Storm uit de ruimte

Als het stormt in de ruimte, druppelt het op aarde. Zonnestormen kunnen stroompannes veroorzaken en communicatie en navigatie in de war sturen. De zon nadert een periode van maximale activiteit. Zijn we daar klaar voor?

De ochtend van 1 september 1859 zit de Engelse astronoom Richard Carrington zoals gewoonlijk de zon te bestuderen in zijn privé-observatorium. Terwijl hij tekeningen maakt van de zonnevlekken die hij waarneemt, ziet hij twee witte lichtpunten verschijnen, waarvan de omvang en intensiteit snel toenemen, om enkele ogenblikken later te verdwijnen.

De volgende dag, vlak voor het ochtendgloren, is tot in Cuba, El Salvador en Hawaï het poollicht te zien. De lucht kleurt op sommige plaatsen zo helder rood, groen en paars dat mensen de krant kunnen lezen alsof het dag is. Telegraafsystemen slaan op hol. Vonken doen telegrafisten schrikken en papier schiet in brand. Zelfs als de stroom in de lijnen wordt uitgeschakeld, blijft het doorseinen van berichten mogelijk.

Carrington was getuige geweest van een uitzonderlijk hevige zonnestorm, die sindsdien zijn naam draagt. De witte lichtflitsen die hij had gezien, waren erg krachtige zonnevlammen, energie-explosies op het oppervlak van de zon die leiden tot kortstondig verhoogde straling. Daarop volgde een massieve plasmawolk, een uitbarsting van geladen deeltjes, plasma en magnetische velden, die de aarde na 17 uur bereikte en verantwoordelijk was voor het spektakel de volgende dag.

Een plasmawolk die met het magnetisch veld botst, vervormt dat veld en stuurt stroom door elektriciteitskabels

Experts schatten dat zo’n hevige storm eens om de honderd tot tweehonderd jaar voorkomt. Intussen is het bestuderen van ‘ruimteweer’, plotse activiteit van de zon die een impact heeft op de aarde, tot een volwaardig onderzoeksdomein uitgegroeid. Maar wat vandaag de impact van een storm van Carringtonkaliber zou zijn, is onduidelijk. ‘Onze afhankelijkheid van technologie maakt ons veel kwetsbaarder dan honderdvijftig jaar geleden’, zegt Jan Janssens van het Solar Terrestrial Centre of Excellence (STCE), het Belgische expertisecentrum inzake ruimteweer. ‘Zo’n storm zou ongetwijfeld een enorme impact hebben, maar hoe catastrofaal de gevolgen zouden zijn, weet niemand echt zeker.’

Halloweenstormen
De zonne-activiteit volgt een cyclus die ongeveer elf jaar duurt. In de periode rond een zonnemaximum straalt de zon wat harder en zijn er meer zonnevlekken te zien, magnetische storingen op het oppervlak van de zon. Hoe meer zonnevlekken, hoe groter de kans op zonnevlammen. Zonnewinden – stromen geladen deeltjes die met snelheden tot vijfhonderd kilometer per seconde de ruimte in worden geblazen – zijn tijdens een maximum sneller en de kans op hevige plasma-uitbarstingen is groter. Al die fenomenen kunnen onze levens beïnvloeden.

In 1989 kwamen in het Canadese Quebec zes miljoen mensen twaalf uur zonder elektriciteit te zitten na een periode van verhoogde zonne-activiteit. Op 12 maart botste een gigantische plasmawolk met het aardmagnetisch veld. Zo’n botsing vervormt het aardmagnetisch veld en induceert elektrische stromen in lange geleiders zoals elektriciteitskabels, oliepijpleidingen of, in 1859, telegrafielijnen. Door die inductiestromen kunnen transformatoren het begeven en in oliepijpleidingen kunnen ze slijtage en lekken veroorzaken.

Tijdens een zonnemaximum (rechts) komen er meer zonnevlekken, zonnevlammen en plasmawolken voor.

Zowel plasmawolken als zonnevlammen kunnen telecommunicatie bemoeilijken doordat ze tot verstoringen leiden in de ionosfeer, een laag in het bovenste deel van de aardatmosfeer. Telecommunicatie over lange afstanden gebeurt via radiogolven die heen en weer kaatsen tussen de ionosfeer en het aardoppervlak. Ruimteweer kan dat proces in de war sturen. Vliegtuigen die over de polen vliegen, gebruiken dit systeem om met hun controlecentrum in contact te blijven. Tijdens de ‘Halloweenstormen’ op het einde van oktober 2003 moesten vluchten worden geannuleerd of omgeleid, nadat communicatie onmogelijk bleek.

De Halloweenstormen staan bekend als het sterkste staaltje zonnegeweld sinds het begin van de metingen, al komen ze nog niet in de buurt van de Carringtonstorm. Ze veroorzaakten niet alleen stroom- en communicatiestoringen, maar stuurden ook gps-systemen in de war. Verstoringen in de ionosfeer waren hier eveneens de boosdoener: ze kunnen de uitwisseling van signalen tussen gps-toestel en satelliet bemoeilijken, waardoor plaatsbepaling minder nauwkeurig wordt. Hoe erg dat is, hangt van de toepassing af. Een automobilist ziet zelf ook wel dat zijn bestemming dertig meter verder ligt, maar voor een vliegtuig dat op basis van gps landt, is dertig meter het verschil tussen een zachte landing en een crash.

