Maurizio Candidi - Raffaella D'Amicis Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario – IFSI

1. Relazioni Sole-Terra… … verso una meteorologia spaziale Maurizio Candidi - Raffaella D'Amicis Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario – IFSI Istituto Nazionale di AstroFisica - INAF

2. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e sua interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

3. Il Sole • Raggio solare = 695990 km = 109 raggi terrestri • Massa solare = 1.989⋅1030 kg = 333000 masse terrestri • Luminosità solare = 3.846⋅1026 Watt oppure in 1 s, circa 1011 Megaton! • Temperatura centrale = 15 milioni di °C • Densità centrale = 150 g/cm3 = 8 volte la densità dell'oro • Composizione centrale = 35% H, 63% He, 2% (C, N, O, ...) in massa • Temperatura della superficie = 6000 °C • Densità della superficie = 2.07⋅10-7 g/cm3 = 1.6⋅10-4 densità dell'aria • Composizione della superficie = 70% H, 28% He, 2% (C, N, O, ...) in massa • Età del Sole = 4.57⋅109 anni • Il nostro Sole è una fra i 100 miliardi di stelle che si trovano nella nostra galassia. E' una stella normale: ce ne sono di più grandi, di più luminose, di più vecchie e più giovani. • A noi sembra la più grande e la più brillante perché è la più vicina. E' l'oggetto più grande del nostro sistema solare. Contiene più del 99.8% della massa totale del sistema solare.

4. Perché studiamo il Sole? Relazione con il clima Il Sole come stella Il Sole come laboratorio di fisica Meteorologia spaziale

5. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e suoi effetti sulla interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

6. L'interno del Sole Zona convettiva L'interno del Sole è formato da quattro regioni nelle quali si verificano differenti processi fisici: 1- L'energia solare è generata nel NUCLEO. 2 - Questa energia diffonde verso l'esterno per radiazione attraverso la ZONA RADIATIVA e 3 - per flussi convettivi attraverso la ZONA CONVETTIVA più esterna. 4 - Si pensa che il campo magnetico sia generato nello STRATO di INTERFACCIA, uno strato sottiletra la zona radiativa e la zona convettiva. Strato di interfaccia Zona radiativa Nucleo

7. L'interno del Sole: il nucleo NUCLEO • http://www-ssi.colorado.edu • Il nucleo è la regione centrale dove è generata l'energia solare. Questa energia è il risultato di processi di fusione nucleare che, a partire da nuclei di idrogeno, producono nuclei di elio attraverso una catena di reazioni. • La temperatura interna è approssimativamente di 15 milioni di °C e la densità 150 g/cm³ (10 volte la densità dell'oro o del piombo).

8. L'interno del Sole: la zona radiativa ZONA radiativa • http://www-ssi.colorado.edu • La zona radiativa si estende dal 25% della distanza della superficie fino al 70% di tale distanza. La zona radiativa è caratterizzata dalla radiazione come metodo di trasporto dell'energia. L'energia generata dal nucleo è trasportata dalla luce (i fotoni rimbalzano da particella a particella attraverso la zona radiativa). • La densità decresce da 20 g/cm³ (approx. la densità dell'oro) fino a 0.2 g/cm³ (meno della densità dell'acqua) dal basso verso l'alto della zona radiativa. La temperatura decresce da 7 milioni di °C fino a circa 2 milioni di °C nella stessa distanza.

9. L'interno del Sole: lo strato di interfaccia STRATO di interfaccia • http://www-ssi.colorado.edu Questo sottile strato è stato oggetto di una intenso studio durante gli ultimi anni perché si pensa che sia questo il luogo dove viene generato il campo magnetico solare da una dinamo magnetica. In questo strato inoltre si verificano cambiamenti chimici improvvisi.

10. L'interno del Sole: la zona convettiva ZONA convettiva • http://www-ssi.colorado.edu • La zona convettiva si estende da circa 200000 km fino alla superficie visibile. Alla base della zona convettiva la temperatura è intorno a 2 milioni di °C. La materia assorbe la radiazione che arriva dalla zona radiativa, si riscalda e innesca moti convettivi (bolle). • Questi moti convettivi trasportano il calore abbastanza rapidamente in superficie. Il fluido si espande e si raffredda man mano che sale. Sulla superficie visibile la temperatura decresce fino a 6000° C e la densità è soltanto 1/10000 della densità dell'aria al livello del mare). I moti convettivi sono visibili sulla superificie in forma di granuli e supergranuli.

11. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e suoi effetti sulla interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

12. L'atmosfera solare • L'atmosfera solare è formata da tre strati. Iniziando dal più interno, si ha: • laFOTOSFERA, • laCROMOSFERA, • laCORONA.

