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Stilo, 28 Luglio 2011 F. Zuccarello
Università di Catania
Il Sole: il nostro laboratorio
Stilo, 28 Luglio 2011 F. Zuccarello
Università di Catania
Il Sole• Il Sole si trova in un braccio spirale della
nostra Galassia (Via Lattea), chiamato braccio di Orione, a circa 30000 anni-luce dal centro (1 anno-luce=9,5x1013 km).
• Il Sole ruota intorno al centro della Galassia in 225 milioni di anni. Quindi il Sistema Solare ha una velocità di 230 km/s (o 830.000 km/h).
• La nostra Galassia è costituita da circa 100 miliardi di stelle e ci sono almeno 100 miliardi di galassie nell’Universo.
• Il Sole ha ispirato figure mitologiche in molte culture come quelle degli antichi Egizi, degli Aztechi, degli Indiani d’America e dei Cinesi.
• Il Sole è 333400 volte più massiccio della Terra e contiene il 99,86% della massa dell’intero Sistema Solare.
• E’ costituito per il 78% da Idrogeno, per il 20% da Elio e per il 2% da altri elementi.
• Energia totale irradiata: 2 x 1033 erg al secondo.
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Università di Catania
NucleoRegione in cui viene prodotta l’energia. La
fusione nucleare trasforma ad ogni
secondo circa 700 milioni di tonnellate di
idrogeno in elio
Zona RadiativaRegione in cui l’energia viene
trasportata per radiazione Sebbene i
fotoni prodotti viaggino alla velocità
della luce, vengono deviati così tante
volte dal denso materiale che
impiegano milioni di anni per
raggiungere la superficie
Zona ConvettivaL’energia viene trasportata perconvezione, come in una pentola d’acquache bolle, in superficie
La Struttura del Sole
I NEUTRINI SOLARI
Verso la fine degli ani sessanta, la necessità e la
volontà di provare che l’energia generata
all’interno del Sole fosse effettivamente prodotta da
reazioni nucleari, come aveva previsto H. Bethe,
portò Davis e collaboratori a proporre un
esperimento per la rivelazione dei neutrini solari.
IL PROBLEMA DEI NEUTRINI SOLARI
Nel 1970 vennero pubblicati i primi risultati che misero in
discussione la teoria secondo la quale l’energia solare viene
prodotta da reazioni nucleari. Con grande stupore di tutta la
comunità scientifica, i risultati ottenuti dalle prime misure di
Davis non corrispondevano alle previsioni. Infatti soltanto circa
un terzo dei neutrini previsti erano stati rivelati : era nato il
problema dei neutrini solari.
Problema della fisica solare o della fisica delle
particelle ?
Tale problema coinvolgeva sia l’astrofisica che la
fisica in generale, in quanto poneva in seria
discussione sia l’attendibilità dei modelli
dell’evoluzione stellare che il comportamento del
neutrino in quanto particella.
Astronomi contro fisici
Gli astronomi credevano ciecamente alla teoria
dell’evoluzione stellare a causa del ragionevole accordo con
le osservazioni, e postularono che il neutrino avesse
proprietà non standard che consentissero un decadimento o
oscillazioni dei neutrini solari in particelle non ancora
rivelate o in altri tipi di neutrini (Pontecorvo), il che
richiedeva che il neutrino non avesse massa nulla.
I fisici, basandosi sull’eleganza della teoria dell’interazione
debole con i neutrini con massa nulla, sostenevano che gli
astronomi non avessero ben capito l’evoluzione stellare.
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Eliosismologia• L’intero Sole vibra dando origine ad un
complesso insieme di onde acustiche
• Tali onde acustiche vengono riflesse
da un lato all’altro del Sole, cosicchè la
superficie oscilla su e giù
• Le onde sonore sono influenzate dalle
condizioni che incontrano nell’interno
solare
• Osservando queste oscillazioni in
superficie, si possono ricavare
informazioni sulla parte interna
Onde sonore
Il canto del Sole!
