Dit artikel verscheen eerder in de Eos-special Astronomie & Ruimtevaart.
Rond de aarde speelt zich heel wat af waarvan we ons niet meteen bewust zijn. Zo heb je een voortdurende stroom van geladen deeltjes die wordt uitgestuwd door de zon. Die stroom van elektronen, protonen en ionen staat bekend als de zonnewind. De aarde zelf wordt omgeven door de magnetosfeer, een uitgestrekt gebied dat ons beschermt tegen schadelijke straling van de zon en uit de kosmos. Evenzeer heb je een ionosfeer. In die bovenste laag van de aardatmosfeer tref je heel wat geladen deeltjes aan. Ze zijn het resultaat van een bombardement van hoogenergetische invallende straling die atomen en molecules stukschiet.
Soms treden verstoringen op in de ruimte die zich laten voelen in de zonnewind, magnetosfeer en ionosfeer. Ze kunnen onze technologie in de ruimte maar ook op aarde beïnvloeden. In sommige gevallen brengen ze zelfs onze gezondheid in gevaar. Wetenschappers brengen zulke verstoringen onder in de term ‘ruimteweer’.
Schokgolf
Kosmische straling levert een kleine bijdrage aan deze verstoringen, maar de hoofdoorzaak ligt bij de zon. Die is helemaal niet zo rustig en statisch als ze van een afstand lijkt. Dat vertelt Stefaan Poedts, als toegepast wiskundige verbonden aan het Centrum voor mathematische plasma-astrofysica van de KU Leuven. ‘De materie in de zon is zodanig heet dat elektronen loskomen uit atomen. Het resultaat is een plasma van geladen deeltjes, positief geladen ionen en negatief geladen elektronen. Plasma is de zogenaamde vierde aggregatietoestand, naast vast, vloeibaar en gasvormig.’
‘Net als de aarde fungeert de zon als een magnetische dipool. De fysica leert ons dat geladen deeltjes onderhevig zijn aan magnetisme. In principe laat het magneetveld van de zon deze plasmadeeltjes netjes in de pas lopen. Zo kun je coronale lussen zien ontstaan. Die gesloten structuren houden de hete materie in bedwang.’
Maar na verloop van tijd raken de magnetische veldlijnen in en rond de coronale lussen in elkaar verstrikt. ‘Het is dan ook een kwestie van tijd vooraleer de lus het begeeft en de bijbehorende materie de corona in geslingerd wordt. Een coronale massa-ejectie is geboren.’
‘Studies schatten de financiële impact van ruimteweer op gemiddeld 10 miljard dollar per jaar’
Een typische coronale massa-ejectie stoot al gauw duizend miljard kilogram materie uit. Bij grotere kan dat nog tien keer meer zijn, zegt Poedts. Dat is vergelijkbaar met de totale massa van de Himalaya. ‘Deze ejecties worden in de corona geslingerd aan snelheden van typisch 450 kilometer per seconde, en kunnen oplopen tot zelfs 3.000 kilometer per seconde. Ze veroorzaken schokgolven die zich voortplanten in de heliosfeer en op hun beurt deeltjes versnellen.’
Wanneer een ejectie in onze richting uitgestoten wordt – dat is in ongeveer een op de tien keren het geval – kunnen dan ook verstoringen optreden en hebben we met ruimteweer te maken. ‘Al hangt de uiteindelijke impact niet enkel af van de massa en de snelheid van de ejectie’, zegt Poedts. ‘Als de magnetosfeer van de aarde dezelfde polariteit heeft als het magneetveld van de ejectie, dan stoten de magneetvelden elkaar af en is het effect op onze leefwereld minder ingrijpend.’
‘Overigens gaat een magnetische storm op het oppervlak van de zon niet noodzakelijk gepaard met een massa-uitstoot. Het vrijkomen van energie uit een magneetveld kan evenzeer aanleiding geven tot een zonnevlam zonder bijbehorende ejectie. Je hebt dan enkel een explosie van energie op het oppervlak van de zon.’