13. LA FOTOSFERA http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ La fotosfera è la superficie visibile del Sole, uno strato spesso circa 100 km (molto sottile se paragonato con il raggio solare che è di 700 mila km). La temperatura della fotosfera è approssimativamente di 6000 °C. Con un semplice telescopio è possibile osservare alcune caratteristiche della fotosfera: le macchie solari, le facole e i granuli. Possiamo misurare il flusso di materia nella fotosfera attraverso l'effetto Doppler e identificare in questo modo caratteristiche come i supergranuli.

14. La fotosfera e la rotazione solare http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Il Sole ruota intorno al suo asse in circa 27 giorni. In realtà, le regione equatoriale ruota più velocemente (in circa 24 giorni) delle regioni polari (che ruotano in 30 giorni). Gli astronomi stanno ancora studiando la sorgente di questa rotazione differenziale. Questa rotazione è stata rivelata per la prima volta osservando il movimento delle macchie solari nella fotosfera.

15. Le macchie solari 4000° C 6000° C Le macchie solari sono regioni caratterizzate da campi magnetici molto intensi. Il campo è più intenso nella parte più scura, l'ombra, mentre è più debole nella parte più chiara, la penombra. Le temperature al centro delle macchie hanno valori di circa 4000° C , mentre la fotosfera, nelle vicinanze di una macchia ha temperature di circa 6000° C. Le macchie durano tipicamente molti giorni, anche se quelle più grandi possono durare anche per settimane.

16. 21 22 23 Il ciclo delle macchie solari 11 anni http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Ripercussioni sul clima terrestre: piccola era glaciale Minimo di Maunder 1645-1715

17. Il diagramma a farfalla http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Questo diagramma mostra che le macchie non appaiono in modo casuale sulla superficie solare ma si concentrano in due bande latitudinali in entrambe le parti dell'equatore solare. Le macchie appaiono dapprima a latitudini medie, si allargano e poi si muovono verso l'equatore man mano che il ciclo progredisce.

18. LA CROMOSFERA http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ La cromosfera è uno strato irregolare al di sopra della fotosfera dove la temperatura aumenta da 6000 °C fino ad approx 20000 °C. A queste alte temperature, l'idrogeno emette luce che dà un color rossastro (emissione H-alpha), da cui il nome di cromosfera (o sfera colorata). Questa emissione può essere osservata nelle prominenze che sporgono dal bordo del Sole durante le eclissi solari totali (a sinistra), oppure attraverso un filtro H-alpha (a destra).

19. La cromosfera http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Quando si guarda il Sole attraverso uno spettrografo o un filtro che isola l’emissione H-alpha, è possibile vedere molte caratteristiche cromosferiche.Queste includono la rete cromosfericadegli elementi del campo magnetico, le brillanti plage intorno alle macchie solari, i filamenti scuri sul disco e le prominenzesul bordo. La cromosfera è anch'essa una regione attiva. Infatti, è possibile osservare il cambiamento nei brillamenti solari, nelle prominenze e nei filamenti che avvengono in pochi minuti.

20. Filamenti, prominenze e plages Le prominenze e i filamenti sono di fatto la stessa cosa. Possono rimanere in uno stato quieto o quiescenteper giorni o settimane. Tuttavia, appena l'arco magnetico cambia, possono entrare in eruzione ed espandersi enormemente in pochi minuti. http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ I filamenti sono nubi di materia dense e fredde sospese sopra la superficie solare negli archi del campo magnetico. Le plages (dal francese) sono zone luminose che contornano le macchie e possono essere meglio osservate in luce H-alfa.

21. I brillamenti solari • Un brillamento solare si sviluppa in tre fasi: • lo stadio precursore, • lo stadio impulsivo, • lo estadio di decadimento. • La durata di queste fasi può essere breve (pochi secondi) o lunga (un'ora). http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Un brillamento solare si verifica quando l'energia magnetica contenuta nell'atmosfera solare è rilasciata improvvisamente. Questa energia è decine di milioni di volte più grande dell'energia rilasciata da un'esplosione vulcanica. D'altra parte, è meno di un decimo dell'energia totale emessa dal Sole ogni secondo.

22. Brillamenti e campo magnetico “Riconnessione” • La chiave per capire e predire i brillamenti solari è la struttura del campo magnetico attorno alle macchie solari. Se questa struttura diventa attorcigliata allora le linee di campo magnetico possono riconnettersi con il rilascio esplosivo di energia. • Nell’immagine a destra le linee blu rappresentano le linee neutre tra le aree con campi magnetici diretti in modo opposto. Normalmente il campo magnetico forma degli archi proprio sopra queste linee che sono al di sopra di una regione attiva. I piccoli segmenti mostrano intensità e direzione del campo magnetico locale. Ilbrillamento giace lungo una riga neutradove il campo magnetico è distorto in modo da essere allineato con essa invece di attraversarla. Questo allineamento sembra essere un ingrediente chiavenella produzione dei brillamenti solari.

