In questo studio del 2011, vengono estrapolati i dati a lungo termine sull’output radiativo solare cruciali per comprendere la variabilità solare e i cambiamenti climatici passati. Le misurazioni dell’irradianza solare sono disponibili solo per gli ultimi tre decenni, rendendo necessarie ricostruzioni su scale temporali più lunghe.

L’obiettivo è quello di presentare alla comunità scientifica una ricostruzione fisicamente coerente dell’irradianza solare totale per il periodo dell’Olocene, mentre il metodo presentato è quello di estendere i modelli SATIRE per stimare l’evoluzione dell’irradianza solare totale e parzialmente spettrale durante l’Olocene. Si assume che le variazioni dell’irradianza siano dovute all’evoluzione delle caratteristiche magnetiche scure e luminose sulla superficie solare. L’evoluzione del flusso magnetico medio decennale è calcolata dai valori decennali delle concentrazioni di isotopi cosmogenici registrati in archivi naturali, utilizzando una serie di modelli fisici. L’irradianza solare totale (TSI) è calcolata come combinazione lineare dei valori decennali del flusso magnetico aperto. Per valutare le incertezze dovute all’evoluzione del momento dipolare magnetico terrestre, vengono utilizzate quattro ricostruzioni del flusso aperto basate su modelli paleomagnetici concettualmente diversi.

Nel risultato vengono presentate ricostruzioni della TSI per l’Olocene, ciascuna valida per una diversa serie temporale paleomagnetica. L’analisi suggerisce che le principali fonti di incertezza nella TSI in questo modello sono l’incertezza ereditaria della TSI dal 1610 ricostruita dai dati delle macchie solari e l’incertezza dell’evoluzione del momento dipolare magnetico terrestre.

  1. Comprensione della Variabilità Solare: La ricostruzione aiuta a comprendere come le variazioni a lungo termine dell’irradianza solare abbiano influenzato il clima terrestre. Questo è cruciale per distinguere tra i cambiamenti climatici naturali e quelli causati dall’attività umana.
  2. Modelli Climatici: I dati ricostruiti possono essere utilizzati per migliorare i modelli climatici, rendendoli più accurati nel prevedere i cambiamenti climatici futuri. Conoscere l’irradianza solare passata permette di calibrare meglio questi modelli.
  3. Cambiamenti Climatici Passati: La ricostruzione fornisce informazioni su come il clima terrestre è cambiato in risposta alle variazioni solari nel corso di migliaia di anni. Questo può aiutare a spiegare eventi climatici storici, come le ere glaciali e i periodi di riscaldamento.
  4. Previsioni Future: Comprendere la variabilità solare passata può aiutare a prevedere come il clima potrebbe rispondere a future variazioni dell’attività solare. Questo è particolarmente rilevante in un contesto di cambiamenti climatici globali.
  5. Incertezza nelle Previsioni: La ricostruzione evidenzia anche le incertezze legate alla variabilità solare e al momento dipolare magnetico terrestre, che devono essere considerate nelle previsioni climatiche.

In sintesi, questa ricostruzione fornisce una base più solida per comprendere il ruolo del sole nei cambiamenti climatici passati e futuri, migliorando così la nostra capacità di prevedere e mitigare gli effetti del cambiamento climatico.

Evoluzione dell’irraggiamento solare durante l’Olocene

L. E. A. Vieira 1,2, S. K. Solanki 1,3, N. A. Krivova1 e I. Usoskin4

Abstract:

Contesto. Le registrazioni a lungo termine della produzione radiativa solare sono vitali per comprendere la variabilità solare e i cambiamenti climatici del passato. Le misurazioni dell’irraggiamento solare sono disponibili solo per gli ultimi tre decenni, il che richiede ricostruzioni di questa quantità su scale temporali più lunghe utilizzando modelli adeguati.

Mira. Presentiamo una ricostruzione fisicamente coerente dell’irradianza solare totale per l’Olocene.

Metodi. Estendiamo i modelli SATIRE (Spectral And Total Irradiance REconstruction) per stimare l’evoluzione dell’irradianza solare totale (e parzialmente spettrale) nel corso dell’Olocene. L’assunto di base è che le variazioni dell’irraggiamento solare siano dovute all’evoluzione delle caratteristiche magnetiche scure e luminose sulla superficie solare. L’evoluzione del flusso magnetico mediato decennalmente è calcolata dai valori decennali delle concentrazioni di isotopi cosmogenici registrati negli archivi naturali impiegando una serie di modelli basati sulla fisica che collegano i processi dalla modulazione del flusso di raggi cosmici nell’eliosfera alla loro registrazione negli archivi naturali. Calcoliamo quindi l’irraggiamento solare totale (TSI) come una combinazione lineare dei valori decennali jth e jth + 1 del flusso magnetico aperto. Al fine di valutare le incertezze dovute all’evoluzione del momento di dipolo magnetico terrestre, impieghiamo quattro ricostruzioni del flusso aperto che si basano su modelli paleomagnetici concettualmente diversi.

