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2) Approfondimento: Le macchie solari

3 dicembre 2009

Iniziamo la seconda tappa di approfondimento di alcune caratteristiche del Sole.
Data la lunghezza dell´argomento, che a noi interessa tanto, ho deciso di fare una pagina dedicata solo alle macchie solari o sunspot.

Una macchia solare è una regione della superficie del Sole (la fotosfera) che è distinta da una temperatura minore dell’ambiente circostante, e da forte attività magnetica. Anche se in realtà le macchie solari sono estremamente luminose, perché hanno una temperatura di circa 5000 kelvin, il contrasto con le regioni circostanti, ancora più luminose grazie ad una temperatura di 6000 kelvin le rende chiaramente visibili come macchie scure. Numerose macchie simili sono state osservate anche in stelle diverse dal Sole, e prendono il nome più generale di macchie stellari.

Il numero di macchie che appaiono sulla superficie del Sole è stato misurato a partire dal 1700, e stimato all’indietro fino al 1500. La tendenza è quella di un numero in aumento, e i valori più grandi sono stati registrati negli ultimi 50 anni. Dal 2006 il numero delle macchie solari é drasticamente calato, ed il ciclo 24 stenta a partire creando discussioni scientifiche se ció sia l´inizio di un nuovo minimo solare importante quale il minimo di Damon o di Maunder o di Dalton.

I numero di macchie solari è correlato con l’intensità della radiazione solare. Durante il Minimo di Maunder esse quasi scomparirono, e la Terra nello stesso periodo si raffreddò in modo consistente. La correlazione tra i due eventi è oggetto di discussioni nella comunità scientifica.

Osservazione delle macchie solari

Primo piano di una macchia solare all’ultravioletto. Immagine del satellite TRACE.

I primi probabili riferimenti alle macchie solari sono quelli degli astronomi cinesi del primo millennio d.C., che probabilmente potevano vedere i gruppi di macchie più grandi quando lo splendore del sole era diminuito dalla polvere sollevata dai vari deserti dell’Asia centrale.
Questa la prima descrizione che abbiamo di una macchia apparsa nel Sole. È del 164 A.C.
Dice: Il carattere WANG (Re) é apparso sul Sole. (Wang naturalmente era in forma di ideogramma cinese e non con la scrittura alfabetica.
1661262 -164 MAR / MAY (HAN/WENDI/QIANYUAN/15/-/-) CHINA
“THE CHARACTER ‘WANG’ (“KING”) APPEARED IN THE SUN”.
[“CHE-FU-YUAN-GUI”; SCHOVE (1950); XU (1983); YAU & STEPHENSON (1988)

Per chi volesse leggere le varie trascrizioni negli anni, effettuate in Cina, le osservazioni erano fatte durante importanti avvenimenti, nascite di figli di imperatori, matrimoni imperiali, morte dell´imperatore ecc. e servivono a predire il “futuro” dell´Imperatore che era la personificazione del Sole.
ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_NUMBERS/ANCIENT_DATA/Early_Reports

Furono osservate telescopicamente per la prima volta nel 1610 dagli astronomi frisoni Johannes e David Fabricius, che pubblicarono una loro descrizione nel giugno del 1611. In questa data Galileo stava già mostrando le macchie solari agli astronomi a Roma e Cristoph Scheiner aveva probabilmente osservato le macchie per due o tre mesi. La polemica tra Galileo e Scheiner per la prima osservazione, quando nessuno dei due sapeva del lavoro dei Fabricius, fu quindi tanto acida quanto inutile.

Le macchie solari ebbero una qualche importanza nel dibattito sulla natura del sistema solare. Mostravano che il Sole ruotava su se stesso, e il fatto che apparivano e scomparivano dimostrava che il Sole subiva dei cambiamenti, contravvenendo agli insegnamenti di Aristotele. I dettagli del loro moto apparente non potevano essere spiegati tranne che nel sistema eliocentrico di Copernico.
Il perché il Sole gira su se stesso rimane un mistero, quando ha iniziato a girare, come, cosa gli ha dato la spinta inziale? Non sono riuscito a trovare una risposta mentre per i pianeti esiste la teoria dello scontro con vari pianetesimi che hanno dato l´impulso al moto di rotazione… per il sole, essendo gassoso non credi che questa ipotesi possa essere valida. Chi ha una risposta per favore la posti, per soddisfare la mia e la nostra curiositá, escludendo nelle risposte eventuali interventi soprannaturali.

