L’EFFETTO SERRA, LA VARIABILITA’ SOLARE ED IL CAMBIAMENTO CLIMATICO Sabatino Sofia Department of Astronomy Yale University New Haven, CT USA Centro per lo Studio della Variabilita del Sole INAF/Osservatorio Astronomico di Roma 23 Gennaio 2004

Forse il problema ambientale piu’ importante in questo nuovo secolo e’ il RISCALDAMENTO GLOBALE. Sappiamo che: La concentrazione del CO 2 atmosferico sta aumentando Il CO 2 e’ un gas serra La temperature media della Terra sta aumentando

Atmospherics CO 2 concentration vs. time

Global Surface Temperature Change

Siccome sappiamo che la concentrazione dei gas serra raddoppiera’ entro alcune decade, per determinare la severita’ del problema del Riscaldamento Globale vogliamo Determinare per mezzo di modelli climatici gli effeti del raddoppio della concentrazione dei gas serra

CONSIDERAZIONI GENERALI La totalita’ dell’energia sulla Terra proviene dal SOLE Parte di quest’energia viene riflessa da aerosoli e dalla superficie terrestre. La frazione di energia riflessa si chiama ALBEDO E per la Terra il valore e’ 0.37

IL RESTO DELL’ENERGIA E’ ASSORBITO DALLA SUPERFICIE TERRESTRE E VIENE TRASFORMATA IN RADIAZIONE INFRAROSSA E RI-EMESSA ALLO SPAZIO Quindi, l’energia che rimane sulla Terra puo’ variare se: L’energia solare cambia L’albedo terrestre cambia La trasparenza dell’atmosfera terrestre cambia

Spettro solare e Terrestre

L’EFFETTO SERRA Eventualmente, l’energia assorbita deve ugualare quella ri-emessa allo spazio. Se l’opacita’ nell’infrarosso aumenta, la supperficie terrestre deve riscaldarsi di piu’ per poter emettere la stessa energia totale. QUESTON SAREBBE L’EFFETTO SERRA

L’effetto serra e’ reale L’opacita’ del CO 2 si capisce teoricamente e si misura nel laboratorio L’effetto serra e’ dimostrato drammaticamente sul pianeta Venere: La Temperaturia media e’ superiore ai 400 C

Il problema, allora, ha due variabili: L’aumento del CO 2 I Modelli Climatici L’aumento della concentrazione dei gas serra non e’ dubitabile La validita’ dettagliata dei modelli climatici attuali, pero, non e’ fuori dubbio

Temperature sensitivity for CO 2 doubling

In una riunione del IPCC/UN in Shanghai si sono raggiunte due conclusioni: “Most of the observed warming over the last 50 years is likely to have been due to the increase of greenhouse gas concentration” “The projected range of warming by 2001 is between 1.4°C and 5.8°C”

Modelli Climatici Ogni modello rappresenta un sistema fisico complesso che richiede molte simplificazioni estreme Essi contengono molte variabili che rappresentano processi interni, e che dipendono dell’efficienza di quattro principali FATTORI ESTERNI

Fattori Esterni Aerosoli Gas Serra Vegetazione/Ghiaccio Radiazione Solare

Un esempio di Simplificazione Estrema e’ il caso della Componente Solare. Tutte le complesse interazioni fra il Sole e la Terra vengono rappresentate da un solo numero: Il Parametro Solare

Lo stesso si fa con gli altri fattori esterni Quindi, per iniettare realta’ nei modelli, La Sensibilita’ del modello ai fattori esterni si deve stabilire attraverso una calibrazione fra le predizioni dei modelli, e le osservazioni

Cio e’, Cerchiamo I fattori climatici per i quali possiamo ottenere dati che sono sufficientemente lunghi ed affidabili. Ad esempio, Temperatura dell’aria Temperature della superficie del mare

I fattori di calibrazione si ottengono per mezzo di metodi “Best Fitting” Un buon record per la temperatura media dell’aria per l’emisfero Nord esiste per gli ultimi 150 anni Informazione diretta per quest’intervallo di tempo esiste per tutti I fattori esterni con eccezione del Parametro Solare

Per l’urgenza a trovare una risposta al piu’ breve a questo problema, molti ricercatori climatici hanno omesso gli EFFETI SOLARI Giustificando questa pratica perche La variazione dell’irradianza solare totale osservata durante gli ultimi 22 anni e’ ciclica, con un’ampiezza del 0.1%. Siccome per considerazioni geometriche, soltanto 1/4 di quest’energia raggiunge ogni metro cuadrato della superficie terrestre, l’ampiezza dell’effeto e’ 0.33 W/m 2

Mentre, l’aumento dell’energia radiativa a conseguenza dell’effetto serra e’ 0.1W/m 2 per anno. Quindi, dopo pochi anni l’effetto solare dovrebbe essere trascurabile

Total Solar Irradiance Data

Possibili Difficolta’ 1.La variabilita’osservata durante gli ultimi 22 not mostra le vere variazioni. 2.Includendo le variazioni solari potrebbe affettare drasticamente la calibrazione dei modelli climatici. Esiste evidenza indiretta che dimostra che 1) e’ vero, ed evidenza diretta che 2) e’ anche vero.

Calcoli di N. Andronova e M. Schlesinger “Causes of global temperature changes during the 19th and 20th Century”, Geophys. Res. Lett.,27, 2137, 2000.

The Reconstruction of solar total irradiance

Global Surface Air Temperature Change

Frequency Distribution of  T 2x

LAVORO DA FARE Siccome le recostruzioni della radiazione solare fatte fin’ora sono puramente empiriche, bisogna RICOSTRUIRE LA RADIAZIONE SOLARE DEL PASSATO A BASE DI CONSIDERAZIONI BEN FONDATE IN ASTROFISICA

In particolare, bisogna: 1.Ricostruire le basi di dati per tutti I fattori esterni dei cambiamenti climatici. Per fare questo, e’ necessario 2.Stabilire la base scientifica che permettera’ ottenere un record affidabile della variabilita’ solare durante gli ultimi 150 anni.

