lunedì 2 settembre 2019

"In a nutshell" about Sun - 2c.Ciclo del Sole: Vento solare e Raggi cosmici, Amici o Nemici?



                                                                           















Avviso importante: questo è l'ultimo post che pubblico con Blogger. Ho iniziato lentamente a migrare tutti i post sul nuovo Wordpress, e finché tutta la migrazione non sarà completata avete a disposizione entrambi i blog, quindi non dimenticate di farmi visita anche sul nuovo https://www.blogparsec.it/.

-- Il blog è in corso di migrazione, questo post è già stato migrato qui --


                        
In questa breve serie di post riguardanti alcuni fenomeni connessi alla nostra stella, abbiamo visto che il Sole è costituito di Plasma, un gas completamente ionizzato (cioè "elettrizzato"), altamente conduttivo, che produce un campo magnetico:
il fluire di questo gas è analogo al fluire di una corrente elettrica in un conduttore.

























Non essendo inoltre il Sole un corpo rigido, la sua superficie è caratterizzata da un continuo spostarsi di enormi masse di plasma che portano alla creazione di zone a differente velocità di rotazione, e non ad una rotazione omogenea.

All’equatore tali zone impiegano 27 giorni per compiere un giro completo, mentre ai poli 34.













Questa «rotazione differenziale» incide profondamente il campo magnetico prodotto ed è la causa principale delle attività solari (il "gomitolo magnetico").
- le linee di forza del campo magnetico (tubi di flusso magnetico) vengono trascinate dal materiale che si trova in superficie
- quelle che si trovano in prossimità dell’equatore vengono trascinate maggiormente rispetto alle linee di campo presenti sui poli (come abbiamo visto nei post "plasma" e "cosa c'è sotto le macchie").
























Quindi cosa succede con tutto questo groviglio? 

Succede che nel giro di 11,5 anni (ed ecco perché "undecennale") il complesso campo magnetico ritorna nella configurazione iniziale ma con polarità opposta, definendo così un "Ciclo solare".
























Ovviamente per tornare alle condizioni di partenza serviranno 22 anni.                                                                                                                                               




















In cosa consiste questo Ciclo solare?

Il numero delle macchie non è costante, passa da nessuna macchia a moltissime macchie, con una periodicità di 11 anni, che è il periodo medio durante il quale si ha 
- un aumento
- un culmine (dopo 5 o 6 anni) e poi 
- una diminuzione

della quantità di macchie e quindi dell'attività solare di superficie (risultato dei movimenti degli strati sottostanti, zona convettiva e Tacoclìna-Tachocline).

Il numero medio di macchie solari in genere va da 140 a 220 per ciclo solare.



























Ci sono tuttavia anche periodi di interruzione. 
Ad esempio tra il XVII e il XVIII secolo (1600-1700) vi furono 34 anni con macchie e 70 senza.

Attenzione però, non tutti i cicli sono uguali: 
- alcuni durano di più 
- altri di meno 
- ma soprattutto alcuni hanno molte più macchie solari 
- altri molte meno

A questo punto la domanda è legittima:
cosa ha a che fare il "ciclo solare" con noi? Perché ci deve interessare?

La radiazione elettromagnetica (EMR) ad alta energia che arriva sul nostro pianeta, in arrivo dal Sole, influenza il clima terrestre (Infrarossi IR e bilancio termico globale) e ha conseguenze sugli strati atmosferici (Ultravioletti UV sulla Ozonosfera e sulla temperatura e variazione di densità della Termosfera).




















Tra il 1645 e il 1715 ci fu un famoso periodo di minimo solare chiamato "minimo di Maunder", durato quindi circa 70 anni. 

In quei lunghi decenni sulla Terra ci fu un periodo di freddo intenso durante il quale apparvero solamente 50 macchie solari, ed il clima si fece rigidissimo in Europa, con gelo del Tamigi a Londra ogni 5 anni in media e l'espansione dei ghiacciai su tutto l'arco alpino (massimo raggiunto negli ultimi 12.000 anni).
Nella riproduzione, il Tamigi ghiacciato durante la piccola Era glaciale del minimo di Maunder.

