De Zon: Een razende vuurzee

Hoe zonnestormen ons hightech leven bedreigen

Het is donderdag 1 september 1859. De 33-jarige amateurastronoom Richard Carrington gaat naar zijn privéobservatorium bij Londen. Hij opent de koepel en stelt zijn telescoop scherp, zodat deze een 28 centimeter groot beeld van de Zon projecteert op een scherm. Hij is juist bezig zonnevlekken na te tekenen als er plotseling “twee zeer felle lichtvlekken” in beeld verschijnen. Op hetzelfde moment slingert de magnetometer in het Kew Observatorium in Londen wild heen en weer aan het zijde draadje. De volgende dag is er vóór zonsopgang een intens poollicht te zien. Het wordt zelfs waargenomen in verre zuidelijke oorden als Hawaï en Panama.

 

De Tekening van Richard Carrington.

Bron: http://static.nationalgeographic.nl/thumbnails/genjPhotoPicture/mediaBig/83/08/00/megastormen-op-de-zon-2-883.jpg

 

De zonnevlam die Carrington zag, kondigde het begin aan van een zware zonnestorm, een enorme magnetische ontlading die miljarden tonnen geladen deeltjes naar de Aarde slingerde. Toen de onzichtbare vloedgolf in botsing kwam met het aardmagnetisch veld, wekte dit elektrische stromen op in telegraafkabels. Sommige telegraafstations vielen helemaal uit, maar elders konden telegrafisten berichten sturen op geomagnetische energie, zonder hun accu te gebruiken. “We gebruiken nu alleen de stroom die door het Poollicht wordt opgewekt”, meldde een telegrafist uit Boston aan zijn collega in Portland, Maine. “Hoe is de ontvangst?” “Veel beter dan met de accu’s”, luidde het antwoord.

Sinds 1859 is er nooit meer zo’n zware zonnestorm geweest, en dus is het moeilijk te voorspellen hoe hard een storm van dat formaat onze huidige, van kabelnetwerken aan elkaar hangende samenleving zou raken. Maar op 13 maart 1989 kreeg Québec hiervan toch een voorproefje. De elektriciteit viel uit als gevolg van een zonnestorm die nog niet eens half zo zwaar was als die van Carrington. Binnen twee minuten zaten zes miljoen huishoudens zonder stroom. Een zonnestorm zo hevig als die van 1859 zou meer transformatoren kunnen opblazen dan de elektriciteitsbedrijven in voorraad hebben, en het herstel van de elektriciteitsvoorziening zou maanden kunnen duren. Al die tijd zitten dan miljoenen mensen zonder licht, drinkwater, rioolwaterzuivering, verwarming, airconditioning, brandstof en telefoon. Volgens een Amerikaans rapport zouden de herstelkosten alleen al in de VS één- tot tweeduizend miljard dollar zijn, en zou het tien jaar duren voor de economie er weer helemaal bovenop was.

 

Grafiek intensiteit zonnestormen

Bron: National Geographic magazine

 

We kunnen het gedrag van de Zon slechts een paar dagen van te voren voorspellen”, zegt Karel Schrijver van Lockheed Martins Solar and Astrophysics Laboratory  in Palo Alto, Californië.De periode waarin de zon haar maximale activiteit bereikt, begint naar verwachting dit jaar (2012). “We onderzoeken hoe het ruimteweer de maatschappij beïnvloedt en hoe erg het kan worden”, aldus Schrijver. “Als je eenmaal weet dat er zo’n groot gevaar dreigt, ben je moreel verplicht je daarop voor te bereiden. Niets doen is moreel onaanvaardbaar”.

De Zon lijkt heel vertrouwd, maar kijk ernaar door een telescoop en de bekende gele schijf verandert in een wonderlijke en dynamische wereld, waar uitstulpingen zo groot als planeten de donkere ruimte in schieten, om enkele uren of dagen later weer terug te vallen alsof ze in de ban zijn van een onzichtbare kracht.

En dat laatste is ook zo. De zon bestaat niet uit vaste of vloeibare stoffen en zelfs uit gewoon gas. Ze bestaat uit plasma, de vierde aggregatietoestand waarin materie kan voorkomen. In een plasma zijn atomen een of meer van hun elektronen kwijt geraakt, waardoor geladen ionen (vaak protonen) en elektronen zich vrij van elkaar kunnen bewegen. De massa met geladen deeltjes vormt een uitstekende elektrische geleider. Daarnaast kent de Zon een wirwar van magnetische velden. Die liggen diep in het binnenste van de zon, maar sommige van die magnetische bundels, in doorsnee zo groot als de Aarde, prikken door het oppervlak en zijn te zien als zonnevlekken. Deze magnetische krachten veroorzaken allerlei fenomenen in de zonneatmosfeer, zoals tijdelijke uitstulpingen (protuberansen) en vormen ook de motor van de zonnewind, waarbij per seconde een miljoen ton plasma de ruimte ingeblazen wordt, met een snelheid van zevenhonderd kilometer per seconde.

