Al maanden is de Space Impact Awareness Chart van de Joint Meteorologische groep vrijwel gevuld met groene vakjes. De afgelopen tijd worden vrijwel geen zonne-vlekken gerapporteerd en ook de 10.7 cm solar flux is op z’n laagst. De zon is rustig en voorlopig blijft dat zo.
Ook de zon kent een cyclus. Deze duurt elf jaar en in deze cyclus wisselt de zon van polariteit. Het magnetische noorden en zuiden wisselen van plaats en de magnetische veldlijnen wijzen na elf jaar de andere kant op. Na tweeëntwintig jaar is de zon weer terug in haar uitgangspositie en zal het proces zich herhalen. De zon gedraagt zich dus eigenlijk als een grote dynamo.
Omdat de zon aan de evenaar sneller om zijn as draait dan aan de polen (wat mogelijk is omdat de zon bestaat uit plasma), raakt het magneetveld verstrikt en wordt magnetische energie opgeslagen. Plekken waar deze energie het grootst is zijn te zien als zonnevlekken en de hoeveelheid hiervan is dan ook een maat voor de zonneactiviteit.
Halverwege de zonnecyclus zijn de magneetvelden het meest verstrikt en zien we dan ook de meeste zonnevlekken. Op een gegeven moment, als de magneetlijnen dusdanig verstrikt raken, kunnen deze lijnen breken. Bij het breken van de magneetlijnen komt een gigantische hoeveelheid energie vrij in de vorm van een zonnevlam of coronal mass ejection, waarbij ioniserende straling (gamma en röntgen) en geladen deeltjes worden uitgezonden. Dit kan op aarde storingen veroorzaken op bijvoorbeeld GPS, UHF-SATCOM, radar en HF-communicatie.
Tijdens het zonneminimum is het magneetveld van de zon het minst verstoord en is de zon het rustigst.
Op dit moment bevinden we ons in zo’n minimum, tussen de 24e en 25e zonnecyclus. Dit betekent niet dat er geen ruimteweer is. Juist tijdens een zonneminimum wordt de aarde constant bestookt met hoogenergetische geladen deeltjes: de Galactic Cosmic Rays.
Kosmische straling
Niet alleen de zon is oorsprong voor deeltjes die ons op aarde bereiken, maar ook deeltjes uit de interstellaire ruimte bereiken ons van tijd tot tijd, de zogenaamde kosmische straling (Galactic Cosmic Rays – GCRs). Juist tijdens het zonneminimum laten metingen een verhoging zien van het aantal deeltjes dat ons bereikt van buiten ons zonnestelsel.
Hoe komt dit nu precies?
Geladen deeltjes die de heliosfeer (de invloedssfeer van de zon) binnendringen, gaan interactie aan met het magnetisch veld van de zon. Binnen de heliosfeer, waarin de aarde zich ook bevindt, is de zonnewind (en daarmee het magneetveld van de zon) overheersend. Hoe intenser en complexer dit magnetisch veld, hoe moeilijker een deeltje zich ongestoord een weg naar binnen kan banen. Dit is het geval als de zon op haar actiefst is, tijdens het zonnemaximum. Tijdens het zonneminimum is het omgekeerde het geval: de zon is minder actief en de zonnewind houdt kosmische straling minder goed op afstand en kan deze op aarde gemeten worden.
Kosmische straling bestaat uit ‘primaire’ deeltjes: geïoniseerde atomen variërend van protonen, heliumkernen (α-deeltjes), tot zwaardere deeltjes zoals ijzerkernen en zelfs uraniumkernen. Ook hoogenergetische elektronen en subatomaire deeltjes behoren hier toe. Zogenaamde ‘secundaire’ deeltjes zijn deeltjes die gecreëerd worden nadat primaire deeltjes botsen met gassen in de aardatmosfeer, zoals pionen, muonen, en neutronen.
Bij de botsingen wordt energie over-gedragen aan elk nieuw secundair deeltje en die deeltjes botsen opnieuw en vormen zo een cascade van geladen deeltjes richting de grond.
Alleen de deeltjes met de hoogste energieën (>1014eV) produceren dit soort cascades richting de grond. Ter vergelijking: een proton-event op de zon produceert snelle protonen met een energie van rond de 107 – 109eV. Het deeltje met de hoogste energie ooit gemeten had een energie van ongeveer 3,2 x 1020eV, dat is vergelijk-baar met de hoeveelheid kinetische energie van een honkbal met een snelheid van 100 km/u. Het deeltje had dan ook een snelheid van meer dan 99,99% van de lichtsnelheid.
Een klein gedeelte van de GCRs bestaat uit volledig geïoniseerde uraniumkernen. De energie die ervoor nodig is om een uraniumatoom van al zijn elektronen te ontdoen is gigantisch. Om dat te bereiken is een temperatuur benodigd van >1027K, wat overeenkomt met de temperatuur van het heelal in de eerste ogenblikken na de oerknal.