In realtà non ci sono indicazioni che si possa ripresentare quel tipo di minimo nel Ciclo che sta per partire, lo comunicano scienziati del Solar Cycle Prediction Panel (che rappresentano la NOAAA, la NASA, l’International Space Environment Services e altri scienziati statunitensi e internazionali), e trovate pure il link della previsione


C'è molto più da preoccuparsi degli effetti del riscaldamento globale prodotto dalle attività umane in questi ultimi decenni.












Prevedere il Ciclo solare è importante.


Poter prevedere il Ciclo solare dà inoltre un’idea approssimativa della frequenza delle tempeste spaziali:
- blackout radio
- tempeste geomagnetiche
tempeste di radiazione solare



































Tali attività solari possono influenzare:
- le reti elettriche
- le comunicazioni militari, aeree e marittime
- i satelliti e i segnali GPS (Global Positioning System)
- oltre ovviamente alla possibilità di minacciare gli astronauti a causa dell’esposizione a dosi di radiazioni nocive












I vari team di ricercatori concordano su due punti:

- fine del ciclo numero 24
è dove ci troviamo al momento, dovrebbe raggiungere il minimo tra il mese di luglio appena concluso e settembre 2020.
E' stato un ciclo piuttosto insolito, come è già capitato alla nostra stella, perché è partito con un anno di ritardo, ha avuto un’attività estremamente bassa nel 2009 ed il culmine del massimo addirittura nel 2013. E' stato quindi non solo basso ma anche poco intenso

- ciclo 25 inizia ad autunno 2020 e ci si aspetta sia proprio come è stato il ciclo che sta finendo orapreceduto da un minimo lungo e profondo, e il suo massimo abbastanza debole, tra il 2023 e il 2026.









Qui si vede meglio l'attività più intensa del Ciclo 23 (massimo e minimo visti attraverso la Cromosfera normalmente invisibile)... 




















....rispetto a quella meno intensa del 24 (massimo e minimo visti attraverso la fotosfera).
























Attenzione, precisazione: 
ciclo "debole" non significa che il Sole emette meno energia
la nostra stella infatti continua a produrre incessantemente reazioni termonucleari nel suo nucleo, a metà della fase di Sequenza Principale in cui si trova ora.

Significa invece che c'è poco movimento a livello di campo magnetico e quindi ridotta quantità di macchie, ma con una serie di violenti brillamenti solari e forti tempeste magnetiche.




Chi è più cattivo, il Vento Solare o i Raggi Cosmici
Non tutto il male vien per nuocere..















Al momento di massima intensità del ciclo delle macchie solari, si registra un numero molto più alto di tempeste solari
Durante un massimo solare, la straordinaria serie di brillamenti solari - flares - ed espulsioni di massa coronale - CME - libera nello spazio miliardi di tonnellate di materiale ad altissime velocità
Quindi al vento solare costante si aggiunge molto materiale extra in più (proprio quello che provoca sulla Terra disturbi e avarie nelle radiocomunicazioni e nei satelliti).
Maggiore è il numero di macchie e maggiore è l’attività solare.

(questa immagine è stata ottenuta da un coronografo, dove al centro al posto del disco nero che si usa di solito, è stato posto il disco solare per facilitare la visualizzazione)
























(Nel caso della nostra stella, che è relativamente vicina a noi, la quantità di macchie presenti è registrata e monitorata sia dagli osservatori astronomici nel mondo che da quelli in orbita e pure dagli astrofili amatoriali; essa è inoltre associata ad un indice di attività chiamato "numero di Wolf" che rappresenta una misura soggettiva legata alle macchie solari e gruppi di macchie presenti sulla superficie dell'astro).



La coppia di sonde del progetto Stereo












Lo sapevate che il Vento solare, ritenuto letale per noi se non ci fosse il campo magnetico terrestre a proteggerci, è anche nostro alleato poiché ci protegge facendo da scudo naturale contro i Raggi Cosmici?