‘Beide fenomenen, coronale massa-ejecties en zonnevlammen, delen evenwel dezelfde oorzaak: magnetische reconnectie’, aldus Poedts. ‘Die term duidt op een complex spel, waarin magnetische veldlijnen in elkaar verstrikt raken, afknappen en zich weer aaneenvoegen. Bij dat proces komen grote hoeveelheden energie en magnetische flux vrij.’
De zon staat al zo’n 4,6 miljard jaar centraal in onze Melkweg. Wat weten we intussen over de werking en interne structuur ervan? We vroegen het aan astrofysicus Stefaan Poedts (KU Leuven).
‘Je zou de zon kunnen opdelen in drie zones met verschillende fysische kenmerken. Vertrekkend vanuit het midden heb je de kern met een straal die zowat 25 procent van de straal van de zon beslaat. Daarin tref je voldoende hoge druk en temperaturen aan voor kernfusie. Waterstof wordt omgezet in helium, een proces dat energie vrijmaakt’, zegt Poedts.
‘Vervolgens heb je de radiatieve zone, een bolschil tussen 25 procent en 75 procent van de straal van de zon, waarbinnen die vrijgemaakte energie via elektromagnetische straling (fotonen) naar buiten getransporteerd wordt. Tot slot heb je de buitenste bolschil met een dikte van 25 procent van de straal van de zon. Dat is de convectieve zone. De afname in temperatuur is er groot genoeg om energie te transporteren via convectie, het proces dat we kennen als de opstijgende en neergaande stromingen (circulatiecellen) wanneer we water koken.’
‘Vervolgens heeft de zon, net als de aarde, een atmosfeer. Die laat zich op basis van fysische eigenschappen alweer netjes in drie lagen onderverdelen. Eerst heb je de fotosfeer, een dunne laag van amper 400 à 500 kilometer dikte met hoge dichtheid die verantwoordelijk is voor 99,9 procent van het zonlicht (vandaar de naam: ‘photos’ betekent licht, red.). De chromosfeer is met zijn 2.000 kilometer een iets dikkere, maar wel ijlere laag. Het vreemde eraan is dat de temperatuur in deze laag aanzienlijk stijgt, hoewel we ons verder weg van de kern van de zon bevinden.’
‘Tot slot is er de corona, de zeer ijle buitenste atmosfeerlaag, die zich ver uitstrekt, zelfs tot voorbij de aarde. Het is de laag die we te zien krijgen bij een zonsverduistering, als het verblindende licht van de fotosfeer afgedekt wordt door de maan.’
Gigantische schade
Ruimteweer houdt verband met de zonnecyclus. Het magneetveld van de zon ondergaat een cyclus van gemiddeld elf jaar – of 22 jaar als je het omklappen van de polariteit in rekening brengt. ‘De vroegste gegevens van zonnevlekken die ons toelaten de zonnecyclus te reconstrueren dateren van rond 1755’, zegt Poedts. ‘Sindsdien zijn 24 zonnecycli verstreken. In december 2019 hebben we het minimum bereikt tussen cyclus 24 en 25. Het eerstvolgende maximum valt te verwachten in 2025.’
‘Tijdens een magnetische zonnecyclus zien we het aantal zonnevlekken evolueren. Zonnevlekken zijn waarneembaar als donkere vlekken op de fotosfeer. Het gaat om sterke magneetvelden die de convectie in de convectieve laag tegenwerken en het transport van energie bemoeilijken, met lokaal lagere temperaturen tot gevolg.’
‘Hoe actiever het magneetveld, hoe meer zonnevlekken. En hoe meer zonnevlekken, hoe meer zonnevlammen en coronale massa-ejecties. Doorheen de zonnecyclus kunnen we het aantal ejecties zien evolueren van een of enkele per week tot meerdere per dag.’
