“Probabilmente nessun campo della meteorologia è stato oggetto di tanti sforzi 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)
INTRODUZIONE
Il sole è stato identificato come la fonte del clima fin dagli albori dell’intelligenza umana e di conseguenza è stato venerato 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 note alle antiche culture delle Americhe, dell’Africa e dell’Asia; tuttavia, la prima menzione scritta di una macchia solare proviene dal De Signis Tespestatum di Teofrasto del 325 a.C. circa. Questa prima testimonianza scritta della variabilità solare era già legata a un effetto climatico, dato che Teofrasto ne cita l’associazione con la pioggia. Teofrasto è considerato il padre della botanica ed era l’allievo di Aristotele che gli succedette alla guida del Liceo quando Aristotele, maestro di Alessandro Magno, dovette fuggire da Atene a causa dei sentimenti antimacedoni. La menzione delle macchie solari da parte di Teofrasto deve riferirsi a conoscenze comuni del passato, poiché egli visse durante il grande minimo solare greco del 390-310 a.C. (Usoskin 2017) ed è molto improbabile che qualcuno a quel tempo potesse vedere una macchia solare a occhio nudo. La maggior parte delle osservazioni delle macchie solari a occhio nudo a noi note proviene dalla Cina, dove sono state trovate registrazioni a partire dal 165 a.C.. Il più antico disegno conosciuto di macchie solari reali proviene dal Chronicon ex chronicis di Giovanni di Worcester, datato nel manoscritto al dicembre 1128, durante il grande massimo medievale di attività solare.
Le aurore sono un fenomeno di luce atmosferica che deriva dall’interazione tra il vento solare e il 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 le porte del cielo per far sorgere il sole e poi correva nel cielo del primo mattino con il suo carro per avvisare del nuovo giorno. Il nome di aurora boreale fu dato al fenomeno atmosferico da Galileo nel 1619, indicando la sua direzione settentrionale (boreale). Le aurore si osservano occasionalmente alle medie latitudini e raramente alle basse latitudini, quando una tempesta geomagnetica allarga temporaneamente l’ovale aurorale. Le aurore sono state osservate fin dall’antichità. Le prime testimonianze di aurore sembrano essere tre tavolette di argilla assira del 660 a.C. circa (Hayakawa et al. 2019). Anche il profeta Ezechiele registrò un’aurora nel 593 a.C. e Aristotele scrisse delle aurore nel suo trattato Meteorologica nel 340 a.C.. Tuttavia, l’associazione delle aurore all’attività solare è stata impossibile 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 per il collegamento con l’attività solare si dovette attendere fino all’evento Carrington del 1859, quando l’eruzione 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 della storia registrata. Le registrazioni storiche delle aurore dall’antichità sono utilizzate, insieme alle registrazioni storiche 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 di macchie solari. Le prime registrazioni 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 di non essere mai lontani dall’equatore solare e di ruotare con il sole. Le osservazioni telescopiche delle macchie solari arrivarono giusto in tempo per registrare il grande minimo solare di Maunder (GSM) dal 1645 al 1715 circa. Da allora non si sono verificati altri GSM, poiché il minimo di Dalton non è stato un GSM (Usoskin 2017).
Almeno una stella variabile era nota agli antichi Egizi già tre millenni fa. È ora provato che il Calendario del Cairo, datato 1244-1163 a.C., registra come giorni fortunati e sfortunati il periodo della stella binaria eclissante Algol, associata al dio egizio Horus (Jetsu & Porceddu 2015). Algol è stata la seconda stella variabile descritta dagli astronomi moderni nel 1669. Era stata preceduta dalla scoperta che Mira pulsava con un periodo di 11 mesi da parte di Johannes Holwarda nel 1638. Il numero di stelle variabili conosciute è cresciuto lentamente fino al 1850 circa, quando ha subito un’accelerazione, in particolare dall’introduzione dell’astrofotografia negli anni Ottanta del XIX secolo. Il Catalogo Generale delle Stelle Variabili 2017 (GCVS versione 5.1) contiene dati per 52.011 stelle variabili. Il Sole è attualmente considerato una stella variabile con una variazione molto lieve di una milli-magnitudine. Più dell’80% delle stelle simili al Sole presentano una variabilità simile a quella solare (Connolly et al. 2021).
Fig. 1.1. Punti di riferimento storici del clima solare.
