De zon is niet bepaald rustig, hoewel hij er vrij vredig uitziet in de snelle blikken die we met onze blote ogen kunnen stelen. In werkelijkheid is de zon echter een dynamisch, chaotisch lichaam, dat zonnewind en straling uitstraalt en uitbarst in grote plasmalagen. Leven in een technologische samenleving naast dat alles is een uitdaging.
Meestal verwarmt de zon alleen de aarde. Maar soms leiden zijn uitbarstingen tot zonnestormen die de aarde treffen. En in onze geëlektrificeerde en wereldwijd communicatieve wereld kunnen die stormen veel schade aanrichten. Alleen al in Europa mogelijk voor miljarden euro's aan schade, aldus de European Space Agency (ESA). Er zijn dingen die we kunnen doen om ons elektriciteitsnet, communicatiesystemen en andere infrastructuur te beschermen tegen de geomagnetische stormen veroorzaakt door de zon. Maar we moeten weten wanneer er een komt.
Een videosimulatie van het magnetisch veld van de aarde in wisselwerking met het (zonne) interplanetaire magnetische veld (IMF). Een zonnestorm die krachtig genoeg is, kan de magnetosfeer van de aarde samendrukken en ervoor zorgen dat het materiaal en het magnetisme van de zon elektriciteitsleidingen en andere infrastructuur beschadigen. Krediet: door Dr. Nikolai Tsyganenko, USRA/NASA/GSFC – publiek domein.
Als we zonnestormen met enige nauwkeurigheid willen voorspellen, moeten we hun bron observeren: de zon. Hoewel we de zon vanaf de aarde kunnen zien, is het magnetische veld van de aarde, dat ons eigenlijk tegen deze stormen beschermt, een belemmering voor het bewaken van de zon. De atmosfeer blokkeert de röntgenstralen van de zon, extreme UV- en gammastralen, waardoor het ook moeilijker wordt om de zon in detail te observeren.
Het is niet zo dat grondobservaties van de zon ons niets kunnen vertellen over het gedrag van de zon en de naderende zonnestormen, het is alleen dat ze het niet alleen kunnen. Satellieten in de magnetosfeer van de aarde maar buiten de atmosfeer kunnen ook helpen. Maar ze doen metingen ter plaatse, ze maken geen voorspellingen.
De ESA plant een missie die ons meer van tevoren waarschuwt voor gevaarlijke stormen. Om effectiever te zijn, moet het in de ruimte zijn, weg van de magnetosfeer van de aarde. De missie heet Lagrange en op dit moment overweegt de ESA een paar ruimtevaartuigen. De ene zou op Lagrangian Point 1 zitten en de andere op Lagrangian Point 5.
De Lagrangiaanse punten Aarde-Zon. (Niet op schaal.) Een van de voorgestelde ruimtevaartuigen zou op L1 zitten, in een frontale positie ten opzichte van de zon. De andere zou op L5 zitten en een belangrijk zijaanzicht krijgen. (Het ruimtevaartuig dat op L2 wordt getoond, is NASA's WMAP.) Image Credit: NASA/WMAP Science Team
Lagrange-punten zijn specifieke locaties in de ruimte waar de zwaartekracht van de aarde en de zon elkaar in evenwicht houden, en een ruimtevaartuig kan lange tijd in die positie blijven met minimaal brandstofverbruik. Er zijn al meerdere ruimtevaartuigen op L1 en L2, en er komen er nog meer aan. (De James Webb Space Telescope zal worden ingezet op L2.)
De zon barst soms uit en zendt enorme klodders materiaal uit met magnetische veldlijnen van coronale massa-ejecties. De meeste van die klodders komen nergens in de buurt van de aarde; maar af en toe valt er een op ons. En dat veroorzaakt hier een geomagnetische storm, omdat de uitbarsting van de zon de magnetosfeer van de aarde tijdelijk overweldigt.
Maar deze stormen komen niet uit het niets. Ze beginnen met waarneembare omstandigheden op de zon. De zon heeft een cyclus van 11 jaar en het deel van die cyclus met de meeste zonneactiviteit - en stormpotentieel - wordt het zonnemaximum genoemd. Tijdens het zonnemaximum komen de meeste stormen van coronale massa-ejecties (CME's). Op andere momenten in de 11-jarige cyclus worden ook stormen voortgebracht door co-roterende interactiegebieden (CIR's).
Zon met een enorme coronale massa-ejectie. Afbeelding tegoed: NASA
Maar wat de oorzaak ook is, ze komen allemaal van de zon, en het is in ieders voordeel om ze nauwkeuriger te voorspellen.
