Le macchie solari

Cenno storico

Un documento cinese del 28 a.c. descrive l'osservazione ad occhio nudo di una macchia solare che appariva come "un vapore nero grande come una moneta", essa doveva essere veramente grande poiché per essere visibile ad occhio nudo una macchia, al centro del disco, deve avere un diametro di almeno 40.000 km (ricordo che la Terra ha un diametro equatoriale di 12.756 km). Il gruppo di macchie solari più grande che sia stato osservato negli ultimi 400 anni è quello registrato il giorno 8 aprile 1947, che copri un'area di oltre 18 miliardi di chilometri quadrati!

Per quanto riguarda la scoperta, ovvero, la "riscoperta" delle macchie solari dopo l'invenzione del telescopio, è certo che Galileo Galilei (1564-1642) ha mostrato a varie persone le macchie solari durante la visita a Roma dell'aprile 1611.

In una lettera, scritta da Firenze a Maffeo Barberini (futuro Papa Urbano VI lì) in Bologna, il 2 giugno 1612, Galileo afferma di aver osservato le macchie solari sin dal gennaio 1611: Sono circa a diciotto mesi, che riguardando con l'occhiale nel corpo del Sole, quando era vicino al suo tramontare, scorsi in esso alcune macchie assai oscure; e ritornando più volte alla medesima osservazione, mi accorsi come quelle andavano mutando sito, e che non sempre si vedevano le medesime, o nel medesimo ordine disposte, e che talvolta ve n'eran molte, altre volte poche, e tal ora nessuna. Feci ad alcuni miei amici vedere tale stravaganza, e pur l'anno passato in Roma le mostrai a molti prelati e altri uomini di lettere; di li fu sparso il grido per diverse parti d'Europa, e da quattro mesi in qua mi sono state mandate da vari luoghi varie osservazioni disegnate, e in particolare tre lettere circa a questo argomento scritte al Sig.re Marco Velsero d'Augusta

Nell'autunno 1631 Padre Fulgenzio Micanzio scrisse da Venezia a Galileo ricordando che a metà del 1610, prima della partenza di Galileo per Firenze, quest'ultimo aveva mostrato le macchie solari a lui e a Fra' Paolo Sarpi. Non abbiamo nessun'altra testimonianza che confermi un'osservazione così precoce delle macchie solari da parte di Galileo, ma lo stesso nella giornata terza del "Dialogo dei Massimi Sistemi", stampato l'anno seguente (1632), confermò tali osservazioni facendo dire a Salvati: "Fu il primo scopritore ed osservatore delle macchie solari, sì come di tutte l'altre novità celesti, il nostro Accademico Linceo; e queste scopers'egli l'anno 1610, trovandosi ancora alla lettura delle Matematiche nello Studio di Padova, e quivi ed in Venezia ne parlò con diversi, de quali alcuni vivono ancora: ed un anno dopo le fece vedere in Roma a molti Signori...".

Stillman Drake, nella sua biografia scientifica di Galileo (8), si chiede come mai Galileo non ne fece cenno nelle lettere pubblicate nel 1613, quando per la prima volta si dibattè aspramente la questione della priorità. Johann Fabricius (1587-1615) di Esens (Germania) fu il primo a pubblicare osservazioni sulle macchie solari, dando un'interpretazione sostanzialmente corretta di esse in un libro con dedica del 1 giugno 1611, stampato nell'autunno di quell'anno, e nel quale l'autore afferma di aver osservato il fenomeno sin dalla fine dell'anno 1610.

Il gesuita Christoph Scheiner(1573-1650) di Neisse (Germania) prese nota a lngolstad di osservazioni di macchie solari nel marzo 1611 e successivamente affermò di aver osservato le macchie solari dal novembre 1610. In verità risulta che Scheiner rivolse il telescopio al Sole soltanto dopo che il gesuita Paul Guldin lo informò che Galileo gli aveva mostrato le macchie solari durante la sua permanenza a Roma dell'aprile 1611. La controversia sulla natura delle macchie solari tra Scheiner e Galileo determinò la pubblicazione di due libri. li primo, che raccoglie le tre "Epistolae de Maculis Solaribus" scritte da Scheiner, fu stampato anonimo con lo pseudonimo di "Apelle" a cura e spese del banchiere dei gesuiti Mark Welser, Duumvire dl Augusta (Germania), nei primissimi giorni del gennaio 1612.Il secondo, composto dalle tre lettere di risposta di Galileo e intitolato "Isteria e dimostrazioni intorno alle macchie solari e loro accidenti", fu stampato a Roma nel 1613 a cura e spese dell'Accademia dei Lincei, diretta dal principe Federico Cesi di Acquasparta (Terni).

