Een enorme zonnevlam is onvermijdelijk, en de mensheid is totaal onvoorbereid

De afgelopen 150 jaar hebben de grote zonnevlammen ons allemaal gemist. Maar op een gegeven moment zal het een keer mis gaan.

BELANGRIJKE CONCLUSIES

De zon zendt allerlei soorten ruimteweer uit in willekeurige richtingen, en zo nu en dan staat de aarde precies in haar vizier. Wanneer het magnetisch veld van een coronale massa-uitstoot tegengesteld is aan dat van de aarde, kan dit een zeer gevaarlijke geomagnetische storm veroorzaken. Dit kan leiden tot een multi-miljoenen dollar ramp als we onvoorbereid zijn - en we zijn nog nooit in groter gevaar geweest.

Door Ethan Siegel - 10 december 2021

Video is wel beschikbaar (engels-talig) 5 min.

Vanaf de jaren 1600 tot halverwege de jaren 1800 was zonne-astronomie een zeer eenvoudige wetenschap. Als je de zon wilde bestuderen, keek je gewoon naar het licht van de zon. Je kon dat licht door een prisma laten gaan en het zo opsplitsen in de verschillende golflengten: van ultraviolet via de verschillende kleuren van het zichtbare lichtspectrum helemaal tot in het infrarood. Je kunt de zonneschijf rechtstreeks bekijken door een zonnefilter over het oculair van je telescoop te plaatsen of door een geprojecteerd beeld van de zon te maken, waardoor je eventuele zonnevlekken kunt zien. Of je kunt de corona van de zon bekijken tijdens het meest visueel aantrekkelijke spektakel dat de natuur te bieden heeft: tijdens een totale zonsverduistering. Meer dan 250 jaar lang was dat alles.

Dat veranderde drastisch in 1859, toen zonneastronoom Richard Carrington een bijzonder grote, onregelmatige zonnevlek in de gaten hield. Plotseling werd een "witte lichtvlam" waargenomen, met een ongekende helderheid en die ongeveer vijf minuten duurde. Ongeveer 18 uur later ontstond op aarde de grootste geomagnetische storm uit de geschiedenis. Wereldwijd waren poollichten zichtbaar, ook aan de evenaar. Mijnwerkers werden midden in de nacht wakker en dachten dat het dageraad was. Kranten konden worden gelezen door het licht van het noorderlicht. En het verontrustende was dat telegraafsystemen begonnen te vonken en brand te stichten, ook al waren ze volledig afgesloten.

Dit bleek de allereerste waarneming te zijn van wat we nu kennen als een zonnevlam: een voorbeeld van ruimteweer. In een gebeurtenis als die van Carrington in 1859 zich vandaag hier op aarde zou voordoen, zou dat resulteren in een catastrofe van vele miljarden dollars. Dit is wat we er allemaal over moeten weten.

Als we aan de zon denken, denken we gewoonlijk aan twee dingen: de interne energiebron, kernfusie in haar kern, en de straling die zij uitzendt vanuit haar fotosfeer en die allerlei biologische en chemische processen op aarde en elders in het zonnestelsel opwarmt en aandrijft. Dit zijn zeker twee van de belangrijkste processen waarbij onze zon betrokken is, maar er zijn er nog meer. Als we de buitenste lagen van de zon van dichtbij bekijken, zien we dat er lussen, ranken en zelfs stromen zijn van heet, geïoniseerd plasma: atomen die zo heet zijn dat hun elektronen zijn weggeslingerd, waardoor alleen kale atoomkernen overblijven.

Deze piekerige kenmerken zijn het gevolg van het magnetisch veld van de zon, omdat deze hete, geladen deeltjes de magnetische veldlijnen volgen tussen de verschillende gebieden op de zon. Dit is heel anders dan het magnetisch veld van de aarde. Terwijl wij worden gedomineerd door het magnetische veld dat in de metalen kern van onze planeet wordt gecreëerd, wordt het veld van de zon juist onder het oppervlak opgewekt. Dit betekent dat lijnen op chaotische wijze de zon binnenkomen en verlaten, met sterke magnetische velden die teruglussen, uit elkaar gaan en zich periodiek opnieuw verbinden. Wanneer deze magnetische herverbindingen optreden, kunnen zij niet alleen leiden tot snelle veranderingen in de sterkte en richting van het veld nabij de zon, maar ook tot een snelle versnelling van geladen deeltjes. Dit kan leiden tot de emissie van zonnevlammen en - als de corona van de zon erbij betrokken is - tot coronale massa-ejecties.