Le ricerche sulle macchie solari segnarono il passo per la maggior parte del XVII e l’inizio del XVIII secolo, perché a causa del Minimo di Maunder quasi nessuna macchia solare fu visibile per molti anni. Ma dopo la ripresa dell’attività solare, Heinrich Schwabe poté riportare nel 1843 un cambiamento periodico nel numero delle macchie solari, che sarebbe poi stato chiamato il ciclo undecennale dell’attività solare.

Un flare estremamente potente fu emesso verso la Terra il 1º settembre 1859. Interruppe i servizi telegrafici e causò aurore boreali visibili molto a sud, fino alle Hawaii e a Roma, e in modo simile nell’emisfero sud. Il flare più luminoso osservato dai satelliti è avvenuto il 4 novembre 2003 alle 19:29 UTC, ed ha saturato gli strumenti per 11 minuti. La regione 486, responsabile del flare, ha prodotto un flusso di raggi X stimato a X28. Le osservazioni hanno mostrato che l’attività è continuata sulla faccia lontana del Sole, quando la sua rotazione ha nascosto la regione attiva alla nostra vista.

Anche se i dettagli della formazione delle macchie solari sono ancora oggetto di ricerca, è abbastanza chiaro che esse sono la controparte visibile di tubi di flusso magnetico nella zona convettiva del Sole che vengono “arrotolati” dalla rotazione differenziale della stella piu rapida all´equatore e piú lenta ai poli.. Se lo stress su questi tubi supera un certo limite, rimbalzano come elastici e “forano” la superficie solare. Nei punti in cui essi attraversano la superficie la convezione non può operare, il flusso di energia che arriva dall’interno del Sole si riduce, e la temperatura di conseguenza scende. L’effetto Wilson suggerisce che le macchie solari siano anche delle depressioni rispetto al resto della superficie.

Questo modello è supportato da osservazioni che usano l’effetto Zeeman, che mostra come le macchie solari appena nate spuntino a coppie, di opposta polarità magnetica. Da ciclo a ciclo, la polarità delle macchie anteriori e posteriori (rispetto alla rotazione del Sole) cambia da nord/sud a sud/nord e viceversa. In genere le macchie solari appaiono a gruppi più o meno grandi.
Quando a partire del 1908 si cominciarono a misurare i campi magnetici emersero dei nuovi fatti sull’magnetismo solare, racchiusi nelle cosiddette leggi di Hale:
1º Legge di Hale: si riferisce a sistemi bipolari di macchie e dice: “la macchia che precede (p) ha polarità opposta rispetto alla macchia che segue (f) e che, inoltre, la polarità della macchia che precede in un sistema bipolare nell’emisfero nord ha polarità opposta rispetto alla macchia che precede in sistema bipolare nell’emisfero sud.”
2º Legge di Hale: dice: “La polarità delle macchie si inverte in cicli successivi” Cosi una macchia che precede ha polarità positiva nell’emisfero Nord e negativa nell’emisfero Sud, nel prossimo ciclo sarà negativa nell’emisfero Nord e positiva nell’emisfero Sud. Per questo se dice che un ciclo solare dura 22 anni e non 11.

Abbiamo parlato molte volte se nel passato, come 100 anni fa era possibile vedere le macchie piú piccole o addirittura i pore solari.
La risposta é SI. E i pori non vengono contati.
Ecco cosa mi ha risposto il gentilissimo Dr. Paolo Romano alla mia domanda se 100 anni fa potevano vedere le macchie piú piccole.