In questo libro Galileo interpretava correttamente la natura delle macchie solari e confutava con dimostrazioni matematiche le conclusioni di Scheiner che identificava le macchie solari con corpi oscuri che ruotavano attorno al Sole o attorno alla Terra, passando di quando in quando tra noi e il suo corpo luminoso.

Come spesso accade nella storia della scienza, è molto difficile stabilire con certezza la priorità di una scoperta o di una invenzione. Personalmente sono d'accordo con Drake che, pur assegnando a Galileo la priorità della scoperta. ritiene che essa sia avvenuta non prima del mese di gennaio 1611. Inoltre, è probabile che J. Fabricius scoprì indipendentemente le macchie solari; a lui spetta, comunque, il merito di avere per primo pubblicato un libro sull'argomento.

Le macchie solari sono formate da un'area centrale oscura che costituisce il nucleo od ombra della macchia e che appare contornata da una regione grigia, che si chiama penombra. La penombra si mostra generalmente striata, o meglio formata di filamenti chiari ed oscuri che partono dal nucleo quasi come raggi da un centro, ed hanno forma rettilinea, o lievemente curvata con la concavità generalmente rivolta verso il nucleo stesso.

Inoltre, nelle grandi macchie, il nucleo appare spesso attraversato da getti luminosi, di colore bianco o rosso chiaro, che sono detti ponti di Herschel. Le dimensioni delle macchie sono molto diverse e la loro forma è variabilissima, spesso anche nello spazio di poche ore: ciò è facilmente spiegabile poiché la fotosfera, su cui esse si formano, si trova allo stato gassoso alla temperatura di circa 6000^° K.

La temperatura del nucleo delle macchie solari è invece inferiore e può variare da 4000 a 5200^° K; quella della penombra si aggira intorno ai 5500° K. La macchia solare appare oscura soltanto per contrasto con la fotosfera circostante, giacché in realtà la sua luminosità sarebbe ancora maggiore di quella di una lampada ad arco.

Origine e teoria delle macchie solari

Le macchie non sono le uniche manifestazioni visibili dell'attività solare. Le macchie, le facole, i brillamenti e le protuberanze costituiscono le Regioni Solari Attive. Ogni giorno compaiono sul Sole centinaia di piccole regioni magnetiche bipolari. Generalmente la vita di queste piccole regioni attive e inferiore ad un giorno, ma solo poche di loro (in media una al giorno) durano più a lungo e danno luogo alla nascita di una macchia solare. La comparsa delle piccole regioni magnetiche bipolari è causata dall'affioramento in superficie dì cappi od archi appartenenti ad anelli di linee di forza subfotosferici. La macchia solare si forma quando il ritmo di affioramento aumenta e tanto più a lungo dura questo processo, tanto più cospicua risulta la Regione Attiva.

Poiché generalmente i vari campi magnetici sono fra loro concordi, la macchia solare presenta varie zone con due distinte polarità magnetiche. I campi magnetici delle macchie solari, ipotizzati nel 1908 dall'astronomo statunitense G.E. Hale (1868-1938) e scoperti dallo stesso nel 1913, sono molto intensi e possono raggiungere i 5000 gauss (ricordo che il campo magnetico terrestre è di 0,5 gauss).

La circolazione dell'atmosfera sopra le macchie, rivelata spettroscopicamente, sembrerebbe favorire una spiegazione magnetoidrodinamica. La valutazione della conducibilità elettrica nelle macchie è di fondamentale importanza per lo studio magnetoidrodinamico di questi fenomeni. Il valore della conducibilità elettrica permette di stimare la rapidità con cui le correnti elettriche che fluiscono nelle macchie possono essere dissipate per effetto joule. Le modalità di tale dissipazione sono alla base degli studi sui possibili meccanismi di formazione e decadimento dei campi magnetici nelle macchie. Sembra che la conducibilità elettrica sia considerevolmente più piccola nelle macchie che nella fotosfera, sebbene le macchie rimangano sempre un buon conduttore.

Purtroppo non possediamo ancora una teoria sicura che spieghi completamente tuttii fenomeni osservati; per esempio il ciclo undecennale, lo spostamento dalle alte alle basse latitudini durante il ciclo, le polarità opposte, la bassa temperatura, ecc. Vari studiosi hanno avanzato teorie: Bjerknes, H. W. Babcock nel 1961, E.N. Parker a metà degli anni '70, D.H. Menzel, ecc. ma nessuna è completamente esaustiva.