Wat er op de zon gebeurt, blijft helaas niet altijd op de zon, maar verspreidt zich vrijelijk door het zonnestelsel. Zonnevlammen en coronale massa-ejecties bestaan uit snel bewegende geladen deeltjes van de zon: voornamelijk protonen en andere atoomkernen. Normaal zendt de zon een constante stroom van deze deeltjes uit, die bekend staat als de zonnewind. Deze ruimteweersverschijnselen - in de vorm van zonnevlammen en coronale massa-ejecties - kunnen echter niet alleen de dichtheid van de geladen deeltjes die door de zon worden uitgezonden sterk doen toenemen, maar ook hun snelheid en energie.

Zonnevlammen en coronale massa-ejecties doen zich, wanneer zij zich voordoen, vaak voor op de centrale en midden-latitudes van de zon, en slechts zelden rond de polaire gebieden. Er lijkt geen rijm of reden te zijn voor hun richting - ze komen even vaak voor in de richting van de aarde als in een andere richting. De meeste ruimteweersverschijnselen in ons zonnestelsel zijn goedaardig, althans vanuit het oogpunt van onze planeet. Alleen wanneer een gebeurtenis recht op ons afkomt, vormt zij een potentieel gevaar.

Aangezien we nu zonne-observatiesatellieten en -observatoria hebben, zijn zij onze eerste verdedigingslinie: zij waarschuwen ons wanneer een ruimteweersgebeurtenis potentieel bedreigend voor ons is. Dat gebeurt wanneer een zonnevlam recht op ons gericht is, of wanneer een coronale massa-ejectie "ringvormig" lijkt, wat betekent dat we alleen een bolvormige halo zien van een gebeurtenis die mogelijk recht op ons gericht is.

Of het nu gaat om een zonnevlam of een coronale massa-ejectie, een vloedgolf van geladen deeltjes die op de aarde afkomt, betekent niet automatisch een ramp. In feite zitten we alleen in de problemen als drie dingen tegelijk gebeuren:

1. Het ruimteweer dat zich voordoet moet de juiste magnetische uitlijning hebben ten opzichte van onze planeet om onze magnetosfeer binnen te dringen. Als de uitlijning niet juist is, zal het magnetisch veld van de aarde de meeste deeltjes onschadelijk afbuigen, zodat de rest niets anders kan doen dan een meestal onschadelijk poollicht te veroorzaken.


2. Typische zonnevlammen komen alleen voor in de fotosfeer van de zon, maar zonnevlammen die een wisselwerking hebben met de corona - vaak verbonden door een protuberans van de zon - kunnen een coronale massa-ejectie veroorzaken. Als een coronale massa-ejectie recht op de aarde is gericht, en de deeltjes bewegen snel, dan is dat wat de aarde in het grootste gevaar brengt.


3. Er moet een grote hoeveelheid elektrische infrastructuur aanwezig zijn, vooral lussen en draadspoelen met een groot oppervlak. In 1859 was elektriciteit nog relatief nieuw en zeldzaam; vandaag is het een alomtegenwoordig onderdeel van onze wereldwijde infrastructuur. Naarmate onze elektriciteitsnetten meer onderling verbonden raken en verder reiken, wordt onze infrastructuur meer bedreigd door deze ruimteweersomstandigheden.

Met andere woorden, de meeste ruimteweersverschijnselen die zich in de loop van de geschiedenis hebben voorgedaan, zouden geen gevaar hebben opgeleverd voor de mensen op onze planeet, omdat de enige waarneembare effecten die ze zouden hebben, zouden bestaan uit het veroorzaken van een spectaculaire auroraverschijning. Maar vandaag, met de enorme hoeveelheden op elektriciteit gebaseerde infrastructuur die nu onze planeet bedekt, is het gevaar zeer, zeer reëel.

Het concept is vrij gemakkelijk te begrijpen en bestaat al sinds de eerste helft van de 19e eeuw: geïnduceerde stroom. Wanneer we een elektrisch circuit bouwen, voegen we daar meestal een spanningsbron aan toe: een stopcontact, een batterij, of een ander apparaat dat in staat is om elektrische ladingen door een stroomvoerende draad te laten bewegen. Dat is de meest gebruikelijke manier om een elektrische stroom te creëren, maar er is nog een andere: door het magnetisch veld te veranderen dat aanwezig is in een lus of een spoel van draad.