“Le macchie più piccole che possiamo osservare in fotosfera sono i cosiddetti “pori”, ovvero delle macchie prive di penombra. Tali strutture hanno le dimensioni di alcuni arcosecondi, corrispondenti a poche migliaia di km e rappresentano la fase “embrionale” delle vere e proprie macchie solari.
Circa 100 anni fa, alla fine del XIX secolo i più potenti telescopi solari erano costruiti negli StatiUniti da George Ellery Hale e godevano di un potere risolutivo di 1-2 arcosecondi (750-1500 km), ovvero già sufficienti ad osservare anche i pori più piccoli.
Attualmente i telescopi solari più moderni hanno una risoluzione spaziale che permette di distinguere dettagli di alcune decine di km sulla fotosfera solare. Nonostante ciò non vengono osservati pori di tali dimensioni.
Possiamo quindi concludere che il principale vantaggio di oggi nello studio dell’attività fotosferica solare è fornito dalle missioni spaziali.
Infatti i telescopi a bordo di satelliti geostazionari ci permettono di superare i disturbi legati alla presenza della nostra atmosfera sulla terra e garantiscono un osservazione costante del Sole.
Il nostro telescopio di Catania continua ancora oggi a svolgere un servizio di Patrol dell’attività solare. La sua risoluzione spaziale è di circa 4 arcosecondi (circa 3000 km).”
Distinti saluti
Dr. Romano Paolo
INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
Via S. Sofia 78
95123 Catania

Una immagine dell´Osservatorio Astrofisico di catania, tra i piú importanti al mondo.

Una macchia solare può essere divisa in due parti:

* ombra, più scura e fredda
* penombra, intermedia tra l’ombra e la superficie solare

Le linee di campo magnetico dovrebbero respingersi l’un l’altra, facendo quindi disperdere rapidamente le macchie solari, ma la vita di una macchia è in media di appena due settimane, un periodo troppo breve. Osservazioni recenti condotte dalla sonda SOHO, utilizzando le onde sonore che viaggiano nella fotosfera solare per formare un’immagine dell’interno del Sole, hanno mostrato che sotto ogni macchia solare vi sono potenti correnti di materiale dirette verso l’interno del Sole, che formano dei vortici che concentrano le linee di campo magnetico. Di conseguenza le macchie sono delle tempeste auto-sostenentesi, simili in alcuni aspetti agli uragani terrestri.

L’attività delle macchie segue un ciclo di circa 11 anni (il ciclo undecennale dell’attività solare). Ogni ciclo di undici anni comprende un massimo ed un minimo, che sono identificati contando il numero di macchie solari che appaiono in quell’anno. All’inizio del ciclo, le macchie tendono ad apparire a latitudini elevate, per poi muoversi verso l’equatore quando il ciclo si avvicina al massimo (questo comportamento è chiamato Legge di Spoerer).

Oggi si conoscono molti periodi diversi nella variazione del numero di macchie, di cui quello di 11 anni è semplicemente il più evidente. Lo stesso periodo è osservato nella maggior parte delle altre espressioni di attività solare, ed è profondamente legato alle variazioni del campo magnetico solare. Non si sa se esistano periodi molto lunghi (di secoli o più), perché l’intervallo registrato dagli astronomi è troppo corto, ma se ne sospetta fortemente l’esistenza.

Conseguenze sull’ambiente

Alcuni ritengono che le macchie solari siano la causa alla base del riscaldamento globale e l’uomo e i suoi consumi abbiano contribuito in minor parte al fenomeno.
O, meglio, le macchie solari sono indice dell’attività solare, che determina la radiazione solare trasmessa al nostro pianeta. Piccole variazioni di questa radiazione, secondo gli ultimi studi, avrebbero una visibile influenza sul clima terrestre. Le macchie solari, sappiamo oggi, sono intensi campi magnetici che appaiono durante periodi d’elevata attività solare, ma per secoli e da molto prima che se ne conoscesse la natura gli astronomi ne hanno registrato il numero, e dai dati raccolti si può notare tra il 1645 e il 1715 una drastica riduzione nel numero delle macchie solari (minimo di Maunder), dal nome dell’astronomo inglese che osservò la circostanza).

Quanto il numero di macchie solari sia un attendibile indicatore del clima lo scoprirono il ricercatore danese Friis-Christensen e i suoi collaboratori, che nel 1991 dimostrarono la stretta correlazione tra attività solare e temperatura globale in tutto il periodo compreso fra il 1860 e il 1990. Per escludere che quella correlazione fosse una semplice coincidenza, andarono indietro nel tempo per altri 400 anni e, di nuovo, accertarono la stretta correlazione tra attività solare e temperatura globale.

Il sole influenza il clima non solo, direttamente, col suo calore ma anche, indirettamente, attraverso la formazione delle nuvole, che hanno un potente effetto raffreddante.

