IL SOLE E LO STRANO CASO DEL 25° CICLO SOLARE

Il 25° ciclo solare ha preso il via nel 2019 e, contro ogni previsione, ha sorpreso gli scienziati con un’intensità inaspettata.
Cosa regola questi cicli e perché alcuni si comportano in modo anomalo? Dalle macchie solari alla dinamo magnetica, l’articolo esplora i misteri del Sole, svelando come il suo ritmo influenzi non solo l’astronomia, ma anche la nostra tecnologia e il futuro dell’esplorazione spaziale.

Dicembre 2019 ha rappresentato l’inizio del Ciclo Solare numero 25 ed attual­mente la nostra stella si ritrova nel momento di massima attività magnetica, rispettando in buona sostanza la periodicità caratteristica di questo fenome­no, che è approssimativamente di undici anni.

Cosa determina questo susseguirsi di cicli periodici e cosa succede durante questi undici anni?

Il protagonista indiscusso di questo fenomeno è il campo ma­gnetico, generato dal processo della dinamo solare. Pos­siamo immaginare questo campo magnetico in una ideale situazione di “partenza” (come appun­to quella di dicembre 2019) in una ordinata configurazione polare, che ricorda quella tipica del campo magnetico terrestre, con le linee di forza che escono da un polo e rientrano nell’altro. La strut­tura fisica del Sole però è quella di un plasma e quindi ben diversa dalla struttura di un pianeta. Sulle linee del campo magne­tico agiscono sia la rotazione differenziale, per la quale il plasma all’equatore ruota più velocemente rispetto ai poli, sia i moti ascensiona­li convettivi. La rotazione differenziale modifica il campo magnetico por­tandolo dalla configura­zione poloidale ad una toroidale. I tubi di flusso del campo toroidale sono trascinati in fotosfera dai moti convettivi e possono emergere così come strut­ture magnetiche sotto for­ma di coppie di macchie solari scure1 (accompagna­te però anche da strutture brillanti), che aumentano di numero e di area superficiale. Dopo il massimo di attività inizia

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la fase declinante del ciclo, in cui il campo toroidale diminuisce gradualmente per far aumenta­re nuovamente quello poloidale il quale, nel momento di minimo dell’attività, invertirà la polari­tà rispetto al ciclo precedente. È proprio l’inversione della polarità magnetica delle macchie a de­terminare l’inizio di un nuovo ci­clo. Sotto questo punto di vista, per­ciò, il ciclo undecennale, che prende il nome di ciclo di Schwabe (dal nome dell’astronomo tedesco che per primo ne ipotizzò la regolarità) è in realtà solo la prima parte del ciclo magnetico completo dalla durata di circa 22 anni (detto ciclo di Hale), che è il tempo necessario affinché il campo magnetico, invertendo la po­larità due volte, torni alla configura­zione iniziale.

Uno schema semplificativo del pro­cesso di dinamo solare è mostrato in figura 1; sottolineiamo che una teoria completa ed esaustiva della dinamo solare, che ad esempio giu­stifichi la durata undecennale o le variazioni specifiche da ciclo a ciclo, in realtà ancora non esiste.

Il numero “25” associato all’attuale ciclo ha un significato meramen­te antropico, perché il ciclo numero 1 (iniziato nel 1755 e conclusosi nel 1766) ha l’unica caratteristica spe­cifica di essere il primo ciclo per il quale esistono dati osservativi suf­ficienti all’identificazione dell’evol­versi delle macchie solari. Ad effet­tuare il primo lavoro di raccolta di queste osservazioni, ed individuare così il primo ciclo solare, fu nel 1852 Johann Rudolph Wolf, divenuto fa­moso per aver introdotto la quantità ancora oggi più utilizzata (anche se non la più completa) per descrivere i cicli solari, il cosiddetto Sunspot Number, una combinazione ma­tematica tra il numero di macchie solari ed il numero di gruppi in cui esse si raccolgono (più un fattore caratterizzante la strumentazione con cui si è osservato il disco sola­re). In realtà è ben noto che i primi studi ufficiali sulle macchie solari si possono far risalire a Galileo Galilei nel XVII secolo, ma è solo dal 1749 che esistono registrazioni sufficien­temente regolari sull’evolversi delle macchie solari per determinare il susseguirsi dei cicli.

Uno sguardo anche fugace alla figu­ra 2 mette subito in evidenza quan­to accennato prima: l’andamento dei cicli solari non è affatto regolare, pur rispettando all’incirca la caden­za undecennale. In realtà studi che sfruttano indicatori indiretti dell’at­tività solare – come già illustrato in un precedente articolo su questa rivista (vedi Co­elum Astronomia N° 262) – hanno evidenziato che anche il susseguirsi dei cicli non è cosa da darsi troppo per scontata, avendo la nostra stella at­traversato anche stadi in cui l’attività magne­tica sembrerebbe essersi fortemente spenta. Sono i cosiddetti periodi di “grande minimo” durante i quali la presenza di macchie sulla superficie solare tende praticamente a scom­parire. L’ultimo di questi grandi minimi risa­le ad un periodo leggermente antecedente a quelli mostrati nella figura 2, a cavallo tra il 1650 e l’inizio del 1700, epoca per la quale non vi è sufficiente regolarità di osservazioni per determinare i cicli, ma ve ne sono abbastanza per confermare una sostanziale carenza di mac­chie solari sulla superficie del sole.