I Raggi Cosmici bombardano continuamente la Terra, provenienti da eventi straordinariamente potenti dello spazio profondo (collisioni di stelle, supernovae, etc).

Sono circa 100.000 le particelle originate da essi, che ci attraversano ogni ora!

Questo contribuisce alla dose di radioattività a cui siamo continuamente soggetti nella vita quotidiana.







Si verificano però due situazioni, A (minimo) o B (massimo):

A) Quando il nostro Sole è "tranquillo"

... e ho specificato che "tranquillo" significa solo poca o assente attività di campo magnetico in superficie con poche o nessuna macchie... negli strati interni la fusione termonucleare è incessante...






























- il numero di macchie solari è al Minimo
- l’intensità del Vento solare, che ci protegge naturalmente dai Raggi Cosmiciè minima 


















In questa situazione un flusso maggiore di questi Raggi Cosmici (sono particelle cariche provenienti dallo spazio profondo che ci bombardano a raffica, costantemente e da ogni direzione - tra cui protoni, post atmosfera 3/4 e 4/4) riesce a raggiungere l’alta atmosfera terrestre


Incontrando l'alta atmosfera i Raggi Cosmici Primari producono Sciamo di particelle

P = protoni
n = neutroni
π = pioni
e = elettroni
μ = muoni
𝜸 = fotoni







>>> Questo fenomeno fa accrescere il processo di condensazione delle gocce di nube sulle particelle di "aerosol" e quindi, indirettamente, le formazioni di nubi ad alta quota (quelle in alto nella foto sotto), causando (su periodi lunghi) una diminuzione della temperatura terrestre e periodi di freddo.






























Quindi più Raggi Cosmici = più nubi ad alta quota che schermano i raggi solari.

>>> Altro effetto di un minimo (di "Solar Flux", flusso solare) è che un Sole "debole" emette una minore dose di raggi nell'ultravioletto UV: questo provoca il raffreddamento e la diminuzione di densità della Termosfera (lo strato superiore dell'atmosfera terrestre) che quindi si contrae, modificando le orbite di molti satelliti compresa la  Stazione Spaziale Internazionale ISS, problemino non secondario.

(a volte mi risulta veramente difficile selezionare una singola foto, tra le tante meravigliose che meriterebbero e che lasciano incantati, ma anche l'opera di selezione è purtroppo necessaria...
in questa splendida immagine potete notare la prospettiva tridimensionale che fa cogliere incredibilmente dettagli delle nuvole e degli alti strati dell'atmosfera)



























Recentemente si è trovata una correlazione fra il bombardamento dei Raggi Cosmici e la produzione di radio carbonio 14C prodotto in alta atmosfera.

MIN  
- Minima attività solare
- riduzione Aurore
- contrazione Termosfera (satelliti ed ISS influenzati, ostacolati, deviati)
- maggior quantità di Raggi Cosmici che investe la Terra
- maggior produzione di 14C. 


Il 14C sulla Terra è assorbito dagli alberi che rappresentano quindi degli ottimi strumenti di analisi per inferire sull’attività solare in epoche passate.
La quantità di C assorbito viene valutata analizzando la formazione degli anelli negli alberi (dendrocronologia).

Colgo l'occasione per salutare il mio amico dendrocronologo Stefano Marconi che lavora presso il Museo Civico di Rovereto nel Laboratorio di Dendrocronologia.



B) Al contrario quando il Sole è "iperattivo"

...quindi discreta o notevole attività magnetica in superficie con molte o moltissime macchie.... negli strati interni continua incessante la fusione termonucleare...

E’ proprio durante questo periodo che i satelliti in orbita intorno alla Terra e gli astronauti dell’ISS sono maggiormente esposti ai periodi di radiazione solare, e ai poli le Aurore sono più frequenti e più intense.
Questa quantità di radiazione che investe il nostro pianeta è incanalata lungo le regioni polari dal campo magnetico terrestre e rappresenta uno scudo difensivo (una protezione naturale) contro i Raggi Cosmici, dando poi luogo alle Aurore polari. 
Nella rappresentazione, il vento solare incontra la magnetosfera terrestre e viene incanalata dalle linee del campo magnetico nella "cuspide polare" (la zona ad imbuto evidenziata in giallo sopra il polo nord in questo caso).


