La potenza di questo effetto è diventata chiara solo recentemente, dopo che si sono confrontate, nel corso degli anni, le temperature globali con il flusso di raggi cosmici, scoprendo, ancora una volta, una stretta correlazione tra temperatura globale e flusso cosmico, con la prima che aumenta ogni volta che il secondo diminuisce, e viceversa: il clima è controllato anche dalle nuvole, queste sono controllate dal flusso di raggi cosmici a sua volta controllato dall’intensità del campo magnetico dal sole, cioè dalla attività della nostra stella.

Va detto però che tali teorie sono ancora al vaglio della Comunità Scientifica, e al momento sono oggetto di dibattito e contestazione accademica.
In pratica ancora non si conosce profondamente come si formano le nuvole e la pioggia…. ma sappiamo cosa accadrá al clima tra 100 anni… FORSE!

SAND-RIO

  1. erdeluca
    3 dicembre 2009 alle 12:59

    Perchè il sole gira su se stesso?
    Immaginate una nube di materia che ruota intorno al centro di massa della galassia. Per la legge di gravitazione le zone della nube più vicine al centro della galassia si muoveranno più velocemente di quelle più lontane. Queste velocità decrescono col quadrato della distanza dal centro della galassia.
    Se la nube inizia a collassare per effetto della proria gravità, allora le differenti velocità delle diverse zone della nube imprimono all’intera nube una velocità di rotazione attorno all’asse che passa per il centro di gravità della nube (parallelo all’asse di rotazione della galassia). Per effetto della conservazione del momento della quantità di moto (come il pattinatore che aumenta la velocità di rotazione quando stringe le braccia al petto) questa velocità di rotazione è via via sempre più elevata al contrarsi della nube .
    Quando la nube si è contratta fino a formare una densità di massa sufficiente per l’accensione della stella, anche la velocità di rotazione è diventata più che apprezzabile.
    Non essendo un corpo rigido ma fluido, la stella tende a dissipare l’energia del proprio moto rotatorio per effetto dei moti turbolenti delle masse fluide che si spostano al suo interno (e che magari danno luogo ai grandi vortici che producono le macchie solari) e quindi tende a rallentare la propia velocità di rotazione.

  2. 3 dicembre 2009 alle 13:14

    Bella spiegazione, ma mi lascia perplesso in un punto.
    Perché la nube di materia deve girare attorno al centro della galassia, considerando che stiamo parlando del vuoto dell´universo.
    Cosa gli ha impresso questo moto?
    Io partirei dalla teoria del Big Bang…..

  3. Max
    3 dicembre 2009 alle 13:36

    bella domanda Sand a cui molti penseranno di saper rispondere, ma in realta anche partendo dal big-bang attualmente non vi è una spiegazione valida(argomenti correlati massa oscura).Molti scienziati sono alla ricerca di una soluzione .

  4. Nitopi
    3 dicembre 2009 alle 16:38

    be… sempre per la conservazione del momento angolare … per simmetria mi sbilancerei a dire che il momento angolare dell’univarso e’ zero… Poi, se qualcosa gira qui… deve girare qualcosa al contrario da n’altra parte….
    8)

    Luca

    P.S.
    non ho detto una stupidaggine… e’ il metodo con cui si fanno ruotare i satelliti… ci metti dentro un volano e lo fai girare.. Il resto del satellite andra’ dall’altra parte.

    In quel caso il moto e’ trasferito da forze eletromagnatiche (leggi contatto meccanco) nel caso del sole, galassie etc. etc. da forze gravitazionali…
    Ciao
    Luca

  5. Nitopi
    3 dicembre 2009 alle 16:39

    P.P.S.
    sarei molto piu’ stupefatto se stesse fermo 8)
    Ciao
    Luca

  6. Stefano Riccio
    3 dicembre 2009 alle 16:54

    Mi permetto un OT per dire che forse simo al record storico del solar wind alle 17:30 è 234 Km/s

  7. 3 dicembre 2009 alle 17:46

    Incredibile….il record quanto era?