Attività solare dal 1600 dopo Usoskin et al. 2021 (Fig. 8) e Wu et al. 2018 per il XX secolo, in unità Weber di flusso solare aperto. Si riportano alcuni punti di riferimento nello studio dell’effetto sole-clima. 1608, invenzione del telescopio. 1801, ipotesi delle macchie solari-clima di Herschel. 1843, scoperta del ciclo solare da parte 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 John Eddy sul minimo di Maunder. 1986, Karin Labitzke scopre il primo effetto solido sole-clima nell’atmosfera polare durante gli inverni. 1996, Joanna Haigh propone il meccanismo “top-down” del clima solare. 2022, proposta dell’ipotesi del meccanismo climatico solare “Winter Gatekeeper”.
William Herschel, Heinrich Schwabe e la frenesia dei primi climi solari
Con l’avvento del telescopio e l’interesse per le macchie solari, si ipotizzò che le variazioni del numero di macchie solari e le variazioni del tempo fossero correlate, come suggerì Teofrasto nel 325 a.C.. L’astronomo gesuita italiano Giambattista Riccioli e l’astronomo messicano José Antonio Alzate fecero la stessa ipotesi rispettivamente nel 1651 e nel 1784.
Musicista, compositore, matematico, astronomo e miglior costruttore di telescopi del suo tempo, scopritore di Urano e della radiazione infrarossa, William Herschel fu il primo a proporre che il Sole fosse una stella variabile e che le macchie solari riflettessero i cambiamenti dell’attività solare che avevano un effetto sul clima. In un articolo presentato nel 1801 alla Royal Society disse: Sono ora molto incline a credere che … [l’abbondanza di macchie solari], possa indurci ad aspettarci una copiosa emissione di calore, e quindi stagioni miti. E che, al contrario, … l’assenza di … [macchie solari], denota una scarsa emissione di calore, e può indurci ad aspettarci stagioni rigide” (Herschel 1801).
È interessante notare che Herschel fu anche il primo a mettere correttamente in relazione un maggior numero di macchie solari con una maggiore produzione solare, a differenza di tutti gli osservatori precedenti e di quasi tutti quelli che lo seguirono fino al XX secolo. Egli procedette quindi a mettere in relazione il prezzo del grano del 1650, tratto da The Wealth of Nations di Adam Smith, con i primi conti delle macchie solari e trovò una corrispondenza. La proposta di Herschel di questa corrispondenza è probabilmente errata. Egli stesso avvertì che il criterio probabilmente non era reale, poiché il prezzo dei beni è regolato anche dalla loro domanda, ma la mancanza di registrazioni della temperatura non gli lasciò altro metodo. La figura 1.2 mostra che la produzione di cereali è una scelta migliore, come ci si aspetterebbe. La grande mortalità dovuta alla carestia del 1317 e alla peste nera del 1346, che uccise un terzo della popolazione europea, portò a una diminuzione della domanda che mantenne bassi i prezzi dei cereali nonostante il calo della produzione durante il periodo di minimo di Spörer, intorno al 1400-1500. Lord Brougham la definì “una grande assurdità” e continuò dicendo che “dalla pubblicazione dei Viaggi di Gulliver a Laputa, nulla di così ridicolo è mai stato offerto al mondo” (Edinburgh Review 1803).
Fig. 1.2. L’effetto dei cambiamenti climatici della Piccola Età Glaciale sulle società umane europee.
(a) La ricostruzione dell’attività solare mostra i minimi solari di Wolf, Spörer, Maunder e Dalton. Da Wu et al. (2018). La regressione quadratica (linea sottile) segue la variazione a lungo termine dell’attività solare. b) Prezzo del grano in fiorini olandesi per 100 kg (invertito), per Francia (linea continua), Inghilterra (linea tratteggiata) e Germania (linea tratteggiata). Da Lamb (1995). c) Tre colture principali della resa netta di grano per acro in Inghilterra, con dati annuali (linea sottile) e tendenza a lungo termine (linea spessa). Da Campbell & Ó Gráda (2011). d) Crescita della popolazione dell’emisfero settentrionale in %. Da Zhang et al. (2011). Le caselle in basso identificano i periodi considerati dagli storici come le crisi del XIV e XVII secolo. Le barre verticali (ACE, abrupt climate event) indicano i periodi di deterioramento del clima. Dopo Vinós (2022).
