Zon

Wat zijn plasmawolken en hoe ontstaan ze?

Plasmawolken (In het Engels: Coronal Mass Ejections, afgekort CME’s) zijn grote uitbarstingen van plasma en het magnetische veld uit de atmosfeer van de Zon – de corona. Deze enorme plasmawolken kunnen elektriciteitsnetwerken en satellieten uitschakelen maar ze kunnen ook leiden tot heel mooi poollicht.

Coronal Mass Ejection op de Zon
Een zogenoemde Coronal Mass Ejection. De opname is gemaakt door de SOHO-satelliet, een gezamenlijk project van de ESA en de NASA.

Vergeleken met zonnevlammen, uitbarstingen van elektromagnetische straling die met een snelheid van het licht reizen en de Aarde in iets meer dan 8 minuten bereiken, reizen CME’s relatief gezien in een rustiger tempo. Met hun hoogste snelheden van bijna 3000 kilometer per seconde kunnen CME’s de Aarde in ongeveer 15 tot 18 uur bereiken. Langzamere CME’s die rond de 250 kilometer per seconde reizen hebben enkele dagen nodig om de Aarde te bereiken.

Deze relatief langere reistijden zijn handig omdat ze ons meer tijd geven om ons voor te bereiden op een dergelijke aankomst. CME’s kunnen grote schade aanrichten aan elektriciteitsnetwerken, telecommunicatienetwerken en in een baan om de Aarde draaiende satellieten. Bovendien kunnen astronauten worden blootgesteld aan een gevaarlijke dosis straling. Omgekeerd zijn CME’s een graag geziene bezoeker over de gehele wereld want ze kunnen leiden tot indrukwekkende aurora’s die zichtbaar zijn op breedtegraden buiten hun “normale” poolbereik.

Noorderlicht boven Alaska
Noorderlicht boven Alaska. Door United States Air Force photo by Senior Airman Joshua Strang – Deze afbeelding werd vrijgegeven door de Air Force van de Verenigde Staten met het ID 050118-F-3488S-003 (next).Deze banner zegt niets over de auteursrechten die van toepassing zijn. Een normale auteursrechten-tag is nodig. Zie Commons:Licensing voor meer informatie.العربية | বাংলা | Deutsch | English | español | euskara | فارسی | français | italiano | 日本語 | 한국어 | македонски | മലയാളം | Plattdüütsch | Nederlands | polski | پښتو | português | svenska | Türkçe | українська | 中文 | 中文(简体)‎ | +/−http://www.af.mil/weekinphotos/wipgallery.asp?week=97&idx=9 (Full Image), Publiek domein, Koppeling

Hoe ontstaan CME’s

CME’s ontstaan op dezelfde manier als zonnevlammen. Ze zijn het resultaat van de verdraaiing en herschikking van het magnetische veld van de Zon, bekend als magnetische herverbinding. Wanneer magnetische veldlijnen “in de war raken”, produceren ze sterke gelokaliseerde magnetische velden die in actieve gebieden door het oppervlak van de Zon kunnen breken en vervolgens plasmawolken kunnen genereren.

CME’s vinden meestal plaats rond zonnevlekkengroepen en gaan vaak gepaard met een zonnevlam, hoewel de twee niet altijd samen voorkomen. In feite weten wetenschappers nog steeds niet helemaal zeker hoe de twee gebeurtenissen met elkaar verband houden. CME’s komen het meest voor tijdens het zonnemaximum. Dit is een periode in de 11-jarige activiteitscyclus van de Zon waarin de ster het meest actief is. Nadat CME’s zijn ontstaan zwellen ze in omvang terwijl ze weg van de Zon reizen.

Grotere CME’s kunnen bijna een kwart van de ruimte tussen de Aarde en de Zon vullen tegen de tijd dat ze onze planeet bereiken.

Als een plasmawolk groot genoeg is en sneller reist dan de zonnewind genereert het een schokgolf waarbij versnelde geladen deeltjes voor de CME uit reizen. Hierdoor worden de weersomstandigheden in de ruimte verder verstoord en worden geomagnetische stormen versterkt.

Effecten van plasmawolken op de Aarde

Uitgebreide aurora’s

Aurora’s ontstaan wanneer verstoringen in het magnetische veld van de Aarde ionen naar de polen van de Aarde leiden. Daar komen ze in botsing met zuurstof- en stikstofatomen in de atmosfeer van de Aarde. Hierdoor ontstaan duizelingwekkende lichtshows rond de poolgebieden. Op het noordelijk halfrond wordt het fenomeen noorderlicht (Aurora Borealis) genoemd terwijl het op het zuidelijk halfrond het zuiderlicht (Aurora Australis) wordt genoemd.