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Modi di oscillazione
n: numero di nodi lungo il percorso radiale
l: numero di linee nodali sulla superficie
m: numero di nodi lungo i paralleli
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Modi di oscillazione
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Velocità del suono
Zona convettiva: rotazione differenziale
Zona radiativa: ruota quasi come un corpo rigido
Struttura interna Rotazione interna
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La fotosfera solare
Granulazione
sunspots
WL flares
Rotazione differenziale
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Le Macchie Solari
Immagine dettagliata di macchie solari
Magnetogramma del Sole:
le aree chiare e quelle scure
indicano la presenza di intensi
campi magnetici di polarità
opposta
• Il numero varia con il ciclo solare di 11 anni
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Distribuzione delle macchie sul disco solare
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La cromosfera solare
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La cromosfera solare
Le Protuberanze
Formate da plasma denso e
più freddo del materiale
cromosferico, appaiono sul
disco come scuri filamenti.
Sul bordo appaiono come
getti di plasma
incandescente.
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La corona solare
Immagine della corona solare
ottenuta durante una eclissi
totale di Sole (Agosto 1999)
Immagine della corona solare
ottenuta dallo spazio (YOHKOH)
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LA CORONA SOLARE Osservabile:
Durante le eclissi ad occhio
nudo
Nelle bande X e radio
Strutture presenti:
Punti brillanti
Regioni brillanti
Loop
Buchi coronali
CME
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… loop, loop, loop ...
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Il Campo Magnetico del Sole
• Il Sole è interessato da forzemagnetiche molto intense.
• Le frecce rosse indicanolinee di forza aperte delcampo magnetico solare, cheemergono nelle regioni polari.
• Le frecce grigierappresentano le particelledel vento solare, chetrascinano con sè le linee diforza del campo magneticosolare .
• Le regioni attive luminose sonocaratterizzate da linee di forzachiuse (arancio).
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Regione attiva osservata
nei diversi livelli
dell’atmosfera solare
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Protuberanze Eruttive
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Protuberanze Eruttive
Un CME a lampadina: il Sole ha una grande idea !
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Cosa è un flare?
• Improvviso rilascio di energia (fino a 1032 erg)
• Il rilascio energetico copre l’intero spettro EM
• Durata media ≥ 1 ora
• Accelerazione di particelle
• Onde d’urto
• Moti d’insieme del plasma (plasma jet)
• Riscaldamento del plasma
Flare osservato a 195Å
SOLAR FLARES
• I flare solari sono improvvise(tiniz ~ 1-2 minuti), localizzate (l~ 106 – 108 m), emissioni dienergia (da 1023 erg neinanoflare a 1032 erg nei granditwo ribbon flare) durante i qualil’energia magnetica vieneconvertita in:
• radiazione emessa sull’interospettro elettromagnetico,
• riscaldamento,
• accelerazione di particelle
• moti di plasma.
Effetti sulla terra
• Aurore
• Tempeste radio che interferiscono con le comunicazioni
• Sovratensione di trasformatori
Solar flares
• I flare solari e i CME sono le esplosioni più violenteche si verificano nel sistema solare
• Malgrado i notevoli passi avanti compiuti negli ultimidecenni nella loro comprensione, esistono ancoranumerosi interrogativi
• La radiazione e le particelle emesse durante i flarepossono interagire con la ionosfera e la magnetosferaterrestre
• I flare rappresentano un ottimo banco di prova percapire i (numerosi) processi fisici coinvolti nelfenomeno della riconnessione magnetica
Classificazione dei flare
• Compact o simple-loopflare, caratterizzati da L ~106 - 107 m, ne ~ 1017 - 1018
m-3 Etot ~ 1029 - 1031 erg.Generalmente avvengono inloop singoli la cui forma edimensione non cambia inmodo significativo duranteil flare e non presentanoemissione di particelle.