Un legame dei fenomeni idrodinamici con quelli elettromagnetici apparirebbe nella teoria di H.W. Babcock basata sulla rotazione differenziale del Sole alle varie latitudini. Ogni tre anni la regione equatoriale compie cinque rotazioni in più, rispetto alla regione a 500 di latitudine: ciò dovrebbe produrre una distorsione delle linee di forza della maggior parte del campo magnetico solare al di sotto della superficie, con l'effetto di aumentare l'intensità del campo stesso e la formazione di migliaia di aree bipolari; la polarità delle aree risulta invertita nei due emisferi, a causa delle opposte direzioni della torsione delle linee di forza.

Il numero di Wolf

Johann Rudolph Wolf (1816-1893), di Zurigo, nel 1852 elaborò una formula empirica per calcolare l'attività solare in un dato giorno basandosi sul numero delle macchie solari. La formula è la seguente:

R=K (10g+m)

dove: R = numero di Wolf; k = costante dipendente dalle caratteristiche del telescopio e dal sito dell'osservatore (generalmente vicina all'unità); g = numero dei gruppi di macchie; m = numero totale delle singole macchie. Il numero di Wolf può variare da 0 (assenza totale di macchie) ad oltre 200.

Il ciclo solare

lì primo suggerimento di un ciclo solare pare sia stato fatto nel 1775-1776 dall'astronomo danese Horrebow, ma la sua opera non fu pubblicata sino al 1859, quando il ciclo solare era ormai stato scoperto da S.H. Schwabe (1789-1875), un farmacista di Dessau (Germania), i cui risultati furono divulgati da Humboldt nel 1851.

lì valore medio della durata del ciclo solare, dopo l'anno 1715, è di 11,04 anni. L'intervallo più lungo è stato di 17,1 anni (dal 1788 al 1805) e quello più breve di 7,3 anni (dal 1829,9 al 1837). Il massimo più intenso è stato quello del 1957,9 con R=201,3 ; il meno intenso quello del 1816,4 con R=48,7.

Mentre la variazione dell'area totale delle Regioni Solari Attive (macchie, protuberanze, ecc.) ha in media un periodo di circa 11 anni, l'intervallo di tempo fra le successive comparse ad alte latitudini di macchie della stessa polarità è di circa 22 anni: il ciclo magnetico delle macchie è dunque doppio del ciclo delle altre manifestazioni dell'attività solare. Il ciclo ventiduennale delle macchie potrebbe corrispondere ad una lenta oscillazione magnetica, tenendo conto, secondo K.. Schwarzschild, che il Sole, e in generale le stelle, possono comportarsi come oscillatori magnetomeccanici

I cicli solari sono stati numerati attribuendo il numero 1 al ciclo iniziato nel 1755; attualmente ci troviamo all'inizio del XXIII ciclo solare. Le varie manifestazioni dell'attività solare (macchie, protuberanze, facole, ecc.), pur seguendo nelle linee generali il ciclo undecennale, se ne discostano nei particolari.

Ma anche i cicli dei diversi indici utilizzati per valutare una stessa manifestazione di attività possono mostrare delle differenze. Per esempio, secondo alcuni indici il valore del massimo del XVIII ciclo solare è superiore a quello del XVII ciclo; secondo altri indici si avrebbe una situazione opposta. Inoltre, sembra ben accertata la presenza di un ciclo avente un periodo di circa 80 anni che si sovrappone a quello undecennale; sembra che il massimo del ciclo di 80 anni coincise con il massimo del XIX ciclo solare.

Recentissime ricerche (1992) hanno scoperto l'esistenza all'interno del Sole di un misterioso meccanismo generatore dell'attività solare che sembra però operare ad intermittenza, spegnendosi e ricomparendo dopo qualche anno. Quando si innesca determina la comparsa delle Regioni Solari Attive con un periodo di circa 156 giorni. Infine, l'analisi statistica evidenzia anche altre periodicità, in particolare una molto netta di 136 giorni negli anni 1940-1950.

Sembra, quindi, che nel corso di uno stesso ciclo solare possano presentarsi fenomeni ricorrenti e regolari, ma con periodi diversi, che si sovrappongono, complicando così l'interpretazione dei dati.

Il minimo di Maunder

Tutti sanno che il tronco di un albero si allarga anno per anno per l'aggiunta di uno strato che aumenta lo spessore del tronco stesso. La sezione di un tronco d'albero mostra perciò una struttura ad anelli; un anello per ogni anno di vita dell'albero. Se le condizioni ambientali mutano, lo sviluppo è più o meno vistoso.