Gewoonlijk zijn deze oogverblindende lichtshows beperkt tot de poolgebieden maar tijdens grote magnetische storingen, veroorzaakt door plasmawolken, kunnen aurora’s ook op veel lagere breedtegraden worden gezien.

In 1859 resulteerde het Carrington Event, een kolossale zonnestorm veroorzaakt door een CME, aurora’s die werden waargenomen nabije de tropische breedtegraden boven o.a. Cuba, de Bahama’s, Jamaica, El Salvador en Hawaï.

Dat gezegd hebbende veroorzaken plasmawolken niet altijd buitengewone poollichten. De mate van magnetische storing van een CME hangt af van het magnetische veld van de CME en dat van de Aarde. Als het magnetische veld van de CME is uitgelijnd met dat van de Aarde, en van zuid naar noord wijst, zal de CME met weinig effect voorbij gaan. Als de plasmawolk echter in de tegenovergestelde richting is uitgelijnd kan dit ertoe leiden dat het magnetische veld van de Aarde wordt gereorganiseerd waardoor indrukwekkende poollichten kunnen ontstaan.

Technologische storingen

Grote CME’s kunnen technologische storingen veroorzaken die vooral problematisch zijn in onze moderne samenleving.

De Carrington-gebeurtenis in 1859 veroorzaakte wereldwijde storingen in het telegraafsysteem. Er waren zelfs meldingen van operators die elektrische schokken kregen en er kwamen vonken van telegraafmachines waardoor papieren in brand vlogen. In 1989 vergezelde een plasmawolk een zonnevlam die de Aarde trof. Hierdoor viel gedurende 12 uur de stroomvoorziening uit in de Canadese provincie Quebec. De schade die deze gebeurtenis veroorzaakte kostte het nutsbedrijf Hydro-Quebec minstens 10 miljoen euro.

Maar hoe veroorzaken plasmawolken al deze storingen?

CME’s kunnen ook pieken in elektrische stromen veroorzaken waardoor elektriciteitsnetten overbelast worden en er wijdverbreide stroomstoringen ontstaan. Volgens NASA kunnen CME’s het magnetische veld van de Aarde verdringen. Dit belemmert radiotransmissies en de radiostatische ruis in de ionosfeer kan hierdoor worden vergroot.

GPS-systemen zijn bijzonder kwetsbaar voor verstoringen in de ionosfeer en het is bekend dat GPS-coördinaten tientallen meters verdwalen tijdens een plasmawolkgebeurtenis.  De storing treedt op omdat GPS radiosignalen gebruikt om informatie tussen een satelliet en een grondontvanger door te geven. Het radiosignaal gaat door de ionosfeerlaag die geladen plasma bevat. Dit buigt het pad van het GPS-signaal op een vergelijkbare manier als de buiging van licht door een lens. Normaal gesproken kunnen GPS-systemen deze buiging van het radiosignaal compenseren waardoor de nauwkeurigheid van GPS niet wordt aangetast. Tijdens een CME-gebeurtenis kan de ionosfeer echter zo ernstig worden verstoord dat de GPS-modellen dergelijke veranderingen niet kunnen bijhouden en ontvangers niet langer een nauwkeurige positie kunnen berekenen.

Effecten van CME’s in de ruimte

Hoe worden satellieten door plasmawolken beïnvloed?

Satellieten die om de Aarde draaien zijn kwetsbaar voor plasmawolken. Dit geldt vooral voor de satellieten in hoge geostationaire banen. In dit gebied bevinden zich vooral communicatiesatellieten. Wanneer een CME een magnetische storm veroorzaakt kunnen satellieten worden getroffen door een hoge stroom die in de satelliet wordt geloosd. Ook kunnen satellieten beschadigd raken wanneer hoogenergetische deeltjes de satelliet binnendringen. Daarom kunnen kwetsbare satellieten in “veilige mode” worden geplaats om schade aan elektronica te voorkomen.

Een voltreffer van een kolossale geomagnetische storm zoals die in 1869 werd waargenomen, de Carrington gebeurtenis, zou een zware tol kunnen eisen van onze vloot van satellieten, aldus NASA.

Volgens berekeningen van het Goddard Space Flight Center van de NASA zou een zonnestorm in het slechtste geval een economische impact kunnen hebben die vergelijkbaar is met een orkaan van categorie 5 of een tsunami.

Er zijn meer dan 900 werkende satellieten met een geschatte vervangingswaarde van 170 miljard euro tot 230 miljard euro. Deze satellieten ondersteunen een industrie van 90 miljard euro per jaar. Een doorgerekend scenario toonde aan dat een superstorm een schade van maar liefst 70 miljard euro kan veroorzaken als gevolg van de combinatie van verloren satellieten, serviceverlies en winstverlies.