• Two ribbon flare:avvengono in arcate emostrano due aree diemissione su entrambi i latidella linea di inversionemagnetica (PIL). I nastri siallontanano con velocità di~ 5 – 20 km/s, mentre la
ribbons
Magnetic
inversion line
kernels
Simple-loop flareLa sorgente di raggi HXR all’apice (loop-top) del loop indica che il rilascio di
energia avviene nella parte sommitale del loop.
Two ribbon flare
Storicamente, questi eventi
furono dapprima osservati nella
riga Hα
Furono quindi classificati
come “chromospheric events”
Due nastri brillanti e paralleli
(ribbon) vengono
improvvisamente osservati nella
riga Hα
I ribbon si allontanano l’uno
dall’altro al passare del tempo
a) WL 10:28:11 U.T.
d) 171 Å 10:48:32 U.T.c) 195 Å 10:48:38 U.T.
b) 1600 Å 10:48:24 U.T.
TRACE images at different
Post-flare loop
Post-flare loop osservate dal satellite TRACE a 171 Å il 25
Agosto 1998 (l’immagine è un negativo).
Sunquake after a flare
Sequence of velocity images obtained by SOHO/MDI, showing the expanding solar quake associated with a
large X-class flare
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L’Evento del 14 Luglio 2000
Osservato sul Disco Solare da EIT
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L’Evento del 14 Luglio 2000
Effetti nella Corona Solare
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L’Evento del 14 Luglio 2000
Effetti sulla Terra
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Che cos’è il Vento Solare?• Un flusso costante di particelle fluisce dalla corona solare, con una
temperatura di circa 1 milione di gradi e con una velocità di circa 450 km/s. Il Vento Solare si estende oltre l’orbita di Plutone (circa 5900 milioni di chilometri). Il disegno mostra come esso eserciti una pressione sulla magnetosfera della Terra e ne determini così la forma.
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Il vento solare: evidenze osservative
• Aurore polari
• Tempeste magnetiche
• Variazione dei raggi cosmici durante il
ciclo solare
• Orientamento della coda delle comete
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Evidenze osservative della presenza del
vento solare : le aurore polari
Nel 1896 il fisico norvegese Birkeland ipotizzò che
qualcos’altro, oltre alla radiazione, arrivasse sulla Terra e
causasse le aurore polari.
Birkeland suggerì che le aurore boreali potessero essere
causate da raggi corpuscolari carichi elettricamente che,
scagliati dal Sole, rimanevano intrappolati nel campo
magnetico terrestre in prossimità dei poli.
Stormer calcolò le traiettorie che le particelle cariche
provenienti dal Sole dovevano seguire entrando nel campo
magnetico terrestre.
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Evidenze osservative della presenza del vento
solare : le tempeste magnetiche
Nel 1930 Chapman investigò sulla natura delle tempeste
magnetiche (fluttuazioni nel campo magnetico terrestre) che
disturbavano le comunicazioni radio, telefoniche e
telegrafiche.
Dato che esse avvengono solitamente due o tre giorni dopo
un brillamento solare (flare), si pensava che le tempeste
magnetiche fossero causate dall’eccesso di radiazione UV
proveniente da tali brillamenti.
Chapman propose invece che le tempeste fossero causate da
un “flusso di plasma” emesso durante un flare solare che,
espandendosi attraverso il vuoto (che si pensava esistere tra
il Sole e la Terra), interagiva col campo magnetico terrestre.
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Evidenze osservative della presenza del
vento solare : variazioni nella intensità dei
raggi cosmici
Forbush notò che nel periodo di massimo di attività solare
l’intensità a Terra dei raggi cosmici diminuiva,
abbassandosi notevolmente durante le tempeste
magnetiche: più attivo era il Sole minore era il numero di
particelle di raggi cosmici rilevato a Terra.