Le dettagliate osservazioni solari di Herschel avrebbero potuto rivelare il ciclo solare di 11 anni, ma si svolsero durante il minimo di Dalton. La scoperta dovette attendere 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 un periodo e mezzo!) fece osservazioni solari dettagliate cercando di distinguere un transito di Vulcano tra le macchie solari. Ogni anno pubblicava le sue osservazioni solari e nel 1843 riferì: “Dalle mie precedenti osservazioni, che ho riportato ogni anno in questo giornale, sembra che ci sia 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 scopre che le macchie solari hanno un periodo di circa 10 anni, e che per cinque anni di questo periodo appaiono così frequentemente che durante questo periodo ci sono pochissimi o nessun giorno in cui non sono visibili 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. Allora quattro astronomi, tra cui Rudolf Wolf, direttore dell’osservatorio di Berna, notarono che i cambiamenti periodici nelle piccole fluttuazioni giornaliere del campo geomagnetico corrispondevano, per periodo ed epoca, al ciclo delle macchie solari descritto da Schwabe. Rudolf Wolf iniziò quindi uno studio sistematico delle variazioni solari dando origine al record delle macchie solari. Heinrich Schwabe, nonostante non abbia trovato Vulcano (secondo Star Trek si trova nel sistema di stelle triple 40 Eridani), fu premiato con la medaglia d’oro della Royal Astronomical Society nel 1857. La scoperta del ciclo solare ha scatenato una frenesia nel trovare periodicità di 11 anni in qualsiasi record meteorologico. Negli anni Sessanta dell’Ottocento furono pubblicati solo tre articoli sulla connessione sole-clima. Nel decennio successivo erano più di cento (Hoyt & Schatten 1997) e nei decenni successivi continuarono a moltiplicarsi. Nel 1958 l’American Meteorological Society elencava nella sua bibliografia 1278 articoli sulle relazioni sole-meteo. La maggior parte degli studi sul clima solare condotti tra il 1870 e il 1920 concordavano sull’esistenza di una correlazione negativa tra macchie solari e temperature nella maggior parte delle località in cui era possibile trovare una buona correlazione. In questo periodo spiccano gli studi di Wladimir Köppen. Köppen stabilì un sistema di classificazione climatica tuttora in uso e diede contributi sostanziali a diverse branche della scienza. Fu uno dei principali scienziati del clima del suo tempo e, insieme al genero Alfred Wegener, diede un sostegno fondamentale alla teoria di Milankovitch. Gli studi di Köppen sul clima solare erano rigorosi. Il suo articolo del 1873 sul periodo di undici anni di temperatura è stato il più completo fino a quel momento e ha pubblicato un aggiornamento nel 1914. Egli concluse che il sole causa effettivamente una periodicità nella temperatura della superficie terrestre, non solo in molte località ma anche su scala emisferica e globale. A quel tempo, le piccole variazioni dei livelli di CO2 non potevano essere la causa dei cambiamenti climatici rilevati da Köppen. All’inizio del secolo il consenso era unanime sul fatto che i cicli solari di 11 e 22 anni si correlavano negativamente con la temperatura superficiale nella maggior parte delle località e persino a livello emisferico e globale, mostrando una correlazione positiva con le precipitazioni alle basse e alte latitudini e una negativa alle medie latitudini. Nel 1903 Nordmann affermò che: “La temperatura media terrestre ha un periodo sensibilmente uguale a quello delle macchie solari; l’effetto delle macchie è quello 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).
La costante solare e il discredito del sottocampo
La quantità di energia solare che arriva sulla Terra, o irradianza solare totale (TSI), ha iniziato a essere misurata con l’invenzione del piralometro da parte 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 un’adeguata standardizzazione delle prime misurazioni. Nonostante queste carenze, gli astrofisici dell’epoca notarono che le variazioni della TSI dovevano essere molto piccole, dando vita 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 mostrarono 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’ormai chiamato Solar Energy Journal che: “Poiché la radiazione solare e il tempo atmosferico sembrano essere influenzati da identici periodi di variazione, è quindi probabile che i cambiamenti meteorologici siano prodotti dalla variazione solare”. A riprova della sua tesi, egli procedette a confrontare le previsioni solari per le precipitazioni e la temperatura a St. Louis e Peoria con i dati meteorologici effettivi dal 1854 al 1939 (Abbot 1957). Tuttavia, egli riconobbe la difficoltà di attribuire cambiamenti meteorologici significativi a variazioni così piccole della costante solare, riconoscendo che l’opinione generale era contraria alla sua ipotesi. All’epoca il consenso era passato 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 accogliere una significativa variabilità, ma a causa di un fatto avvenuto intorno al 1920. Tutte le correlazioni statisticamente significative che i migliori scienziati dell’epoca, come Wladimir Köppen, avevano trovato su circa sette decenni di dati meteorologici (1840-1910 circa), cominciarono a fallire intorno al 1920 o, peggio ancora, a invertirsi, cosa che nessuno riuscì a spiegare. La situazione divenne molto confusa: alcuni autori sostenevano una correlazione positiva, altri una correlazione negativa, altri ancora nessuna correlazione. Vennero proposte ipotesi elaborate, indicando un paradigma in crisi, e l’intero sottocampo cadde in discredito. Nel 1950 lo studio delle relazioni sole-meteo era considerato da molti un’attività indegna di un meteorologo (Hoyt & Schatten 1997) e questo stato di cose 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.