Satellieten zijn evenmin veilig. Als gevolg van de Halloweenstormen liet de SOHO-satelliet (Solar and Heliospheric Observatory) het tijdelijk afweten. Onder meer aan boord van de satellieten Mars Odyssey, Goes-9, 10 en 12 en Smart-1 raakte apparatuur beschadigd. En de aardobservatiesatalliet ADEOS II ging voorgoed verloren. Door zonnestormen veroorzaakte ladingsverschillen zijn een veel voorkomende oorzaak van schade. Maar zelfs één geladen deeltje kan volstaan om gegevens verloren te laten gaan of elektronica in de war te sturen. Zowel plasmawolken als zonnevlammen pompen daarnaast energie in onze atmosfeer, waardoor die uitzet. Satellieten kunnen daardoor in de atmosfeer terechtkomen. Daar ondervinden ze meer weerstand, waardoor ze van hun baan afwijken of in het slechtste geval neerstorten, zoals in 1989 gebeurde met de Solar Maximum Mission-satelliet.  

Ruimteweerbericht
Op dit moment nadert de zon opnieuw een periode van verhoogde activiteit. Een internationaal panel astronomen rekende voor dat het zonnemaximum in mei 2013 zou vallen. Vooralsnog houdt de zon zich echter relatief gedeisd. Maar voor ruimteweer geldt nog meer dan voor ‘gewoon’ weer dat het zich moeilijk laat voorspellen – op de voorspelling van het maximum zit een onzekerheidsmarge van een jaar. ‘De meeste wetenschappers denken dat het maximum van de huidige zonnecyclus lager zal zijn en later zal vallen dan voorspeld’, zegt Janssens. ‘Maar één grote zonnevlek die een krachtige uitbarsting veroorzaakt, kan een enorme impact hebben. We moeten altijd waakzaam zijn.’ Die les valt ook te trekken uit de Carringtonstorm, die plaatsvond tijdens een vrij rustig zonnemaximum, vergelijkbaar met het huidige. De Halloweenstormen, die drie jaar na een zonnemaximum plaatsvonden,  leren dan weer dat we ons niet moeten blindstaren op die maxima. Zoals er een zachte periode in de winter kan vallen, of een koude in de zomer, houdt ook de zon zich niet altijd aan regels.

En zo kalm is de zon nu ook weer niet: op 23 juli vorig jaar werd een krachtige plasmawolk de ruimte in geslingerd, zij het gelukkig niet in de richting van de aarde, die zich toen aan de andere kant van de zon bevond. De zon wordt vandaag constant in de gaten gehouden (zie ‘Een oogje op de zon’). Maar dat volstaat niet. Want als er iets gebeurt, is de tijd om te reageren beperkt. Zonnewinden en plasmawolken kunnen de aarde op minder dan een dag bereiken, al doen de meer onschuldige varianten er enkele dagen over. De straling van een zonnevlam komt na ongeveer acht minuten aan. ‘Als je een zonnevlam ziet, is het eigenlijk al te laat’, zegt Janssens’ collega Petra Vanlommel. ‘Het onderzoek naar de oorzaken van zonnevlammen is in volle ontwikkeling en we zouden graag precies kunnen voorspellen wanneer ze zich zullen voordoen. We ontwikkelen ook ruimteweermodellen die ons vertellen hoe snel en krachtig een plasmawolk is en hoe die zich gedraagt. Maar we hebben nog wat werk.’

Als je een zonnevlam ziet, is het eigenlijk al te laat

De wetenschappers aan het STCE stellen al sinds 2000 ruimteweerberichten op. Op basis van die voorspellingen kunnen satellietoperatoren bijvoorbeeld hun toestellen tijdelijk uitschakelen om schade te vermijden. Oliemaatschappijen weten dan weer graag wanneer er ‘mooi’ ruimteweer wordt verwacht. Om precies te bepalen waar ze moeten  boren, maken ze gebruik van het aardmagnetisch veld, en de minste verstoring kan tot fouten leiden.

Het STCE speelt een cruciale rol in het ruimteweerprogramma van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. Eerder deze maand werd het ESA Ruimteweercoördinatiecentrum er plechtig ingehuldigd. Het coördinatiecentrum in de gebouwen van de Koninklijke sterrenwacht van België moet de schakel worden tussen alle Europese onderzoeksgroepen die het ruimteweer bestuderen en iedereen die ervan op de hoogte wil blijven. Het centrum zal vragen beantwoorden en ruimteweerberichten en waarschuwingen verspreiden. ‘Door de juiste informatie op het juiste moment bij de juiste mensen te krijgen, kunnen we de risico’s beperken’, zegt Juha-Pekka Luntama, hoofd van het ESA ruimteweerprogramma. ‘Daarnaast moeten we de kwetsbaarheid van onze technologie analyseren. Want de Halloweenstormen kwamen niet onverwacht, maar veroorzaakten toch problemen.’

