Collana di Fisica e Astronomia

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1 Collana di Fisica e Astronomia A cura di: Michele Cini Stefano Forte Massimo Inguscio Guido Montagna Oreste Nicrosini Franco Pacini Luca Peliti Alberto Rotondi

2 A Nadine e Vanessa

3 Egidio Landi Degl Innocenti Fisica solare 123

4 EGIDIO LANDI DEGLI INNOCENTI Dipartimento di Astronomia e Scienza dello Spazio Università degli Studi di Firenze Springer-Verlag fa parte di Springer Science+Business Media springer.com Springer-Verlag Italia, Milano 2008 ISBN Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore. Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla ristampa, all uso di figure e tabelle, alla citazione orale, alla trasmissione radiofonica o televisiva, alla riproduzione su microfilm o in database, alla diversa riproduzione in qualsiasi altra forma (stampa o elettronica) rimangono riservati anche nel caso di utilizzo parziale. Una riproduzione di quest opera, oppure di parte di questa, è anche nel caso specifica solo ammessa nei limiti stabiliti dalla legge sul diritto d autore, ed è soggetta all autorizzazione dell Editore. La violazione delle norme comporta sanzioni previste dalla legge. L utilizzo di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati ecc., in quest opera, anche in assenza di particolare indicazione, non consente di considerare tali denominazioni o marchi liberamente utilizzabili da chiunque ai sensi della legge sul marchio. Riprodotto da copia camera-ready fornita dall Autore Progetto grafico della copertina: Simona Colombo, Milano Stampa: Grafiche Porpora, Segrate, Milano Stampato in Italia Springer-Verlag Italia s.r.l., Via Decembrio, Milano

5 Prefazione Uno dei capitoli della moderna astrofisica è certamente lo studio della stella a noi piu ù vicina, il Sole. Nato circa 4 miliardi di anni fa per contrazione di una nube di gas, esso e` un laboratorio dove si possono studiare in modo dettagliato fenomeni fisici che, per la loro scala, non sono in genere accessibili alla sperimentazione terrestre e non possono essere investigati su astri lontani. Proprio per questo lo studio del Sole ha contribuito e continua a contribuire enormemente al progresso generale dell astronomia. La nascita della moderna astrofisica ha coinciso con lo studio della stella Sole, con una varieta` di tematiche che sono evolute nel tempo e che vanno dalla nascita della spettroscopia astronomica, alla teoria delle reazioni nucleari, alla nascita e sviluppo della fisica dei plasmi e cosi `via. Non è uncasoche uno dei Premi Nobel per la Fisica negli ultimi anni sia stato attribuito a ricercatori che hanno potuto misurare i neutrini prodotti dalle reazioni nucleari al centro del Sole, raggiungendo importanti conclusioni non solo sull interno del Sole ma anche sulla natura della particella elementare neutrino. Lo studio del Sole ha in Italia fortissime tradizioni, specialmente a Roma (Padre Angelo Secchi, Catania (Annibale Ricco` e a Firenze (Giorgio Abbetti e discepoli e si basa su una varieta`di metodi sperimentali e teorici di alta complessita`e interesse. Sbagliato sarebbe quindi un atteggiamento culturale che vedesse la fisica solare come un capitolo a se. Al contrario, essa costituisce un importante base utile anche per affrontare, su scale diverse, altri temi dell astrofisica. E quindi auspicabile che essa venga a far parte del curriculum di base nella formazione dei giovani astrofisici. Il lucido volume scritto dal collega Egidio Landi, uno dei leaders internazionali nello studio del Sole, potra ` certamente favorire questo processo. ( ( ( Arcetri, luglio 2007 Franco Pacini Ordinario di Astrofisica Universita ` di Firenze

6 Indice 1. GENERALITÀ 1.1. Introduzione storica Peculiarità della fisica solare dal punto di vista osservativo Strumentazione post-focus LO SPETTRO SOLARE E LA SUA INTERPRETAZIONE 2.1. Lo spettro solare L equazione del trasporto Soluzione formale dell equazione del trasporto Trasporto radiativo nelle atmosfere stellari Il modello di atmosfera grigia Modelli realistici di atmosfere stellari Lo spettro continuo La teoria dell elettrone di Lorentz Righe spettrali in equilibrio termodinamico locale Righe spettrali in condizioni di non equilibrio PROCESSI DINAMICI NELL ATMOSFERA SOLARE 3.1. L effetto Doppler L effetto Doppler in fisica solare Misure spettroscopiche di effetto Doppler e Dopplergrammi Proprietà convettive della fotosfera Oscillazioni solari IL MAGNETISMO SOLARE 4.1. Generalità Macchie, pori, regioni attive Il ciclo di attività L effetto Zeeman La spettropolarimetria Il polarimetro prototipo Misure dei parametri di Stokes Trasporto radiativo per radiazione polarizzata Formazione di riga in campo magnetico Equazioni del trasporto per i parametri di Stokes Soluzioni dell equazione del trasporto 146

7 x INDICE Magnetografi e magnetogrammi Misure di campi magnetici nelle macchie GLI STRATI PIÙ ESTERNI DELL ATMOSFERA SOLARE 5.1. Lacromosfera La regione di transizione La corona ottica Le protuberanze La corona X Campi magnetici coronali Il vento solare Modelli teorici della corona LateoriadiParker del vento solare Il riscaldamento della cromosfera e della corona Flares L INTERNO DEL SOLE 6.1. Equazioni fondamentali L equazione di Lane-Emden L equazione di stato La produzione di energia negli interni stellari L opacitàelamediadirosseland Il criterio di Schwarzschild La termodinamica del gas Idrogeno ionizzato 6.8. Lateoriadellamixing length La composizione chimica dell interno del Sole e la sua evoluzione Il modello solare standard I neutrini solari Teoria delle oscillazioni solari Risultati approssimati per i modi p e g 274 COSTANTI FISICHE E ASTRONOMICHE 281 INDICE ANALITICO 283