Het paar ruimtevaartuigen zou samenwerken om de zon te bewaken. L1 staat in de zonnewind, stroomopwaarts. L1-metingen kunnen ons vertellen over ruimteweer dat op weg is naar de aarde. De L5-positie geeft ons een soort zijaanzicht van coronale massa-ejecties, en dat zorgt voor betere metingen van de snelheid en richting van een CME. Samen zou de informatie betere voorspellingen betekenen.
'Een van de beste manieren om snel veranderende zonneactiviteit te observeren, is door een speciaal ruimtevaartuig iets uit de buurt van onze directe lijn naar de zon te plaatsen, zodat het de 'kant' van onze ster kan observeren voordat deze in beeld draait,' zei Juha- Pekka Luntama, verantwoordelijk voor ruimteweer in het missiecontrolecentrum van ESA, Darmstadt, Duitsland.
Het L1-ruimtevaartuig zou het feitelijke materiaal van de storm op weg naar de aarde meten en de snelheid, dichtheid, temperatuur en druk kunnen meten. Het kan ook de sterkte en de richting van de Interplanetair magnetisch veld (IMF), het deel van het magnetische veld van de zon dat door de zonnewind van de zon de ruimte in wordt geduwd. Door de L1-positie kan het ruimtevaartuig ook de zonneschijf en corona bekijken en energetische deeltjes van de zon meten.
Een contourplot van de effectief potentieel door de zwaartekracht en de centrifugale kracht van een tweelichamensysteem in een roterend referentiekader. De pijlen geven de hellingen van de potentiaal rond de vijf Lagrange-punten aan - bergafwaarts naar hen toe (rood) of van hen af (blauw). Contra-intuïtief, de L4en ik5punten zijn de hoge punten van het potentieel. Op de punten zelf zijn deze krachten in evenwicht. Image Credit: door Lagrange_points.jpg: gemaakt door NASA afgeleid werk: Xander89 (talk) - Lagrange_points.jpg, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7547312
De L5-positie bevindt zich 60 graden achter de aarde terwijl deze om de zon draait. Het L5-ruimtevaartuig zou de dingen vanaf de zijkant bekijken en de kant van de zon zien die op het punt stond te draaien om naar de aarde te kijken. Dat ruimtevaartuig zou ook kunnen toekijken hoe plasmawolken zich voortplanten en naar de aarde worden uitgezonden.
'L5 is een uitstekende plek voor een toekomstige ruimteweermissie van ESA omdat het een vooruitblik geeft op wat er bij de zon gebeurt', zei Juha-Pekka in een persbericht .
'Het ruimtevaartuig zou cruciale gegevens opleveren die ons zullen helpen bij het opsporen van aardse uitwerpselen, onze voorspellingen van de aankomsttijd op aarde verbeteren en voorkennis verschaffen van actieve gebieden op de zon terwijl ze in beeld draaien.'
Voor deze missie zouden de twee ruimtevaartuigen niet identiek zijn. Om hun wetenschappelijke rol te vervullen, hadden ze elk een andere reeks instrumenten nodig. Tot die instrumenten behoren magnetografen, coronagrafen, heliosferische imagers, magnetometers, spectrometers, plasma-analysatoren en andere.
De Lagrange-missie zou onderdeel worden van een netwerk van observatiefaciliteiten, zowel in de ruimte als hier op aarde, gewijd aan het voorspellen van ruimtestormen. Samen vormen ze de ESA's Ruimteweer (SWE) netwerk .
In een persbericht stelt de ESA dat een enkele extreme ruimteweergebeurtenis tot $ 15 miljard euro ($ 16,2 miljard US) kan veroorzaken. Met een waarschuwing vooraf kunnen elektriciteitsnetbeheerders zich voorbereiden op de storm en de schade beperken, en ervoor zorgen dat de elektriciteit naar kritieke voorzieningen zoals ziekenhuizen slechts minimaal wordt onderbroken. Satellietexploitanten zouden eveneens profiteren.
De missie bevindt zich op dit moment in de ontwerpconceptfase. Experts in ruimteweer en instrumentontwerp van industriële en wetenschappelijke consortia in Europa werken eraan. De ESA zegt dat ze binnen ongeveer 18 maanden een missieontwerp zullen selecteren.
Meer:
- Persbericht: Lagrange-missie
- Aanvullend persbericht: Lagrange-missie
- Universum vandaag: Ruimteweersvoorspellingen kunnen satellieten nu een hele dag waarschuwen wanneer een dodelijke zonnestorm binnenkomt