Come gli scienziati stanno affrontando il difficile compito di prevedere il ciclo solare | Rivista Quanti

Il sole sembra immutabile, una noiosa lampadina celeste sempre accesa. Ma questa sfera di plasma alimentata dalla fusione è in costante flusso. Ogni 11 anni circa, oscilla tra il sonno e l'attività, epoca indisciplinata segnata da macchie solari ed eruzioni solari, come brillamenti ed esplosioni di plasma.

Il sole si sta avvicinando al suo livello massimo di attività nel ciclo attuale 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 visto da più di 20 anni. Nei mesi di giugno e luglio di quest'anno, secondo i dati della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), la media è stata circa 160 macchie solari ogni giorno, più del doppio di quanto previsto. In aumento anche i brillamenti solari.

La discrepanza tra previsione e osservazione era evidente già nel luglio 2022, quando Nicola Volpe - 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 del previsto”.

Una previsione affidabile del ciclo solare è ora 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 sui (moltissimi) satelliti che devono manovrare in orbita. Le esplosioni solari possono friggere le apparecchiature elettroniche, disturbare i segnali radio, confondere i sistemi GPS e interrompere le reti elettriche.

Come per la maggior parte delle previsioni, le sfide legate alla previsione del 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 circa 60 anni indietro rispetto ai meteorologi", ha detto Roberto Lemon, un fisico solare dell'Università del Maryland.

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

Anche se i progressi sono lenti – 11 anni sono tanti – diamo uno sguardo più da vicino allo stato attuale delle previsioni del sistema solare. 

A caccia di macchie solari

Gli scienziati hanno inavvertitamente iniziato a monitorare il ciclo solare più di 400 anni fa, quando Galileo osservò per la prima volta le macchie solari che screziano la faccia 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 loro comprensione della fisica che guida tale oscillazione, le macchie solari servono ancora come indicatore dell’attività del sole.

Nel 1989, la NASA e la NOAA iniziarono a chiedere ai pannelli di previsione del ciclo solare di prevedere la forza e i tempi del prossimo ciclo solare. Per fare ciò, gli esperti del panel valutano le previsioni fatte da altri ricercatori nel campo. Queste previsioni in genere utilizzano un valore chiamato R — la media su 13 mesi del numero di macchie solari (livellata, o ponderata, nel mese corrente più sei mesi su ciascun lato) — come indicatore dell'attività solare.

Inchiodare R poiché il prossimo massimo è considerato l'apice della previsione del ciclo solare.

I pannelli, però, non hanno un ottimo track record. in 2006, il comitato di previsione del Ciclo 24 ha iniziato le sue deliberazioni; in definitiva, la squadra non è riuscito a raggiungere un consenso e predisse, inutilmente, che il Ciclo 24 sarebbe stato molto debole o molto forte. (Si è rivelato debole.) "Erano molto divisi a metà", ha detto Lisa Upton, copresidente dell'attuale pannello di previsione del Ciclo 25 e fisico solare presso il Southwest Research Institute. "Ci sono stati alcuni scambi accesi."

Prevedere il Ciclo 25, iniziato a dicembre 2019, sembrava essere molto più semplice. Nel marzo 2019, Upton e i suoi colleghi avevano previsto che il picco sarebbe stato raggiunto nel luglio 2025, con una media di 115 macchie solari. Avevano vagliato 61 pronostici con R valori compresi tra 50 e 229, ma favorivano una classe di previsioni basate sulla fisica solare che erano ampiamente in accordo tra loro.

"Abbiamo avuto vita abbastanza facile", ha detto Upton. “Eravamo tutti d’accordo sul fatto che ci sarebbe stato un ciclo abbastanza debole”.

Il sole aveva piani diversi.

Segni di cambiamento

I moderni metodi basati sulla fisica sono disponibili in due versioni. Si cercano parametri fisici osservabili – chiamati precursori – che prefigurano la forza del ciclo imminente. L'altro utilizza la modellazione computerizzata per ricreare la fisica del sole e farlo ruotare in avanti.

Tra i precursori, quello di maggior successo finora è la forza del campo magnetico ai poli del Sole durante il minimo solare, su cui il pannello di previsione del Ciclo 25 ha basato le sue previsioni attuali. Quando il sole è dormiente, il suo campo magnetico è un dipolo, come una barra magnetica con estremità positive e negative. La forza del dipolo governa un processo che alla fine inverte la polarità del campo magnetico, causando il ciclo solare. Gli scienziati hanno scoperto, nel corso degli anni, che la forza minima del campo polare è fortemente correlata alla forza del ciclo imminente.

