daniel Marsh, sempre dell’NCAR, pubblicato nel 2020. Quel documento ha dimostrato l’esistenza di un fenomeno del ciclo solare che il team di ricerca ha soprannominato “il terminatore”.

Il campo magnetico del Sole cambia direzione a ogni ciclo solare, ma c’è una sovrapposizione tra cicli consecutivi. Il campo magnetico del Sole è talvolta chiamato campo polare perché punta verso uno dei poli solari o verso l’altro. Un terminatore segna il momento in cui il campo polare del ciclo precedente è completamente scomparso dalla superficie del sole, ed è rapidamente seguito da un drammatico aumento dell’attività solare.

Il nuovo lavoro indica altri punti di riferimento lungo il percorso di un intero ciclo solare, da terminatore a terminatore. Questi punti di riferimento sono più chiari e coerenti rispetto all’utilizzo delle macchie solari come guida alla durata del ciclo. Ad esempio, “il numero massimo di macchie solari non coincide con il momento dell’inversione del campo polare, ma l’inversione del campo polare avviene esattamente a un quinto del ciclo da terminatore a terminatore“, spiega Leamon.

A due quinti del ciclo, ai poli del Sole si riformano aree scure chiamate “buchi coronali polari“. A tre quinti del ciclo si verifica l’ultimo X-flare, una classe di brillamenti solari molto grandi e potenzialmente pericolosi. A quattro quinti, le macchie solari sono al minimo, ma questo punto di riferimento è meno costante. Poi il Sole passa attraverso un altro terminatore, dopo il quale l’attività solare riprende rapidamente. Anche altri fenomeni, come le emissioni UV, si allineano bene ai quinti.

Sintomi e cause

Il team ha individuato gli schemi nei dati raccolti quotidianamente da due osservatori a terra. Il Dominion Radio Astrophysical Observatory di Penticton, in Canada, misura quotidianamente dal 1947 il flusso radio solare, che funge da utile indicatore dell’attività solare. Il Wilcox Solar Observatory dell’Università di Stanford raccoglie misurazioni giornaliere dei campi magnetici sulla superficie del Sole dal 1975.

Una volta notati i cambiamenti che si verificano esattamente a un quinto di ciclo, il team si è chiesto: “Quanti aspetti solari diversi possiamo osservare? E poi ci siamo resi conto che si sovrappongono tutti su questa stessa serie di quinti“, dice Leamon. I diversi parametri si spostano in punti diversi del ciclo, ma “tutto è legato a questi cinque punti di riferimento“.

Questa nuova teoria dell’orologio solare sposta l’attenzione dalle macchie solari alle variazioni del campo magnetico. “È quasi come se si trattasse di sintomi e cause“, dice Leamon. Mentre le macchie solari sono un sintomo importante, il campo magnetico è la causa sottostante che guida il ciclo solare.

I fili più lunghi

Questo cambiamento di quadro migliora la capacità dei ricercatori di prevedere gli eventi del ciclo solare in modo più preciso e con maggiore anticipo, il che dà a persone come gli operatori satellitari il tempo di fare i preparativi necessari in base alle previsioni dell’attività solare. Una volta che gli osservatori rilevano un’inversione iniziale del campo polare, la durata precisa del primo quinto del ciclo è stabilita. Ciò significa che la tempistica degli altri quinti (e degli eventi ad essi associati) è una semplice questione di moltiplicazione.

Il nuovo quadro normativo stabilisce anche limiti più stretti al periodo del ciclo in cui si prevedono forti brillamenti, un’informazione utile per gli abitanti della Terra. Piuttosto che un passaggio graduale dal minimo al massimo dell’attività, il periodo che va dal terminatore a circa tre quinti del ciclo sembra essere il periodo di picco per i brillamenti, con un rapido calo dopo quel punto fino al terminatore successivo. Il ciclo attuale è iniziato dopo un terminatore nel dicembre 2021, e il nuovo quadro prevede che gli ultimi brillamenti importanti si verifichino a metà del 2027.

Leamon cita una frase del fisico Richard Feynman per spiegare il valore di una teoria come questa, che tiene conto di molte variabili all’interno di un sistema: “La natura usa solo i fili più lunghi per tessere i suoi disegni, in modo che ogni piccolo pezzo del suo tessuto riveli l’organizzazione dell’intero arazzo“, ha detto Feynman. La nuova teoria di Leamon e colleghi è un esempio di uno di questi fili lunghi: prevede con precisione molti aspetti del ciclo solare con un unico, semplice parametro e rende più facile per gli esseri umani essere pronti ai cambiamenti guidati dal sole.

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