Risultati. Vengono presentate le ricostruzioni della TSI nel corso dell’Olocene, ciascuna valida per una diversa serie temporale paleomagnetica. La nostra analisi suggerisce che le principali fonti di incertezza nella TSI in questo modello sono l’eredità dell’incertezza della TSI dal 1610 ricostruita dai dati delle macchie solari e l’incertezza dell’evoluzione del momento di dipolo magnetico della Terra. L’analisi delle funzioni di distribuzione dell’irraggiamento ricostruito negli ultimi 3000 anni, che è il periodo in cui le ricostruzioni si sovrappongono, indica che le stime basate sul momento di dipolo assiale virtuale sono significativamente più basse in tempi precedenti rispetto alle ricostruzioni basate sul momento di dipolo virtuale. Presentiamo anche una ricostruzione combinata, che rappresenta la nostra migliore stima dell’irraggiamento solare totale per un dato periodo durante l’Olocene.

Conclusioni. Presentiamo la prima ricostruzione basata sulla fisica dell’irraggiamento solare totale nel corso dell’Olocene, che sarà di interesse per gli studi sui cambiamenti climatici negli ultimi 11.500 anni. La ricostruzione indica che l’irraggiamento solare totale medio decennale varia su circa 1,5 W/m2 da grandi massimi a grandi minimi.

4. Osservazioni conclusive

Per comprendere l’evoluzione del clima terrestre durante l’Olocene, è necessario quantificare la variabilità dei fattori interni ed esterni. Tra i fattori esterni, l’irraggiamento solare gioca un ruolo di primo piano. Qui, abbiamo ricostruito la TSI nel corso dell’Olocene. Si tratta di un’estensione della famiglia di modelli SATIRE a una scala temporale più lunga. Rappresenta la prima ricostruzione della TSI durante i periodi pre-telescopici che si basa su un trattamento fisicamente coerente, che si basa sul presupposto che il campo magnetico sia responsabile di tutte le variazioni della TSI. Questa ipotesi implica che il nostro modello non è in grado di gestire cambiamenti nella TSI che non hanno origine nel magnetismo superficiale (ad esempio cambiamenti di efficienza convettiva non correlati al magnetismo superficiale o effetti associati ai modi r, cioè modi oscillatori correlati alla rotazione, o cambiamenti associati a campi magnetici sepolti in profondità nella zona di convezione). D’altra parte, ci permette di derivare rigorosamente la corretta relazione tra irradianza e flusso magnetico. Precedenti ricostruzioni di TSI basate su medie multi-decennali di dati cosmogenici (ad esempio Steinhilber et al. 2009) si basano su estrapolazioni lineari di una relazione empirica tra flusso aperto e TSI. Tuttavia, i nostri calcoli non supportano completamente una semplice relazione uno-a-uno tra TSI e flusso magnetico aperto solare su scala temporale decennale, poiché troviamo che il flusso magnetico di due cicli contribuisce alla TSI di un ciclo. Le ricostruzioni qui effettuate si basano su questa relazione costantemente derivata. Un’altra grande differenza tra le attuali e le precedenti ricostruzioni della TSI nel corso dell’Olocene risiede nella nostra attenta valutazione delle incertezze nelle ricostruzioni del campo geomagnetico considerando le ricostruzioni disponibili del campo geomagnetico che risalgono ad almeno 3000 anni fa. Le varie ricostruzioni del campo geomagnetico possono portare a differenze significative nella TSI in tempi precedenti.

L’irraggiamento solare misurato può essere riprodotto sulla base dell’ipotesi che la sua variabilità sia correlata all’evoluzione delle caratteristiche magnetiche che giacciono sulla superficie solare (Krivova et al. 2003; Wenzler et al. 2006). Tuttavia, la risoluzione spaziale e temporale delle registrazioni delle caratteristiche magnetiche sul disco solare si degrada progressivamente man mano che torniamo indietro nel tempo. Ad esempio, l’irraggiamento solare può essere riprodotto con elevata precisione da magnetogrammi e immagini continue del disco solare utilizzando un modello basato sulla fisica (SATIRE-S Krivova et al. 2003). Tuttavia, questi record sono disponibili congiuntamente solo per gli ultimi tre cicli solari. Per far fronte a questa limitazione, i modelli dell’evoluzione del campo magnetico solare possono essere impiegati per sostituire le osservazioni dirette dell’evoluzione delle caratteristiche magnetiche sul disco solare. La maggior parte di questi modelli si basano sulle registrazioni del numero di macchie solari, che sono disponibili da circa il 1610 d.C. (ad esempio, SATIRE-T, Balmaceda 2007; Krivova et al. 2007, 2010a; e altri modelli, Lean et al. 1995; Solanki & Fligge 1999; Wang et al. 2005; Tapping et al. 2007; Crouch et al. 2008), ma non contengono informazioni sulla distribuzione spaziale delle caratteristiche magnetiche sulla superficie solare e soffrono di perdita di risoluzione temporale in tempi precedenti. Su scale temporali più lunghe, l’evoluzione del flusso magnetico solare può essere valutata sulla base di registrazioni di isotopi cosmogenici conservati in archivi naturali, anche se generalmente al costo di un’ulteriore perdita di risoluzione temporale. Qui, abbiamo dimostrato che le medie decennali dell’irradianza totale e spettrale possono essere ottenute impiegando il flusso magnetico calcolato dagli isotopi cosmogenici come input del modello SATIRE (SATIRE-M, dove “M” sta per scale temporali millenarie). Si noti che il nucleo del metodo di ricostruzione dell’irraggiamento è lo stesso per tutte le varianti del modello SATIRA. L’atmosfera solare è divisa in componenti: macchie solari, ombre e penombre, facule, rete e il Sole quieto. L’evoluzione dello spettro è descritta dai fattori di riempimento su diverse parti della superficie solare di ciascun componente e dalla sua luminosità indipendente dal tempo. Solo l’evoluzione dei fattori di riempimento dei componenti superficiali viene calcolata in base ai dati disponibili.