‘Het zonnevlekkengetal of Wolfgetal fungeert dan ook als indicator voor zonneactiviteit. We mogen er best trots op zijn dat de wereldwijd gehanteerde waarde ervan officieel vastgelegd wordt door de Koninklijke Sterrenwacht van België, gevestigd in Ukkel.’
Als een fikse magnetische storm onze kant opwaait, kan er wel wat fout lopen. De grootste impact doet zich voor op het vlak van telecommunicatie, GPS en energietransport via hoogspanningskabels. ‘Om dat laatste als voorbeeld te nemen: in 2003 heeft een magnetische storm zestien transformatoren in Zuid-Afrika en twee in het Verenigd Koninkrijk doorgebrand, met zware financiële schade en problemen met de stroomvoorziening tot gevolg’, zegt Poedts.’
‘Studies schatten de financiële impact van ruimteweer op gemiddeld 10 miljard dollar per jaar. Daarnaast heb je ook de gezondheidsimpact van schadelijke straling op astronauten en vliegend personeel (en passagiers). Vooral vliegtuigen die boven de magnetische latitude van 67 graden vliegen, vangen heel wat van die straling op. Daar naderen de zogeheten Van Allen-stralingsgordels het aardoppervlak.’
‘Speciale aandacht gaat uit naar de kans op ‘extreme’ gebeurtenissen. In 1859 richtte het Carrington Event, de grootste magnetische storm ooit gemeten, grote schade aan bij telegrafen. Als een gebeurtenis van die omvang zich nu zou voordoen, mag je volgens een schatting al gauw rekenen op een schade van 2,7 biljoen dollar. De verwachting is dat dergelijke extreme events zich om de honderd à tweehonderd jaar voordoen, met een geschatte kans van 16 procent dat we er in het komende decennium het slachtoffer van worden.’
Supercomputers
Toch is het niet allemaal kommer en kwel met het ruimteweer. Want het schenkt ons ook het prachtige poollicht. En de wetenschap kan ons weerbaarder maken tegen de kwalijke gevolgen van ruimteweer.
‘Een aantal gevolgen van krachtige magneetstormen kun je opvangen als je tijdig weet dat ze onze kant opkomen. Zo kun je de stroomsterkte naar de transformatoren tijdelijk verlagen, zodat de extra piekstroom die je van de coronale massa-ejectie meekrijgt de transformator niet doorbrandt’, zegt Poedts. ‘Of nog: een aantal satellieten is uitgerust met CCD-camera’s. Die worden stukgeschoten door de energetische deeltjes die door zo’n ejectie versneld worden. Wanneer je tijdig weet dat de ejectie op komst is, kun je de camera afschermen met een kapje.’
‘In ons onderzoek specialiseren we ons in het ontwikkelen van modellen die nodig zijn om ruimteweer te voorspellen. Met supercomputers kun je de modellen tegenwoordig snel genoeg doorrekenen. Dat laat ons toe om tijdig een voorspelling af te leveren. Ons model voor de zonnewind en de evolutie van coronale massa-ejecties wordt onder andere gebruikt door de Koninklijke Sterrenwacht en het UK MetOffice. Die sturen desgevallend waarschuwingen uit.’
Daar houdt het onderzoek naar ruimteweer natuurlijk niet op. ‘De eigenlijke oorzaak ervan, magnetische reconnectie, begrijpen we weliswaar kwalitatief goed, maar de stap naar een kwantitatieve behandeling ontbreekt’, aldus Poedts. ‘Verbeteringen vallen vooral te verwachten van koppelingen tussen verschillende modellen. Zo werken we momenteel aan een project waarbij we ons voorspellingsmodel koppelen aan een tweede model. Dat beschrijft het transport en de versnelling van energetische zonnedeeltjes.’
‘Daarnaast is het wachten op nog krachtigere supercomputers, zoals quantumcomputers. Daarmee kunnen we nog meer en sneller rekenen.’