A.E. Douglas pensò di andare a vedere se il ritmo di crescita degli alberi, e perciò la successione degli anelli dei tronchi, fosse legato al ciclo di attività solare. Dopo aver studiato per moltissimi anni una grandissima quantità di sezioni di tronchi d'albero, Douglas scoprì che i periodi di sviluppo più rapido avvenivano con un ritmo undecennale coincidente con quello dell'attività solare. Riuscì a ricostruire i cicli di condizioni più adatte alla crescita delle piante, risalendo indietro nel tempo per 3000 anni ed in particolare scoprì che nel periodo tra il 1645 ed il 1715 il ciclo undecennale era praticamente assente.

Nel 1890 l'astronomo inglese E.W. Maunder (1851-1928), esaminando le annotazioni di antiche osservazioni, scoprì che fra il 1645 ed il 1715 non ci furono praticamente macchie, cosicché il ciclo solare era sospeso. Ricerche più recenti indicano che potrebbe essere stata assente anche la corona solare.

Anche le aurore boreali mancarono; E. Halley notò di aver visto la sua prima aurora boreale solo nel 1716, dopo quarant'anni di osservazioni. Sembra, inoltre, che tra il 1400 ed il 1510 ci sia stato un altro periodo senza macchie solari.

Recentemente alcuni dati sembrano dimostrare l'esistenza di un lungo periodo di minimo dell'attività solare coincidente con il minimo di Maunder, che potrebbe essere attribuito al sovrapporsi di una fase di minimo del ciclo di 80 anni con la fase dì minimo di un ipotetico ciclo di periodo ancora maggiore.

Il sole è una stella variabile

Il ciclo di attività del Sole è la manifestazione della sua variabilità, che è indipendente dal suo sistema planetario. I fisici solari sono tutti d'accordo che le cause si nascondono nel profondo dell'interno del Sole, là dove si generano con meccanismo a dinamo i campi magnetici che poi affiorano in fotosfera per formare le macchie solari.

Le stelle nascono e muoiono, e durante la loro vita (la cui durata è funzione della massa) attraversano varie fasi evolutive. Il Sole ha un'età di circa 4,6 miliardi di anni e, considerata la sua massa, si trova a metà della vita. La metà delle stelle, con massa paragonabile a quella solare, sottoposte ad analisi, mostrano un andamento ciclico con periodi variabili da 7 a 14 anni. Mentre è possibile l'esistenza di periodi più lunghi, è da escludere la presenza di periodi nell'intervallo 2-5 anni.

E' risultato, inoltre, che, come avviene per il Sole, il tempo per salire dal minimo al massimo di attività è minore di quello necessario per passare dal massimo al minimo. E' stata dimostrata anche la presenza di periodi legati alla rotazione delle stelle ed è stato confermato che l'attività della stella diminuisce al diminuire della velocità di rotazione. Sembra, infine, che le stelle che presentano periodi di attività analoghi a quello solare abbiano periodi di rotazione maggiori di 20 giorni (ricordo che il Sole ruota intorno al suo asse in circa 27 giorni).

Sismologia solare

L'eliosismologia è una disciplina relativamente giovane che si attende una conferma dei risultati già raggiunti, dagli strumenti installati a bordo della sonda SOHO (Solar Eliospheric Observatory), lanciata da Cape Canaveral (U.S.A.) il 2 dicembre 1996. Sembra che la superficie del Sole pulsi regolarmente con un periodo di circa 5 minuti. Il fenomeno si spiega assimilando il corpo solare ad una cavità risonante che favorisce l'instaurarsi e la sovrapposizione di onde acustiche stazionarie. Poiché nel sole la temperatura, la densità e la pressione variano moltissimo scendendo dalla superficie verso il nucleo, la velocità del suono può variare anche di un ordine di grandezza.

La lunghezza d'onda di queste vibrazioni stazionarie possono variare da valori confrontabili con l'intera circonferenza solare fino a poche migliaia di chilometri. Gli eliosismologi sfruttano i gradi di oscillazione che osservano in superficie per ricostruire una mappa delle caratteristiche interne del Sole.

La sonda SOHO ha scoperto che la causa dell'alta temperatura della corona solare (gli strati superiori dell'atmosfera solare, cioè quelli al di sopra della fotosfera e della cromosfera) sono i giganteschi anelli dì linee di forza del campo magnetico che, ricadendo su se stessi, formano una specie di superconduttore in cui scorre un'enorme corrente elettrica che innalza la temperatura fino a circa 2 milioni di gradi assoluti.