In questo caso si riduce la quantità di carbonio 14C ed una diminuzione della formazione di nubi: il clima è più mite.
Inoltre la aumentata quantità di raggi UV rende la Termosfera più calda ed espansa e quindi facilita le orbite di satelliti ed ISS.

MAX 
- Maggiore attività solare 
- un numero elevato di macchie solari 
- aumento intensità e bellezza Aurore
- espansione Termosfera (satelliti ed ISS facilitati)
- maggiore la quantità di radiazione solare che il Sole produce e che investe la Terra 


Da notare:


nel periodo di massimo la Corona appare simmetrica e quasi circolare




mentre



nei periodi di minimo mostra un forte appiattimento, con lunghi fasci all'equatore solare.





Quindi riassumendo in poche parole:

se c'è meno attività solare (MIN):

- arrivano meno radiazioni solari agli astronauti e sulla Terra

- arrivano anche meno UV recando disturbo ad ISS e satelliti in orbita
- ma in compenso arrivano più Raggi Cosmici e aumenta il 14C in alta atmosfera, provocando  periodi lunghi di freddo

se l'attività solare aumenta (MAX):

c'è più Vento solare e più tempeste solari, più radiazioni colpiscono gli astronauti e la Terra, e incanalate nelle linee del campo magnetico aumentano le Aurore

- la quantità di UV è buona ed ISS e satelliti orbitano regolari
- in compenso il campo magnetico terrestre, facendo da scudo difensivo naturale, protegge gli abitanti terrestri dai Raggi Cosmici. Inoltre si riduce la quantità di 14C e il clima è più mite diminuendo la formazione di nubi in alta quota



In definitiva, 
quando osservate il Sole al telescopio con i dovuti filtri, e notate aumento di macchie e tempeste solari ...

Crediti La Torre del Sole, Parco Astronomico di Brembate
























oppure quando ammirate le Aurore che aumentano in intensità ...




















pensate che ci stanno proteggendo dai raggi cosmici e fanno tornare un po' di caldo, anche se i nostri astronauti in orbita devono stare molto attenti a proteggersi di più dalle intense radiazioni (che comunque sia, vengono schermate dalla magnetosfera a 60.000 km di quota sul lato schiacciato verso il Sole, mentre la ISS orbita a quota 400, ben lontana dalla zona di scontro).




Mentre quando il Sole è "tranquillo" e le aurore sono "discrete" (come ora) vuol dire che noi siamo più esposti ai Raggi Cosmici e alla lunga farà più freddo, anche se gli astronauti sono un po' più al "sicuro" dalle radiazioni solari.




Però ricordate sempre che 
il Sole non smette mai di lavorare al suo interno! 
...fondendo nuclei di Idrogeno in Elio per altri circa 5 miliardi di anni!





































Spero vi siate divertiti, alla prossima!
Link utili:

Meteoweb: inversione poli magnetici Sole 2014
Solar Cycle Prediction Panel
Solar Cycle 25 Preliminary Forecast
http://www.latorredelsole.it/


mercoledì 28 agosto 2019

"In a nutshell" about Sun - 2b.Macchie solari: cosa c'è sotto? Meteo del Sole - nuvole, uragani, piogge, fulmini
































-- Il blog è in corso di migrazione, questo post è già stato migrato qui --

Sono solo "macchie" o nascondono ben altro?
Le macchie solari nascondono un meccanismo ben più gigantesco.



Le macchie solari sono in realtà le "sezioni" di un tubo di flusso magnetico emergente in fotosfera dalle zone sottostanti.
Quindi  macchie solari e "tubi di flusso" sono le due facce della stessa medaglia.


Seguite la sequenza dal basso, 

1, 2 e 3





























Wow, notizia bomba!! 
Vediamo però, in breve, di capire che succede. 
Per farlo mi aiutano ancora una volta alcune utilissime e bellissime slide del seminario sulle Dinamo Solari tenuto da Franco Alladio, Direttore della Ricerca presso ENEA Frascati.