Wanneer je een stroom door een lus of een spoel van draad laat lopen, verander je het magnetische veld binnenin. Als je die stroom uitzet, verandert het veld weer: een veranderende stroom induceert een magnetisch veld. Welnu, zoals Michael Faraday al in 1831, 190 jaar geleden, aantoonde, is het omgekeerde ook waar. Als je het magnetisch veld in een lus of spoel van draad verandert - bijvoorbeeld door een staafmagneet in of uit de lus/spoel zelf te bewegen - zal dat een elektrische stroom in de draad zelf opwekken, wat betekent dat er elektrische lading zal vloeien, zelfs zonder batterij of andere spanningsbron.

Dat is wat ruimteweer zo gevaarlijk maakt voor ons hier op aarde: niet dat het een directe bedreiging vormt voor mensen, maar dat het enorme hoeveelheden elektrische stroom kan veroorzaken door de draden die onze infrastructuur verbinden. Dit kan leiden tot:

• kortsluitingen
• branden
• explosies
• blackouts en stroomonderbrekingen
• verlies van communicatie-infrastructuur
• veel andere schade die pas later zal optreden

Consumentenelektronica vormt geen groot probleem; als je wist dat er een zonnestorm op komst was en je alles in je huis uit het stopcontact zou halen, zouden de meeste van je apparaten veilig zijn. Het grote probleem ligt bij de infrastructuur die is opgezet voor grootschalige productie en transmissie van stroom; er zullen oncontroleerbare pieken ontstaan die krachtcentrales en onderstations zullen uitschakelen en veel te veel stroom in steden en gebouwen zullen pompen. Niet alleen zou een grote piek - vergelijkbaar met de Carrington-ramp in 1859 - een ramp van vele miljarden dollars betekenen, maar hij zou ook duizenden of zelfs miljoenen mensen kunnen doden, afhankelijk van hoe lang het duurt om de warmte en water te herstellen voor de zwaarst getroffenen.

Het eerste waarin we moeten investeren, als we het ergste scenario voor zo'n gebeurtenis echt willen voorkomen, is vroegtijdige opsporing. Hoewel we op afstand naar de zon kunnen kijken en zo schattingen kunnen maken van wanneer zonnevlammen en coronale massa-ejecties potentieel gevaarlijk kunnen zijn voor de aarde, hebben we ons gebaseerd op onvolledige gegevens. Alleen door de magnetische velden te meten van de geladen deeltjes die van de zon naar de aarde reizen - en deze te vergelijken met de oriëntatie van het magnetische veld van de aarde op dat moment - kunnen we weten of een dergelijke gebeurtenis een potentieel catastrofale impact op onze planeet zou hebben.

In de afgelopen jaren waren we afhankelijk van de zonobservatiesatellieten die we tussen de aarde en de zon hebben geplaatst: op het Lagrangepunt L1, op zo'n 1.500.000 km afstand van de aarde. Helaas hebben de deeltjes die van de zon naar L1 stromen al 99% van de weg van de zon naar de aarde afgelegd, en komen ze meestal 15 tot 45 minuten later aan. Dat is verre van ideaal als het gaat om het voorspellen van een geomagnetische storm, laat staan het nemen van maatregelen om er een te beperken. Maar dat verandert allemaal nu de eerste van de volgende generatie zonne-observatoria onlangs online is gekomen: de DKIST van de National Science Foundation, of de Daniel K. Inouye Solar Telescope.

De Inouye-telescoop is extreem groot, met een primaire spiegel met een diameter van 4 meter. Van de vijf wetenschappelijke instrumenten zijn er vier spectro-polarimeters, ontworpen en geoptimaliseerd voor het meten van de magnetische eigenschappen van de zon. Met name kunnen wij het magnetisch veld meten in alle drie de lagen van de zon die kunnen worden waargenomen: fotosfeer, chromosfeer en in de gehele zonnecorona. Gewapend met deze informatie kunnen we met grote zekerheid weten wat de oriëntatie van het magnetisch veld van een coronale massa-ejectie is vanaf het moment dat die wordt uitgezonden, en kunnen we dan gemakkelijk bepalen welk gevaar dat uitgeworpen materiaal voor de aarde oplevert.