Morrison giunse alla conclusione che la diminuzione dei
raggi cosmici era legata all’interazione tra il campo
magnetico associato ad un flusso di particelle cariche in
moto (congelamento del plasma con il campo magnetico) e
i raggi cosmici stessi. Questo flusso di particelle è prodotto
dal Sole e gli effetti di interazione saranno tanto più
evidenti quanto più il Sole è attivo.
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I raggi cosmici
I raggi cosmici sono particelle ad alta energia che fluiscono
nel nostro sistema solare provenendo sia dalla Galassia che
da regioni esterne a questa.
Sono costituiti da :
protoni
elettroni
nuclei atomici che hanno perso tutti gli elettroni e hanno
velocità prossime a quella della luce.
Circa il 90 % dei raggi cosmici sono costituiti da nuclei di
idrogeno (protoni), il 9 % è costituito da nuclei di elio
(particelle alfa), il rimanente 1 % è costituito da nuclei di
tutti gli altri elementi.
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I raggi cosmici
I raggi cosmici
provengono da:
resti di supernova
nuclei galattici
attivi
quasars
Crab nebula
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Evidenze osservative della presenza del vento
solare : variazioni nella intensità dei raggi
cosmici
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Evidenze osservative della presenza del
vento solare : orientamento della coda delle
comete
Cometa Hale-Bopp
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Le regioni sorgente del vento solare veloce:
i buchi coronali
Esistono in corona delle
regioni prive di emissione
in X che, per il loro
aspetto, sono state
chiamate buchi coronali.
Esse sono caratterizzate
da basse temperature
(circa 1.6* 106 K) ma,
soprattutto, da basse
densità (circa un fattore
10 in meno rispetto ai
valori tipici coronali).
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Andamento della velocità termica, della densità e della
velocità di flusso del vento solare in funzione del tempo
Distinguiamo due regimi : un vento lento (300 – 400 km/s) e
un vento veloce (600 km/s).
Il passaggio da vento lento a vento veloce si traduce in una
variazione della densità da 30/cm3 a 5/cm3.
Tipicamente i flussi veloci sono caratterizzati da basse
densità ed elevate velocità.
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Il riscaldamento della Corona Solare• Mentre la
temperatura dellafotosfera è dicirca 6000 K, incorona siraggiungono i 2milioni di gradi.
• La causa di questo rapidoaumento di temperatura èancora oggi un tema diricerca della Fisica Solare.
5 000 o C
2 000 000 o C
The black circle divides two images.
Corona
Solar interior
Surface
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Attività Solare 1992-1999
1992 1999
Kitt Peak magnetogramsYohkoh Soft X-ray
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Università di Catania
Dal Minimo al Massimo
dell’Attività Solare
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Università di Catania
Il ciclo di attività solare
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Università di Catania
L’attività solare nell’ultimo millennio
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Università di Catania
Il Ciclo di Attività Solare
Maunder minimum
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Università di Catania
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Università di Catania
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Università di Catania18-09.-16 64
Il Più Grande Gruppo di Macchie Solari
negli Ultimi 10 Anni
ALASKA (Zimmerman)
Nice (Benvenuto)
AR 9393 ha sviluppato una configurazionemagnetica complessa mentre si avvicinava al centrodel disco solare
Ha prodotto un brillamento X ed un CME il 29 Marzo2001, causa di una fortissima tempestageomagnetica sulla Terra
Aurora osservabile in Europa meridionale
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Università di Catania18-09.-16 65
Il Più Intenso Brillamento Mai Osservato
Alle 21:51 TU di Lunedì 2 Aprile 2001, la regioneattiva 9393 ha prodotto un brillamento solareclassificato come almeno X20. Sembra essere il piùintenso mai registrato, probabilmente molto più diquello del 16 Agosto 1989 e certamente piùpotente del famoso brillamento del 6 Marzo 1989,associato all’interruzione della distribuzione dienergia elettrica in Canada.