I processi fisici legati a queste che potremmo defi­nire variazioni delle variazioni, ossia alle differenze tra i vari cicli, che sembrano presentare a loro volta ulteriori periodicità più lunghe, dagli 80-90 anni (ciclo di Gleis­sberg) ai 200 anni (quello associato ai grandi minimi, detto ciclo de Vries) fino anche ai millenni, non sono ancora ben deter­minati. Quello che molti fisici solari hanno cercato di fare per mettere un po’ di ordine è stato trovare regole o regolarità, più o meno empiriche, nel susseguirsi dei cicli. Tra esse, ad esempio, vi sono l’effetto Waldmeier, per il quale i cicli più intensi raggiungono il massimo più rapidamente, legando quindi la durata della risalita dal minimo al massimo alla sua ampiezza, e la regola di Gnevyshev-Ohl, per la quale i cicli solari tendono a raggrupparsi in coppie pari-dispari in cui il ciclo contrassegnato con un numero dispari risul­ta di intensità maggiore di quello pari che lo ha preceduto2 . Nel 1952 l’astrono­mo Gleissberg, lo stesso che aveva evidenziato l’esistenza di un ciclo secolare, aveva scritto: “Ogni ciclo delle macchie solari deve essere considerato come un tutto concluso, come un fenomeno a sé stante, e si sussegue semplicemente ciclo dopo ci­clo”, frase smentita seccamente dalle regolarità sopra descritte. L’esistenza di una memoria inter-ciclo e di una a lungo termine, cioè la presenza di cosiddet­ti precursori, insieme ad altri metodi alternativi, come tecniche di estrapola­zione o modelli di trasporto di flusso, sono sfruttati dagli scienziati per cerca­re di predire l’andamento dei cicli solari futuri. Tali predizioni, in quanto frutto di relazioni empiriche e statistiche, hanno ovviamente dei margini di incertez­za alti e spesso, anche entro questi margini, risultano a volte inadeguate. Già a fine del 2020, cioè al compimento del suo primo anno, il 250 ciclo era risultato più intenso delle previsioni che erano state divulgate dal Centro di Predizio­ne dello Space Weather della NOAA, l’ente scientifico ufficiale statuniten­se adibito al monitoraggio ed alle pre­visioni delle condizioni oceaniche ed atmosferiche e che ha il compito di occuparsi anche della meteorologia spaziale che è legata principalmente proprio all’attività magnetica del Sole.

Sul loro sito è possibile seguire l’anda­mento del ciclo non solo nella progres­sione del Sunspot Number ma anche di altri indicatori dell’attività, che risultano più “moderni” ed utili, come il flusso radio (fig. 3). La figura 3 mostra proprio quanto fosse stata sottostimata l’intensità di questo ciclo.

In realtà si potrebbe dire “metodo che usi, previsio­ne che trovi”, in quanto altri lavori pubblicati mostra­vano previsioni diverse. Il gruppo di fisica solare dell’Uni­versità di Roma Tor Vergata, in collaborazione con i ricercatori del National Solar Observatory in Colorado, aveva pubblicato su due rivi­ste scientifiche internazionali una previsione per il 250 ciclo della coper­tura delle macchie e della controparte brillante delle regioni attive che, pur sottostimandone l’effetto, conduceva ad una previsione più vicina alla progressione poi effettivamente registrata, come si può notare nella figura 4.

Il 250 ciclo, oltre ad aver superato l’intensità predetta da molti modelli, ha riservato altre sorprese con eventi esplosivi particolarmente potenti. Il Sole, infatti, oltre alla variabilità sufficientemente regolare del suo ciclo undecennale, ne presenta altre di durata temporale molto inferiore, come i brillamenti (in inglese flares) solari, durante i quali vi è un improvviso e violento rilascio di energia, sia di radiazioni che di particelle. Un even­to di questo tipo è stato la causa scatenante della sorprendente aurora ammirata e fotografata in tutto il mondo, comprese latitudine inconsue­tamente basse, nella notte tra il 10 e l’11 maggio scorsi, anch’essa raccon­tata e spiegata in un precedente numero di questa rivista (vedi Coelum Astronomia N° 269).

L’attuale ciclo solare è risultato quin­di sorprendente sotto molti aspetti, però non supererà il record di altri cicli suoi predecessori, ed in parti­colare quello detenuto dal ciclo 190, ritenuto il più intenso mai registra­to da quando esistono osservazioni affidabili. Sicuramente, però, il “falli­mento” di diversi metodi di previsio­ne o il maggiore successo di altri, for­nirà agli scienziati nuove indicazioni e stimoli per continuare a studiare e monitorare la nostra stella. L’attività magnetica ed il comportamento del Sole, infatti, rivestono sempre più un ruolo importante nella nostra vita, in virtù, delle possibili future missioni spaziali, dell’elevatissimo numero di satelliti in orbita e della strumenta­zione tecnologica terrestre da cui di­pende una buona parte della nostra esistenza, tutti strumenti che risul­tano particolarmente vulnerabili alle tempeste solari ed a quelle geoma­gnetiche.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA