Deel dit artikel

de ruimte blijft de ultieme grens. de roemrijke dagen van het apollotijdperk mogen dan niet meteen gevolgd zijn door de successen voorspeld in de jaren 1960 en 1970 – ruimtemissies zoals beschreven in stanley kubricks 2001: a space odyssey zijn nog geen werkelijkheid – toch bestaat er anno 2013 een internationaal ruimtestation en zijn er fascinerende rovermissies naar mars. de ruimte-exploratie gaat misschien wat trager dan verwacht, maar de toekomst belooft een reis naar de sterren. hoe bereiden we ons hierop voor? wat kunnen we onderweg verwachten?

Ruimteweer

Giovanni Lapenta en Jan Deca

De verkenning van de ruimte is geen gemakkelijke opdracht. De zon, die voortdurend een wind van geladen deeltjes uitstraalt, is hierbij de belangrijkste bemoeilijkende factor. Die wind werkt in op alle lichamen in de ruimte: planeten, asteroïden en kometen zijn op die manier dynamisch verbonden met de zon. De zonnewind is bovendien allesbehalve stabiel. Hij verandert voortdurend en wordt met periodes ook verstoord door stormen. Die worden veroorzaakt door het vrijkomen van grote hoeveelheden energie en materie van de zon, de zogenaamde coronale massa-ejecties (CME’s). Het Solar Dynamic Observatory van NASA, het meest geavanceerde ruimteobservatorium gewijd aan het bestuderen van de zon, kan dergelijke zonnestormen waarnemen.

De zonnewind is een onderdeel van de kosmische straling die de ruimte erg gevaarlijk maakt voor de mens. Het magnetische veld van de aarde en de atmosfeer beschermen ons tegen de meeste kosmische stralen: alleen de meest energetische deeltjes bereiken het aardoppervlak en dragen bij tot het achtergrondstralingsniveau. (De voornaamste andere bronnen van straling zijn de natuurlijk voorkomende radioactieve stoffen in gesteenten en gassen, zoals radon dat uitgestoten wordt door rotsen.) In de ruimte kan die kosmische straling echter erg gevaarlijk zijn en daardoor een grote beperking vormen op de tijd die de mens er kan doorbrengen. Tijdens ruimtestormen worden hoogenergetische deeltjes gevormd, die snelheden kunnen bereiken tot erg dicht bij de lichtsnelheid: ze overbruggen de afstand van de zon tot de aarde in slechts acht minuten.

Tijdens ruimtestormen worden hoogenergetische deeltjes gevormd, die snelheden kunnen bereiken tot erg dicht bij de lichtsnelheid

De mens beschermen tegen die straling is een moeilijke opdracht, en wordt nog lastiger door de gewichtsbeperkingen om een ruimtetuig de ruimte in te zenden. Voor een reis naar Mars bijvoorbeeld is het bijna onmogelijk de blootstelling aan kosmische straling en energetische zonnedeeltjes te beperken tot aanvaardbare niveaus. Reizen in de nabije omgeving van de aarde of naar de maan zijn op dit moment haalbaarder. Maar zelfs hier zal men goede voorzorgen moeten nemen, zoals het vermijden van periodes met een grote kans op zonnestormen en het voorzien van een extra goed beschermende kamer in het ruimtetuig, waar men zijn toevlucht kan nemen als er een risico bestaat voor overmatige blootstelling.

Ruimtestormen vormen ook een ernstige bedreiging voor meer alledaagse activiteiten. Zo zijn er verschillende gevallen bekend waarbij telecommunicatiesatellieten onbruikbaar werden door stormen in de ruimte. Het meest bekende is het geval van het Telstar 1-ruimtetuig, dat bevangen werd door hoogenergetische deeltjes afkomstig van het Starfish Prime-experiment in 1962, waarbij de Verenigde Staten op grote hoogte een nucleaire test uitvoerden. De aarde wordt omringd door gordels van hoogenergetische deeltjes gevangen door het aardmagnetische veld. Die gordels vormen ook een reëel gevaar voor de technologie en voor mensen die zich in een baan om de aarde bevinden. Tijdens ruimtestormen (of in het geval van een nucleaire explosie zoals bij het Starfish Prime-experiment) wordt de straling in die gordels erg versterkt. Hierdoor kan het stralingsniveau waarden bereiken die hoog genoeg zijn om satellietonderdelen te beschadigen (vooral de computerchips die het ruimtetuig besturen) en de gezondheid van de astronauten in gevaar te brengen. Hoewel het nucleaire experiment een ‘mad scientist’-extravagantie was van de Koude Oorlog, blijft de studie van de stralingsgordels en hun interactie met natuurlijke en (hopelijk nooit opnieuw) kwaadwillige menselijke interventies een belangrijk onderwerp in het ruimteonderzoek.

Ook in de lagere lagen van de atmosfeer en zelfs op de grond zijn ruimtestormen een zorg. Tijdens een ruimtestorm wordt het magnetische veld op de grond beïnvloed, en die variaties induceren elektrische stroom in geleiders. In korte lijnen is het effect verwaarloosbaar, maar in lange hoogspannings- en communicatielijnen of pijpleidingen kan de stroom erg sterk zijn. De gevolgen voor hoogspanningsleidingen zijn terecht een reden tot bezorgdheid. Tijdens ruimtestormen kan de extra geproduceerde stroom brand veroorzaken en transformatoren beschadigen. De krachtige transformatoren die nodig zijn voor hoogspanningslijnen, zijn echter niet makkelijk te vervangen. Er zijn er immers maar weinig, met een beperkte reserve en lange bouwtijden. De krachtigste storm die tijdens de moderne tijd geobserveerd werd, dateert van 1 september 1859, en wordt het ‘Carrington event’ genoemd, naar de Britse sterrenkundige die begon met de waarneming van zonnevlekken. Toen beschadigde de storm alleen telegraaflijnen, omdat de huizen nog geen elektrische voorzieningen hadden en de bedrijven slechts afhankelijk waren van stoomkracht. Schattingen van de effecten van een soortgelijke storm op onze moderne infrastructuur zijn schrikwekkend. Zoals gezegd zou het herstellen van verschillende transformatoren op de grootste hoogspanningslijnen maanden kunnen duren, wat een terugkeer naar een lang vervlogen levensstijl zou betekenen. En het ‘Carrington event’ bewijst dat dit scenario helemaal niet onrealistisch is.

Toch mogen de bedreigingen uit de ruimte ons niet afschrikken. We moeten ons bewust worden van de gevaren om te kunnen profiteren van de mogelijkheden. Dat is precies de taak van de ruimteweeronderzoekers. Ze willen de zonnewind bezeilen om zo de diepten van de ruimte te verkennen, of ze houden de nabije ruimteomgeving van de aarde in de gaten om de infrastructuur, het leven en de gezondheid van astronauten te beschermen. Dit alles vereist inzicht in het voortdurend veranderende zonnestelsel, wat het domein is van de ruimteweerwetenschap. Als men op aarde iets wil plannen – van landbouw tot militaire manoeuvres, of gewoon als men op vakantie vertrekt, wil men weten wat de weersvoorspellingen zeggen. Op dezelfde manier kan er geen missie naar Mars worden gepland zonder te weten hoe de ruimtecondities onderweg zullen zijn.

Er kan geen missie naar Mars worden gepland zonder te weten hoe de ruimtecondities onderweg zullen zijn

In tegenstelling tot het voorspellen van het weer op het aardoppervlak blijven ruimteweervoorspellingen een erg ingewikkelde opdracht. Om de woorden van Winston Churchill te parafraseren: ruimteweer is een raadsel gewikkeld in een mysterie, verpakt in een enigma. Om dit raadsel te begrijpen moeten we teruggaan in de tijd, naar het jaar 1832, meer bepaald naar Waterloo Bridge in Londen, waar een experiment van Michael Faraday plaatsvond. Faraday spande een lange kabel over de brug en plaatste de twee uiteinden in de Thames aan weerszijden van de brug. Volgens zijn vergelijking – de wet van Faraday – zou de beweging van het water elektrische stroom veroorzaken in de geleider. De aarde heeft immers een groot magnetisch veld, waar we elke dag gebruik van maken, bijvoorbeeld wanneer we met een kompas het noorden zoeken. Dit magnetische veld reageert met het stromende water en veroorzaakt de kracht die leidt tot een elektrische stroom in de kabel. Meer precies, de geproduceerde spanning E (ook wel de elektromotorische kracht genoemd) is gelijk aan het product van het lokaal magnetische veld B met de snelheid v van het stromende water: E = vB. De resulterende stroom I wordt dan gegeven door de wet van Ohm: I = E/R. De evenredigheidsconstante R is de weerstand van de geleider en is een materiaaleigenschap. Goede geleiders laten gemakkelijk stroom door en hebben zodoende een lage weerstand. In de Thames was de weerstand te hoog en het aardmagnetische veld te zwak om de opgewekte stroom waar te nemen met de instrumenten die Faraday in 1832 voorhanden had. Het principe van de wet van Faraday en de wet van Ohm is vandaag echter de basis van de elektrische ingenieurswetenschappen en ligt bijvoorbeeld aan de basis van de werking van zowel fietsdynamo’s als elektriciteitscentrales.

