“Probabilmente nessun sottocampo della meteorologia ha avuto tanto impegno dedicato a sé quanto gli effetti della variabilità solare sul tempo e sul clima. E nessuno ha avuto così poco da mostrare per il lavoro di ricerca.” Helmut E. Landsberg (1982)
1.1 Introduzione
Il sole è stato identificato come la fonte del clima sin dall’alba dell’intelligenza umana, e di conseguenza il sole è stato adorato in molte culture antiche. Le grandi macchie solari sono visibili a occhio nudo quando il sole è basso sull’orizzonte e parzialmente oscurato da polvere o fumo. Diversi miti e iconografie suggeriscono che le macchie solari fossero conosciute alle culture antiche dell’America, dell’Africa e dell’Asia; tuttavia, la prima menzione scritta di una macchia solare proviene dal De Signis Tespestatum di Teofrasto c. 325 a.C. Questo primo record scritto della variabilità solare era già collegato a un effetto climatico, poiché Teofrasto ne menziona l’associazione alla pioggia. Teofrasto è considerato il padre della botanica ed era lo studente di Aristotele che gli succedette come capo del Liceo quando Aristotele, insegnante di Alessandro Magno, dovette fuggire da Atene a causa del sentimento anti-macedone. La menzione di passaggio di Teofrasto delle macchie solari deve aver fatto riferimento a una conoscenza comune del passato, poiché visse durante il grande minimo solare greco del 390-310 a.C. (Usoskin 2017) ed è molto improbabile che qualcuno a quel tempo avrebbe potuto vedere una macchia solare a occhio nudo. La maggior parte delle osservazioni di macchie solari a occhio nudo note a noi provengono dalla Cina, dove sono stati trovati registri a partire dal 165 a.C. Il più antico disegno noto di macchie solari reali proviene dal Chronicon ex chronicis di John of Worcester, datato nel manoscritto a dicembre 1128, durante il massimo solare medievale.
Le aurore sono un fenomeno luminoso atmosferico che risulta dall’interazione del vento solare e del campo geomagnetico, solitamente prodotto tra 10-20° dai poli geomagnetici. Aurora è la dea romana dell’alba, sorella di Sol e Luna. Ogni mattina apriva i cancelli del cielo per far sorgere il sole e poi attraversava il cielo del primo mattino nel suo carro per segnalare un nuovo giorno. Il nome aurora borealis è stato dato al fenomeno atmosferico da Galileo nel 1619, indicando la sua direzione settentrionale (boreale). Le aurore sono occasionalmente viste a medie latitudini e raramente a basse latitudini, quando una tempesta geomagnetica allarga temporaneamente l’ovale aurorale. Le aurore sono state osservate fin dall’antichità. I primi registri di aurora sembrano essere tre tavolette d’argilla assire c. 660 a.C. (Hayakawa et al. 2019). Il profeta Ezechiele ha registrato un’aurora c. 593 a.C. nella Bibbia, e Aristotele scrisse delle aurore nel suo trattato Meteorologica nel 340 a.C. Tuttavia, l’associazione delle aurore all’attività solare era impossibile da fare fino all’arrivo della scienza moderna. Anders Celsius fu il primo a proporre che le aurore fossero legate al campo magnetico terrestre nel 1733, ma il collegamento solare dovette aspettare l’evento Carrington del 1859, quando l’esplosione solare rilevata da Richard Carrington e Richard Hodgson che causò una grande perturbazione geomagnetica fu seguita dall’aurora più intensa e a più bassa latitudine nella storia registrata. I registri storici delle aurore dall’antichità vengono utilizzati, insieme ai registri storici delle macchie solari a occhio nudo, per studiare l’attività solare passata.
L’invenzione del telescopio nel 1608 fu presto seguita da molteplici osservazioni telescopiche delle macchie solari. I primi registri corrispondono a Thomas Harriot nel 1610, e la prima pubblicazione a Johannes Fabricius nel 1611 (Vázquez & Vaquero 2009). Galileo Galilei e Christoph Scheiner effettuarono osservazioni sistematiche delle macchie solari nel 1612, rendendosi entrambi conto che non erano mai lontane dall’equatore solare e ruotavano con il sole. Le osservazioni telescopiche delle macchie solari arrivarono proprio in tempo per registrare il grande minimo solare (GSM) di Maunder dal 1645 al 1715 circa. Da allora non si è verificato alcun altro GSM, poiché il minimo di Dalton non era un GSM (Usoskin 2017).
Almeno una stella variabile era nota agli antichi egizi tre millenni fa. Ora ci sono prove che il calendario del Cairo, datato 1244-1163 a.C., registra come giorni fortunati e sfortunati il periodo della stella binaria Algol, associata al dio egizio Horus (Jetsu & Porceddu 2015). Algol fu la seconda stella variabile descritta dagli astronomi moderni nel 1669. Fu preceduta dalla scoperta che Mira pulsava con un periodo di 11 mesi da Johannes Holwarda nel 1638. Il numero di stelle variabili conosciute crebbe lentamente fino a c. 1850 quando accelerò, e in particolare dall’introduzione dell’astrofotografia negli anni 1880. Il catalogo generale delle stelle variabili 2017 (versione GCVS 5.1) contiene dati per 52.011 stelle variabili. Il sole è attualmente considerato una stella variabile con una variazione molto lieve di un millimagnitudine. Oltre l’80% delle stelle simili al sole mostrano una variabilità come il sole (Connolly et al. 2021).
