Di Friedhelm Steinhilber e Jürg Beer – Istituto federale svizzero di scienza e tecnologia acquatica, Dübendorf, Svizzera; friedhelm.steinhilber@eawag.ch
Gli alti e bassi dell’attività solare coincidono rispettivamente con l’anomalia climatica medievale e la piccola era glaciale.
Il Sole è una stella variabile e la più importante fonte di energia per la Terra. Ciò solleva la questione se il Sole influenzi il clima della Terra. Diverse registrazioni di attività solare mostrano che il Sole ha una variabilità a breve e lungo termine. Un esempio è il noto record delle macchie solari (curva inserita nella Figura 1a), che risale all’anno 1610 d.C., quando le persone iniziarono a usare il telescopio per scopi astrofisici come l’osservazione del Sole. Dalla registrazione delle macchie solari è noto che l’attività solare era inferiore durante il 17° e 18° secolo rispetto ad oggi. In particolare, il periodo dal 1645 al 1715 d.C. denominato Maunder Minimum (Eddy, 1976) è caratterizzato da una quasi totale assenza di macchie solari. Il record di macchie solari risale “solo” al 1610 d.C. e prima di questo momento devono essere utilizzati altri proxy dell’attività solare. Attualmente gli unici proxy in grado di estendere la registrazione dell’attività solare oltre il 1610 d.C. sono i radionuclidi cosmogenici, come 14C e 10Be. Il termine “cosmogenico” indica l’origine dei radionuclidi – i radionuclidi cosmogenici sono prodotti da reazioni nucleari tra le particelle dei raggi cosmici e i gas dell’atmosfera terrestre. Così, i radionuclidi cosmogenici registrano l’intensità dell’intensità dei raggi cosmici sulla Terra.
Figura 1: A) Zoom sulla ricostruzione dell’irraggiamento solare totale (TSI) durata 9300 anni (Steinhilber et al., 2009) negli ultimi 1200 anni. La banda grigia è l’incertezza 1σ. Il riquadro mostra il numero di macchie solari di gruppo. MCA: Anomalia climatica medievale; LIA: Piccola era glaciale. Le lettere maiuscole segnano i grandi minimi solari: O = Oort, W = Wolf, S = Spörer, M = Maunder, D = Dalton. B) Iniezione totale globale di aerosol di solfato vulcanico stratosferico in teragramma (Tg) (Gao et al., 2008).
Collegamento al Sole
Perché i radionuclidi cosmogenici registrano l’attività solare? Il legame tra 10Be e l’attività solare sono illustrati nella Figura 2. Le particelle dei raggi cosmici vengono accelerate ad alte energie in prossimità delle esplosioni di supernova nella nostra galassia. Per raggiungere la Terra devono propagarsi attraverso l’eliosfera, che è formata dal vento solare che trasporta il campo magnetico solare. Le particelle dei raggi cosmici sono cariche e quindi vengono deviate dal campo magnetico solare. Maggiore è la forza del campo magnetico solare, più forte è la deflessione delle particelle dei raggi cosmici e minore è l’intensità dei raggi cosmici sulla Terra. Il campo magnetico solare è direttamente correlato all’attività solare, cioè quando l’attività solare è debole la forza del campo magnetico solare è debole. Per riassumere, il tasso di produzione di radionuclidi è alto durante un grande minimo solare come il minimo di Maunder e basso durante i periodi di alta attività solare. Quindi il segnale radionuclide permette principalmente di ricostruire l’attività solare.
Oltre al campo magnetico solare, il campo geomagnetico modula anche l’intensità dei raggi cosmici. Dai dati di archeointensità è noto che il campo geomagnetico è variato nel tempo (e.g., Knudsen et al., 2008) e quindi una parte della variazione trovata nei radionuclidi cosmogenici è di origine geomagnetica. Quindi, le variazioni del campo geomagnetico devono essere rimosse dalla registrazione dei radionuclidi prima che l’attività solare possa essere calcolata. Le dipendenze basate sulla fisica tra produzione di radionuclidi, attività solare e intensità del campo geomagnetico sono state determinate utilizzando la tecnica Monte Carlo (Masarik e Beer, 2009). Questi calcoli forniscono la dipendenza della produzione di radionuclidi dall’attività solare e dall’intensità del campo geomagnetico. Sulla base di questa dipendenza e del noto campo paleo-geomagnetico, l’attività solare può essere derivata dal segnale radionuclide.
Dopo la loro produzione nell’atmosfera terrestre, i radionuclidi vengono trasportati e distribuiti all’interno dell’ambiente e in parte conservati in archivi naturali. Gli archivi più adatti sono gli anelli degli alberi (14C) e ghiaccio polare (10Be) ed entrambi hanno registrato il segnale di attività solare con alta risoluzione temporale per molti millenni. Gli anelli degli alberi e il ghiaccio polare possono entrambi essere datati in modo molto accurato, il che è un prerequisito per ricostruzioni ad alta risoluzione temporale. Alcuni documenti esistenti hanno una risoluzione annuale per gli ultimi circa 600 anni (Berggren et al., 2009), e risoluzioni di pochi anni o decenni per l’Olocene (ad esempio, Muscheler et al., 2007; Usoskin et al., 2007; Steinhilber et al., 2008). Si noti che i radionuclidi cosmogenici si trovano anche in altri archivi (ad esempio, ghiacciai alpini, sedimenti lacustri, sedimenti oceanici) ma generalmente le cronologie sono meno accurate.