23. LA CORONA SOLARE La corona è più calda di un milione di gradi. Come è possibile? http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ La corona è lo strato più esterno dell'atmosfera solare. E' visibile durante le eclissi totali di Sole come una chiara corona che circonda il Sole. La corona mostra una varietà di caratteristiche che includono elmetti coronali, piume e archi. Queste caratteristiche cambiano da eclisse ad eclisse e la forma della corona nel suo insieme varia con il ciclo delle macchie solari. Tuttavia, durantei pochi minutidella totalità dell'eclisse, i cambiamenti sono pochi.

24. Archi coronali • Durante le ore che seguono un brillamento solaresi vedono spesso una serie di archi sopra la superficie solare. Questi archi sono visibili con maggiore facilità quando osservati nella luce emessa dall’idrogeno nella regione rossa dello spettro solare (emissione H-alpha). • Gli archi coronalisi trovano intorno alle macchie solari e nelle regioni attive. Queste caratteristiche sono associate con linee di campo magnetico chiuse che connettono regioni magnetiche sulla superficie solare. Molti archicoronalidurano per giorni o settimane. Alcuni archi, tuttavia, sono associati a brillamenti solari e sono visibili per periodi molto più corti. Questi archi contengono materiale più denso di quello che li circonda.

25. Tornadi e twister http://wwwssl.msfc.nasa.gov/ Sono aree brillanti associatecon piccole regioni magnetiche sulla superficie solare.

26. La corona ai raggi X La corona brilla nei raggi X per la sua alta temperatura. D'altra parte, lafotosfera solare “fredda”emette pochi raggi X e ci permette di osservare la corona su tutto il disco solare senza che la luce fotosferica disturbi l'osservazione.

27. Buchi coronali corona solare fotografata ai raggi X (Yohkoh) I buchi coronali sono regioni dove la corona si presenta oscura. I buchi coronali sono associati alle linee di campo magnetico aperte localizzate ai poli solari durante il minimo di attività e a tutte le latitudini durante il massimo. Il vento solare veloce ha origine dai buchi coronali.

28. Minimo solare Massimo solare Le caratteristiche coronali cambiano molto durante il ciclo solare. Durante il ciclo solare l’attività dei raggi X aumenta notevolmente verso il massimo.

29. 1990 1992 1993a 1993b 1994

30. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e suoi effetti sulla interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

31. Il vento solare E’ un intenso flusso di plasma, costituito prevalentemente da protoni ed elettroni, che ha origine dalla corona solare. • Fin dal 1950 osservazione di fenomeni interplanetari riconducibili all’esistenza del vento solare: • Fenomeni aurorali; • Coda ionica delle comete “via dal Sole”; • Piccole variazioni dell’attività geomagnetica. Il vento solare si propaga dal Sole in tutte le direzioni a una velocità media di 450 km/s. Il vento veloce (800 km/s) proviene dai buchi coronali, mentre il vento lento (400 km/s) proviene dalle zone equatoriali. Il vento solare non è uniforme in nessuno dei suoi parametri: velocità, densità, temperatura e composizione variano con la latitudine solare.

32. All'aumentare dell’attività solare le emissioni coronali diventano sempre più frequenti e sono presenti anche ad alta latitudine eliografica.

33. Emissioni coronali di massa http://sohowww.nascom.nasa.gov/ http://sohowww.nascom.nasa.gov/ • I getti coronali di tipo CME sono bolle enormi di gas permeate da linee di campo magnetico solare. L’espulsione di questo plasma può durare parecchie ore. L'esistenza delle CME è stata verificata solo durante l’era spaziale. La prima prova dell’esistenza di questo fenomeno è venuta dalle osservazioni fatte con un coronografo montato sull’osservatorio solare orbitante (OSO 7) 1971 - 1973. Un coronografo produce un'eclissi artificiale del sole disponendo "un disco occultore" sopra l'immagine del sole. • I getti coronali modificano il normale flusso del vento solare e producono disturbi interplanetari che colpiscono la Terra con risultati a volte catastrofici soprattutto per le telecomunicazioni e le reti di distribuzione di energia elettrica.

34. Emissioni coronali di massa http://sohowww.nascom.nasa.gov/ La frequenza delle CME varia con il ciclo di attività del sole. Al minimo solare osserviamo circa una CME alla settimana. Vicino al massimo solare osserviamo una media di 2 - 3 CME al giorno.