 

De plasmalussen van de Zon zijn veel groter dan de Aarde

Bron: http://www.natuurkunde.nl/servlet/supportBinaryFiles?referenceId=1&supportId=637830

 

De krachtbron van dit alles ligt in de kern van de Zon. In dit inferno, met een temperatuur van vijftien miljoen graden en een dichtheid zes keer zo groot als die van goud, vindt kernfusie plaats. Per seconde wordt zevenhonderd miljoen ton protonen gefuseerd tot heliumkernen, waarbij evenveel energie vrijkomt als bij de explosie van tien miljard waterstofbommen. De kern pulseert een beetje. Hij zet iets uit als het kernfusieproces sneller verloopt, en krimpt weer wat in als het wat langzamer gaat. Op deze trage en diepe hartslag spelen zich talloze andere periodieke verschijnselen af, van de elfjarige zonnevlekkencyclus tot cycli met een periode van eeuwen.

De energie die bij de kernfusie in de kern van de Zon vrijkomt, wordt naar buiten getransporteerd door energierijke fotonen die botsend en stuiterend hun weg vinden door een doolhof van ionen en elektronen. In deze stralingszone is de materie zo dicht opeengepakt dat het meer dan honderdduizend jaar duurt voordat het almaar verstrooide fotonen terecht komen in de hoger liggende convectiezone. Die begint op 70 procent van de straal van de zon, gemeten vanuit het midden. Na nog eens ongeveer een maand bereiken de fotonen de fotosfeer, de voor ons zichtbare buitenste laag van de Zon. Daarna kost het de fotonen slechts acht minuten om de Aarde als zonlicht te bereiken.

Zoals is te verwachten, maakt deze gigantische thermonucleaire hoogoven een hoop herrie. “De Zon klinkt als een klok die in miljoenen toonhoogten tegelijk luidt”, aldus Mark Miesch van het National Center for atmospheric Research. De geluidsgolven veroorzaken rimpelingen aan het zonoppervlak. Ze worden door wetenschappers onderzocht om zo de bewegingen in de dieper liggende convectiezone in kaart te brengen. Deze tak van wetenschap heet helioseismologie. Sensoren aan boord van het Solar Dynamics Observatory van NASA stelden onderzoekers van de Stanford University onlangs in staat om magnetische bundels te ontdekken op zo’n 65.000 kilometer onder het zichtbare oppervlak. Ze voorspelden dat ze enkele dagen later via zonnevlekken zichtbaar zouden worden.

De Zon is als een enorme dynamo, en de magnetische veldlijnen omsluiten haar als de spijlen van een vogelkooi, van pool tot pool. Daarnaast zijn er overal plaatselijke magnetische velden die zijn verstrikt in het plasma van de convectiezone en al kronkelend en draaiend tijdelijk boven het oppervlak kunnen uitsteken. Deze lussen met het daarin gevangen gloeiende plasma zijn vanaf de Aarde goed te zien. Als er twee elkaar raken, kan er een soort kortsluiting ontstaan, met grote plasma-explosies tot gevolg: de zonnevlammen. Daarbij komen onvoorstelbare hoeveelheden energie vrij. Zonnevlammen veroorzaken röntgen- en gammastraling en versnellen plasmadeeltjes tot bijna de lichtsnelheid.

De grote zonnevlam die Carrington zag, veroorzaakte de tweede van een zeldzaam paar van coronale massa-uitstotingen – enorme bellen plasma die explosief de ruimte in worden geslingerd. Dat er twee vlak na elkaar kwamen, was heel bijzonder. Samen veroorzaakten ze een flinke deuk in de aardse magnetosfeer, het gebied waar het aardmagnetisch veld en de zonnewind in wisselwerking zijn. De magnetosfeer werd samengedrukt van zijn normale hoogte van zestigduizend tot slechts zevenduizend kilometer. Geladen deeltjes bereikten de hoogste lagen van de atmosfeer en veroorzaakten poollicht, niet alleen in de poolgebieden, maar zelfs tot dicht bij de evenaar. Sommige mensen dachten dat hun stad in brand stond!

 

Poollicht Noorwegen, 24 januari 2012. Bij hoge zonneactiviteit is het poollicht soms ook zuidelijker te zien.