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Università di Catania18-09.-16 66
La Connessione Sole-Terra
Come e perchè il Sole varia?
Qual è la risposta della Terra?
Qual è l’impatto sull’uomo?
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Che Cos’è la Meteorologia Spaziale?
• La Meteorologia Spaziale (SPACE WEATHER) si riferisce alle condizioni
sul Sole, nel Vento Solare, nella Magnetosfera, Ionosfera e Termosfera della
Terra, che possono influire sulle prestazioni e l’affidabilità di sistemi
tecnologici spaziali e terrestri ed avere effetti sulla vita e la salute dell’uomo.
• Effetti di “Space Weather” su impianti terrestri non sono un fenomeno nuovo– 17 Novembre 1848: Interruzione della connessione
telegrafica tra Pisa e Firenze
– Settembre 1851: Interruzione della connessione
telegrafica in New England
– In un altro evento correnti indotte hanno consentito trasmissioni
telegrafiche senza l’uso di batterie. La trascrizione del
collegamento tra Portland e Boston (1859) riporta:
• Portland: “Per favore staccate la batteria,
vediamo se si può lavorare con il solo
impiego della corrente aurorale”
• Boston: “L’ho già fatto! Come ricevete la mia
trasmissione?”
• Portland: “Veramente molto bene – molto
meglio che con le batterie
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Università di Catania
L’Aurora Polare
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Università di Catania
Effetti delle Tempeste Solari
Origine: Brillamenti CME/Brillamenti CME/Buchi Coronali
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA ARRIVO: IMMEDIATO
DURATA: 1-2 ORE
PARTICELLE AD ALTA ENERGIA
ARRIVO: 15 MIN - ORE
DURATA: GIORNI
PARTICELLE AD ENERGIA MEDIO-BASSA
ARRIVO: 2-4 GIORNI
DURATA: GIORNI
RAGGI X, EUV, ATTIVITA’ RADIO
EVENTI A PROTONI TEMPESTE GEOMAGNETICHE
INTERFERENZE SATCOM
INTERFERENZE RADAR
FADING AD ONDE CORTE
DISORIENTAMENTO SATELLITE
LETTURE FALSE DAI SENSORI
DANNI AL VEICOLO SPAZIALE
FALLIMENTO LANCIO PAYLOAD
RADIAZIONE AEREI IN ALTA QUOTA
FADING AD ONDE CORTE
CARICA E ATTRITO AI SATELLITI
ERRORI DI INSEGUIMENTO
ERRORI TRAIETTORIA DI LANCIO
INTERFERENZE AI RADAR
ANOMALIE PROPAGAZIONE RADIO
BLACKOUT ENERGIA ELETTRICA
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Sistemi di Navigazione (GPS, LORAN C)• Quando la ionosfera tra satelliti ed utente diviene turbulenta
ed irregolare, il segnale può “scintillare” e divenire difficile
da rilevare
– Perdita di aggancio del segnale su uno o più satelliti
– Ne sono interessati sia i sistemi a frequenza singola che quelli a frequenza doppia
• Il Contenuto Totale di Elettroni (TEC) lungo il percorso di
una segnale GPS può introdurre un errore di posizione ( fino
a 100 m)
• Gli effetti sul GPS sono uno degli effetti più significativi dello
Space Weather se si considera il crescente affidamento a
questo sistema previsto per il futuro.
Una variazione di altezza di 7-10 km della bassa ionosfera può causare errori di posizione di 1-12 km
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Danneggiamento di Satelliti Per Effetti di Space Weather
Anomalie dovute a carica superficiale ed interna (Marecs, ECS, Meteosat, TELE-X,…..)
Guasti indotti da fenomeni di Latch-up (ESR-1, PRARE, Equator-S,…..)
SEU nei circuiti lineari…(Anik 1 &2)
Problemi / Degradazione nei Pannelli Solari (Tempo, PanAm, ECS,….)