35. Perturbazione magneticache si propaga dal Sole; dov’è la Terra? Seguiamo lo zoom. La Terra rappresenta un ostacolo minuscolo nel flusso del vento solare, come un piccolo sasso nella piena del fiume.

36. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e suoi effetti sulla interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

37. La Terra: un grande magnete science.nasa.gov/ssl/pad/sppb/ Tutti gli oggetti magnetici producono invisibili linee di forza che si estendono tra i poli magnetici dell'oggetto. La Terra si comporta come un grande magnete. Le linee invisibili di questo campo magnetico possono essere evidenziate con una bussola.

38. Il Sole e la Terra sono collegati science.nasa.gov/ssl/pad/sppb/ Il vento solare distorce il campo magnetico della Terra. Le linee del campo magnetico nel lato verso il Sole (lato giorno) sono schiacciate mentre sono allungate nel lato opposto (lato notte). Il plasma trasportato dal vento solare è costretto a fluire attorno alla magnetosfera terrestre.

39. Il nostro campo magnetico è schiacciato dal vento solare La magnetosfera è quella regione che contorna un pianeta con un campo magnetico. Poiché gli ioni nel plasma solare sono carichi, interagiscono con questi campi magnetici e le particelle di vento solare sono deflesse dalla magnetosfera.

40. Prima evidenza ottica della connessione vento solare-magnetosfera Dopo le due guerre mondiali, si cominciò ad inviaresatelliti nello spazio per studiare la ionosferaela magnetosfera. Il primo satellite americano, Explorer 1, scoprì le cinture di radiazione. Da foto come questa dell'aurora boreale, presa da satellite, gli scienziati si resero conto dell’esistenza dell’interazione fra vento solare e magnetosfera.

41. Il vento solare brucerebbe la nostra atmosfera se non ci fosse il campo magnetico terrestre. Il vento solare passa attorno alla Terra a più di un milione di km/h. Grazie al campo magnetico terrestre, il vento solare è bloccato e deflesso attorno alla Terra. I raggi ultravioletti del Sole ionizzano l'alta atmosfera, creando la ionosfera che rappresenta una sorgente di plasma per la magnetosfera. L' energia dal vento solare entra nella magnetosfera, è qui immagazzinata e viene poi rilasciata in maniera esplosiva, generando le tempeste magnetiche.

42. mezzo interplanetario magnetopausa plasmapausa coda geomagnetica Analogia con sasso nel fiume vento solare supersonico Cuspide polare plasmasfera La magnetosfera Dopo essere passato attraverso l'onda d’urto, il vento fluisce intorno alla magnetosfera e ne allunga la coda. Tuttavia, alcune particelle solari del vento penetrano attraverso la barriera magnetica e sono bloccate all'interno della magnetosfera. Le particelle solari inoltre, possono scorrere attraverso delle aperture a forma di imbuto situate ai poli magnetici (cuspidi), liberando una grossa quantità di energia quando colpiscono l'atmosfera. Le aurore sono la prova di questo trasferimento di energia dal sole alla terra. Le particelle penetrate nella magnetosfera seguono un percorso che gira intorno alla terra all’interno di una specie di fodero (magnetosheath).

43. Sistemi di correnti presenti nella magnetosfera L'attività magnetica sulla superifcie terrestre è prodotta da correnti elettriche generate nella magnetosfera e nella ionosfera: in particolare, gli elettrogetti aurorali e la corrente ad anello.

44. Riconnessione e tempeste magnetiche Le tempeste magnetiche possono produrre energia equivalente a quella rilasciata dalla bomba atomica che distrusse Hiroshima nel 1945. Esse si manifestano quando il campo magnetico del vento solare è diretto verso sud. Questa orientazione è opposta al campo magnetico terrestre sul lato giorno della magnetosfera (che punta verso il nord), di conseguenza il campo magnetico terrestre si interconnette con il campo magnetico del vento solare. Funziona, cioè, come un interruttore, permettendo al vento solare di entrare nella magnetosfera.

45. Le aurore Ovale aurorale Il plasma spaziale che entra nella nostra magnetosfera produce le aurore.

46. Le aurore

47. Sommario Prima parte • struttura interna del Sole, • atmosfera solare: fotosfera, cromosfera e corona. Seconda parte • dalla corona al vento solare. Terza parte • descrizione della magnetosfera terrestre e suoi effetti sulla interazione con il vento solare. Quarta parte • meteorologia spaziale.

48. Meteorologia Spaziale Così come il Sole influisce sul clima della Terra, nello stesso modo è responsabile delle condizioni fisiche dello spazio interplanetario che ci circonda. Le tempeste magnetiche producono effetti notevoli sulla Terra.

49. Effetti su strumenti e satelliti nello spazio

50. Effetti sugli esseri umani nello spazio