La tempistica dell’inversione di segno in diverse correlazioni sole-clima tende a raggrupparsi tra il 1920-30 (Fig. 1.3). La correlazione della temperatura si è invertita, così come molte altre variabili meteorologiche, come le precipitazioni, i venti, la posizione preferenziale del minimo islandese e la forza del monsone indiano. Anche se le inversioni di segno non potevano essere spiegate, esse suggerivano comunque una relazione sole-clima, ma non una relazione basata sulle variazioni del TSI, poiché la relazione tra emissioni solari e 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 verso il 1924 si verificò un cambiamento di regime nel Pacifico, passando da un’Oscillazione Decadale Pacifica fredda a una calda (Mantua & Hare 2002). Questo cambiamento avvenne subito dopo il minimo solare del 1923 e portò a un riscaldamento globale (il riscaldamento dei primi anni del XX secolo), nonostante l’attività solare fosse stata inferiore alla media fino al 1934.
Fig. 1.4. Inversione della correlazione sole-precipitazione intorno al 1800, riportata nel 2005.
c) Variazione 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 Vittoria dedotti dalle diatomee di acque poco profonde (SWD) in una carota. e) Livelli del lago Naivasha (Kenya) in metri. La linea verticale tratteggiata e la freccia indicano un’inversione del clima solare durante il minimo di Dalton. Da Stager et al. 2005.
Secondo Hoyt e Schatten (1997), le correlazioni sole-temperatura hanno cambiato segno diverse volte negli ultimi 400 anni e sono state negative tra il 1600-1720 e il 1800-1920 circa, e positive tra il 1720-1800 e il 1920 e oggi. L’inversione del 1800 è illustrata nella figura 1.4.
Roger Bray, John Eddy e il revival degli anni ’70
Mentre il sottocampo del clima solare stava cadendo in discredito, si stavano piantando i semi per la sua rinascita. Andrew Douglass era un astronomo licenziato da Percival Lowell nel 1901 per il suo scetticismo sulla natura artificiale dei canali marziani. Per tutta la sua carriera Douglass era convinto dell’effetto sole-clima e nel 1904 notò una correlazione tra l’ampiezza degli anelli degli alberi in Arizona, legata alle condizioni di precipitazione, e le macchie solari. Seguendo questa relazione, nei 40 anni successivi sviluppò il nuovo sottocampo della dendrocronologia, l’unico metodo preciso per datare le strutture antiche fino all’avvento della datazione al radiocarbonio. Douglass studiò gli anelli annuali degli alberi in relazione al clima e all’attività solare e fu lo scopritore del ciclo solare centenario (da lui denominato 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’unico caso di ciclo solare identificato per la prima volta nei dati paleoclimatici. Willard Libby sviluppò la datazione al radiocarbonio alla fine degli anni Quaranta. Affinché il metodo fosse accurato, era essenziale sapere come il rapporto 14C/12C atmosferico fosse cambiato nel tempo. Gli scienziati dovevano costruire una curva di calibrazione (IntCal) a partire da anelli di alberi datati con precisione con il metodo dendrocronologico di Douglass, per trasformare i rapporti radiocarbonici in età solari. Hans Suess in California e Minze Stuiver in Arizona furono tra coloro che guidarono questo sforzo. Nel 1961, Stuiver fu il primo a suggerire che le variazioni atmosferiche di 14C della durata di qualche secolo o meno erano dovute alla modulazione solare della produzione di 14C da parte dei raggi cosmici nell’alta atmosfera (Stuiver & Quay 1980). Improvvisamente il Sole sembrò essere più variabile per lunghi periodi di tempo di quanto indicato dalle recenti misurazioni della costante solare. Questa scoperta ha aperto la strada all’utilizzo delle variazioni di 14C recentemente ricostruite per studiare la variabilità solare e la sua relazione con i cambiamenti climatici nel lontano passato. A partire dal 1963, sulla base dei suoi studi glaciologici e botanici, Roger Bray propose che esisteva una stretta relazione tra l’attività solare e il clima nei secoli e nei millenni passati. Nel 1968 ha identificato il ciclo solare e climatico di 2500 anni che è