Fig. 1.1. Punti di riferimento storici Sole-Clima. Attività solare dal 1600 dopo Usoskin et al. 2021 (Fig. 8), e Wu et al. 2018 per il 20° secolo, in unità di flusso solare aperto Weber. Alcuni punti di riferimento nello studio dell’effetto sole-clima sono indicati. 1608, invenzione del telescopio. 1801, ipotesi di Herschel sulle macchie solari-clima. 1843, scoperta del ciclo solare di Heinrich Schwabe. 1968, scoperta di Roger Bray del ciclo di attività solare di 2500 anni associato a un ciclo climatico di 2500 anni. 1974, Colin Hines propone un meccanismo sole-clima mediato dalle onde planetarie. 1976, articolo di riferimento di John Eddy sul Minimo di Maunder. 1986, scoperta di Karin Labitzke del primo solido effetto sole-clima nell’atmosfera polare durante gli inverni. 1996, proposta di Joanna Haigh del meccanismo sole-clima “top-down”. 2022, proposta dell’ipotesi del meccanismo sole-clima “Custode Invernale”.
Con l’avvento del telescopio e l’interesse per le macchie solari, è sorta la speculazione che i cambiamenti nel numero di macchie solari e i cambiamenti del tempo fossero correlati, come suggerito da Teofrasto nel 325 a.C. L’astronomo gesuita italiano Giambattista Riccioli e l’astronomo messicano José Antonio Alzate fecero la stessa suggestione rispettivamente nel 1651 e nel 1784.
Musicista, compositore, matematico, astronomo e il miglior costruttore di telescopi del suo tempo, il scopritore di Urano e della radiazione infrarossa, William Herschel fu il primo a proporre che il sole fosse una stella variabile e le macchie solari riflettevano cambiamenti nell’attività solare che avevano un effetto sul clima. In un articolo presentato nel 1801 alla Royal Society disse:
“Sono ora molto inclinato a credere che… [abbondanti macchie solari], ci possano far aspettare un’emissione copiosa di calore, e quindi stagioni miti. E che al contrario,… l’assenza di… [macchie solari], indicherà un’emissione limitata di calore, può indurci ad aspettarci stagioni severe” (Herschel 1801).
È interessante notare che Herschel fu anche il primo a correlare correttamente un maggior numero di macchie solari a maggiori emissioni solari, a differenza di tutti gli osservatori precedenti e quasi tutti quelli che lo seguirono fino al 20° secolo. Poi procedette a mettere in relazione il prezzo del grano dal 1650, ottenuto dal “The Wealth of Nations” di Adam Smith, con i primi resoconti sulle macchie solari, trovando una corrispondenza. La proposta di Herschel di questa corrispondenza è probabilmente errata. Lui stesso avvertì che il criterio probabilmente non era reale poiché il prezzo delle merci è anche regolato dalla loro domanda, ma la mancanza di registri di temperatura non gli lasciava altra scelta. La figura 1.2 mostra che la produzione di grano è una scelta migliore, come ci si aspetterebbe. La grande mortalità dalla carestia del 1317 e la Peste Nera dal 1346 che uccise un terzo della popolazione europea risultò in una diminuzione della domanda che mantenne bassi i prezzi del grano nonostante la caduta della produzione durante il Minimo di Spörer c. 1400-1500.
La proposta di Herschel sul clima solare fu accolta con derisione. Lord Brougham la derise e la chiamò “una grande assurdità”, e proseguì dicendo che “dalla pubblicazione del viaggio di Gulliver a Laputa, nulla di così ridicolo è mai stato offerto al mondo” (Edinburgh Review 1803).
Le dettagliate osservazioni solari di Herschel avrebbero potuto rivelare il ciclo solare di 11 anni, tranne che si svolsero durante il Minimo di Dalton. Questa scoperta doveva aspettare Heinrich Schwabe che stava cercando un ipotetico pianeta all’interno dell’orbita di Mercurio, chiamato Vulcano, proposto da molti astronomi dell’epoca. Per 17 anni (solo uno e mezzo periodi!) fece dettagliate osservazioni solari cercando di distinguere un transito di Vulcano tra le macchie solari. Pubblicava le sue osservazioni solari ogni anno, e nel 1843 riferì:
“Dalle mie precedenti osservazioni, che ho riportato ogni anno in questa rivista, risulta che c’è una certa periodicità nell’apparizione delle macchie solari e questa teoria sembra sempre più probabile dai risultati di quest’anno. … Se si confronta il numero di gruppi con il numero di giorni in cui non sono visibili macchie, si troverà che le macchie solari hanno un periodo di circa 10 anni, e che per cinque anni di questo periodo appaiono così frequentemente che in quel tempo ci sono pochissimi o nessun giorno in cui non si vedono macchie” (Schwabe 1843).
L’idea di Schwabe attirò poca attenzione fino all’inclusione dei suoi dati sulle macchie solari nell’opera monumentale Kosmos di Alexander von Humboldt del 1851. Quattro astronomi, tra cui Rudolf Wolf, direttore dell’osservatorio di Berna, notarono che le periodiche variazioni delle piccole fluttuazioni giornaliere nel campo geomagnetico corrispondevano in periodo ed epoca, con il ciclo delle macchie solari descritto da Schwabe. Rudolf Wolf iniziò quindi uno studio sistematico delle variazioni solari dando origine al registro delle macchie solari. Heinrich Schwabe, nonostante non avesse trovato Vulcano (è nel sistema triplo di stelle 40 Eridani, secondo Star Trek), ricevette la Medaglia d’Oro della Royal Astronomical Society nel 1857.
La scoperta del ciclo solare scatenò una frenesia di trovare periodicità di 11 anni in qualsiasi record meteorologico. Negli anni 1860 furono pubblicati solo tre articoli sulla connessione sole-clima. Nel decennio successivo furono più di cento (Hoyt & Schatten 1997), e nei decenni successivi continuarono a moltiplicarsi. Nel 1958 l’American Meteorological Society elencò 1278 articoli sulle relazioni sole-clima nella sua bibliografia. La maggior parte degli studi sole-clima tra il 1870 e il 1920 concordavano sul fatto che vi era una correlazione negativa tra le macchie solari e le temperature nella maggior parte dei luoghi in cui si poteva trovare una buona correlazione.
