Nella zona di convezione del Sole, le correnti al plasma generano un enorme ricambio che dura 22 anni. Il ciclo solare ha un periodo di 11 anni

L’attività solare oscilla con un ritmo di circa undici anni (ciclo solare), che si riflette tra l’altro nella frequenza delle macchie solari. Un periodo magnetico completo dura 22 anni. Gli scienziati hanno a lungo studiato le cause di questo ciclo. Esso è correlato alle condizioni sotto la “pelle” della nostra stella: uno strato di plasma caldo, gas elettricamente conduttivo, si estende dalla superficie fino a 200.000 chilometri di profondità. Il plasma all’interno di questa zona di convezione è costantemente in movimento

Un team di scienziati dell’Istituto Max Planck, l’Università di Gottinga e l’Università di New York Abu Dhabi è ora riuscito a creare il quadro più completo dei flussi di plasma nella direzione nord-sud. I ricercatori hanno trovato una geometria del flusso straordinariamente semplice: il plasma descrive un singolo ricambio in ciascun emisfero solare, che dura circa 22 anni. Inoltre, il flusso nella direzione dell’equatore, nella parte inferiore della zona di convezione, fa sì che i punti si formino sempre più vicini all’equatore durante il ciclo solare.

Sole
Flussi potenti: il gas ionizzato all’interno del Sole si sposta verso i poli vicino alla superficie e verso l’equatore alla base della zona di convezione (a una profondità di 200 mila chilometri).

Le macchie solari

Il numero di macchie solari sulla superficie visibile varia; a volte ce ne sono di più, a volte meno. La distanza tra due massimi di macchie solari è di circa undici anni. Dopo 22 anni le macchie solari vengono nuovamente polarizzate magneticamente allo stesso modo. Durante il massimo non appaiono solo grandi macchie solari, ma anche regioni attive. Inoltre, impressionanti archi di plasma caldo si estendono oltre l’atmosfera solare, particelle e radiazioni vengono lanciate nello spazio con eruzioni violente. Al minimo dell’attività, tuttavia, il Sole si calma notevolmente.

Nel corso di un ciclo solare, il flusso meridionale funge da nastro trasportatore che trascina il campo magnetico e imposta il periodo del ciclo solare“, afferma il prof. Dr. Laurent Gizon, direttore dell’MPS e primo autore del nuovo studio . “Vedere la geometria e l’ampiezza dei movimenti all’interno solare è essenziale per comprendere il campo magnetico del Sole“, aggiunge. A tal fine, Gizon e il suo team hanno utilizzato l’elioseismologia per mappare il flusso di plasma sotto la superficie del Sole.

Il flusso meridionale imposta il periodo del ciclo magnetico del Sole trasportando il campo magnetico attorno alla convezione in 22 anni, ovvero un ciclo di macchie solari magnetiche. Credit: MPS / Z.-C. Liang

L’eliosismologia

L’eliosismologia è per la fisica solare ciò che la sismologia è per la geofisica. Gli eliosismologi usano le onde sonore per sondare l’interno del Sole, più o meno allo stesso modo in cui i geofisici usano i terremoti per sondare l’interno della Terra. Le onde sonore solari hanno periodi vicini ai cinque minuti e sono continuamente eccitate dalla convezione vicino alla superficie. I movimenti associati alle onde sonore solari possono essere misurati sulla superficie del Sole mediante telescopi su veicoli spaziali.

In questo studio, Gizon e il suo team hanno usato osservazioni di onde sonore sulla superficie che si propagano nella direzione nord-sud attraverso l’interno della nostra stella. Queste onde sono perturbate dal flusso meridionale: viaggiano più velocemente lungo il flusso rispetto al flusso. Queste perturbazioni (meno di 1 secondo) sono state misurate con molta attenzione e sono state interpretate per inferire il flusso meridionale usando modelli matematici e computer.

Elioseismologia
L’elioseismologia è stata utilizzata per misurare il flusso meridionale del Sole. Questo flusso controlla l’evoluzione del campo magnetico globale e il numero di macchie solari.

Poiché è piccolo, il flusso meridionale è estremamente difficile da vedere nell’interno solare. “Il flusso meridionale è molto più lento di altri componenti del movimento, come la rotazione differenziale del Sole“, spiega Gizon. Il flusso meridionale in tutta la zona di convezione non supera il suo valore di superficie massimo di 50 chilometri all’ora. “Per ridurre il livello di rumore nelle misurazioni eliosismiche, è necessario calcolare la media delle misurazioni per periodi molto lunghi“, afferma il dott. Zhi-Chao Liang dell’MPS.

Ciclo solare
Le onde sonore si propagano in tutto il Sole e possono essere misurate sulla superficie solare, ad esempio in A e B. Proprio come si usa la sismologia per vedere all’interno della terra, l’eliosismologia viene utilizzata per studiare l’interno del Sole (qui vicino al percorso dell’onda che collega A e B). Credit: MPS (Z.-C. Liang)

Analisi di dati

Il team di scienziati ha analizzato, per la prima volta, due serie indipendenti di dati molto lunghi. Uno è stato fornito da SOHO, il più longevo osservatorio solare nello spazio gestito da ESA e NASA. I dati raccolti da Michelson Doppler Imager (MDI) di SOHO coprono il periodo dal 1996 al 2011. Un secondo set di dati indipendente è stato fornito dal Global Oscillation Network Group (GONG), che combina sei telescopi solari terrestri negli Stati Uniti, in Australia, India, Spagna e Cile. Questi offriranno osservazioni quasi continue del Sole dal 1995.

Sole
Da sinistra a destra: Prof. Dr. Laurent Gizon, Dr. Robert Cameron e Dr. Zhi-Chao Liang

Gizon e il suo team hanno scoperto che il flusso è equatoriale verso la base della zona di convezione, ed ha una velocità di soli 15 chilometri all’ora (velocità di marcia). Il flusso sulla superficie solare è polare e arriva fino a 50 chilometri all’ora. Il quadro generale è che il plasma gira in un gigantesco anello in ciascun emisfero. Sorprendentemente, il tempo impiegato dal plasma per completare il ciclo è di circa 22 anni e questo fornisce la spiegazione fisica del ciclo di undici anni del Sole.

Inoltre, le macchie solari emergono più vicino all’equatore man mano che il ciclo solare avanza, come si vede nel diagramma a farfalla. “Tutto sommato, il nostro studio supporta l’idea di base secondo cui la deriva equatoriale delle posizioni in cui emergono le macchie solari è dovuta ai flussi meridionali sottostanti“, afferma il dott. Robert Cameron di MPS. “Resta da capire perché il flusso solare meridionale si comporti così e quale ruolo gioca nel controllo dell’attività magnetica su altre stelle” aggiunge Laurent Gizon.

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