Ruimteweer, zonnewindstoringen en radio-uitbarstingen

De zonnewind, de stroom elektrisch geladen deeltjes afkomstig uit de buitenste atmosfeerlaag (de corona) van de zon, vormt een bedreiging voor leven en de op elektrische technologie gebaseerde moderne menselijke samenleving. Het magnetische veld van de aarde biedt bescherming tegen de binnenkomende zonnewind door deze af te buigen. Drastische zonnegebeurtenissen , zoals de massa-uitstoot van elektrisch geladen plasma uit de corona van de zon, veroorzaken verstoringen in de zonnewind . Daarom is het bestuderen van verstoringen in de zonnewind (ook wel ruimteweer genoemd ) van essentieel belang. Coronal Mass Ejections (CME's), ook wel ' zonnestormen ' of ' ruimtestormen ' genoemd, worden geassocieerd met zonne- radioflitsen . Het bestuderen van zonne -radioflitsen in radio-observatoria kan inzicht geven in CME's en de omstandigheden van de zonnewind. Uit de eerste statistische studie (recent gepubliceerd) van 446 geregistreerde type IV-radioflitsen die zijn waargenomen tijdens de laatste zonnecyclus 24 (elke cyclus verwijst naar de verandering in het magnetische veld van de zon om de 11 jaar), is gebleken dat de meeste langdurige type IV-radioflitsen van de zon gepaard gingen met coronale massa-ejecties (CME's) en verstoringen in de omstandigheden van de zonnewind.

Net zoals het weer op aarde wordt beïnvloed door verstoringen in de wind, wordt het ruimteweer beïnvloed door verstoringen in de zonnewind. Maar daar houdt de gelijkenis op. In tegenstelling tot de wind op aarde, die bestaat uit lucht met atmosferische gassen zoals stikstof en zuurstof, bestaat de zonnewind uit superheet plasma van elektrisch geladen deeltjes zoals elektronen, protonen, alfadeeltjes (heliumionen) en zware ionen. Dit plasma stoot continu vanuit de atmosfeer van de zon in alle richtingen uit, ook in de richting van de aarde.

De zon is de ultieme energiebron voor het leven op aarde en wordt daarom in veel culturen vereerd als de gever van leven. Maar er is ook een keerzijde. De zonnewind, de continue stroom van elektrisch geladen deeltjes (plasma) afkomstig uit de zonneatmosfeer, vormt een bedreiging voor het leven op aarde. Gelukkig buigt het magnetische veld van de aarde het grootste deel van de ioniserende zonnewind af (van de aarde) en absorbeert de aardatmosfeer het grootste deel van de resterende straling, waardoor bescherming wordt geboden tegen ioniserende straling. Maar er is meer – naast de bedreiging voor biologische levensvormen vormt de zonnewind ook een bedreiging voor de elektriciteits- en technologiegedreven moderne samenleving. Elektronische en computersystemen, elektriciteitsnetten, olie- en gaspijpleidingen, telecommunicatie, radiocommunicatie inclusief mobiele telefoonnetwerken, GPS, ruimtevaartmissies en -programma's, satellietcommunicatie, internet, enzovoort – al deze systemen kunnen potentieel worden verstoord en tot stilstand worden gebracht door verstoringen in de zonnewind ^. Astronauten en ruimtevaartuigen lopen een bijzonder groot risico. Er hebben zich in het verleden verschillende voorbeelden voorgedaan, zoals de 'Quebec Blackout ' in maart 1989 in Canada, veroorzaakt door een enorme zonnevlam die het elektriciteitsnet ernstig beschadigde. Ook enkele satellieten liepen schade op. Daarom is het van essentieel belang om de omstandigheden van de zonnewind in de omgeving van de aarde in de gaten te houden – hoe de kenmerken ervan, zoals snelheid en dichtheid, magnetische veldsterkte en -oriëntatie, en de hoeveelheid energierijke deeltjes (oftewel ruimteweer ) van invloed zijn op levensvormen en de moderne menselijke samenleving.

Net als bij weersvoorspellingen, kan ook ruimteweer voorspeld worden? Wat bepaalt de zonnewind en de omstandigheden ervan in de buurt van de aarde? Kunnen ernstige veranderingen in het ruimteweer van tevoren worden vastgesteld, zodat preventieve maatregelen genomen kunnen worden om de schadelijke gevolgen voor de aarde te minimaliseren? En waarom ontstaat de zonnewind eigenlijk?

De zon is een bal van heet elektrisch geladen gas en heeft daarom geen duidelijk oppervlak. De fotosfeerlaag wordt behandeld als het oppervlak van de zon, omdat we dit met licht kunnen waarnemen. Lagen onder de fotosfeer naar binnen naar de kern zijn ondoorzichtig voor ons. De zonneatmosfeer bestaat uit lagen boven het fotosfeeroppervlak van de zon. Het is de transparante gasvormige halo die de zon omringt. Beter gezien vanaf de aarde tijdens de totale zonsverduistering, heeft de zonneatmosfeer vier lagen: chromosfeer, zonne-overgangsgebied, corona en heliosfeer.  