Ci sono due tipi di dati affidabili che coprono il periodo necessario. 1.Le Macchie Solari. 2.Il Diametro Solare. Per stabilire come questi dati sono relazionati alla luminosita’ solare, e’ necessario fare uso di 1.Teoria 2.Osservazioni

Global Temperature in 120 years

Teoria Per il Sole –E’ necessario capire il meccanismo fisico responsabile per le variazioni solari che occorrono in diverse scale di tempo.

Solar radiation and climate

L’attivita’ solare (macchie, facole e rete magnetica) e’ responsabile per le variazioni che durano da giorni a mesi Pero Osservazioni fatte coi PSPT a Roma e Hawaii, ed analizzate dai scienziati di Roma hanno dimostrato che L’attivita’ solare, da se, non e’ sufficiente per produrre tutta la variazione dell’Irradianza Solare Totale osservata durante gli 11 anni del ciclo solare

Dunque, e’ necessario capire che altro processo puo’ spiegare i cambiamenti della luminosita’ solare in fase con l’attivita’ magnetica.

La dinamo solare produce nell’interiore del Sole due campi magnetici di forma toroidale, e di intensita’ variabile Un campo magnetico contribuisce alla pressione, energia internal, e modifica il trasporto di energia, tanto per convezione come per radiazione, e la dinamica del plasma, ergo, la turbolenza.

Un campo magnetico variabile cambia la struttura dell’intero Sole, e quindi tutti I parametri globali: 1.Luminosita’ 2.Diametro 3.Temperatura Se questo e’ vero, dobbiamo verificare per mezzo di osservazioni questo meccanismo, e creare modelli solari che includono I processi relevanti.

Risultati ottenuti da questi modelli Un campo magnetico tipo dinamo affetta la struttura interna del sole, ed in conseguenza, tutti i parametri globali. Le proprieta’ specifiche degli effeti (le relazioni fra le variazioni di tutte le coppie di parametri) depende sui dettagli del campo magnetico (grandezza, profondita’, forma, ecc.)

Quindi, Per validare i modelli delle variazioni solari e’ necessario osservare simultaneamente tutti i parametri globali, ed inoltre, le oscillazioni solari.

Osservazioni 1.Luminosita’ I Satelliti SOHO, PICARD e SORCE osservano l’irradianza totale.Per trasformare cambi d’irradianza in cambi di luminosita’, e’ necessario osservare l’attivita’ (Macchie, Facole e Rete Magnetica), e modellare la loro contribuzione all’irradianza. QUESTO LAVORO SI FA ALL’OAR, ED A TOR VERGATA

2.Diametro Il diametro solare viene misurato dell’esperimento SDS (fatto in collaborazione con Tor Vergata), che ha volato su palloni stratosferici dal1992, e sara’ misurato da PICARD, dal 2007 in poi.

3.Temperatura Misurata a Kitt Peak OAR HAO

4.Oscillazioni Osservate da varie reti di telescopi sulla Terra, e da vari satelliti come SOHO e PICARD.

Teoria 1.Aumentare la complessita’ dei modelli per renderli piu’ realistici. 2.Interpretare i dati piu’ recenti appena si ottengono. 3.Confrontare I modelli che risultano con Osservazioni Heliosismologiche. 4. Pronosticare variazioni future. 1.Determinare dR/dL.

Cosa abbiamo fatto? 1-D Campi Magnetici Variabili. -Pressione -Energia Interna -Dinamica

Turbolenza Si include l’interazione fra turbolenza e campo magnetico. I modelli solari sono calibrati per produrre le variazioni osservate di -Irradianza -Temperatura -Raggio Sul ciclo di 11 anni, e poi testato per mezzo delle oscillationi osservate dalla rete GONG, e dal satelliteSOHO

ATTUALMENTE STIAMO PER CONCLUDERE A YALE LA FORMULAZIONE DEL PROBLEMA IN 2-D

Average total solar irradiance observed over the last 20 years

Observation: P-mode frequency

Observations: CZ base

Non turbulent models Helioseismic Tests

Weakly-turbulent models

Magnetically –modulated turbulent models

Observational constraints

Ricerca solare specificamente relazionata al Riscaldamento Globale 1.Determinare dR dal 1715 al presente dalla durata di eclissi solari. 2.Usare 1) e dR/dL per ottenere le variazioni della luminosita’ solare dal 1715 al presente.

3.Usare 2), il record delle Macchie Solari e modelli atmosferici del Sole per trasformare variazioni di Luminosita’ a variazioni dell’Irradianza.

4.Fornire ai modellisti climatici le variazioni dell’Irradianza degli ultimi 150 anni per ricalibrare I loro modelli, e ricalcolare la sensibilita’ del clima alle variazioni delll’anidride carbonica

Viviamo vicino a una stella—il Sole Questa stella ha permesso lo sviluppo della vita sul pianeta Terra Variazioni solari hanno conseguenze importanti sugli eventi umani e sulla qualita’ di vita

Finalmente oggi abbiamo gli strumenti ( sperimentali e teorici) che ci permetteranno capire meglio le interazioni fra Sole e Terra. La formazione del CVS e’ un gran passo nella realizzazione di questo proposito

Inoltre, i risultati di questi studi hanno implicazioni molto importanti per molte aree del sapere umano. PORGO I MIEI VOTI PIU’ SINCERI PER UNA VITA LUNGA E PRODUTTIVA PER IL CVS