Da questo periodo spiccano gli studi di Wladimir Köppen. Köppen stabilì un sistema di classificazione del clima ancora in uso, e fece importanti contributi a diverse branche della scienza. Fu uno dei principali scienziati climatologi del suo tempo e, con suo genero Alfred Wegener, diede un supporto cruciale alla teoria di Milankovitch. Gli studi sole-clima di Köppen erano rigorosi. Il suo articolo del 1873 sul periodo undecennale della temperatura fu il più completo fino a quel tempo e ne pubblicò un aggiornamento nel 1914. Concluse che il sole causa effettivamente una periodicità nella temperatura superficiale della Terra, non solo in molti luoghi ma anche su scala emisferica e globale. A quel tempo, i piccoli cambiamenti nei livelli di CO2 non avrebbero potuto essere la causa dei cambiamenti climatici rilevati da Köppen.
All’inizio del secolo il consenso era che non vi fosse alcun dubbio che i cicli solari di 11 e 22 anni fossero correlati negativamente con la temperatura superficiale nella maggior parte delle località e anche emisfericamente e globalmente, mostrando una correlazione positiva con le precipitazioni a basse e alte latitudini e una negativa a latitudini medie. Nel 1903 Nordmann affermò: “La temperatura media terrestre mostra un periodo sensibilmente uguale a quello delle macchie solari; l’effetto delle macchie è di diminuire la temperatura media terrestre, cioè la curva che rappresenta le variazioni di questa è parallela alla curva inversa della frequenza delle macchie solari.” (Hoyt & Schatten 1997).
Fig. 1.2. L’effetto dei cambiamenti climatici della Piccola Era Glaciale sulle società umane in Europa. a) La ricostruzione dell’attività solare mostra i minimi solari di Wolf, Spörer, Maunder e Dalton. Secondo Wu et al. (2018). La regressione quadratica (linea sottile) segue il cambiamento a lungo termine nell’attività solare. b) Prezzo del grano in fiorini olandesi per 100 kg (invertito), per la Francia (linea continua), l’Inghilterra (linea tratteggiata) e la Germania (linea puntata). Secondo Lamb (1995). c) Rendimento netto per acro delle tre principali colture di grano in Inghilterra, con dati annuali (linea sottile) e tendenza a lungo termine (linea spessa). Secondo Campbell & Ó Gráda (2011). d) Crescita della popolazione dell’emisfero settentrionale in %. Secondo Zhang et al. (2011). I riquadri in basso identificano i periodi considerati come la crisi del 14° e del 17° secolo dagli storici. Le barre verticali (ACE, evento climatico improvviso) sono periodi di deterioramento del clima. Secondo Vinós (2022).
1.3 Il costante solare e la discredito del subcampo
La quantità di energia solare che raggiunge la Terra, o irradiamento solare totale (TSI), ha iniziato ad essere misurata con l’invenzione del pirheliometro di Claude Poillet nel 1837. L’accuratezza dei dati durante il XIX secolo era scarsa a causa dell’inaffidabilità dei primi strumenti e della mancanza di una corretta standardizzazione nelle prime misurazioni. Nonostante queste lacune, gli astrofisici dell’epoca notarono che le variazioni nel TSI dovevano essere molto piccole, dando origine al concetto di costante solare. Nel 1878 Samuel Langley inventò il bolometro e nel 1890 divenne direttore dello Smithsonian Astrophysical Observatory. Con l’aiuto di Charles Abbot, che gli succedette nel 1906, istituirono un programma per determinare le variazioni della costante solare con stazioni situate sulle cime delle montagne negli Stati Uniti e in Cile. I dati dal 1923 al 1954 mostravano piccole variazioni associate al ciclo solare dello 0.02–0.25% e un controverso aumento dello 0.2% durante il periodo di 31 anni. Charles Abbot era convinto della connessione sole-clima, e dopo la fine del programma scrisse nel primo numero dell’ora chiamato Solar Energy Journal che: “Poiché la radiazione solare e il tempo sembrano essere influenzati da identici periodi di variazione, è quindi probabile che i cambiamenti climatici siano prodotti da variazioni solari”. Procedette poi a confrontare le previsioni solari per le precipitazioni e la temperatura a St. Louis e Peoria con i dati meteorologici reali dal 1854 al 1939, come prova della sua tesi (Abbot 1957). Tuttavia, riconobbe la difficoltà di attribuire cambiamenti meteorologici significativi a tali piccole variazioni nella costante solare, riconoscendo che l’opinione generale era contraria alla sua ipotesi.
Il consenso dell’epoca era cambiato dal sostenere la connessione sole-clima all’inizio del XX secolo al rifiutarla a metà secolo. Il cambiamento non avvenne a causa di una migliore determinazione della costante solare, che all’epoca poteva ancora accomodare una variabilità significativa, ma per qualcosa che accadde intorno al 1920. Tutte quelle correlazioni statisticamente significative che i migliori scienziati dell’epoca, come Wladimir Köppen, avevano trovato in circa sette decenni di dati meteorologici (c. 1840–1910), iniziarono a fallire intorno al 1920, o ancora peggio si invertirono, qualcosa che nessuno poteva spiegare. La situazione divenne molto confusa, alcuni autori affermavano una correlazione positiva, altri una correlazione negativa, e altri ancora nessuna correlazione. Furono proposte ipotesi elaborate, indicando un paradigma in difficoltà, e l’intero subcampo cadde in disgrazia. Nel 1950 lo studio delle relazioni sole-clima era considerato da molti un’attività indecorosa per un meteorologo (Hoyt & Schatten 1997), e questo stato fu riconosciuto da Abbot nel suo articolo del 1957. Fig. 1.3. Grafico di alcune inversioni di correlazione (R) e fallimenti (F) per variabili meteorologiche selezionate e macchie solari. Da Herman & Goldberg 1978.
Il momento dell’inversione del segno in diverse correlazioni sole-clima tendeva ad aggregarsi tra il 1920–30 (Fig. 1.3). La correlazione della temperatura si invertì, così come molte altre variabili meteorologiche, come le precipitazioni, i venti, la posizione preferenziale dell’Islanda bassa, e la forza del monsone indiano. Anche se le inversioni di segno non potevano essere spiegate, suggerivano comunque una relazione sole-clima, solo non una basata su cambiamenti del TSI, poiché la relazione tra le emissioni solari e l’attività delle macchie solari non si inverte. Questa importante conclusione sfuggì alla maggior parte dei ricercatori sul clima dell’epoca e sfugge a molti di loro oggi. All’inizio del XX secolo, i cambiamenti climatici erano sconosciuti, ma oggi si sa che c. Nel 1924 si verificò un cambiamento di regime nel Pacifico da un’Oscillazione Decadale del Pacifico fredda a una calda (Mantua & Hare 2002). Questo cambiamento avvenne subito dopo il minimo solare del 1923, e risultò in un riscaldamento globale (il riscaldamento precoce del XX secolo), nonostante l’attività solare fosse al di sotto della media fino al 1934.
Fig. 1.4. Una inversione di correlazione sole-precipitazioni c. 1800 riportata nel 2005. c) Cambiamento del 14C atmosferico come indicatore inverso dell’attività solare. W, S, M, D, corrispondono ai minimi di Wolf, Spörer, Maunder e Dalton. d) Livelli del Lago Victoria inferiti dai diatomee di acque poco profonde (SWD) in un nucleo. e) Livelli del Lago Naivasha (Kenya) in metri. Linea verticale tratteggiata e freccia indicano un’inversione sole–clima durante il minimo delle macchie solari di Dalton. Da Stager et al. 2005.
Secondo Hoyt e Schatten (1997) le correlazioni sole-temperatura sono cambiate di segno diverse volte durante gli ultimi 400 anni ed erano negative tra il 1600-1720 e il 1800-1920, e positive tra il 1720-1800 e il 1920 e il presente. Il cambiamento di segno nel 1800 è illustrato nella figura 1.4.
1.4 Roger Bray, John Eddy e la rinascita degli anni ’70
Mentre il subcampo sole-clima stava cadendo in disgrazia, i semi per la sua rinascita venivano piantati. Andrew Douglass era un astronomo che era stato licenziato da Percival Lowell nel 1901 per il suo scetticismo sulla natura artificiale dei canali marziani. Durante l’intera sua carriera, Douglass fu convinto dell’effetto sole-clima, e nel 1904 notò una correlazione tra la larghezza degli anelli degli alberi in Arizona, legata alle condizioni di precipitazione, e le macchie solari. Inseguendo questa relazione, sviluppò il nuovo subcampo della dendrocronologia nei successivi 40 anni, l’unico metodo preciso per datare antiche strutture fino all’avvento della datazione al radiocarbonio. Douglass studiò gli anelli annuali degli alberi in relazione al clima e all’attività solare ed fu il scopritore del ciclo solare centenario (da lui chiamato ciclo solare triplo-triplo). Non lo trovò nei registri delle macchie solari, ma nel suo effetto climatico sulla crescita degli anelli delle sequoie (Douglass 2019). È l’unica istanza di un ciclo solare identificato per la prima volta nel record paleoclimatico.
Willard Libby sviluppò la datazione al radiocarbonio alla fine degli anni ’40. Perché il metodo fosse accurato, era essenziale conoscere come il rapporto 14C/12C atmosferico fosse cambiato nel tempo. Gli scienziati dovevano costruire una curva di calibrazione (IntCal) da anelli di alberi datati con precisione con il metodo dendrocronologico di Douglass, per trasformare i rapporti di radiocarbonio in età del calendario. Hans Suess in California e Minze Stuiver in Arizona erano tra quelli che guidavano lo sforzo. Nel 1961, Stuiver fu il primo a suggerire che le variazioni del 14C atmosferico che duravano pochi secoli o meno erano dovute alla modulazione solare della produzione di raggi cosmici 14C nella alta atmosfera (Stuiver & Quay 1980). All’improvviso il sole sembrava essere più variabile su lunghi periodi di tempo di quanto non indicassero le recenti misurazioni della costante solare.
Questa scoperta ha aperto la porta all’uso delle recentemente ricostruite variazioni del 14C per studiare la variabilità solare e la sua relazione con i cambiamenti climatici nel passato lontano. A partire dal 1963, e basandosi sui suoi studi glaciologici e botanici, Roger Bray propose che ci fosse una stretta relazione tra l’attività solare e il clima durante i secoli e i millenni passati. Nel 1968 identificò il ciclo solare e climatico di 2500 anni che è stato recentemente nominato dopo di lui (Vinós 2016). Questo lungo ciclo solare è il più importante, in termini di effetto climatico, durante l’Olocene. Il calo più recente nel ciclo solare di Bray, durante il 1388-1834 (Bray 1968), coincise con la Piccola Era Glaciale (LIA) scoperta da François Matthes nel 1939. Roger Bray fu il primo a proporre che la LIA avesse una causa solare. Durante gli anni ’60 e ’70 Roger Bray pubblicò 14 articoli su Nature e Science collegando la variabilità solare e l’attività vulcanica ai cambiamenti climatici, ma poiché era un botanico che studiava il clima indipendentemente dalla Nuova Zelanda e lontano da altri scienziati del sole-clima, non gli fu riconosciuto ingiustamente il merito per le sue scoperte. Il suo ciclo fu dato l’assurdo nome di “Hallstatt” da Paul Damon e Charles Sonnet (Damon & Sonnet 1991), nonostante fossero a conoscenza del lavoro di Bray.