Un problema con questo predittore è che il campo polare è stato misurato direttamente solo negli ultimi quattro cicli, dal 1976. Ma ci sono modi indiretti per misurarne l’intensità, come il aa-indice, che utilizza i disturbi nel campo magnetico terrestre come indicatore dell'intensità del campo polare; questi sono stati misurati per oltre 150 anni, offrendo un altro gruppo di punti dati.

"Con quattro punti, la correlazione potrebbe essere una coincidenza, ma una volta ottenuti 13 punti, sembra meno una coincidenza", ha affermato Roberto Cameron, un fisico solare dell'Istituto Max Planck per la ricerca sul sistema solare di Gottinga, in Germania, che faceva parte dell'ultimo gruppo di previsioni.

Una nuova speranza

Recentemente, uno studio condotto da Leamon e Scott McIntosh del Centro nazionale per la ricerca atmosferica ha identificato un altro promettente precursore chiamato evento terminatore. È il momento in cui l'attività magnetica del ciclo precedente svanisce e viene sostituita dall'attività magnetica di quello nuovo.

Leamon e McIntosh hanno trovato indizi nei dati storici che suggeriscono che la tempistica del terminatore corrisponde alla forza del nuovo ciclo: un terminatore anticipato si traduce in più macchie solari, e quindi in un ciclo più forte. Sulla base dell’ultimo terminatore, avvenuto nel dicembre 2021, la coppia ha previsto che il Ciclo 25 avrebbe raggiunto il massimo con 185 macchie solari e il picco nel luglio 2024, quasi un anno intero prima della previsione ufficiale.

"Non ho intenzione di gongolare", disse Leamon. "Ma [il sole] è certamente molto più attivo di quanto previsto dal panel."

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 l'aiuto di metodi basati sulla fisica, simili a complessi modelli di previsione climatica. Queste simulazioni al computer utilizzano la fluidodinamica e l'elettromagnetismo per ricreare la fisica solare; gli scienziati poi inseriscono i dati osservativi per anticipare come potrebbero apparire il campo polare e altri precursori tra qualche anno.

Una logica sepolta

Ma le previsioni basate sulla fisica rappresentano solo la metà delle previsioni analizzate dal panel del Ciclo 25. Il resto, anche se forse ha meno successo adesso, potrebbe rivelarsi utile in futuro.

Si tratta di un mix di strategie, la maggior parte delle quali utilizza i cicli solari precedenti per prevedere il numero attuale di macchie solari. Tali metodi a volte trovano forti correlazioni tra le macchie solari e cose che inizialmente sembrano essere piuttosto casuali Victor Sanchez Carrasco, fisico solare dell'Università dell'Estremadura in Spagna. Queste correlazioni potrebbero essere solo una coincidenza, ha detto, ma c’è anche la possibilità che stiano attingendo a “qualche fisica di base che ancora non comprendiamo”.

E i fisici continuano a provare 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 un mistero associato a serie temporali così lunghe", ha detto l'astrofisico Eurico Covas, collaboratore dell'Istituto di Astrofisica e Scienze Spaziali in Portogallo.

Per ora, Upton ritiene ancora che la previsione del panel non sia ancora morta. "Sembra che il ciclo [forza] potrebbe essere un po' più ampio di quanto avevamo previsto, ma non significativamente più ampio", ha detto. Nota che la curva smussata, una volta inseriti tutti i dati, probabilmente non lo farà deviare in modo altrettanto drammatico come medie mensili tracciate dalla NOAA. E in base all’evoluzione del ciclo attuale, Carrasco concorda sul fatto che il Ciclo 25 sarà probabilmente più forte della previsione del panel ma comunque più debole della media. “I prossimi sei mesi sono fondamentali per vedere dove sta andando il Ciclo Solare 25”, ha affermato.

Nonostante queste incertezze, Leamon è fiducioso che i fisici siano vicini a riuscire a formulare previsioni accurate. Entro il 2030, quando si riunirà il prossimo panel, “avremo una gestione molto migliore della questione”, ha affermato. "Questo sarà l'ultimo ciclo che non comprendiamo appieno."