De zonnewind bestaat uit materie die zo heet is dat de elektronen vrij bewegen ten opzichte van de protonen die de waterstofkernen vormen

Het echte raadsel is nu dat als we dit experiment zouden uitvoeren in de ruimte er een contradictie ontstaat. Wanneer we het water in de Thames vervangen door de zonnewind bezorgt de geproduceerde stroom ons een verrassing. De weerstand van de zonnewind is bijna verwaarloosbaar, wat leidt tot een bijna oneindig grote elektrische stroom. De Lorentzkracht F, nodig om deze stroom te produceren moet dan ook bijna oneindig zijn, want F = IB, wat een onmogelijkheid is.

De vooruitgang die we hebben gemaakt om dit raadsel te begrijpen heeft ons echter dieper in het mysterie gehuld: er zijn onverwachte fysische processen die de elektrische weerstand vervangen die afwezig is in de zonnewind, en die alleen kunnen worden waargenomen door te kijken op de allerkleinste schaal. Om het mysterie toe te lichten moeten we de aard van de zonnewind analyseren. De zonnewind bestaat uit materie (voornamelijk waterstof en een kleine hoeveelheid andere elementen) die zo heet is dat de elektronen vrij bewegen ten opzichte van de protonen die de waterstofkernen vormen. Die vrije elektronen reageren ogenblikkelijk op elke verstoring. Dit is de reden waarom de weerstand van de zonnewind verwaarloosbaar is. Het feit dat we te maken hebben met een plasma, zoals deze vierde aggregatietoestand ook wel wordt genoemd, lost dan ook het mysterie op: de aanwezigheid van vrije elektronen en protonen introduceert een nieuw type reactie, totaal verschillend van wat er gebeurde in de Thames. De elektronen en protonen vormen twee verschillende vloeistoffen die afzonderlijk kunnen reageren, alsof de Thames samengesteld zou zijn uit water en olie. (Een toestand die trouwens snel realiteit kan worden door oliebedrijven die fracken gebruiken om aardgas te winnen, maar dat is een heel ander verhaal).

Elektronen zijn erg licht in vergelijking met protonen. Bijgevolg zullen elektronen veel sneller en op veel kortere tijdschaal reageren dan de protonen, die 1836 keer zwaarder zijn. Deze scheiding van schalen leidt tot interacties tussen microscopische en macroscopische processen met een erg rijke en complexe dynamiek. Inzicht in deze dynamiek biedt de sleutel om het raadsel op te lossen, maar dit gaat ten koste van het ontrafelen van een veel groter mysterie dan dat van de weerstand. Hoe kunnen we immers dergelijke complexe interacties gaan voorspellen, tussen elektronen en protonen en tussen kleine zeer snelle en trage lange schalen? Dit enigma geldt natuurlijk niet alleen voor ruimteweer, maar ligt aan de basis van vele onderzoeksgebieden in de exacte wetenschap en de ingenieurswetenschappen. In domeinen die gaan van het modelleren van biologische moleculen tot de studie van materialen worden we geconfronteerd met de nood om een enorm aantal individuele deeltjes op microscopische schaal te beschrijven die tegelijk een continu medium vormen op macroscopische schaal.

De aanpak van dit probleem is zo cruciaal geworden dat wereldwijd enorme investeringen worden gemaakt om alsmaar groter en sneller wordende supercomputers te ontwikkelen. Bijna elke maand staat er een nieuwe machine aan de top van de lijst van de vijfhonderd meest krachtige computers in de wereld (www.top500.org), waarbij China, Japan en de Verenigde Staten strijden voor de eerste plaats. Europa heeft een meer pragmatische weg gekozen: het vecht niet mee voor deze eerste plaats en kan zich hierdoor verschillende plaatsen in de top tien veroorloven.

Louter brute kracht zal ons echter niet de oplossing brengen van dit ruimteraadsel, noch van het grotere mysterie van de verschillende schalen of de moeilijkheid om dit te modelleren met computers. Er is nood aan experimenten en ruimtemissies om in situ de aard van het zonnewindplasma te verkennen, en aan slimme wiskundige en fysische modellen die de rijke fysica die deze experimenten blootleggen beschrijven.

Mark Moldwin, An Introduction to Space Weather. (Cambridge: Cambridge University Press, 2008).

Giovanni Lapenta is als sterrenkundige verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen