Zon op weg naar activiteitsmaximum

Foto NASA/SDO en AIA-, EVE-, en HMI-Teams

Op dit moment is de zon op het minimum van haar ­activiteit. De komende jaren zal de activiteit aanzienlijk toenemen. Zonnestormen kunnen elektriciteits­netwerken en satellieten uitschakelen.

In het jaar 2019 is er waarschijnlijk een nieuw record gevestigd: nog nooit sinds het begin van het ruimte­tijdperk zijn er zoveel dagen in een kalenderjaar geweest waarop er geen enkele zonnevlek verscheen – vaak wekenlang achter elkaar zonder onder­breking. In actieve jaren zijn echter elke dag zonnevlekken zichtbaar, vaak tientallen individuele plekken in meerdere groepen. Het aantal en de grootte van de vlekken geeft informatie over hoe actief de zon op een bepaald moment is.

Het relatieve aantal zonnevlekken wordt sinds het midden van de 18e eeuw dagelijks bepaald. Elke zichtbare vlek op het oppervlak van de zon is goed voor één punt, elke groep voor tien punten. Omdat individuele vlekken tegelijkertijd als groep worden meegeteld, is het laagste getal 11.

Als er een grotere telescoop wordt gebruikt dan de standaardversie met een 8-inch diafragma, moet het getal met een vaste factor naar beneden worden bijgesteld om de waarnemingen vergelijkbaar te houden. Grote observa­toria rapporteren daarom vaak 7 als kleinste waarde.

De zonneactiviteit volgt een cyclus van ongeveer elf jaar. De minimum- en maximumwaarden worden bepaald aan de hand van rekenkundige maand­gemiddelden die gebaseerd zijn op een periode van 13 maanden, oftewel van zes maanden vóór tot en met zes maanden na de betreffende maand. Dat wordt gedaan omdat het aantal nogal schommelt, vooral wat de maxima betreft. In december 2019 was de waarde voor mei dus pas bekend. Die was 3,9.

Aangezien de maandgemiddelden van juni tot november slechts tussen de 0,4 en 1,1 lagen, zullen de rekenkundige gemiddelde waarden waarschijnlijk nog verder dalen als de activiteit de komende maanden niet sterk toeneemt. NASA-deskundigen verwachten dat het minimum in de loop van 2020 zal worden bereikt.

Het analyseren van proefmonsters uit ijskernen of in sedimenten maakt het mogelijk om de zonne­activiteit in de afgelopen eeuwen en millennia ruwweg te bepalen op basis van de isotopenverdeling van bepaalde elementen. Onderzoekers ontdekten dat ­activiteitscycli van verschillende lengtes elkaar overlappen.

Naast de cyclus van ongeveer elf jaar zijn er cycli van een paar honderd en een paar duizend jaar, maar hun precieze frequentie en amplitude zijn controversieel.

Wetenschappers proberen al vele decennia te voorspellen hoe intensief de activiteitenmaxima zullen zijn – met zeer matig succes. Zelfs nu, aan het begin van de aankomende cyclus, zijn hier nog volkomen verschillende voorspellingen en evenveel verschillende benaderingen voor.

Volgens de laagste prognose zijn de aantallen zonnevlekken slechts half zo hoog als bij de vorige cyclus, en die was al het zwakst in meer dan 100 jaar. Dan zou de komende cyclus veruit de zwakste zijn sinds het begin van de reguliere metingen. Andere wetenschappers gaan er daarentegen van uit dat de cyclus vrij sterk zal zijn, ongeveer tot op het niveau van de voorlaatste, en dus zo’n beetje op het gemiddelde van alle tot nu toe geregistreerde cycli.

NASA verwacht dat de komende cyclus net zo laag zal zijn als de vorige. Die prognose is vooral belangrijk voor de ruimtevaartactiviteiten.

Als er veel vlekken zijn, is de zon actief. Dan produceert de zon meer straling en deeltjesstromen dan in rustige jaren. Zelfs zonder uitbarstingen is de röntgenstraling die van de zon afkomt op het maximum van de cyclus een of twee orden van grootte hoger dan op het mini­mum.

Grote groepen vlekken produceren gewelddadige stralingsuitbarstingen. Die zogenaamde röntgen­vlammen worden aan de hand van de intensiteit van de vrijgekomen röntgenstraling logaritmisch ingedeeld in de klassen C, M en X. Die zijn elk onderverdeeld in een tiendelige schaal, waarbij na C9 dan M1 komt. Een X1-vlam produceert 100 keer zoveel ­röntgenstraling als een C1-vlam en 10 keer zoveel als een klasse M1-vlam. Als X9 wordt overschreden, wordt gewoon doorgeteld met X10, 11, 12 …

De röntgenstraling kan alleen door satellieten worden gedetecteerd, omdat de aardse atmosfeer ze volledig absorbeert, zodat daar aan het aardoppervlak niets meer van te merken is. Twee extreme vlammen tussen 2000 en 2010 brachten de sensoren van de NASA-meetsatelliet met X17 op het verzadigingspunt. Volgens schattingen zou de recordhouder op 4 november 2003 de waarde X28 bereikt hebben.

Extreme vlammen kunnen zelfs de waarde X50 bereiken.Dergelijke röntgenstralen komen zonder waarschuwing vooraf voor bij actieve gebieden van de zon en bereiken de waarschuwingsdrempel vaak binnen enkele minuten. Ze houden een paar minuten tot enkele uren aan. Dat is voor bemande ruimtestations geen probleem – die moeten sowieso goed worden afgeschermd tegen de voortdurend aanwezige röntgenstraling.

NASA voorziet exploitanten van pijpleiding- en elektriciteitsnetwerken van gegevens over verwachte geomagnetische stormen.

Ook satellieten kunnen dergelijke stralings­stijgingen makkelijk aan. Röntgenstralen hebben wel een sterk effect op de ionosfeer. Aan de kant die naar de zon gericht is, stort de communi­catie op de korte golf via de ruimte volledig in tijdens dergelijke beurtenissen– maar tegenwoordig is korte-golfradio van minder belang. Ook de effecten op de satellietcommunicatie en -navigatie zijn klein.

Soms gaan dergelijke vlammen gepaard met een sterke toename van de zonneruis over een breed frequentiegebied. Dat kan inderdaad storing veroor­zaken. Dat gebeurt echter alleen bij zwakke signalen, zoals van satellietverbindingen of bij mobiele communicatie tussen partners die maar net binnen elkaars bereik zitten.

Af en toe stoten dergelijke vlammen ook grote hoeveelheden geladen deeltjes uit, zogenaamde CME’s (Coronal Mass Ejections) oftewel plasma­wolken. Meestal is het pas uren na een zonnevlam dat het aantal protonen dat op de aarde aankomt meetbaar toeneemt, in het geval van grotere CME’s met vele duizenden malen de normale waarde.

De protonen worden door het magnetische veld van de aarde afgebogen en komen rond de magnetische polen de ionosfeer binnen. Daar veroorzaken ze een aanzienlijke toename van de kosmische straling, die vaak dagenlang duurt, waardoor luchtvaartmaatschappijen gedwongen worden om polaire vliegroutes te vermijden of veel lager te vliegen om blootstelling van passagiers en bemanning aan de straling niet te hoog te laten worden.

Protonbombardementen zijn daarnaast van grote invloed op satellieten. De boordelektronica van satellieten kan worden verstoord door protonen, bijvoorbeeld door fouten in geheugenchips of door meer ruis in gemaakte foto’s. In extreme gevallen crasht de boordcomputer. Een satelliet kan ook zijn oriëntatie verliezen doordat tijdelijk geblindeerde sensoren geen beeld meer kunnen geven van de nachtelijke hemel, en de boordsystemen daardoor de positie van de satelliet niet of niet correct kunnen bepalen. Heftige uitbarstingen verstoren de afzonderlijke satellieten herhaaldelijk of leiden tot een tijdelijk verlies van controle.

Als een uitbarsting plaatsvindt in een centraal gebied van het zonneoppervlak dat zichtbaar is vanaf de aarde, kan er na ongeveer 36 tot 72 uur een magnetische storm volgen. Snelle veranderingen in de zonnewind, oftewel in de deeltjesdichtheid en -snelheid, creëren schokfronten die het magnetisch veld van de aarde aanzienlijk kunnen vervormen. Zeer sterke stormen leiden zelfs tot een tijdelijke afwijking in de weergave van magnetische kompassen.

Dergelijke geomagnetische stormen kunnen aanzienlijke schade veroorzaken. Als het magnetisch veld van de aarde zodanig wordt vervormd dat satellieten door de zogeheten magnetopauze gaan, worden ze zonder bescherming blootgesteld aan de zonnewind aan de kant die naar de zon gericht is.

Een zichtbaar gevolg van zo’n magnetische storm op aarde is het noorderlicht, dat af en toe op lagere breedtegraden te zien is tijdens bijzonder hevige stormen. De snelle veranderingen in het aardmagnetisch veld kunnen aanzienlijke problemen veroorzaken voor exploitanten van grote elektriciteitsnetten of bovengrondse leidingnetwerken omdat die gelijkspanningen induceren.

Pijpleiding-beheerders zetten hun leidingen ook wel onder spanning om corrosie te voorkomen. Extern geïnduceerde spanningen door magnetische stormen kunnen die bescherming ineffectief maken. Operators op hogere breedtegraden moeten daarom reageren en de beveiligingsspanning aanpassen als er magnetische stormen optreden.

In elektriciteitsnetten kunnen geïnduceerde spanningen een direct destructief effect hebben. Elektriciteitsnetwerken die zich over honderden of zelfs duizenden kilometers uitstrekken, lopen het risico op aanzienlijke schade bij zeer zware geomagnetische stormen. Zwakke punten zijn de transformatoren bij de overgangen naar andere netwerken en spanningsniveaus, die door de toegevoegde gelijkspanningscomponenten dusdanig kunnen opwarmen dat ze kapotgaan.