La media decennale ricostruita mostra variazioni in un intervallo di circa 1,5 W/m2. Questo è leggermente più grande dell’1,3 W/m2 tra il minimo di Maunder e l’attuale massimo massimo trovato da Krivova et al. (2010a), principalmente perché un precedente minimo generale (intorno al 7500 a.C.) mostra un TSI inferiore al minimo di Maunder e il massimo generale all’inizio della serie temporale mostra un TSI maggiore rispetto al massimo massimo appena terminato. Sottolineiamo che questo intervallo è incerto in quanto ci sono incertezze significative nel calcolo del flusso aperto nei momenti precedenti. Le maggiori fonti di incertezza delle ricostruzioni dell’irraggiamento solare durante l’Olocene derivano dalle semplificazioni impiegate per derivare l’evoluzione del flusso magnetico emergente in AR e ER sulla base dei valori decennali del flusso aperto e dall’evoluzione del campo magnetico terrestre. Al fine di valutare le incertezze dovute all’evoluzione del campo magnetico terrestre, abbiamo confrontato un insieme di ricostruzioni che si basano su due approcci concettualmente diversi al calcolo dell’evoluzione del dipolo magnetico terrestre. Per il periodo in cui tutte le ricostruzioni sono disponibili congiuntamente (cioè durante gli ultimi 3000 anni) i due gruppi mostrano valori mediani significativamente diversi, riflettendo il fatto che le ricostruzioni del momento di dipolo virtuale possono sottostimare il vero dipolo e, di conseguenza, sovrastimare i parametri solari. L’opposto è previsto per le ricostruzioni del momento di dipolo assiale virtuale. Oltre a queste incertezze, ricordiamo che le ricostruzioni si basano sull’ipotesi che i parametri del ciclo del carbonio non siano cambiati in modo significativo durante l’Olocene, il che potrebbe non essere esattamente valido, in particolare nell’Olocene inferiore, come discusso in precedenza da Solanki et al. (2004), Ellison et al. (2006), Usoskin et al. (2007, 2009)e altri. Sottolineiamo che le ricostruzioni TSI presentate in questo articolo si basano su un record individuale di 14C e, come mostrato nella Sez. 3.2.3, l’utilizzo di 10record Be porterebbe probabilmente a un altro comportamento a lungo termine.

Abbiamo anche prodotto una ricostruzione che è un’attenta combinazione delle varie ricostruzioni TSI che abbiamo effettuato per il periodo precedente al Minimo di Maunder, cioè prima del 1640 d.C. Tra il 1640 d.C. e il 1974 d.C. corrisponde alla ricostruzione SATIRE-T di Krivova et al. (2010a), mentre successivamente impieghiamo una ricostruzione SATIRE-S basata su Kitt Peak (Wenzler et al. 2006) e MDI (seguendo Krivova et al. 2003) magnetogrammi. Questa ricostruzione combinata, che è la nostra migliore stima della TSI durante l’Olocene, è disponibile in forma elettronica presso il CDS. In alternativa, i dati irradiati possono essere scaricati anche dal sito web: http://www.mps.mpg.de/projects/sun-climate/data.html.

La presente analisi è in accordo con le precedenti ricostruzioni dell’attività solare durante l’Olocene riguardanti il verificarsi di periodi prolungati di bassa e alta attività solare (e.g. Usoskin et al. 2007). Questi coincidono con periodi di STI bassa e alta. Abbiamo notato alcune somiglianze tra l’evoluzione dell’attività solare dal minimo di Maunder ad oggi e un episodio osservato circa 2800 anni fa. Entrambi gli episodi hanno mostrato variazioni dell’irradianza solare di circa 1,3 W/m2 in un intervallo di circa 300 anni. L’antico episodio si è concluso piuttosto bruscamente con un grande minimo, il che sottolinea che un calo molto rapido dell’irraggiamento può verificarsi a partire da un alto livello di TSI, come quello attuale. Tuttavia, sottolineiamo che non possiamo utilizzare queste somiglianze per prevedere il verificarsi di un grande minimo nel prossimo futuro.

Fonte: Astronomy & Astrophysics