De mechanismen om deeltjes tot deze snelheden te versnellen of om de temperatuur te bereiken om deze deeltjes volledig te ioniseren zijn dan ook nog onbegrepen. Kosmische straling heeft net als energetische deeltjes van de zon de eigenschap om deeltjes te ioniseren en daarmee de reflecterende eigenschappen van de ionosfeer te veranderen. Dit kan voor extra absorptie in de D-laag zorgen, vooral in de polaire regio, waardoor demping van het radiosignaal mogelijk is.
Hiernaast kan de kosmische straling door een ingewikkelde keten van chemische reacties zorgen voor een toename van stikstofoxide in de atmosfeer, wat op zijn beurt ozon aan de atmosfeer onttrekt. Ozon is een belangrijk gas als het op het klimaat aankomt, dus misschien heeft kosmische straling en de zonnecyclus zelfs effecten op ons klimaat!
Voorspelling cyclus 25
Net zoals een normale weersverwachting cruciaal kan zijn voor de lancering van een raket, zo is de voorspelling van de zonneactiviteit cruciaal voor lange termijn ruimtemissies. De dosis straling waar een astronaut aan blootgesteld gaat worden tijdens een lange ruimtemissie is afhankelijk van de zonneactiviteit. Bij een hoge zonneactiviteit neemt de wrijving toe en daarmee neemt de levensduur van een satelliet af. Als je weet dat de zon actief zal zijn, kun je de satelliet beter in een iets hogere baan plaatsen, wat natuurlijk extra brandstof kost. Ook de levensduur van de zonnepanelen, die achteruit gaan door energetische deeltjes van de zon, kan beter bepaald worden.
De uitdaging voor de komende jaren is het ontwikkelen van een betrouwbare verwachtingstechniek voor de elfjarige zonnecyclus. Er worden verschillende methoden en indicatoren gebruikt om de activiteit voor een komende cyclus te bepalen. Zo zijn het magnetisch veld van de zon op de polen en de geomagnetische activiteit tijdens het zonneminimum een maat voor de activiteit van de volgende zonnemaximum. Ook worden er algoritmes gebruikt die lijken op de algoritmes die de aandelenmarkt voorspellen.
Sinds de laatste zonnecyclus is er veel vooruitgang geboekt met zonnedynamo modellen. Hierin worden de bewegingen van het zonneplasma gemodelleerd en daarmee de magnetische respons berekend. De magnetische activiteit en daarmee samenhangende zonnevlekken en zonne-uitbarstingen kunnen daarmee berekend worden.
Een bemoeilijkende factor is dat vanwege de relatief korte tijd dat we data over het magneetveld van de zon verzamelen slechts de laatste vijf cycli gebruikt kunnen worden als input voor dit soort modellen. Door het gebrek aan data is het ontwikkelen van nieuwe verwachtingstechnieken een ontzettende uitdaging!
Ondanks onze beperkte verwachtingstechnieken heeft de NASA samen met de NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration) onlangs de officiële verwachting voor cyclus 25 uitgegeven. Het lijkt erop dat we een soortgelijke cyclus als de vorige tegemoet gaan.
Op 24 december 2019 verschenen vrijwel gelijktijdig een tweetal zonnevlekgroepen op de zon. Deze maakten een einde aan een periode zonder zonnevlekken die begon op 14 november, de langste vlekkeloze periode sinds 1996. De positie op de zon en polariteit van de vlekken lieten er geen twijfel over bestaan: cyclus 25 is begonnen!
Bronnen
- Space Weather Physics and Effects (Bothmer & Daglis, 2007)
- Reevaluation of X-Ray Atomic Energy Levels, Rev. Mod. Phys. 39 (Bearden & Burr, 1967)
- Short- and Medium-Term Induced Ionization in the Earth Atmosphere by Galactic and Solar Cosmic Rays (Zanis, 2012)
- Solar Cycle Predictions (Invited review) (Pesnell, 2012)
- A Dynamo-based forecast of Solar Cycle 25 (Labonville, Charbonneau, Lemerle, 2019)
- www.stce.be
- swpc.noaa.gov
In de periode 1645 – 1715 zijn opvallend weinig zonnevlekken waargenomen. Deze periode wordt ook wel het Maunder minimum genoemd, naar de zonne-astronoom Edward Walter Maunder en zijn vrouw Annie Russell Maunder, die onderzoek deden naar zonnevlekken.
Toevallig genoeg viel het Maunder minimum gelijk met de laatste kleine ijstijd (16e – 19e eeuw), waarin de gemiddelde temperatuur in Europa zo’n één à twee graden lager lagen dan normaal.
In deze periode vroren de grote rivieren in Nederland en de Engelse Thames regelmatig dicht. Zelfs de Bosporus bij Istanbul is in die periode wel eens dicht-gevroren. Het verband tussen deze koude periode en het gelijktijdig ontbreken van zonnevlekken is echter verre van onomstotelijk bewezen.