Bron: http://static.nationalgeographic.nl/thumbnails/genjPhotoPicture/mediaBig/84/08/00/megastormen-op-de-zon-3-884.jpg

 

Een super zonnestorm zoals die van Carrington komt waarschijnlijk slechts eens in de paar eeuwen voor, maar zelfs veel minder zware stormen kunnen ook al grote schade veroorzaken, vooral nu mensen steeds afhankelijker worden van ruimtetechnologie. Zonnestormen verstoren de ionosfeer, de laag van de dampkring waar het poollicht gewoonlijk optreedt, ruim honderd kilometer boven het aardoppervlak. Jaarlijks vliegen meer dan elfduizend vliegtuigen over het noordpoolgebied. Boven de tachtig graden noorderbreedte vliegen zij buiten het bereik van communicatiesatellieten. Dan gebruiken ze kortegolfzenders, waarbij de radiosignalen door de ionosfeer worden weerkaatst, zodat ze een verder weg gelegen ontvanger kunnen bereiken. Als der ionosfeer door ruimteweer wordt verstoord, wordt ook radiocommunicatie via die korte golf onmogelijk. Vliegtuigen moeten dan een andere route volgen, wat tienduizenden euro’s per vlucht kan kosten. Een verstoorde ionosfeer beïnvloedt ook gps-signalen, waarbij de weergegeven positie wel vijftig meter van de werkelijkheid kan afwijken. Landmeters kunnen hun gereedschap inpakken, drijvende olieplatforms kunnen niet meer boven de oliebron blijven liggen en piloten en automobilisten kunnen niet meer gebruikmaken van hun gps-navigatie.

Door de ultraviolette straling die vrijkomt bij zonnevlammen wordt de bovenste atmosferische laag van de Aarde verhit. Deze zwelt op en satellieten ondervinden meer weerstand in hun baan om de Aarde. Daardoor verandert hun baan. Volgens schattingen van NASA daalt het internationale ruimtestation ISS driehonderd meter per dag als de zon kuren vertoont. Zonnestormen kunnen ook de elektronica in communicatiesatellieten beschadigen.

In tegenstelling tot satellieten hebben de meeste elektriciteitsnetwerken helemaal geen ingebouwde bescherming tegen zware geomagnetische stormen. Grote transformatoren zijn geaard in de grond. Maar geomagnetische stormen kunnen stromen opwekken waardoor de aarding niet meer werkt, ze oververhit raken, in brand vliegen of exploderen. Volgens John Kappenman van Storm Analyses Consultants, die het effect van ruimteweer op het stroomnetwerk bestudeert, zou bij een zonnestorm zo zwaar als die van 1921 de stroom in half Noord-Amerika uitvallen. Een zonnestorm als die in 1859 zou het hele netwerk uitschakelen en honderden miljoenen mensen terugwerpen naar het tijdperk van voor de uitvinding van de elektriciteit – voor weken of maanden. “We spelen Russische roulette met de Zon”, zegt Kappenman.

We spelen in elk geval niet geblinddoekt. Afgezien van wat telescopen en een handjevol observatoria met magnetometers, waren er in 1859 nog nauwelijks middelen om de Zon te bestuderen. Nu beschikken wetenschappers over een hele vloot van satellieten die foto’s maken in röntgen- en ultraviolette straling; vanaf het aardoppervlak is deze straling niet waar te nemen doordat de atmosfeer deze absorbeert. De ACE (Advanced Composition Explorer) werd al in 1997 gelanceerd en doet het nog prima. Hij registreert de zonnewind vanuit een omloopbaan nabij het Lagrangepunt L1, een punt tussen de Zon en de Aarde dat ligt op 1,5 miljoen kilometer van de Aarde, daar waar de zwaartekracht van beide hemellichamen even groot is. SOHO (Solar and  Heliospheric Observatory) is voorzien van twaalf detectoren die allerlei gegevens verzamelen, van de voortsnellende protonen van de zonnewind tot trage schommelingen van de Zon. STEREO (Solar terrestrial Relations Observatory) bestaat uit twee satellieten die samen driedimensionale beelden van de Zon maken, waarop is te zien hoe (en waar precies) plasmawolken worden weggeschoten en door de ruimte snellen. Het Solar Dynamics Observatory, dat in februari 2010 werd gelanceerd, stuurt dagelijks 1,5 terabyte aan gegevens over de zonneatmosfeer, de golfbeweging aan het zonsoppervlak en het magnetisch veld van de Zon.

De foto hierboven verteld ook het een en ander over de foto hieronder.

 

Toch is er nog een hoop werk te verzetten. “We weten nu even veel over het ruimteweer als vijftig jaar geleden”,zegt Douglas Biesecker van de National Oceanic and atmospheric Administration (NOAA).

Om alle nieuwe kwetsbare systemen wat meer voorbereidingstijd te geven, proberen onderzoekers eerder te berekenen hoe zwaar een storm kan worden en wanneer hij de Aarde zal bereiken. Sinds kort gebruikt de NOAA een nieuw computermodel waarmee tot op zes uur nauwkeurig kan worden bepaald wanneer een coronale massa-uitstoting de Aarde zal bereiken. Het zat er bij de voorspelling van een potentieel zeer zware storm op 8 maart 2012 maar 45 minuten naast. De stom liep met een sisser af, maar met de volgende boffen we misschien niet zo. “We hebben in de huidige zonnecyclus nog geen echte grote jongen gezien”, zegt Biesecker. “Maar als er een komt, zien we hem tenminste ruim van te voren aankomen.”

 

Bron: National Geographic Magazine (Tekst Timothy Ferris)

Geef een reactie