Nel 1974 Robert Currie pubblicò uno studio su 226 stazioni meteorologiche in tutto il mondo, che nel 1993 fu aggiornato utilizzando 1.200 stazioni statunitensi. Utilizzando nuovi metodi statistici appena sviluppati, trovò sia un segnale solare di 10,5 sia un segnale lunare di 18,9 in molti di loro, ma interpretò che gli effetti locali potrebbero mascherare il segnale regionale in alcune stazioni. Interessantemente, rilevò che le stazioni a est delle Montagne Rocciose mostravano una correlazione positiva tra l’attività solare e la temperatura, mentre le stazioni a ovest delle Montagne Rocciose mostravano una correlazione negativa (Currie 1993), un effetto non molto diverso dall’inversione del segnale in correlazione osservata negli anni ’20. Nel 1980 Currie rilevò un segnale del ciclo delle macchie solari di 11 anni nella rotazione della Terra. Non fu il primo a farlo dopo l’invenzione dell’orologio atomico, ma dato che gli effetti solari sulla Terra sono così controversi (probabilmente a causa della mancanza di un meccanismo accettato) l’effetto rotazione Sole-Terra è stato “scoperto” indipendentemente molte volte, l’ultima volta nel 2010, e continua ad essere ignorato.
Tuttavia, il primo meccanismo plausibile per l’effetto sole-clima fu suggerito da Colin Hines nel 1974. Un anno prima Wilcox et al. (1973) avevano scoperto che la struttura settoriale del campo magnetico solare influenzava l’area media delle depressioni durante l’inverno nell’emisfero settentrionale ad un’altitudine di 300 mb (circa 30.000 piedi o 9.100 metri). Hines (1974) era scettico su qualsiasi effetto sole-clima, ma suggerì che le onde planetarie soggette a riflessione variabile nella alta atmosfera, potrebbero indurre modelli di interferenza variabili nella bassa atmosfera. Questi potrebbero costituire un possibile candidato per l’effetto, se fosse reale.
Un articolo ampiamente diffuso di Joe King (1975) ha fatto molto per popolarizzare il rinnovato interesse nelle relazioni sole-clima presentando una grande varietà di prove e concludendo che:
“le prove accumulate sono così convincenti che non è più possibile negare l’esistenza di forti collegamenti tra il tempo e i cambiamenti della radiazione.”
Ha preparato la scena per l’articolo fondamentale di John Eddy su Science un anno dopo. Eddy ha portato alla luce la scoperta dimenticata di Gustav Spörer ed Edward Maunder che durante il periodo 1645-1715 il sole si comportava in un modo molto insolito e mostrava pochissime macchie solari. Eddy, molto interessato alla storia dell’astronomia, ha supportato la loro scoperta con osservazioni di macchie solari ad occhio nudo, osservazioni di aurore, osservazioni di eclissi e dati 14C (Eddy 1976). L’articolo su Science sul Minimo di Maunder divenne enormemente popolare. Eddy ha seguito con diversi articoli sulla relazione sole-clima negli ultimi 7500 anni (Fig. 1.5).
George Siscoe ha esaminato con ottimismo il decennio d’oro degli anni ’70 della ricerca sole-clima (Siscoe 1978), citando tre grandi progressi. Quelli di Wilcox ed Eddy, e gli studi che collegano la siccità nel sud-ovest del Nord America al ciclo magnetico solare di Hale di 22 anni. Ma mentre il sottocampo sole-clima era di nuovo pieno di attività, avanzato con incontri ben frequentati, data la sua natura interdisciplinare e controversa, è stato ancora criticato. Barrie Pittock ha pubblicato uno sguardo critico a 140 articoli sul sole-clima (Pittock 1978) e ha concluso “che nonostante un’ampia letteratura sull’argomento, attualmente ci sono poche o nessuna prova convincente di correlazioni statisticamente significative o praticamente utili tra i cicli delle macchie solari e il tempo o il clima.”
Fig. 1.5. Interpretazione della relazione sole-clima degli ultimi 7500 anni di John Eddy. a) Variabilità schematica del 14C che mostra 18 deviazioni dalla norma. I numeri 2 e 3 corrispondono ai minimi di Maunder e Spörer. b) Interpretazione dell’involucro a lungo termine del ciclo solare basata sui dati del 14C. c) Stime del clima. G1, ghiacciai alpini; G2, ghiacciai mondiali; T, temperatura in Inghilterra; W, gravità dell’inverno per l’area Parigi-Londra. Da Eddy 1977.
1.5 Riscaldamento globale degli anni ’80 e la seconda crisi sole-clima
Negli anni ’80, il rinascimento sole-clima degli anni ’60-’70 fu svuotato di energia da miglioramenti nelle misurazioni della costante solare. I radiometri a cavità furono equipaggiati per la prima volta nell’esperimento Earth Radiation Budget a bordo del satellite Nimbus 7 nel novembre 1978. L’esperimento Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor (ACRIM) iniziò con la Solar Maximum Mission nel febbraio 1980. Per la prima volta i valori della costante solare raggiunsero la precisione di due decimali di percentuale. Il calo della costante solare dal massimo del ciclo solare del 1980 al minimo del 1986 fu determinato essere dello 0,15%, o 2 W/m2. Ma il cambiamento annuo era stato già determinato nel 1982 essere solo dello 0,02%. La grande maggioranza dei ricercatori credeva che solo i cambiamenti nell’energia totale potessero influenzare il clima, per loro un cambiamento di ± 0,07% non poteva produrre effetti significativi. Quelli che difendevano l’idea che piccoli cambiamenti solari potessero agire su instabilità atmosferiche che amplificavano il loro effetto climatico erano in contrasto nel spiegare come potessero farlo in un’atmosfera inherentemente instabile.