stato recentemente chiamato così (Vinós 2016). Questo lungo ciclo solare è il più importante, in termini di effetti climatici, durante l’Olocene. Il minimo più recente del ciclo solare di Bray, nel periodo 1388-1834 (Bray 1968), ha coinciso con la Piccola Era Glaciale (LIA) scoperta da François Matthes nel 1939. Roger Bray propose per la prima volta che la LIA avesse una causa solare. Negli anni ’60 e ’70 Roger Bray pubblicò 14 articoli su Nature e Science che collegavano la variabilità solare e l’attività vulcanica ai cambiamenti climatici, ma essendo un botanico che faceva ricerca sul clima in modo indipendente dalla Nuova Zelanda e lontano da altri scienziati del clima solare, non gli fu riconosciuto il merito delle sue scoperte, ingiustamente. Al suo ciclo è stato 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 ha pubblicato uno studio su 226 stazioni meteorologiche in tutto il mondo, che nel 1993 è stato 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 molte di esse, ma interpretò che gli effetti locali potevano mascherare il segnale regionale in alcune stazioni. È interessante notare 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 nella correlazione osservata negli anni Venti. Nel 1980 Currie ha rilevato un segnale del ciclo delle macchie solari di 11 anni nella rotazione terrestre. Non è stato il primo a farlo dopo l’invenzione dell’orologio atomico, ma poiché gli effetti solari sulla Terra sono così controversi (probabilmente a causa della mancanza di un meccanismo accettato) l’effetto di rotazione Sole-Terra è stato “scoperto” indipendentemente più volte, l’ultima volta nel 2010, e continua a essere ignorato. Tuttavia, il primo meccanismo valido 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 di bassa pressione durante l’inverno nell’emisfero settentrionale a un’altitudine di 300 mb (circa 9.100 metri). Hines (1974) era scettico su qualsiasi effetto sole-clima, ma suggerì che le onde planetarie sottoposte a una riflessione variabile nell’atmosfera superiore possono indurre modelli di interferenza variabili nell’atmosfera inferiore. Questi potrebbero costituire un possibile candidato per l’effetto, se fosse reale.
Un articolo molto diffuso di Joe King (1975) ha contribuito a rendere popolare il rinnovato interesse per le 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 connessioni tra il clima e i cambiamenti di radiazione”.
L’articolo di John Eddy, pubblicato su Science un anno dopo, preparò la scena. Eddy riportò alla luce la scoperta dimenticata di Gustav Spörer e Edward Maunder, secondo cui nel periodo 1645-1715 il sole si comportò in modo molto insolito e presentò pochissime macchie solari. Eddy, molto interessato alla storia dell’astronomia, ha supportato la loro scoperta con osservazioni delle macchie solari a occhio nudo, osservazioni aurorali, osservazioni di eclissi e dati sul 14C (Eddy 1976). L’articolo di Science sul Minimo di Maunder divenne molto popolare. Eddy seguì con diversi articoli sulla relazione sole-clima negli ultimi 7500 anni (Fig. 1.5).
Fig. 1.5. Interpretazione della relazione sole-clima degli ultimi 7500 anni da parte 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’inviluppo a lungo termine del ciclo solare basato sui dati del 14C. c) Stime climatiche. G1, ghiacciai alpini; G2, ghiacciai mondiali; T, temperatura dell’Inghilterra; W, severità invernale per l’area di Parigi-Londra. Da Eddy 1977.
George Siscoe ha recensito ottimisticamente il decennio d’oro della ricerca sul clima solare degli anni ’70 (Siscoe 1978), citando tre importanti progressi. Quelli di Wilcox e Eddy e gli studi che collegavano la siccità nel Sud-Ovest americano al ciclo magnetico solare di Hale di 22 anni. Ma mentre il sottocampo sole-clima era di nuovo in piena attività, con riunioni ben frequentate, data la sua natura interdisciplinare e controversa, era ancora criticato. Barrie Pittock pubblicò un’analisi critica di 140 articoli sul clima solare (Pittock 1978) e concluse che “nonostante l’enorme letteratura sull’argomento, al momento 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”.