Guasti più recenti a satelliti:
Telestar 401 (11 Gen 1997)
Collegamenti TV ecc..
Galaxy IV (1998)
80% dei cercapersone in Nord America ridotti al silenzio
Più di 12 satelliti perduti a causa di effetti dovuti allo Space Weather
I danni spaziali degli ultimi 4 anni ammontano probabilmente a più di 1000 miliardi di lire (500 M€)
Gli interessi commerciali spesso non consentono la divulgazione di tali anomalie.
DISORIENTAMENTO SATELLITARE
FALSA STELLA
?
FLUSSO DI
PARTICELLE
(PROTONI)
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Correnti Geomagnetiche Indotte
Queste correnti vengono indotte in tutti i conduttori molto lunghi:
Reti di distribuzione elettrica,
Oleodotti e gasdotti (aumentata corrosione)
I segnali ferroviari luminosi possono esserne interessati (due casi documentati in Svezia)
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Danneggiamento di Trasformatori
Danneggiamento di un trasformatore di una centrale del Delaware (New
Jersey, USA) nel mese di Marzo del 1989.
Costo: 22 miliardi di lire ( 11 M€ )
La riparazione può richiedere fino ad 1 anno di tempo.
In questo caso specifico la fortuna ha consentito di trovare un’unità
usata da una centrale dismessa. Il danno è stato riparato in 6 settimane.
Svezia: simultanea caduta di tensione in 6 linee di distribuzione a 130 kV
Chicago: malfunzionamenti a 5 trasformatori a causa dell’elevata attività
geomagnetica nel mese di Aprile del 1994
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Rischi per l’Uomodalle Particelle ad Alta Energia
Uomini nello spazio
Space Shuttle, International Space Station, missioni verso Marte
Equipaggio/Passeggeri nei jet ad alta quota
Il Concorde è dotato di rivelatori di radiazioni
I passeggeri possono ricevere dosi di radiazioni equivalenti a parecchie radiografie al torace.
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
La nostra società dipende oggi dalla tecnologia molto
di più che in passato
Il settore di mercato delle comunicazioni in più rapida
crescita è quello basato sui satelliti
Trasmissioni TV/Radio,
Servizio telefonico a lunga distanza,
Telefoni cellulari, Cercapersone
Internet, transazioni finanziarie
Cambiamento della tecnologia
Carichi commerciali più sensibili
Componenti ad elevate prestazioni
Peso e costo ridotti
Uomini nello Spazio
Più missioni umane e di lunga durata
Gli avvisi dello Space Weather saranno molto
importanti in futuro per la nostra società.
Space Weather: Perchè preoccuparci?
Siamo sopravvissuti all’ultimo massimo!
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Cicli Solari e Variazioni Climatiche
• 11 anni: Ciclo delle macchie (Schwabe)
• 22 anni: Ciclo Magnetico (Hale)
• 80-90 anni: Gleissberg
• 180-210 anni: Seuss
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Il Sole ed il Riscaldamento Globale
Variazione a lungo termine della radianza totale (“energia totale”)
Si assume che giustifichi solo in parte il riscaldamento globale
Variazione a lungo termine della radiazione UV/EUV:
Cambiamenti della chimica (ozono), temperatura ecc. nell’atmosfera
terrestre. Potrebbe determinare variazioni climatiche.
Variazione a lungo termine del campo magnetico del Sole
Modula i Raggi Cosmici ed il Vento Solare1991
1994
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
I Raggi Cosmici e le Nuvole
Variazioni dell’attività solare e del campo magnetico solare modificano la quantità di particelle cosmiche, che penetrano nel Sistema Solare (e nell’atmosfera della Terra).