Il Sole rappresenta una meteorologia di filamenti di plasma magnetizzati e rotanti.

Come abbiamo visto nel post sul Plasma, i plasmi conducono corrente elettrica anche meglio dei metalli e producono quindi facilmente campi magnetici propri.
Inoltre se si muovono in modo macroscopico (come fluido conduttore nel Sole), il moto crea nuovo campo magnetico ed il campo magnetico a sua volta influenza il moto.

Visto che la rotazione solare avviene in modo differenziato, cioè più velocemente all'equatore (25 giorni) e più lentamente ai poli (34 giorni), ciò provoca uno stiramento delle linee di forza del campo magnetico, con il risultato che si forma il famoso "gomitolo magnetico".















1. Il Sole è una sfera di plasma rotante

Kevin Gill ha realizzato un’animazione in time-lapse della rotazione del Sole a gennaio 2014 (il Sole impiega poco meno di un mese terrestre per compiere un intero giro su se stesso); per farlo ha utilizzato le immagini del Solar Dynamics Observatory, il telescopio spaziale della NASA lanciato a inizio 2010 per studiare il Sole. 

L’immagine grande a sinistra mostra come appare nell’ultravioletto UV la cromosfera.

Delle sei immagini sulla destra, la prima, quella in alto a sinistra, mostra invece il Sole che noi possiamo vedere, la fotosfera nello spettro visibile
Le altre 5 immagini in movimento mostrano la stella in altre frequenze dello spettro.
E' affascinante seguire in contemporanea tutte e 7 le rotazioni, cogliendo particolari che altrimenti non sarebbero visibili, come le macchie nella fotosfera e i buchi coronali.





2. Le sfere di plasma rotanti e magnetizzate tendono a produrre filamenti (i "filamenti" - attenzione qui non intesi come "protuberanze" - sono quelle aggraziate linee che vedete innalzarsi e disegnare curve, archi, spennellate precise, i cosiddetti "Anelli Coronali": li vedete, magnifici, nell'immagine, anelli come spire di molle giganti che si espandono verso la Corona del Sole)



































3. I filamenti magnetizzati (quindi ognuno di quegli anelli che vediamo), 
i famosi "tubi di flusso"  a cui abbiamo accennato, contengono al loro interno campo magnetico e corrente elettrica (nell'immagine, in basso, modelli più realistici di filamenti magnetizzati)




























4. Il comportamento delle linee di campo magnetico, in presenza di corrente, assomiglia alle "molle" (con cui almeno una volta abbiamo giocato)
























Se non si spezzano oscillano, e poi che succede ad una parte delle spire?
- se "troppo avvolte" (quindi troppo compresse, troppo "cariche"), possono sfuggire via di traverso
- se invece "poco avvolte" (quindi molli e poco cariche) si srotolano

In questo caso, ogni anello coronale corrisponde ad una molla come questa.









Le linee di campo magnetico si "vedono" sul Sole perché il plasma fluisce lungo di esse con facilità, facendo praticamente da tracciante





































5. Le macchie solari appaiono in coppia di polarità magnetica opposta (+ e -), come se un magnete a ferro di cavallo fosse presente sotto la superficie del Sole, uscita positiva ed ingresso negativo (la corrente positiva esce bucando la fotosfera e il flusso negativo si re-immerge verso le profondità).

Nell'immagine, a sinistra due momenti diversi del ciclo solare (ciclo 22 - agosto 1989 e ciclo 23 - giugno 2000), in giallo e blu le polarità opposte del campo magnetico. I campi delle Macchie Solari possono avere l'intensità di alcune migliaia di Gauss.




























6. Quelle che noi vediamo come macchie solari sono in realtà le zone da cui fuoriescono e si immergono nuovamente "tubi di flusso e di corrente" con linee di forza avvitate ad elica (quindi strutture percorse da intense correnti elettriche) che provengono dalle profondità della "zona convettiva"




"Cappio" magnetico











Quindi le macchie sono in realtà le sezioni di tubi di flusso che provengono dall'inferno sottostante, fuoriescono espandendosi come palloni aerostatici e poi si immergono di nuovo nelle profondità. 





