  8. Max
    3 dicembre 2009 alle 18:39

    Per il volano o satellite che sia la massa la decidiamo noi, per le galassie non è cosi semplice(l’uomo tende sempre a semplificare ma non è sempre una buona cosa).
    Riporto solo il pensiero di un fisico:
    “trovando che le curve di rotazione delle galassie non obbedivano a ciò che si aspettava, per ritrovare l’accordo fra dati sperimentali e teoria si è inventata la materia oscura ( e per materia oscura non intendo la polvere interstellare, ma quel quid che determina un accelerazione delle galassie attorno ad un determinato centro). Ma non è mai stata rivelata! E sono decenni che si sta cercando una conferma della sua reale esistenza, senza esserci andati neppure vicino: chiaramente lì non c’è.”

  9. Nitopi
    3 dicembre 2009 alle 19:42

    GIa’ Max.
    Da una parte viene invocata la materia oscura per spiegare la rotazione delle galassie (manca massa: cosi’ come sono dovrebbero disperdersi) dall’altra si ipotizza l’energia oscura per spiegare la velocita’ di allontanamento delle galassie (c’e’ troppa massa, si allontanano troppo velocememte per quel valore)….
    Penso che ci sia qualcosa di profondo sulla struttura dell’universo a grande scala che non si e’ ancora ben capito 8)

    Stiamo aspettando un qualche personaggio con la grande intuizione …..

    Ciao
    Luca

  10. Davide M.
    4 dicembre 2009 alle 02:43

    Secondo me è Dio che si diverte a muovere i corpi celesti 🙂
    Comunque, complimenti a sand-rio per l’articolo, ciao 😉

  11. Nitopi
    4 dicembre 2009 alle 06:50

    Parafrasando Einstein…
    “Dio non gioca a bocce !!!”
    8)

  12. erdeluca
    4 dicembre 2009 alle 07:59

    Nella grande esplosione iniziale ci sono state sicuramente delle disuniformità (è fortemente improbabile che in qualsiasi esplosione l’espansione avvenga in modo omogeneo ed uniforme), queste dis-uniformità hanno impresso velocità diverse alla materia. Sempre per la conservazione del momento della quantità di moto, queste diverse velocità si trasformano in rotazione quando la materia collassa per effetto della gravità. E’ per questo che le galassie ruotano attorno ad un asse e le possimo vedere nella loro forma in quanto l’accelerazione centrifuga dovuta al moto di rotazione è bilanciata perfettamente dall’accelerazione di gravità.
    Poniamo che per un caso completamente fortuito la materia che poi andrà a formare una galassia si sia espansa in modo omogeneo e uniforme; al collassare della materia non ci potrebbe essere nessuna rotazione e quindi la materia continuerebbe a collassare indefinitamente in quanto non ci sarebbe alcuna forza centrifuga a controbilanciare la gravità. La galassia non si potrebbe formare, e al suo posto ci sarebbe un enorme buco nero.
    Quindi per una sorta di “selezione naturale” la materia che aveva velocità disuniforme al big bang si è trasformata in galassie vacilmente visibili ed individuabili, quella che aveva velocità perfettamente uniformi (caso molto improbabile) si è trasformata in buchi neri invisibili ed individuabili solo per le deformazioni che producono nello spazio-tempo (lenti gravitazionali).

  13. Mistral 101
    4 dicembre 2009 alle 09:52

    Tra i grandi problemi insoluti possiamo anche mettere le nane bianche la cui età in teoria è ben maggiore dei 14 miliardi di anni che si stima sia l’erà dell’universo

  14. Karlo
    4 dicembre 2009 alle 23:03

    Riguardo alla rotazione, la vedo così: nella nostra galassia gli oggetti non si muovono in modo perfettamente uniforme; stelle, nebulose, zone più dense delle altre si muovono un po’ come le persone che la domenica stanno andando al mare: tutti grosso modo verso una direzione ma ciascuno ha un moto suo proprio. Ed ecco, mentre tu te ne stai andando al mare bello tranquillo, un ragazzo che corre, grosso come un bisonte, ti urta la spalla, da dietro. In questo urto tu vieni proiettato in avanti ma anche fatto ruotare su te stesso perché la botta non è stata centrale. Nel caso della nebulosa che formerà il sole, anziché una botta secca c’è la forza di gravità di un oggetto che passa vicino.
    (P.S.: il ragazzo che corre poi è andato a sbattere contro un palo della luce, e ha vinto il palo: così impara a guardare dove va)

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