Il difficile compito di prevedere i cicli solari

Gli scienziati faticano ancora a fare previsioni precise sulla forza dei cici di attività del Sole, nonostante secoli di osservazioni della nostra stella Il Sole sembra immutabile, una noiosa lampadina celeste sempre accesa. Ma questa palla di plasma alimentata dalla fusione è in costante movimento. Ogni 11 anni circa, oscilla tra la quiescenza e un periodo attivo e caotico, caratterizzato da macchie solari ed eruzioni solari, come brillamenti (flare) ed eruzioni (outburst) di plasma.
di Javier Barbuzano/Quanta Magazine
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Il Sole si sta avvicinando al suo livello massimo di attività nell’attuale ciclo e non si sta comportando esattamente secondo i piani. Gli scienziati avevano previsto che questo ciclo sarebbe stato debole, come il precedente, ma il Sole sta mostrando un livello di attività mai osservato da oltre 20 anni. Nei mesi di giugno e luglio di quest’anno, secondo i dati della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), ha registrato una media di circa 160 macchie solari al giorno, più del doppio di quanto previsto. Anche i brillamenti solari sono in aumento.

La discrepanza tra previsioni e osservazioni era evidente già nel luglio 2022, quando Nicola Fox, allora direttore della divisione eliofisica della NASA, ha scritto sul sito web della NASA che “in questo ciclo il Sole è stato molto più attivo  di quanto previsto”.

Una previsione affidabile del ciclo solare è oggi più importante che mai a causa della nostra crescente dipendenza dalla tecnologia vulnerabile. L’atmosfera terrestre si gonfia con l’attività solare e aumenta la resistenza dei (numerosi) satelliti che devono manovrare in orbita. Le eruzioni solari possono friggere le apparecchiature elettroniche, disturbare i segnali radio, confondere i sistemi GPS e interrompere il funzionamento delle reti elettriche. Come per la maggior parte delle previsioni, le sfide di prevedere il ciclo solare sono numerose. Non segue uno schema chiaro da un ciclo all’altro – alcuni sono più brevi di altri – e la fisica solare è ancora una disciplina relativamente giovane. “Ci piace dire che siamo indietro di circa 60 anni rispetto ai meteorologi”, ha detto Robert Leamon, fisico solare dell’Università del Maryland.

Storicamente, i ricercatori hanno cercato correlazioni statistiche tra l’attività solare e il numero di macchie solari, la loro superficie totale e la tempistica della loro comparsa. Ma il consenso scientifico è che queste tecniche, anche se modernizzate, non rivelano molto sul comportamento futuro del Sole. Ora, grazie a osservazioni solari più sofisticate, gli scienziati stanno valutando e perfezionando metodi che invece utilizzano come guida il funzionamento interno del Sole.

Sebbene i progressi siano lenti (11 anni sono tanti), diamo un’occhiata più da vicino allo stato attuale della previsione del sistema solare.

A caccia di macchie solari

Gli scienziati hanno inavvertitamente iniziato a seguire il ciclo solare più di 400 anni fa, quando Galileo Galilei osservò per la prima volta le macchie solari che punteggiavano il disco del Sole. Ora è chiaro che queste macchie scure sono abbondanti durante il massimo solare e per lo più assenti durante il minimo solare. Oggi, mentre gli scienziati continuano a migliorare la comprensione della fisica che guida questa oscillazione, le macchie solari servono ancora come indicatori dell’attività del Sole.

Nel 1989, la NASA e la NOAA hanno iniziato a chiedere ai gruppi di previsione dei cicli solari di prevedere l’intensità del successivo ciclo solare. Per farlo, gli esperti del gruppo valutano le previsioni fatte da altri ricercatori del settore. Queste previsioni in genere utilizzano un valore chiamato R – la media su 13 mesi del numero di macchie solari (smussata, o ponderata, sul mese corrente più sei mesi su entrambi i lati) – come indicatore dell’attività del Sole.

La determinazione di R per il prossimo massimo è considerata il culmine della previsione dei cicli solari.

I gruppi di esperti, tuttavia, non hanno ottimi trascorsi. Il gruppo di previsione del ciclo 24 ha iniziato i suoi lavori nel 2006: alla fine, non si è riusciti a raggiungere un accordo e la previsione è stata, in modo poco incoraggiante, che il ciclo 24 sarebbe stato o molto debole o molto forte. “Erano praticamente spaccati a metà”, ha commentato Lisa Upton, co-presidente dell’attuale gruppo di previsione del ciclo 25 e fisica solare al Southwest Research Institute. “Alcuni scambi sono stati piuttosto accesi.”

Prevedere il ciclo 25 – che sarebbe iniziato nel dicembre 2019 – sembrava essere molto più semplice. Nel marzo 2019, Upton e i suoi colleghi hanno previsto che avrebbe raggiunto il picco nel luglio 2025 con una media di 115 macchie solari. Hanno passato al setaccio 61 previsioni con valori R che andavano da 50 a 229, ma hanno privilegiato una classe di previsioni basate sulla fisica solare che erano ampiamente in accordo tra loro.

“Abbiamo avuto vita facile”, ha ricordato Upton. “Eravamo tutti d’accordo che ci sarebbe stato un ciclo abbastanza debole.” Ma il Sole aveva piani diversi.

Segni di cambiamento

I moderni metodi basati sulla fisica sono di due tipi. Uno cerca i parametri fisici osservabili, chiamati precursori, che anticipano l’intensità del ciclo imminente. L’altro utilizza la modellizzazione al computer per riprodurre la fisica del Sole e proiettarla in avanti.