7. Ricordate quali sono gli strati del Sole? 
- Zona radiativa sopra il nucleo
- Tacoclìna (Tachocline), sottile strato intermedio
- Zona convettiva sopra e poi 
- fotosfera (e cromosfera che però non si vede perché la fotosfera è molto più luminosa) a confine con - l'atmosfera che è la Corona 
























Tutto parte dalla Tacoclìna (Tachocline), che oltre ad ospitare la discontinuità di rotazione del plasma (cioè sopra di essa avviene la rotazione differenziale - all'equatore più veloce che ai poli, e in superficie trascina ciò che è di sotto - mentre sotto la rotazione rigida del cuore-nucleo), può esser vista come un vero e proprio "oceano" di campo magnetico.




















8. nella Tacoclìna si verifica un accumulo di campo magnetico 

A causa dell'intenso calore proveniente dalla zona radiativa sottostante:
- le linee di campo magnetico si destabilizzano
- quindi "tubi di flusso" si distaccano, il loro campo magnetico li fa espandere e la loro materia si rarefà
- i tubi  galleggiano nel plasma circostante e per la spinta di Archimede risalgono come palloni aerostatici verso la fotosfera

A questo punto, se sono "molle" sufficientemente avvolte (cioè se contengono al loro interno abbastanza corrente elettrica), raggiungono la fotosfera e la forano con le 2 polarità magnetiche delle Macchie.



Le nostre famose Macchie solari non sono altro che le sezioni di questi "tubi di flusso" in cui fluiscono correnti elettriche e campi magnetici intensissimi; essi bucano la fotosfera innalzandosi verso la Corona e mostrandosi a noi come "anelli coronali" grazie al plasma che vi scorre come acqua lungo il percorso di un fiume. 
































A volte gli anelli tornano di sotto, altre volte invece, per un fenomeno conosciuto come "Riconnessione magnetica", si spezzano distaccandosi e si ricollegano nella Corona...







...il plasma riesce così a staccarsi dalle linee magnetiche (dando poi luogo a fenomeni esplosivi spettacolari come brillamenti-flares oppure Emissioni Coronali di Massa - EMC)








9. Considerando quindi la Tacoclìna (Tachocline) come un oceano, da tale oceano si alzano come "nuvole" filamenti magnetizzati di plasma che ruotano al loro interno come uragani; quando l'uragano non è abbastanza avvolto (le molle - quindi se la corrente elettrica che contiene non è sufficiente) si disfa lasciando ri-piovere il suo campo magnetico sulla Tacoclìna.

Nella bella immagine riepilogativa di questo processo complesso, tratta dal seminario di Franco Alladio, come vedete la pioggia di plasma del campo magnetico si verifica sia sopra la fotosfera, visibile al telescopio, sia sotto nelle profondità della zona convettiva.



























In questo scenario, i fulmini sono poi rappresentati dai brillamenti o flares.





























Per concludere il breve viaggio, ma farci restare "coi piedi per terra", ricordatevi però le reali dimensioni di ciò di cui abbiamo parlato...





















Per voi in regalo questo bel video breve di MediaInaf, dove vediamo proprio il filmato della sonda della Nasa SDO che segue a luglio 2012 un brillamento ed espulsione di massa coronale che in seguito ha dato vita alla "pioggia coronale" con il plasma che si raffredda e ricade sulla superficie.
Spettacolo in luce Ultravioletta che mostra il plasma a 50.000 K.
Ogni secondo del filmato in time-lapse richiede circa 6 minuti in tempo reale, quindi l'intera sequenza di "pioggia" dura all'incirca 10 ore!!!





Spero vi abbia affascinato l'argomento.
Arrivederci a presto con il prossimo appuntamento "In a nutshell" (in breve), il Ciclo del Sole e Vento solare e Raggi cosmici, amici o nemici?



Link utili:

"Dinamo solari" di Franco Alladio
Observing Space
Sole rotante in timelapse, Kevin Gill, Il Post


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