La previsione del ciclo solare

Nell'estate 1996 scrissi al nostro Marino Miceli, I4SN, per congratularmi dei suoi interessanti articoli sulla propagazione ionosferica, ma, al contempo, per comunicargli il mio disaccordo in merito alla presunta prevedibilità del ciclo solare. Marino mi rispose su "QSO" di Radio Rivista nr.1/97, confermando la validità dell'ipotesi gravitazionale. Non starò qui a ripetere nei particolari il metodo di previsione del ciclo solare caldeggiato da Marino e da altri studiosi; pertanto vi invito a leggere il lungo e dettagliato articolo di I4SN pubblicato su Radio Rivista di luglio ed agosto 1996. Per i più pigri dirò che sostanzialmente si basa sull'azione gravitazionale combinata di Giove e degli altri pianeti del sistema solare che "modulerebbe" la pulsazione propria del Sole, determinando l'aggancio o la perdita di sincronismo tra i due fenomeni periodici.

Vediamo, innanzitutto, se il sole è una stella pulsante. Le pulsazioni del Sole, osservate da vari astronomi a cominciare da Padre Angelo Secchi (1818-1875), si basano sulla misurazione del diametro solare. Per tale motivo i risultati ditali ricerche sono sempre stati e sono tuttora molto discussi. E' stato dimostrato, con metodi diversi, che si tratterebbe di variazioni apparenti dovute a variazioni periodiche o sistematiche delle condizioni di osservazione, anche se recentissimi studi d'archivio sulle piccole oscillazioni del diametro equatoriale del Sole misurate durante il minimo di Maunder sembrano contermare il periodo di 156 giorni sopraccitato.

Analizziamo, ora, l'attrazione gravitazionale dei pianeti sul Sole. Convengo che è certamente allettante correlare il ciclo undecennale delle macchie solari con il periodo siderale di rivoluzione intorno al sole del pianeta Giove, che è di 11,86 anni. E' naturale, però, chiedersi se Giove sia in grado di influenzare l'attività del Sole. Sebbene Giove sia il pianeta più grande del sistema solare, il suo diametro (142.000 km) è poco più di un decimo di quello del sole (1.394.000 km). Giove orbita intorno al Sole ad una distanza media di circa 778 milioni di chilometri e la sua massa è solo circa un millesimo di quella solare; questi due parametri ci consentono di dimostrare matematicamente che l'influenza gravitazionale di Giove è praticamente trascurabile.

Quando tutti i pianeti del sistema solare, ruotando intorno al Sole, si trovano allineati rispetto a quest'ultimo (e ciò accade raramente), la sommatoria delle attrazioni gravitazionali dei pianeti è ancora praticamente trascurabile. Anche se fosse vero il contrario, come giustificare il minimo di Maunder e gli altri minimi di attività solare individuati nel passato? Se l'attività solare dipendesse unicamente dall'azione gravitazionale dei pianeti essa sarebbe facilmente prevedibile, come lo sono le maree dei nostri oceani causate dall'attrazione combinata della Luna e del Sole.

Anche il metodo empirico-statistico usato per le previsioni, basandosi su un campione di cicli solari troppo esiguo, è destinato a fallire perché noi conosciamo l'attività degli ultimi 400 anni di una stella, il Sole, che ha un'età di circa 4,6 miliardi di anni. A mio modesto avviso, ritengo che per formulare previsioni sufficientemente affidabili occorrerà elaborare una teoria che giustifichi tutte le molteplici manifestazioni dell'attività solare. Se tenete presente che le problematiche accennate in questo articolo sono probabilmente soltanto un decimo di tutte quelle conosciute attualmente, il compito è tutt'altro che facile.

Nel frattempo, non preoccupiamoci più di tanto e speriamo che l'attuale ciclo sia dei migliori. Tutto sommato è bello e stimolante accendere la Radio e non sapere cosa ci regalerà il nostro Sole.

Pierluigi Adriatico IØKWK

Bibliografia

1) Le Soleil - Padre Angelo Secchi, S.J. - Ed. Gauthier-Villars-Parigi - 1870
2) Il Sole - Giorgio Abetti - Ed. Hoepli-Milano -1952
3) I fondamenti scientifici dell'astrofisica G.Armellini Ed. Hoepli-Milano -1953
4) Il volto del Sole - H.W. Newton - Ed. Sansoni Firenze - 1958
5) Il Sole e la Terra - Mario Riguttì - Ed. Leterza Bari - 1960
6) Il cielo - Gino Cecchini - Ed. Utet-Torino -1969 (Vol.ll)
7) Il Sole - Giovanni Godoli - Ed. Enaudi-Torino - 1982
8) Galileo - Stiulman Drake Ed. il Mulino-Bologna - 1980
9) Il Guinnes dell'astronomia - Patrick Moore - Ed. Rizzoli-Milano - 1990