Tra i precursori, quello che finora ha avuto più successo è l’intensità del campo magnetico ai poli del Sole durante il minimo solare, su cui il gruppo di previsione del ciclo 25 ha basato la sua previsione attuale. Quando il Sole è inattivo, il suo campo magnetico è un dipolo, che si può immaginare come un magnete a barra con un’estremità positiva e una negativa. L’intensità del dipolo regola un processo che alla fine inverte la polarità del campo magnetico, causando il ciclo solare. Nel corso degli anni gli scienziati hanno scoperto che la forza del campo polare al minimo è fortemente correlata all’intensità del ciclo imminente.

Un ostacolo a questa previsione è che il campo polare è stato misurato direttamente solo per gli ultimi quattro cicli, dal 1976. Ma esistono modi indiretti per misurarne l’intensità, come l’indice aa, che utilizza le perturbazioni del campo magnetico terrestre come indicatore della forza del campo polare; queste sono state misurate per oltre 150 anni, rendendo disponibile un altro insieme di dati puntiformi.

“Con quattro punti, la correlazione potrebbe essere una coincidenza, ma quando si arriva a 13 punti, lo sembra meno”, ha detto Robert Cameron, fisico solare al Max-Planck-Institut per la ricerca su sistema solare a Gottinga, in Germania, che ha fatto parte dell’ultimo gruppo di previsione.

Una nuova speranza

Recentemente, uno studio guidato da Leamon e Scott McIntosh del National Center for Atmospheric Research ha identificato un altro promettente precursore chiamato evento terminatore. È il momento in cui l’attività magnetica del ciclo precedente scompare e viene sostituita dall’attività magnetica del nuovo ciclo.

Leamon e McIntosh hanno trovato indizi nei dati storici che suggeriscono che la cronologia del terminatore corrisponde all’intensità del nuovo ciclo: un terminatore precoce si traduce in un maggior numero di macchie solari e quindi in un ciclo più forte. Sulla base dell’ultimo terminatore, che si è verificato nel dicembre 2021, i due hanno previsto che il ciclo 25 avrebbe raggiunto il massimo di 185 macchie solari e il picco nel luglio 2024, quasi un anno intero prima della previsione ufficiale.

“Non voglio vantarmi”, ha dichiarato Leamon. “Ma il Sole è certamente molto più attivo rispetto a quanto previsto dal gruppo di esperti.”

Dal ciclo solare al clima terrestre

Un limite della maggior parte dei metodi precursori, tuttavia, è che si basano sul minimo solare: gli scienziati non possono fare una nuova previsione finché il ciclo non sta per iniziare. Ecco perché a volte cercano un aiuto nei metodi basati sulla fisica, simili a complessi modelli di previsione climatica. Queste simulazioni al computer utilizzano la dinamica dei fluidi e l’elettromagnetismo per ricreare la fisica solare; gli scienziati inseriscono poi i dati delle osservazioni per anticipare l’aspetto del campo polare e di altri precursori a qualche anno di distanza.

Una logica profonda

Ma le previsioni basate sulla fisica sono solo la metà di quelle analizzate dal gruppo di esperti del ciclo 25. Il resto, anche se forse ora è meno efficace, è un’altra cosa. Le altre, sebbene ora potrebbero avere meno successo, potrebbero rivelarsi utili in futuro.

Si tratta di un mix di strategie, la maggior parte delle quali usa i cicli solari precedenti per prevedere il numero attuale di macchie solari. Questi metodi a volte trovano forti correlazioni tra le macchie solari e cose che inizialmente sembrano piuttosto casuali, ha chiarito Víctor Sánchez Carrasco, fisico solare dell’Università di Extremadura in Spagna. Queste correlazioni potrebbero essere solo coincidenze, ha detto, ma c’è anche la possibilità che stiano attingendo a “qualche fisica profonda che ancora non comprendiamo.”

I fisici continuano a sperimentare nuovi approcci, come l’uso dell’intelligenza artificiale o delle reti neurali per cercare correlazioni tra i secoli di dati sulle macchie solari. “C’è una mistica associata a serie temporali così lunghe”, ha detto l’astrofisico Eurico Covas, collaboratore dell’Istituto di astrofisica e scienze spaziali, che ha sede in Portogallo.

Per ora, Upton ritiene che la previsione del gruppo di esperti non sia ancora morta. “Sembra che l’intensità del ciclo possa essere un po’ più elevata rispetto a quanto avevamo previsto, ma non in modo significativo”, ha dichiarato. L’esperta osserva che la curva smussata, una volta che tutti i dati saranno disponibili, probabilmente non si discosterà così drasticamente dalle medie mensili tracciate dalla NOAA. Sulla base dell’evoluzione dell’attuale ciclo, Carrasco concorda sul fatto che il ciclo 25 sarà probabilmente più intenso rispetto a quanto previsto dal panel, ma ancora più debole della media. “I prossimi sei mesi sono fondamentali per capire dove andrà il ciclo solare 25”, ha aggiunto.

Nonostante queste incertezze, Leamon è fiducioso che i fisici siano vicini a poter fare previsioni accurate. Entro il 2030, quando si riunirà il prossimo gruppo di esperti, “avremo una visione molto più precisa”, ha concluso. “Questo sarà l’ultimo ciclo che non comprendiamo appieno.”