Il riscaldamento globale degli anni ’80 e la seconda scomparsa del clima solare
Negli anni ’80, il rinascimento climatico-solare degli anni ’60-’70 è stato svuotato di energia dai 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) è iniziato con la Solar Maximum Mission nel febbraio 1980. Per la prima volta i valori della costante solare hanno raggiunto la precisione di due decimali di percentuale. La diminuzione della costante solare dal massimo del ciclo solare del 1980 al minimo del 1986 è stata determinata nello 0,15%, ovvero 2 W/m2. Ma già nel 1982 era stata determinata una variazione annuale di appena lo 0,02%. La grande maggioranza dei ricercatori riteneva che solo le variazioni dell’energia totale potessero influenzare il clima, per cui una variazione di ± 0,07% non poteva produrre effetti significativi. Coloro che difendevano l’idea che piccoli cambiamenti solari potessero agire su instabilità atmosferiche che ne amplificassero l’effetto climatico non riuscivano a spiegare come potessero farlo in un’atmosfera intrinsecamente instabile. Nel 1980 Nastrom e Belmont sembravano aver individuato il modo in cui agisce l’effetto sole-clima. Utilizzando i dati delle radiosonde di 174 stazioni dell’emisfero settentrionale per il periodo 1949-1973, scoprirono che i venti troposferici mostravano un chiaro segnale solare. Hanno scoperto che la velocità del vento e la temperatura rispondevano al ciclo solare e che l’effetto era massimo in prossimità della 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 nella datazione al radiocarbonio che aveva dato il via alle ricostruzioni dell’attività solare del passato nel 1961, pubblicò un influente articolo su Nature in cui confrontava la nuova ricostruzione dettagliata della variabilità del 14C e diversi record climatici di lunga durata (Stuiver 1980). Egli concluse che periodi di bassa attività solare come il Minimo di Maunder si erano verificati più volte negli ultimi 6.000 anni e che non era possibile stabilire una relazione tra le serie climatiche e il record di attività solare derivato dal 14C per l’ultimo millennio.
L’articolo di Minze demolisce il lavoro di John Eddy. Due anni dopo Eddy certificò la morte degli studi sul clima solare come scienza mainstream:
“Le misurazioni dei veicoli spaziali hanno stabilito che l’emissione radiativa totale del Sole varia a livello dello 0,1-0,3%. … Ci si può aspettare che tali cambiamenti perturbino la temperatura della superficie terrestre di una frazione di grado centigrado e sono state trovate prove probabili di questo segnale indotto dal Sole. L’effetto, sebbene importante per la comprensione del sistema climatico, è troppo piccolo per essere significativo nelle previsioni pratiche del tempo o del clima” (Eddy et al. 1982).
Come dice un vecchio proverbio: “Se mi freghi una volta, vergognati; se mi freghi due volte, vergognati”. I ricercatori sul clima solare sono stati scottati due volte, negli anni ’20 e ’80; non dovrebbe accadere di nuovo. Il sottocampo è caduto nel discredito più assoluto. Nulla che contenesse le parole “solare” e “clima” nella stessa frase doveva essere preso di nuovo sul serio. Il momento era perfetto per l’ipotesi della CO2 sul cambiamento climatico, poiché il riscaldamento globale era iniziato 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 l’avesse suggerito rischiava il ridicolo e una carriera insignificante. Si è arrivati a un punto in cui persino i chiari effetti solari sulla rotazione terrestre o su El Niño/Southern Oscillation vengono meticolosamente ignorati.
Fig. 1.6. L’attività solare è in aumento dal periodo della Piccola Era Glaciale.
La durata di ogni 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 viene divisa per il numero di anni del ciclo e la media delle macchie solari del 1700-2020 viene sottratta dal risultato. Il risultato viene visualizzato sotto forma di grafico a barre, la cui larghezza è proporzionale alla durata del ciclo. La linea è la linea di tendenza della regressione lineare. In basso, numero annuale di macchie solari internazionali da WDC-SILSO. Il periodo 1934-2008 è il periodo di 75 anni con la più alta attività solare in almeno 700 anni, poiché sappiamo che l’attività solare è stata molto bassa durante la LIA dal 1270 circa. Questo periodo riceve il nome di massimo solare moderno. La stretta corrispondenza temporale 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 è in corso. Da Vinós 2022.
L’inversione di tendenza era completa per coloro che desideravano continuare la loro carriera. Wilcox, Svalgaard e Scherrer avevano pubblicato nel 1976 “On the reality of a sun-weather effect” (Wilcox et al. 1976). Erano vicini alla soluzione del problema. Si trovavano nella parte giusta del pianeta (gli extratropici dell’emisfero settentrionale), nella posizione giusta (alta troposfera-bassa stratosfera), nel periodo giusto dell’anno (durante l’inverno), osservando la variabile giusta (la pressione) e vedendo un effetto chiaro. Il fatto che l’effetto sole-clima sia più forte alle latitudini artiche durante l’inverno è un’ulteriore conferma di ciò che si potrebbe dedurre dall’inversione delle correlazioni sole-meteo: Il sole non può influenzare il clima dell’inverno artico attraverso le variazioni della TSI perché non c’è irradiazione solare durante la notte polare e non importa quanto piccole o grandi siano le variazioni della TSI per un sole che non splende. È necessaria l’esistenza di un meccanismo diverso. Colin Hines (1974) aveva già identificato il meccanismo sole-clima sulla base dei risultati di Wilcox et al.; si trattava della propagazione e della riflessione differenziale delle onde planetarie dovute alle variazioni della velocità del vento zonale. Gli stessi cambiamenti identificati da Nastrom e Belmont e successivamente scartati. Ma Wilcox et al. se ne sono andati. Hanno perso la possibilità di trovare la prova dell’effetto sole-clima in questa ricerca climatologica di 200 anni fa. L’onore sarebbe andato a una donna più interessata alla scienza che alla carriera o alla reputazione. Il coautore di Wilcox et al., Leif Svalgaard, ha dedicato i suoi ultimi anni a confutare vigorosamente ogni suggerimento che la variabilità solare possa aver contribuito al moderno riscaldamento globale e a promuovere instancabilmente una controversa modifica del record delle macchie solari che supporta meglio le sue opinioni.