De zonnewind ontstaat in de corona, de tweede laag (van buitenaf gezien) van de zonneatmosfeer. De corona is een laag zeer heet plasma. Terwijl de temperatuur van het zonneoppervlak ongeveer 6000 K bedraagt, is de gemiddelde temperatuur van de corona ongeveer 1-2 miljoen K. Het mechanisme en de processen van de opwarming van de corona en de versnelling van de zonnewind tot zeer hoge snelheden en expansie in de interplanetaire ruimte , ook wel de 'paradox van de coronaverwarming' genoemd, zijn nog niet goed begrepen.^² Onderzoekers hebben echter in een recent artikel geprobeerd dit op te lossen door middel van fotonen die afkomstig zijn van axionen (het hypothetische elementaire deeltje van donkere materie).^³

Af en toe wordt een enorme hoeveelheid heet plasma vanuit de corona in de buitenste laag van de zonneatmosfeer (heliosfeer) gestoten. Deze massa-uitstoot van plasma uit de corona, ook wel coronale massa-ejecties (CME's) genoemd, blijkt grote verstoringen te veroorzaken in de temperatuur, snelheid, dichtheid en het interplanetaire magnetische veld van de zonnewind. Dit leidt tot sterke magnetische stormen in het geomagnetische veld van de aarde⁴ ^. De uitbarsting van plasma uit de corona gaat gepaard met de versnelling van elektronen, en de versnelling van geladen deeltjes genereert radiogolven. Als gevolg hiervan worden coronale massa-ejecties (CME's) ook geassocieerd met uitbarstingen van radiosignalen van de zon⁵ ^. Daarom zou onderzoek naar ruimteweer de timing en intensiteit van massa-uitstoot van plasma uit de corona moeten bestuderen in samenhang met de bijbehorende zonne-uitbarstingen, een type IV radio-uitbarsting die lang aanhoudt (meer dan 10 minuten).

Het optreden van radio-uitbarstingen in de eerdere zonnecycli (de periodieke cyclus van het magnetische veld van de zon om de 11 jaar) in verband met coronale massa-ejecties (CME's) is in het verleden bestudeerd.  

Een recent statistisch onderzoek op lange termijn door Anshu Kumari et al. van de Universiteit van Helsinki naar radioflitsen die in zonnecyclus 24 zijn waargenomen, werpt meer licht op de associatie van langdurige radioflitsen met een breder frequentiebereik (zogenoemde type IV-flitsen) met coronale massa-ejecties (CME's). Het team ontdekte dat ongeveer 81% van de type IV-flitsen werd gevolgd door coronale massa-ejecties (CME's). Ongeveer 19% van de type IV-flitsen ging niet gepaard met CME's. Bovendien gaat slechts 2.2% van de CME's gepaard met type IV- ^{radioflitsen⁶}.

Inzicht in de timing van langdurige uitbarstingen van type IV en coronale massa-ejecties (CME's) zal helpen bij het ontwerpen en plannen van lopende en toekomstige ruimteprogramma 's, om zo de impact hiervan op dergelijke missies en uiteindelijk op het leven en de beschaving op aarde te verminderen.

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2102111

***

Referenties:    

1. White SM., zd. Zonne-radio-uitbarstingen en Tussenruimte Weer. Universiteit van Maryland. Online verkrijgbaar op https://www.nrao.edu/astrores/gbsrbs/Pubs/AJP_07.pdf Betreden op 29 Jamaury 2021. 

2. Aschwanden MJ et al 2007. De coronale verwarmingsparadox. The Astrophysical Journal, Volume 659, Nummer 2. DOI: https://doi.org/10.1086/513070  

3. Rusov VD, Sharph IV, et al 2021. Oplossing van het coronale verwarmingsprobleem door middel van fotonen met axionoorsprong. Physics of the Dark Universe Volume 31, januari 2021, 100746. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dark.2020.100746  

4. Verma PL., et al 2014. Coronale massa-ejecties en verstoringen in plasmaparameters van zonnewind in relatie tot geomagnetische stormen. Journal of Physics: Conference Series 511 (2014) 012060. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/511/1/012060   

5. Gopalswamy N., 2011. Coronale massa-ejecties en zonne-radio-emissies. CDAW-datacentrum NASA. Online verkrijgbaar bij https://cdaw.gsfc.nasa.gov/publications/gopal/gopal2011PlaneRadioEmi_book.pdf Betreden op 29 januari 2021.  

6. Kumari A., Morosan DE., en Kilpua EKJ., 2021. Over het optreden van type IV zonne-radio-uitbarstingen in zonnecyclus 24 en hun associatie met coronale massa-ejecties. Gepubliceerd op 11 januari 2021. The Astrophysical Journal, Volume 906, Number 2. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc878  

***