E’ stata trovata una forte correlazione fra il flusso di raggi cosmici e le nuvole basse
La copertura nuvolosa globale è un importante fattore per la determinazione del clima
La ricerca in Fisica Solare F. Zuccarello – Uni Cat
Perchè il Sole varia?
la dinamo solare
l’atmosfera
l’eliosfera
In che modo la variabilità solare ha effetto sulla vita e la società?
risposta della magnetosfera
“previsione dello Space Weather”
Come risponde il pianeta alle variazioni solari?
cambiamenti climatici
Il Monitoraggio a Lungo Termine del Sole:
SOHO Solar Maximum Science Programme
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Università di Catania
Variazioni della temperatura sulla
superficie terrestre e attività solare
La temperatura superficiale globale del mare è variata (di
circa 0,1 °C) in fase con il ciclo solare negli ultimi 130
anni.
La temperatura annua media dell’aria nell’emisfero Nord
è variata, negli ultimi 130 anni, in sincronia con il ciclo
solare.
Cicli di attività solare brevi sono caratterizzati da una
maggiore attività che sembra produrre un riscaldamento
globale sulla Terra, e viceversa.
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Università di Catania
L’irraggiamento solare
• Costante solare: quantità media di energiaradiante solare per unità di tempo e di areache incide sulla parte più esterna dell’atmo-sfera terrestre alla distanza media di 1 UA
• Valore medio nel periodo 1978-1998:1.366,2 1,0 W/m²
(misure dallo spazio)
• Essa varia su scale di tempo dell’ordine digiorni ed anni (variazioni dello 0,1 % framassimi e minimi del ciclo solare)
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Misure dell’irraggiamento solare
(dallo spazio)
Stilo, 28 Luglio 2011 F. Zuccarello
Università di Catania
Variazioni dell’irradianza solare in fase
con il ciclo solare
Massimo : maggiore numero di macchie
diminuzione della irradianza
maggiore numero di facole
aumento della irradianza solare totale
Minimo : minore numero di macchie
aumento della irradianza
minore numero di facole
diminuzione della irradianza solare totale
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Università di Catania
Ciclo di attività e modulazione del vento solare
Durante i massimi di attività solare, il vento solare è
sospinto, insieme con intensi campi magnetici, verso regioni
lontane dello spazio interplanetario
Un numero maggiore di raggi cosmici provenienti da regioni
lontane della Galassia viene bloccato
Diminuzione di particelle cariche che penetrano
nell’atmosfera terrestre
Diminuzione delle nuvole, che riflettono la luce solare
Aumento di temperatura alla superficie della Terra
Stilo, 28 Luglio 2011 F. Zuccarello
Università di Catania
Variazioni della temperatura media globale
(14 °C) sulla superficie terrestre
(aumento di 0.6 °C negli ultimi 100 anni)
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Variazioni della temperatura media globale
sulla superficie terrestre
(aumento di 0.6 °C negli ultimi 100 anni)
• La variabilità solare presenta un andamento simile alla
variazione di temperatura sulla superficie terrestre
• molte delle variazioni di T potrebbero essere legate a
variazioni di luminosità del Sole
• non si può escludere però il contributo dovuto
all’aumento nella concentrazione dei gas serra (anidride
carbonica) in seguito ad attività legate alla civiltà
industrializzata.
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Ricostruzione della temperatura globale terrestre
e dell’irraggiamento solare
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Variazioni della temperatura media globale
negli ultimi mille anni
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L’effetto serra
I gas presenti nell’atmosfera terrestre agiscono come un
filtro unidirezionale : essi permettono il passaggio della
radiazione nel visibile proveniente dal Sole, ma non
consentono il passaggio della radiazione infrarossa nella
direzione opposta
(senza l’atmosfera, la radiazione solare potrebbe
innalzare la T al suolo fino a – 18 °C : i gas serra
innalzano la T di 32°C).