Nel 1980 Nastrom e Belmont sembravano aver identificato come l’effetto sole-clima stava agendo. Utilizzando dati di radiosonde per 174 stazioni nell’emisfero settentrionale per il periodo 1949-1973, hanno scoperto che i venti troposferici mostravano un chiaro segnale solare. Hanno scoperto che la velocità del vento e la temperatura rispondevano al ciclo solare, e l’effetto era massimo vicino alla tropopausa durante l’inverno (Nastrom & Belmont 1980). Nel 1983 gli stessi autori dichiararono il loro risultato statisticamente insignificante dopo ulteriori test (Venne et al. 1983). Sempre nel 1980 Minze Stuiver, l’autorità in datazione al radiocarbonio che aveva avviato le ricostruzioni dell’attività solare passata nel 1961, pubblicò un influente articolo su Nature confrontando la nuova dettagliata ricostruzione della variabilità del 14C e diversi lunghi record climatici (Stuiver 1980). Ha concluso che periodi di bassa attività solare come il minimo di Maunder si erano verificati diverse volte negli ultimi 6.000 anni e che non si poteva stabilire una relazione tra le serie climatiche e il record dell’attività solare derivato dal 14C per il millennio passato.
L’articolo di Minze demolì il lavoro di John Eddy. Due anni dopo, Eddy certificò la morte degli studi sole-clima come scienza mainstream:
“Le misurazioni dei veicoli spaziali hanno stabilito che l’emissione radiativa totale del Sole varia a un livello dello 0,1-0,3%. … Tali cambiamenti possono essere attesi per perturbare la temperatura superficiale terrestre di una frazione di grado centigrado e probabilmente si è trovata evidenza di questo segnale indotto dal sole. L’effetto, seppur importante in termini di comprensione del sistema climatico, è troppo piccolo per essere significativo in previsioni meteorologiche o climatiche pratiche” (Eddy et al. 1982).
Come dice il vecchio proverbio: “Ingannami una volta, vergogna per te, ingannami due volte, vergogna per me”. I ricercatori del sole-clima erano stati bruciati due volte, negli anni ’20 e ’80; non doveva accadere di nuovo. Il sottocampo cadde in completo discredito. Nulla con le parole “solare” e “clima” nella stessa frase doveva essere preso sul serio di nuovo. Il momento era perfetto per l’ipotesi CO2 del cambiamento climatico, poiché il riscaldamento globale iniziò per la seconda volta nel XX secolo e questa volta poteva essere attribuito esclusivamente ai cambiamenti di CO2. Non poteva essere il sole e chiunque lo suggerisse rischiava il ridicolo e una carriera insignificante. Si è arrivati a un punto in cui persino gli evidenti effetti solari sulla rotazione della Terra o sull’El Niño/Southern Oscillation vengono meticolosamente ignorati.
Fig. 1.6. L’attività solare è in aumento dal profondo della Piccola Era Glaciale. La durata di ciascun ciclo solare deve essere presa in considerazione quando si confronta l’attività solare. In alto, la somma delle macchie solari per ogni anno del ciclo è divisa per il numero di anni del ciclo, e la media delle macchie solari dal 1700 al 2020 viene sottratta dal risultato. Il risultato è mostrato come un grafico a barre con larghezza delle barre proporzionale alla durata del ciclo. La linea è la linea di tendenza della regressione lineare. In basso, numero internazionale annuale delle macchie solari da WDC-SILSO. Il periodo 1934-2008 è il periodo di 75 anni con l’attività solare più alta in almeno 700 anni, dato che sappiamo che l’attività solare era molto bassa durante la LIA circa dal 1270. Questo periodo prende il nome di massimo solare moderno. La stretta corrispondenza nel tempo tra il periodo di 75 anni di massima attività solare e il periodo di 75 anni di massimo riscaldamento globale (1925-2000) in 700 anni è improbabile che sia una coincidenza e merita un’indagine approfondita che non sta avvenendo. Da Vinós 2022.
Il cambiamento di rotta era completo per coloro che desideravano proseguire le loro carriere. Wilcox, Svalgaard e Scherrer avevano pubblicato nel 1976 “On the reality of a sun-weather effect” (Wilcox et al. 1976). Erano vicini a risolvere il problema. Si trovavano nella parte giusta del pianeta (l’emisfero settentrionale extratropicale), nel posto giusto (l’alta troposfera-bassa stratosfera), nel momento giusto dell’anno (durante l’inverno), guardando la variabile giusta (pressione), e vedendo un effetto chiaro. Il fatto che l’effetto sole-clima sia più forte nelle latitudini artiche durante l’inverno è ulteriore conferma di ciò che poteva essere dedotto dalla inversione delle correlazioni sole-meteo: Il sole non può influenzare il clima invernale artico attraverso cambiamenti nella TSI perché non c’è irradiazione solare durante la notte polare, e non importa lì quanto piccoli o grandi siano i cambiamenti della TSI per un sole che non brilla. È necessaria l’esistenza di un meccanismo diverso.