Het Amerikaanse weerinstituut NOAA heeft in samenwerking met de USGS, een Amerikaans bureau dat onder meer onderzoek doet naar de natuurlijke hulpbronnen, onlangs gegevens gepubliceerd voor de VS over hoe groot de gevolgen van die magneetveldveranderingen kunnen zijn. Dat geeft netwerk­beheerders de mogelijkheid om tijdig maatregelen voor te bereiden om hun installaties te beschermen.

De NOAA gebruikt voor zijn systeem voor vroeg­tijdige waarschuwing een satelliet op lagrangepunt L1 tussen de aarde en de zon, wat betekent dat hij zich op de lijn bevindt tussen de twee hemellichamen op het punt waar hun zwaartekrachten elkaar opheffen. Daar, op ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde, meet de satelliet voortdurend de gegevens van de zonnewind, dat wil zeggen de dichtheid, de snelheid en de magnetische oriëntatie en sterkte van de wind. Uit de veranderingen in deze waarden kan vrij nauwkeurig het effect ervan worden ingeschat op het aardmagnetisch veld.

Voor onze regio worden daar geen waarschuwingen uit berekend, hoewel dat met de NOAA-satellietgegevens makkelijk zou kunnen. Dat is ook omdat dat de gevaren hier kleiner zijn dan in Noord-­Amerika. Ook al bevinden we ons geografisch gezien op een noordelijkere breedtegraad dan de VS, de magnetische pool is momenteel ongeveer 10 graden richting Noord-Amerika opgeschoven ten opzichte van de geografische noordpool. Daardoor ligt de noordelijke grens van de VS (in het middenwesten) op dezelfde geomagnetische breedtegraad als het zuiden van Noorwegen.

In het verleden heeft Europa wel te maken gehad met stroomstoringen als gevolg van magnetische stormen, maar die hebben voornamelijk de Scandinavische landen getroffen, waar de gevolgen veel ernstiger zijn door de meer noordelijke ligging. Zware geomagnetische stormen zijn zeer zeldzaam geworden door de lage activiteit van de zon in de laatste cyclus en zijn in het algemeen milder geweest dan bij de veel actievere cycli sinds de jaren dertig.

De zon volgt een cyclus van ongeveer elf jaar, maar bevindt zich momenteel in een sluimerende fase.

De onderzoekssatelliet Solar Orbiter is met een Atlas 5-411-raket op weg gestuurd naar de zon. De gezamenlijke missie van het Europees Ruimteagentschap (ESA) en NASA gaat de zon tien jaar lang van dichtbij bestuderen en daarbij high-res beelden maken en gegevens verzamelen met behulp van een aantal sensoren.

Vanaf juni zal de satelliet in totaal tien instrumenten kunnen gebruiken om de omstandigheden te meten waaraan de satelliet op verschillende afstanden van de zon wordt blootgesteld en om verschillende parameters van de zonneactiviteit vast te leggen. Dat zijn onder andere de deeltjesstraling, het magnetisch veld rond de sonde en het spectrum.

De grootste moeilijkheid in het ontwerp was het ontwikkelen van maatregelen om de 1,8 ton wegende satelliet te beschermen tegen de intense hitte. Een deel van de sensoren bevindt zich achter een nieuw ontwikkeld hitteschild van een calcium­fosfaatmateriaal (SolarBlack), dat in combinatie met 20 lagen titanium ontworpen is om op lange termijn temperaturen van meer dan 500 graden Celsius te weerstaan.

De komende één tot twee jaar zal de activiteit van de zon langzaam weer toenemen. Over vier tot zes jaar zal dat waarschijnlijk zijn maximum bereiken. De hoogste geomagnetische activiteit kan dan worden verwacht in de tweede helft van de jaren twintig.

De deskundigen zijn bang voor vlammen van de Carrington-klasse, genoemd naar de astronoom die de grootste uitbarsting op de zon tot nu toe heeft waargenomen en beschreven. Naar de huidige maatstaven zou de bijbehorende röntgenuitstoot waarschijnlijk in de X40- tot X50-klasse komen te vallen. In de nacht van 1 op 2 september 1859 werd de aarde getroffen door de sterkste geomagnetische storm ooit. Die was zo gewelddadig dat het daarbij geproduceerde felle noorderlicht tot in Cuba te zien was.

De in telegraaflijnen geïnduceerde spanning was zo hoog, dat op sommige plaatsen de gebruikte papierstroken door vonken in brand vlogen. Een gebeurtenis van die omvang kan in de huidige tijd enorme schade toebrengen aan satellietsystemen en elektriciteitsnetwerken.

De voorspellingen voor de komende cyclus zijn onbetrouwbaar. Een hoge zonneactiviteit verhoogt het risico op catastrofale uitbarstingen, dus hoe beter onderzoekers begrijpen wat er op de zon gebeurt, des te beter ze het risico kunnen inschatten en des te specifieker beheerders van kwetsbare technologie die kunnen beschermen. De missie naar de zon van NASA en ESA moeten ook tegen die achtergrond gezien worden.

(Urs Mansmann, Noud van Kruysbergen)