Gas serra :
• vapore acqueo
• anidride carbonica (> 13 % dal 1958)
• metano
• protossido di azoto (N2O)
(la concentrazione raddoppierà in questo secolo, T > 2
°C)
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Metodi per determinare il livello di attività
solare in epoche precedenti alle osservazioni
sistematiche delle macchie solari
Correlazione fra l’attuale brillanza del Sole e quella di
altre stelle simili al Sole durante il Minimo di
Maunder 0,25 % più debole di adesso
Registrazioni di isotopi radioattivi ( 14C e 10Be) :
durante i periodi di massima attività solare, l’azione
schermante del vento solare ostacola il passaggio dei
raggi cosmici e quindi la formazione di isotopi
radioattivi nella nostra atmosfera
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Presenza di 14C negli anelli di accrescimento degli
alberi
• Il 14C o radiocarbonio è un isotopo radioattivo del
carbonio che si forma a causa della interazione di
neutroni energetici con atomi di azoto
• Un atomo di 14C si unisce con una molecola di
ossigeno O2 per formare 14CO2 : attraverso la
fotosintesi, gli alberi assimilano questa molecola e la
depositano nell’anello più esterno. Il rapporto 14C /12C
fornisce una misura del radiocarbonio presente
nell’atmosfera.
• questo metodo permette di risalire a stime
dell’attività solare fino a circa 5000 anni fa (tempo di
decadimento in 12C : 5370 anni)
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Variazioni della temperatura media globale
negli ultimi mille anni :
correlazione con l’attività solare
Tre indici indipendenti confermano l’esistenza di
variazioni nell’attività solare su lunghi intervalli di
tempo :
• numero annuale di macchie
• misure di carbonio 14 negli anelli degli alberi
• numero di aurore nell’emisfero nord
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Cicli Solari e Variazioni Climatiche
• 11 anni: Ciclo delle macchie (Schwabe)
• 22 anni: Ciclo Magnetico (Hale)
• 80-90 anni: Gleissberg
• 180-210 anni: Seuss
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Metodo basato sul 10Be
Il 10Be viene prodotto dall’interazione fra neutroni
energetici (raggi cosmici) e molecole dell’aria
depositato nei ghiacci polari (Groenlandia ed
Antartide) da precipitazioni nevose
immune da contaminazione industriale (al contrario del
radiocarbonio)
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Variazioni climatiche su periodi dell’ordine
dei milioni e miliardi di anni
Durante l’ultimo milione di anni, periodo chiamato
Quaternario, il clima terrestre è stato dominato da ere
glaciali, intervallate ogni 100 mila anni da brevi (10 – 30
mila anni) ere interglaciali : epoca attuale Oligocene
Queste alternanze di periodi glaciali ed interglaciali
sembra siano dovute ai diversi moti della Terra, che
alterano periodicamente la quantità e la distribuzione di
radiazione solare
Quando una quantità minore di luce solare arriva sulla
Terra, le temperature si mantengono entro limiti più
ristretti : meno ghiacciai si sciolgono in estate
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I moti della Terra
e l’irraggiamento solare
3 cicli astronomici si combinano alterando gli
angoli e la distanza di incidenza della radiazione
solare su tempi scala di alcune decine di migliaia
di anni :
• variazioni nella eccentricità dell’orbita
(variazione della distanza Sole – Terra) (100000
anni)
• moto di precessione (23000 anni)
• variazione dell’angolo fra asse di rotazione e
asse dell’eclittica (41000 anni)
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Terre emerse del continente italiano durante l’ultima
glaciazione
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A sinistra vediamo la ricostruzione di Elephas Primigenius
(Mammut); era alto dai 3 ai 4 metri e si era adattato ai climi
freddi europei delle glaciazioni pleistoceniche. Scomparve
durante l’ultima glaciazione, durante la quale si era spinto fino
in Italia. A destra vediamo scheletri fossili di elefanti nani
vissuti nelle isole del Mediterraneo nel Pleistocene.
Mammut ed elefanti nani
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Il futuro: EST