Karin Labitzke e l’acclamata prima prova concreta di un segnale solare
Nel 1982 il Consiglio Nazionale delle Ricerche ha pubblicato una monografia su ” Solar Variability, Weather, and Climate” (Variabilità solare, tempo e clima). . Include tra gli altri articoli di James Holton e Barrie Pittock, sotto la presidenza di John Eddy. James Holton, uno dei maggiori esperti di atmosfera, ha analizzato in modo negativo i possibili meccanismi fisici di un effetto sole-clima attraverso un accoppiamento dinamico tra stratosfera e troposfera (Holton 1982). Considerando il meccanismo di Hines (1974), Holton ammette che i cambiamenti nel 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 Holton, questo meccanismo fornisce un possibile legame tra la variabilità solare e il tempo e il clima troposferico, che potrebbe essere significativo nonostante l’enorme differenza di energia tra l’input solare e la risposta climatica. Tuttavia, ha concluso che il meccanismo è speculativo. Due anni prima, Holton e Tan (1980) avevano pubblicato un documento fondamentale, scoprendo che i venti stratosferici equatoriali, nonostante girino intorno alla Terra ad altezze superiori all’equatore, modulano la circolazione globale. Questi venti sono noti come Oscillazione quasi biennale (QBO) perché si alternano tra direzioni orientali e occidentali con una quasi-periodicità di poco più di due anni. L’effetto della 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 sul possibile coinvolgimento dell’attività solare, dal momento che era chiaramente correlata ai risultati di Wilcox et al. e coinvolgeva il meccanismo delle onde planetarie di Colin Hines, ma all’epoca una spiegazione solare era (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 pieno di aria fredda, formando un forte vortice polare. La modulazione del vortice polare settentrionale da parte della QBO è così importante che ha ricevuto il nome di “effetto Holton-Tan”. È interessante notare che la modulazione del geopotenziale nord-polare da parte della QBO è significativa solo durante la stagione invernale, quando il vento zonale medio è occidentale e sono presenti onde planetarie a propagazione verticale. Holton e Tan hanno dovuto introdurre la condizione delle onde planetarie perché in certi periodi la correlazione si interrompeva. Karin Labitzke (1987) constatò che la correlazione vortice polare-QBO si interrompeva talvolta durante la fase occidentale della QBO, ma solo quando l’attività solare era vicina al suo massimo ciclico. Decise quindi di separare i dati sulle temperature polari stratosferiche in base alla fase QBO. La correlazione molto bassa tra l’attività solare e le temperature polari, se si considerano tutti i dati, diventa molto alta utilizzando i dati segregati (Fig. 1.7). Dopo 186 anni Labitzke aveva risolto la ricerca iniziata da William Herschel nel 1801. In un articolo successivo, insieme a Harry van Loon (Labitzke & van Loon 1988), ha esteso lo studio dell’effetto solare sulla pressione atmosferica invernale e sulla temperatura alla troposfera dell’emisfero settentrionale. Una delle principali conclusioni di questo lavoro è che il segnale della QBO nella stratosfera extratropicale si rafforza nei minimi solari e si indebolisce nei massimi solari. Il fatto che l’orientamento della QBO capovolga l’effetto solare da un segno al suo opposto non è dissimile da altre correlazioni di inversione di segno nell’effetto sole-clima e costituisce una terza indicazione che l’effetto non può essere mediato da variazioni della TSI.