In plaats van een waarschuwingstijd van minder dan een uur, zouden we een waarschuwing kunnen krijgen van wel drie tot vier dagen die het uitgeworpen coronale materiaal gewoonlijk nodig heeft om naar de aarde te reizen. Zelfs voor een Carrington-achtige gebeurtenis, die ongeveer vijf keer zo snel reist als typische coronale massa-ejecties, zouden we nog steeds 17 uur de tijd hebben om te waarschuwen - veel meer dan wat we hadden voordat Inouye's eerste onthulling in 2020 plaatsvond. Omdat de Inouye-telescoop functioneert als een magnetometer die de zon meet, kunnen we met deze telescoop, de allereerste van onze volgende generatie zonne-observatoria, beter dan ooit tevoren gewaarschuwd worden voor een potentiële geomagnetische catastrofe.

Het is belangrijk dat we de gevaren waarmee we te maken hebben niet overdrijven, maar ook niet bagatelliseren. Onder normale omstandigheden zendt de zon geladen deeltjes uit, en af en toe leiden magnetische gebeurtenissen tot het vrijkomen van vlammen en, wat minder vaak voorkomt, tot coronale massa-ejecties. Onder de meeste omstandigheden zijn deze deeltjesstromen laagenergetisch en traag bewegend, zij doen er ongeveer drie dagen over om de afstand aarde-zon af te leggen. De meeste van deze gebeurtenissen zullen de aarde missen, omdat ze in de ruimte gelokaliseerd zijn en de kans dat ze onze precieze locatie raken gering is. Zelfs als ze de aarde raken, zal het magnetisch veld van onze planeet ze onschadelijk wegslingeren, tenzij de magnetische velden serendipitisch (tegen)gericht zijn.

Maar als alles precies verkeerd uitgelijnd is - en dat is echt slechts een kwestie van tijd en toeval - kan het resultaat rampzalig zijn. Hoewel deze deeltjes niet rechtstreeks de atmosfeer kunnen binnendringen en biologische organismen niet rechtstreeks kunnen schaden, zouden ze enorme schade kunnen toebrengen aan onze elektrische en op elektronica gebaseerde infrastructuur. Elk elektriciteitsnet in de wereld zou kunnen uitvallen. Als de schade groot genoeg is, moet alles worden hersteld of zelfs vervangen; alleen al in de VS kan de schade oplopen tot 2,6 biljoen dollar. Bovendien kan infrastructuur in de ruimte, zoals satellieten, uitvallen, wat tot een andere ramp kan leiden als het te druk wordt in een lage baan om de aarde: een cascade van botsingen, die onvermijdelijk wordt als de systemen die botsingsvermijding moeten voorkomen, uitvallen.

Op 23 juni 2012 zond de zon een zonnevlam uit die even energiek was als de Carrington-epidemie van 1859. Het was de eerste keer dat dit gebeurde sinds we de instrumenten hebben ontwikkeld om de zon met de nodige precisie in de gaten te houden. De zonnevlam vond plaats in het baanvlak van de aarde, maar de deeltjes misten ons met een vertraging van negen dagen. Net als bij Carrington reisden de deeltjes in slechts 17 uur van de zon naar de aarde. Als de aarde op dat moment in de weg had gestaan, had de wereldwijde schade kunnen oplopen tot 10 biljoen dollar: de eerste natuurramp met 14 cijfers in de geschiedenis. Het was alleen door geluk dat we een catastrofe misten.

Wat mitigaties-trategieën betreft, zijn we vandaag slechts iets beter voorbereid dan negen jaar geleden. De meeste stations en onderstations zijn onvoldoende geaard om grote geïnduceerde stromen naar de grond te leiden in plaats van naar huizen, bedrijven en industriële gebouwen. We zouden de elektriciteitsbedrijven kunnen opdragen de stromen in hun elektriciteitsnetten af te schakelen - een geleidelijke afbouw die ongeveer 24 uur duurt - wat de risico's en de ernst van de branden zou kunnen verminderen, maar dat is nog nooit geprobeerd. En we zouden zelfs aanbevelingen kunnen doen voor de aanpak in uw eigen huishouden, maar momenteel bestaan er geen officiële aanbevelingen.

Vroegtijdige opsporing is de eerste stap, en op dat gebied boeken we grote wetenschappelijke vooruitgang. Maar zolang we ons elektriciteitsnet, ons energiedistributiesysteem en de burgers van de aarde niet hebben voorbereid op het onvermijdelijke, zal de "grote klap" vele malen worden betaald, nog jaren en zelfs decennia lang, omdat we niet hebben geïnvesteerd in het beetje preventie dat we zo hard nodig hebben.

Bron: Humanity is completely unprepared for the next giant solar flare - Big Think