Colin Hines (1974) aveva già identificato il meccanismo sole-clima basato sui risultati di Wilcox et al.; era la propagazione differenziale e la riflessione delle onde planetarie dovute ai cambiamenti nella velocità del vento zonale. Gli stessi cambiamenti identificati da Nastrom e Belmont e successivamente scartati. Ma Wilcox et al. si tirarono indietro. Rinunciarono alla loro possibilità di trovare la prova di un effetto sole-clima in questa ricerca climatologica vecchia di 200 anni. Quell’onore sarebbe andato a una donna più interessata alla scienza che alla sua carriera o reputazione. Wilcox, co-autore di et al. Leif Svalgaard ha dedicato i suoi ultimi anni a confutare vigorosamente qualsiasi suggerimento che la variabilità solare possa aver contribuito al riscaldamento globale moderno, e a promuovere instancabilmente un controverso cambiamento nel record delle macchie solari che supporta meglio le sue vedute.
Karin Labitzke e la prima solida prova non riconosciuta del segnale solare
Nel 1982, il National Research Council pubblicò una monografia su “Solar Variability, Weather, and Climate”. Si legge come un certificato di morte del sottocampo. Include articoli di James Holton e Barrie Pittock, tra gli altri, sotto la presidenza di John Eddy. James Holton, uno dei massimi esperti di atmosfera, analizzò i possibili meccanismi fisici per un effetto sole-clima attraverso un accoppiamento dinamico tra stratosfera e troposfera in una luce negativa (Holton 1982). Quando considerava il meccanismo di Hines (1974), Holton ammise che i cambiamenti del flusso stratosferico legati alla variabilità solare potrebbero alterare la riflessione/assorbimento delle onde planetarie e attraverso l’interferenza delle onde produrre effetti nella troposfera. Secondo lui, questo meccanismo forniva un possibile collegamento tra la variabilità solare e il clima e il tempo troposferici, che potrebbe essere significativo nonostante l’enorme differenza di energia tra l’input solare e la risposta climatica. Tuttavia, concluse che il meccanismo era speculativo.
Due anni prima, Holton e Tan (1980) avevano pubblicato un articolo fondamentale scoprendo che i venti stratosferici equatoriali, nonostante circondassero la Terra ad alta quota sopra l’equatore, modulavano la circolazione globale. Questi venti sono noti come Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) perché alternano direzione tra est e ovest con una quasi-periodicità leggermente superiore a due anni. L’effetto del QBO sulla circolazione dell’emisfero settentrionale scoperto da Holton e Tan era quello di alterare il geopotenziale medio (pressione) al polo durante l’inverno attraverso le onde planetarie. Questa scoperta avrebbe dovuto sollevare ogni tipo di domanda sulla possibile partecipazione dell’attività solare, dato che era chiaramente legata ai risultati di Wilcox e altri, e coinvolgeva il meccanismo delle onde planetarie di Colin Hines, ma al tempo una spiegazione solare era (ed è ancora) inaccettabile per la maggior parte degli accademici. Durante l’inverno, forti venti occidentali circondano la regione polare intrappolando un centro di bassa pressione di aria fredda, formando un forte vortice polare. La modulazione del vortice polare del QBO è così importante che ha ricevuto il nome di “effetto Holton-Tan”. È interessante notare che la modulazione geopotenziale polare del QBO era significativa solo durante la stagione invernale quando il vento zonale medio è occidentale e le onde planetarie si propagano verticalmente. Holton e Tan dovevano introdurre la condizione delle onde planetarie perché a volte la correlazione si interrompeva.
Karin Labitzke (1987) notò che la correlazione vortice polare-QBO a volte si interrompeva durante la fase occidentale del QBO, ma solo quando l’attività solare era vicino al suo massimo ciclico. Decise di segregare i dati sulle temperature polari stratosferiche in base alla fase QBO. La correlazione molto bassa tra l’attività solare e le temperature polari, quando si considerano tutti i dati, diventa molto alta usando i dati segregati (Fig. 1.7). Dopo 186 anni Labitzke aveva risolto la ricerca iniziata da William Herschel nel 1801. In un articolo successivo con Harry van Loon (Labitzke & van Loon 1988) estesero lo studio sull’effetto solare sulla pressione atmosferica invernale e sulla temperatura all’emisfero settentrionale della troposfera. Una conclusione principale da questo lavoro è che il segnale del QBO nella stratosfera extratropicale veniva rafforzato nei minimi solari e indebolito nei massimi solari. Il fatto che l’orientamento del QBO capovolga l’effetto solare da un segno al suo opposto non è dissimile da altri ribaltamenti di segno nella correlazione dell’effetto sole-clima, e una terza indicazione che l’effetto non può essere mediato da cambiamenti nel TSI.
Nel manuale indispensabile di Peixoto e Oort (1992) sulla Fisica del Clima, i risultati di Labitzke e van Loon furono correttamente valutati. Dopo averlo dichiarato la prova statistica più convincente di una relazione sole-meteo trovata, continuano:
“Anche sulla superficie terrestre, le correlazioni tra l’attività solare e la pressione al livello del mare o la temperatura superficiale … sono insolitamente alte e sembrano spiegare una frazione importante della variabilità interannuale totale nella circolazione invernale” (Peixoto & Oort 1992).
Tuttavia, la conclusione della ricerca di 186 anni di Labitzke per un effetto sole-clima, iniziata da William Herschel nel 1801, non poteva essere arrivata in un momento più scomodo. Il riscaldamento globale era già attribuito al CO2 e il dogma scientifico era completamente contrario alla sua scoperta, poiché tutti gli studi sole-clima erano stati screditati. James Holton disse:
“Superficialmente, non riesco a trovare nulla di sbagliato, ma non c’è assolutamente nessuna base fisica, e questo mi disturba. Queste persone hanno la correlazione più alta che abbia mai visto, ma se fossi un scommettitore, scommetterei contro.” (Kerr, 1987).
Aveva scoperto un effetto chiaro e indiscutibile dell’attività solare sul clima. Non poteva essere contestata, ma poteva essere ignorata. E sarebbe stata ignorata come una curiosità con poco effetto pratico, e nessun posto nella comprensione moderna del clima.