Wat als?
Wat als er morgen een storm vergelijkbaar met die van 1859 op de aarde afkomt? ‘Als de plasma-uitbarsting in juli vorig jaar enkele dagen eerder had plaatsgevonden, was ze wel onze richting uitgekomen en hadden we het geweten’, lacht Luntama. ‘Wat de precieze impact van zo’n storm zou zijn, weten we niet. Vliegtuigen beschikken over voldoende back-upsystemen. Er zouden niet meteen levens in gevaar zijn, maar het omleiden en annuleren van vluchten zou wel voor ernstige hinder zorgen, denk maar aan wat er na de uitbarsting van de IJslandse vulkaan Eyjafjallajökull gebeurde. Uit schattingen blijkt dat een vijftig- tot honderdtal satellieten verloren zouden gaan – van de ongeveer duizend die in de lucht hangen – en vervangen zouden moeten worden.

Een plasmawolk kan zich over meer dan 40 miljoen kilometer uitstrekken op het moment dat ze met het magnetisch veld van de aarde botst – de blauwe lijnen in deze illustratie stellen de magnetische veldlijnen voor.

Het Europese elektriciteitsnet is vrij goed bestand tegen matige zonne-activiteit. Maar niemand kan garanderen dat stroompannes zullen uitblijven bij een hevige storm. Ik denk dat dat het grootste risico is. Uit een recente Europese analyse blijkt dat het risico varieert. In kustregio’s, zoals België, die zich aan de rand van het netwerk bevinden, is het iets groter omdat de inductiestromen daar minder ontsnappingsmogelijkheden hebben.’

We zijn ons bewust van de risico’s van zonnestormen, klinkt het bij netwerkbeheerder Elia. ‘Op dit moment wordt het Belgische stroomnet aan een risico-analyse onderworpen’, zegt woordvoerster Barbara Verhaegen. ‘Maar de risico’s hier zijn niet vergelijkbaar met die in Canada, de Verenigde Staten of Zweden.’ Bij de Nederlandse netwerkbeheerder TenneT kijkt men vooral naar de analyse die is gemaakt na de problemen in de VS en Canada in 1989. ‘Op basis van dat onderzoek nemen we aan dat het risico op problemen in Nederland gering is’, zegt Harald Wouters van TenneT.

Een grote zonnestorm zou tot honderd satellieten vernietigen en kan tot grote stroompannes leiden

Uit een rapport van het Europese Joint Research Centre (JRC), de wetenschappelijke poot van de Europese Commissie, blijkt dat niet iedereen zich bewust is van de mogelijke impact van ruimteweer. ‘Veel betrokkenen begrijpen de risico’s niet, laat staan dat ze maatregelen nemen om ze te beperken’, klinkt het. Ook daar wil de ESA wat aan doen. ‘Ons coördinatiecentrum moet het bewustzijn vergroten’, zegt Luntama. ‘Zodat bedrijven en overheden op basis van onze informatie zelf de kwetsbaarheid van hun infrastructuur kunnen inschatten.’

Dat de risico’s van ruimteweer worden onderschat, is een beetje vreemd. Er zijn immers precedenten en het is niet de vraag of we nog een hevige storm mogen verwachten, maar wanneer. ‘De Halloweenstormen liggen niet zo heel ver achter ons’, zegt Luntama. ‘Maar we hebben enkele rustige jaren achter de rug, en de mensen vergeten snel.’

Oogje op de zon
Verschillende satellieten houden de activiteit van de zon in de gaten. Het Solar Dynamics Observatory (SDO) van de NASA bestudeert het binnenste van de zon, haar straling, plasma en magnetisch veld. Bedoeling is om zo veranderingen in de activiteit van de zon beter te begrijpen en te kunnen voorspellen.

De Advanced Composition Explorer (ACE), eveneens gelanceerd door de NASA, bevindt zich op 1,5 miljoen kilometer van de aarde en 150 miljoen kilometer van de zon. De satelliet verzamelt onder meer informatie over de snelheid en dichtheid van de zonnewind die op de aarde afkomt. Een plasmawolk die ACE bereikt, komt na ongeveer een uur op de aarde aan. In januari 2014 plant de NASA de lancering van het Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), als backup voor ACE.  

Ook de SOHO-ruimtesonde (Solar and Heliospheric Obervatory) ziet plasmawolken recht op zich afkomen. SOHO heeft een coronograaf aan boord, een instrument dat het licht van de zonneschijf verduistert, zodat de corona, de atmosfeer rond de zon, beter kan worden bestudeerd. Om de snelheid te bepalen van plasmawolken die op ons afkomen, zijn de STEREO A- en B-satellieten handig. Zij zien de zon, elk vanuit een andere hoek, in zijaanzicht.
ESA-satelliet Proba-2 (Project for OnBoard Autonomy) meet om de vijftig milliseconden de stralingsintensiteit van de zon en  maakt beelden van de corona en plasmawolken.