SpaceX heeft al te maken gehad met schade veroorzaakt door ruimteweer. In februari 2022 veroorzaakte een geomagnetische storm het verlies van 40 Starlink-satellieten met een waarde van meer dan 50 miljoen euro.

Zijn plasmawolken schadelijk voor astronauten?

In een lage aardbaan ontvangen astronauten hogere doses straling dan wij op Aarde maar ze worden nog steeds grotendeels beschermd door de magnetosfeer.

Het echte gevaar voor astronauten komt als ze niet meer door de magnetosfeer worden beschermd bijvoorbeeld op de Maan of Mars. Bij zo’n expeditie, buiten de beschermende schilden van de Aarde, zijn ze kwetsbaar voor gevaarlijk ruimteweer zoals plasmawolken. Als een door een CME aangedreven schokgolf een onvoorbereide astronaut zou raken die het Maan- of Marsoppervlak verkent dan zou die geraakt kunnen worden door evenveel straling als 300.000 gelijktijdige röntgenfoto’s van de borst. Dit zou dodelijke gevolgen hebben aangezien er slechts 45.000 gelijktijdige röntgenfoto’s van de borst nodig zouden zijn om je te doden.

Hoe kunnen we plasmawolken voorspellen?

SOHO bestudeert de Zon
Artist impression van de SOHO-satelliet. Credit: NASA/ESA/Alex Lutkus

Het zonneweer kan drastische en dure gevolgen hebben. Het is daarom belangrijk om onze kennis, monitoring en voorspellingen van dergelijke gebeurtenissen te vergroten. Gelukkig voor ons hebben plasmawolken enkele uren en meestal enkele dagen nodig om de Aarde te bereiken. Dit geeft ons wat tijd om ons voor te bereiden op hun komst.

Verschillende organisaties houden de Zon nauwlettend in de gaten en rapporteren eventuele veranderingen in oppervlaktekenmerken. Hieruit zou een CME afgeleid kunnen worden. Dit kan een toename van de zonneactiviteit en het uitstoten van zonnevlammen zijn. Als een sterke M- of X-klasse zonnevlam wordt gedetecteerd zal deze waarschijnlijk, maar niet altijd, gepaard gaan met een plasmawolk.

Voorspellers van ruimteweer gebruiken verschillende parameters – grootte, snelheid en richting – afgeleid van coronograafbeelden die door satellieten worden gemaakt, om de waarschijnlijkheid te bepalen dat een plasmawolk de Aarde raakt.

Een coronograaf is een speciaal instrument dat wordt gebruikt om het licht van de Zon te blokkeren. Op die manier kunnen wetenschappers de buitenste laag – de corona – bestuderen. Een coronograaf bootst een zonsverduistering na waardoor de corona van de Zon zichtbaar wordt. Wetenschappers leunen hierbij zwaar op de Large Angle and Spectrometric Coronograph (LASCO) van de SOHO-satelliet.

Het Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) dat zich in het L1 Lagrangepunt begint op ongeveer 1,6 miljoen kilometer verwijderd van de Aarde heeft een prima beeld op het ontstaan van CME’s op de Zon.

DSCOVR-satelliet

DSCOVR bewaakt alle veranderingen in de sterkte van het interplanetaire magnetische veld en de snelheid van de zonnewind. Dit zijn essentiële parameters voor de nauwkeurigheid en het reactievermogen van ruimteweervoorspellers.

Vanuit zijn plek in L1 kan de DSCOVR-satelliet 15 tot 60 minuten van tevoren waarschuwen voordat een CME de Aarde bereikt. Wanneer een aardgebonden CME wordt gedetecteerd worden kwetsbare groepen zoals energiebedrijven, satellietbedrijven en luchtvaartmaatschappijen gewaarschuwd zodat die passende maatregelen kunnen nemen. Met geavanceerde waarschuwingen kunnen nutsbedrijven stroombelastingen omleiden en zo voorkomen dat elektriciteitsnetten worden overlast wanneer de CME toeslaat. Satellieten kunnen in de veilige mode worden geplaatst en vliegtuigen kunnen worden omgeleid.

Vigil-missie

De Vigil-missie van de ESA, die over enkele jaren moet worden gelanceerd, voegt nog een nieuw instrument toe dat ons kan waarschuwen. Vigil zal de Zon volgen vanaf Langrangepunt L5, ongeveer 150 miljoen kilometer van de Aarde. De ruimtesonde zal zo worden geplaatst dat het de zijkant van de Zon in de gaten kan houden. Het zal de Zon waarnemen voordat dit gedeelte naar de Aarde toe draait. Men hoopt zo ons vooraf te kunnen waarschuwen voor mogelijk gevaarlijke activiteit van de Zon.

Eerste publicatie: 17 juni 2022
Bron: space.com