Fig. 1.7. La scoperta di Karin Labitzke nel 1987 di un effetto sole-clima. A) Mancanza di correlazione tra la temperatura stratosferica del polo nord invernale e l’attività solare (flusso solare a 10,7 cm) quando si considerano i dati di tutti gli anni. B) Chiara correlazione positiva quando si considerano solo gli anni di fase occidentale del QBO. Non mostrato è la chiara correlazione negativa quando si considerano solo gli anni di fase orientale del QBO. Da Kerr 1987.
1.7 Conseguenze
Il consenso scientifico riguardo a un importante effetto sole-clima è passato dall’essere contrario, prima del 1850, a essere favorevole tra gli anni 1860-1920, negativo dagli anni 1920-1960, positivo di nuovo negli anni 1960-1970, e poi negativo dagli anni 1980. Questo dimostra solo che il consenso scientifico non ha posto nella scienza. Le opinioni degli scienziati non sono scienza. Solo le prove costituiscono la scienza. Anche se le prove possono essere respinte o ignorate, esse rimangono, aspettando il momento in cui saranno adeguatamente rivalutate.
La caduta del sotto-campo sole-clima all’inizio degli anni ’80 ha scoraggiato ulteriori ricerche su come la variabilità solare influisce sul clima. Il rafforzamento dell’ipotesi CO2 del cambiamento climatico, sostenuta politicamente, ha trasformato il sotto-campo in una zona morta scientifica. Solo una manciata di ricercatori ha deciso di pagare il pesante prezzo reputazionale e di carriera per perseguire questo interesse di ricerca. Il difficile argomento di ricerca sulla relazione sole-clima ha conosciuto scarso progresso tra il 1870 e il 1980, considerando la quantità di lavoro di ricerca investito. Trasformarlo in un campo screditato dopo il 1980 ha portato a un progresso più lento nonostante i rapidi avanzamenti in climatologia nei decenni successivi.
Nonostante queste difficoltà, poiché i modelli cercano di riprodurre fenomeni reali, e la rianalisi è alimentata da dati climatici reali, l’effetto sole-clima continua ad apparire, sfidando i tentativi di mantenerlo sepolto. Nel 1996 Joanna Haigh ha mostrato in un articolo fondamentale su Science che i cambiamenti nella circolazione atmosferica, riprodotti solo debolmente nei modelli, avevano un’origine solare chiara (Haigh 1996). I cambiamenti dell’ozono tropicale sembravano essere critici per l’effetto nel modello. Presto divenne chiaro che i cambiamenti nel TSI durante il ciclo solare non coinvolgevano abbastanza energia per spiegare gli effetti climatici osservati. Quindi, si supponeva che qualche tipo di meccanismo amplificatore fosse responsabile. Anche se i modelli climatici non hanno incluso la stratosfera fino a poco tempo fa, Haigh ha sviluppato quello che è noto come il “meccanismo dall’alto verso il basso” per amplificare l’effetto solare sul clima (Fig. 1.8).
Fig. 1.8. Meccanismo dall’alto verso il basso per amplificare l’effetto solare sul clima. La radiazione UV solare agisce sullo strato di ozono nella stratosfera aumentando la sua temperatura (T) e la quantità di ozono (O3). Il cambiamento di temperatura altera il gradiente di temperatura latitudinale, e attraverso l’equilibrio del vento termico, influenza i venti zonali medi (ΔU). Il cambiamento nei venti zonali altera le proprietà dell’atmosfera per la propagazione delle onde planetarie. L’effetto crea una divergenza anomala (>0) del flusso di Eliassen-Palm (F) proporzionale alla vorticita potenziale turbolenta, cambiando la deposizione del momento e dell’energia cinetica. La forza del vortice polare (non mostrata) dipende da questi cambiamenti, guidando le variazioni nell’Oscillazione Artica (AO), nell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO), e nelle circolazioni di Hadley e Walker. Le frecce spesse interrotte indicano il coupling. Da Gray et al. 2010.
L’attuale visione ortodossa dell’effetto sole-clima può essere riassunta nella revisione del 2017 di Judith Lean. L’aumento dello 0,1% nell’irradianza totale tra il minimo e il massimo solare è associato a un aumento di 0,1 °C nella temperatura superficiale globale della Terra. Ci sono processi dinamici che alterano la risposta regionale sia in superficie che nell’atmosfera. L’effetto di un grande minimo solare, come il Minimo di Maunder, è considerato inferiore a pochi decimi di un °C di raffreddamento globale (Lean 2017).
Nelle cinque parti successive di questa serie di articoli spiegheremo l’ipotesi del Winter Gatekeeper sull’effetto sole-clima recentemente proposta (Vinós 2022). Coinvolge alcuni fenomeni climatici molto complessi, il che spiega perché è sfuggita alla scoperta per 220 anni. Nella prossima parte vedremo che l’ortodossa visione del cambiamento climatico sancita dall’IPCC ignora gli effetti della variabilità solare su almeno cinque fenomeni molto importanti legati al clima che la smentiscono sostanzialmente. Si spera che sia arrivato il momento per un altro ribaltamento nel consenso sole-clima.
Nota: Questa è la prima di una serie di sei parti sull’effetto della variabilità solare sul cambiamento climatico. La precedente serie di 13 parti di Javier sul cambiamento climatico è stata pubblicata tra il 2016 e il 2018 e può essere letta su judithcurry.com introducendo “Nature Unbound” nella casella di ricerca. Ha generato oltre 4.000 commenti ed è stata la base del suo libro di settembre 2022, Climate of the Past, Present and Future. A Scientific Debate, 2nd ed., dove è incluso parte del materiale di questa serie.
Glossario [Vinos&May-AbbrevGlossary]
Bibliografia [Vinos&May-Bibliography ]