Nell’indispensabile manuale Physics of Climate di Peixoto e Oort (1992), i risultati di Labitzke e van Loon sono stati adeguatamente valutati. Dopo aver dichiarato che si tratta della prova statistica più convincente di una relazione tra sole e clima, continuano: “Anche alla superficie terrestre, le correlazioni tra l’attività solare e la pressione al livello del mare o la temperatura superficiale… sono insolitamente elevate e sembrano spiegare una frazione importante della variabilità interannuale totale della circolazione invernale” (Peixoto & Oort 1992). Tuttavia, la conclusione di Labitzke della ricerca dell’effetto sole-clima, iniziata da William Herschel nel 1801 e durata 186 anni, non poteva arrivare in un momento più inopportuno. Il riscaldamento globale era già stato attribuito alla CO2 e il dogma scientifico era completamente contrario alle sue scoperte, poiché tutti gli studi sul clima solare erano stati screditati. James Holton ha dichiarato: “Superficialmente non ci trovo nulla di sbagliato, ma non c’è assolutamente alcuna base fisica e questo mi preoccupa. Queste persone hanno la più alta correlazione che abbia mai visto, ma se fossi uno scommettitore, scommetterei contro”. (Kerr, 1987). Aveva trovato un chiaro e indiscutibile effetto dell’attività solare sul clima. Non poteva essere contestato, ma poteva essere ignorato. E sarebbe stato ignorato come una stranezza con pochi effetti pratici e senza spazio nella moderna comprensione del clima.
Fig. 1.7. La scoperta di Karin Labitzke del 1987 riguardo la presenza di un effetto sole-clima.
A) Mancanza di correlazione tra la temperatura invernale della stratosfera del Polo Nord e l’attività solare (flusso solare di 10,7 cm) quando si considerano i dati di tutti gli anni. B) Chiara correlazione positiva quando si considerano solo gli anni della fase ovest della QBO. Non è mostrata la chiara correlazione negativa quando si considerano solo gli anni della fase est della QBO. Da Kerr 1987.
Le conseguenze
Il consenso scientifico su un importante effetto del sole sul clima è passato dall’essere contrario, prima del 1850, all’essere favorevole tra gli anni 1860-1920, negativo tra gli anni 1920-1960, di nuovo positivo 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 scartate o ignorate, rimangono, in attesa del momento in cui saranno adeguatamente rivalutate.
La caduta del sottocampo Sole-Clima all’inizio degli anni ’80 ha scoraggiato ulteriori ricerche su come la variabilità solare influenzi il clima. Il rafforzamento dell’ipotesi del cambiamento climatico dovuto alla CO2, sostenuta politicamente, ha trasformato il sottocampo in una zona scientifica morta. Solo pochi ricercatori decisero di pagare il prezzo elevato in termini di reputazione e di carriera per perseguire questo interesse di ricerca. Il difficile tema della ricerca sulla relazione sole-clima ha registrato scarsi progressi tra il 1870 e il 1980, considerando la quantità di lavoro di ricerca investito. Dopo il 1980, la trasformazione del tema in un campo poco rispettabile ha comportato un rallentamento dei progressi, nonostante i rapidi progressi della climatologia nei decenni successivi.
Nonostante queste difficoltà, man mano che i modelli cercano di riprodurre i fenomeni reali e le rianalisi vengono alimentate con dati climatici reali, l’effetto sole-clima continua a comparire, sfidando i tentativi di tenerlo nascosto. Nel 1996 Joanna Haigh ha dimostrato in un articolo storico su Science che i cambiamenti nella circolazione atmosferica, riprodotti solo debolmente nei modelli, avevano una chiara origine solare (Haigh 1996). I cambiamenti nell’ozono tropicale sembravano essere fondamentali per l’effetto nel modello. Ben presto fu chiaro che le variazioni della TSI durante il ciclo solare non comportavano una quantità di energia sufficiente a spiegare gli effetti climatici osservati. Si è quindi ipotizzato che il responsabile fosse un qualche meccanismo di amplificazione. Anche se i modelli climatici non includevano la stratosfera fino a poco tempo fa, Haigh ha sviluppato il cosiddetto “meccanismo top-down” per amplificare l’effetto solare sul clima (Fig. 1.8).
Fig. 1.8. Meccanismo top-down di amplificazione dell’effetto solare sul clima.
La radiazione solare UV agisce sullo strato di ozono nella stratosfera aumentandone la temperatura (T) e la quantità di ozono (O3). La variazione di temperatura altera il gradiente termico latitudinale e, attraverso il bilancio termico dei venti, influisce sui venti zonali medi (ΔU). La variazione dei 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 vorticità potenziale eddy, modificando il deposito di quantità di moto ed energia cinetica. La forza del vortice polare (non mostrato) dipende da questi cambiamenti, che determinano variazioni nell’Oscillazione Artica (AO), nell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) e nelle circolazioni di Hadley e Walker. Le frecce spesse e interrotte indicano l’accoppiamento. Da Gray et al. 2010.
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