Il segnale del radionuclide non solo riflette la variazione dei raggi cosmici dovuta all’attività solare e geomagnetica, ma è anche influenzato dagli “effetti di sistema”. Gli effetti del sistema sono variazioni indotte dal trasporto dall’atmosfera dove i radionuclidi sono prodotti al suolo dove sono archiviati. Oltre agli effetti del sistema, il segnale dei raggi cosmici ha incertezza dovuta all’incertezza nella scala temporale e nelle misure dei radionuclidi.
Figura 2: Illustrazione del sistema 10Be e della sua relazione con l’attività solare.
Attività solare negli ultimi 1200 anni
Recentemente, l’irraggiamento solare totale (TSI) è stato ricostruito da un composito di diversi 10Be record misurati nel ghiaccio polare negli ultimi 9300 anni (Steinhilber et al., 2008, 2009). Il composito si basa principalmente sul 10Be registrato dal nucleo di ghiaccio GRIP, Groenlandia. Poiché gli effetti del sistema influenzano principalmente il segnale su brevi scale temporali, sono state costruite medie a 40 anni dal record di 10Be.
Una parte della ricostruzione della TSI dell’Olocene è mostrata negli ultimi 1200 anni nella Figura 1a. Cinque distinti grandi minimi solari possono essere identificati noti come Oort (1040-1080 dC), Wolf (1280-1350 AD), Spörer (1460-1550 AD), Maunder (1645-1715 AD) e Dalton (1790-1820 AD) Minima. Gli ultimi quattro grandi minimi solari: Wolf, Spörer, Maunder e Dalton, si sono verificati in un ammasso. Questo ammasso coincide con la Piccola Era Glaciale (LIA), un periodo di condizioni climatiche fredde dal 1350 al 1850 d.C. circa. Tra l’Oort e il Wolf Minimum è evidente un periodo di alta attività solare di circa 200 anni. Questo periodo coincide con l’anomalia climatica medievale (MCA), che è generalmente caratterizzata da condizioni climatiche più calde e secche. Le occorrenze simultanee della LIA con un ammasso di grandi minimi solari e della MCA con un periodo di lunga durata di alta attività solare, indicano un’influenza del Sole sul clima terrestre durante questi periodi. Oltre all’attività solare, le eruzioni vulcaniche hanno svolto un ruolo importante (Fig. 1b; Gao et al., 2008). Durante la LIA, diverse forti eruzioni vulcaniche si sono verificate al momento dei grandi minimi solari, che hanno avuto un ulteriore effetto di raffreddamento. Un modello inverso si trova per l’MCA quando vengono identificate solo deboli eruzioni vulcaniche e l’attività solare era elevata. Con l’inizio dell’industrializzazione nel 18° secolo, l’importanza della forzatura solare e vulcanica è diminuita mentre l’influenza dell’effetto serra antropogenico dovuto alla combustione di combustibili fossili ha iniziato ad aumentare e attualmente sta giocando il ruolo dominante (Hegerl et al., 2007).
Attività solare futura
Una domanda interessante è quale ruolo giocherà il Sole nel prossimo futuro. Il composito di 9300 anni di attività solare (Steinhilber et al., 2008) mostra che negli ultimi sei decenni il Sole è stato in uno stato di alta attività solare rispetto all’intero periodo di 9300 anni. Le statistiche del verificarsi di periodi di alta attività suggeriscono che l’attuale periodo di alta attività terminerà nei prossimi decenni (Abreu et al., 2008). Inoltre, la distribuzione dei grandi minimi solari negli ultimi 9300 anni mostra che è probabile che un periodo simile al minimo di Maunder si verifichi intorno al 2100 d.C. (Abreu et al., 2010). Tuttavia, il record lungo di 9300 anni mostra che in passato un grande massimo è sempre stato seguito da un periodo di alta attività solare, con l’ipotesi molto probabile che il comportamento futuro del Sole sarà simile a quello del passato.
REFERENZE
Hegerl, G.C., Zwiers, F.W., Braconnot, P., Gillett, N.P., Luo, Y., Marengo Orsini, J.A., Nicholls, N., Penner, J.E. and Stott, P.A., 2007: Understanding and Attributing Climate Change. In: Solomon, S., et al. (Eds), Climate Change 2007: The Physical Science Basis.
Per i riferimenti completi, consultare: http://pastglobalchanges.org/products/newsletters/ref2011_1.html
Fonte : Solar activity – the past 1200 years | PAGES (pastglobalchanges.org)
