KNMI onderzoekt effecten van ruimteweer op ons dagelijks leven

Onze maatschappij maakt gebruik van geavanceerde technologieën die in sommige gevallen kwetsbaar kunnen zijn voor verschijnselen in de ruimte. Daarom houdt het KNMI zich bezig met ruimteweer. Zo kunnen we onderzoeken hoe we ons het beste kunnen voorbereiden op risico’s van ruimteweer en waarschuwen voor mogelijke problemen. Die kunnen zich bijvoorbeeld voordoen via radiocommunicatie en satellietnavigatiesystemen in de luchtvaart, bij grootschalige elektriciteitsnetwerken en in de financiële sector.

Een groot deel van het ruimteweer heeft zijn oorsprong op de zon

Een groot deel van het ruimteweer heeft zijn oorsprong op de zon. De zon lijkt misschien op het eerste gezicht onveranderlijk, maar een betere blik laat zien dat er grote veranderingen zichtbaar zijn en er explosieve processen plaatsvinden. De zon zendt ook een constante stroom van deeltjes uit: de zonnewind. De ruimte tussen de zon en de planeten wordt hiermee permanent gevuld. De zonnewind is veranderlijk en beïnvloedt ook de omgeving van de aarde.

Bekijk de video: satellietbeelden van de zon met zonnevlekken, gemaakt op 30 maart 2022

Rustige en actieve periode zon

Net als de aarde kent de zon seizoenen. Het zijn er op de zon geen vier, maar twee: een rustige en actieve periode. Elke elf jaar begint deze zonnecyclus opnieuw. Tijdens de actieve periode zijn er veel zonnevlekken te zien op de zon. Dit zijn grote gebieden (groter dan de aarde) waarin de kleur van de zon iets donkerder is. In die vlekken zit veel magnetische energie opgeslagen die plotseling uit kan barsten. Als dit gebeurt, kan er een aantal dingen gebeuren.

Vaak ontstaat er een zonnevlam, dit is een felle lichtflits die zowel röntgen- als radiostraling uitzendt. Soms is er sprake van een ‘coronale massa uitstoot’ (in het Engels afgekort tot CME) waarbij een grote hoeveelheid materie tijdens een zonnevlam wordt weggeslingerd van het zonsoppervlak en tijdelijk de zonnewind verstoord. Tenslotte ontstaat er soms een deeltjesstorm. Dit zijn voornamelijk protonen die met zeer hoge snelheid, veel hoger dan die van de zonnewind, worden afgeschoten. Als zo'n zonnevlam, coronale massa uitstoot of deeltjesstorm naar aarde is gericht, dan geeft dat effecten in onze atmosfeer.

Rol van het KNMI

Het KNMI monitort de situatie in de ruimte en vergroot het bewustzijn bij vitale sectoren over de mogelijke effecten

De Nederlandse overheid heeft het KNMI opdracht gegeven om een ruimteweer-alarmeringsservice op te zetten: het zogenoemde ruimteweeralarm (24 uur per dag, zeven dagen per week). Het KNMI brengt hiervoor effecten en gevaren van ruimteweer in kaart. We monitoren de situatie in de ruimte en vergroten het bewustzijn bij vitale sectoren over de mogelijke effecten.

Extreme gebeurtenissen in het ruimteweer doen zich slechts enkele keren per eeuw voor. Maar omdat er verder in het verleden nog extremer ruimteweer is gemeten en omdat onze technologie steeds blijft veranderen, is het belangrijk om waakzaam te blijven. Ook draagt het KNMI bij aan internationaal wetenschappelijk onderzoek over ruimteweer. 

Interactie met de aarde

Net zoals de ozonlaag ons beschermt tegen verbranden door zonnestraling, beschermen de atmosfeer en het magneetveld van de aarde ons tegen de zonnewind, coronale massa uitstoot en snelle deeltjes. Het magneetveld 'vangt' deze verstoringen op maar wordt daarbij sterk vervormd. Door de zeer complexe processen die daarbij optreden ontstaat bij de Noord- en Zuidpool het bekende en indrukwekkende noorder- en zuiderlicht. De verstoringen van het magneetveld van de aarde leiden echter ook tot elektrische spanningen in de ionosfeer en de aardkorst.

Grote invloed op radiocommunicatie 

Lange-afstandscommunicatie met schepen of vliegtuigen kan door de ionosfeer worden verstoord

De straling van een zonnevlam wordt niet beïnvloed door ons aardmagnetisch veld. De lichtflits reist met de lichtsnelheid en na 8 minuten bereikt hij de aarde. Het gedeelte radiostraling van de zonnevlam bereikt de grond en kan bijvoorbeeld radars in de war brengen. Het röntgen-gedeelte wordt in de atmosfeer geabsorbeerd en veroorzaakt snelle veranderingen in de ionosfeer. Dit is een luchtlaag hoog in de atmosfeer (60 tot 500 km) waarbij een klein deel van de luchtmoleculen hun elektronen heeft losgelaten. Deze relatief kleine hoeveelheid `vrije elektronen` heeft een grote invloed op radiocommunicatie. Lange-afstandscommunicatie met bijvoorbeeld schepen of vliegtuigen, of signalen van satellieten (bijvoorbeeld GPS) kunnen door de ionosfeer worden verstoord. Ook een coronale massa uitstoot of sterke verandering van de zonnewind, kunnen de ionosfeer beïnvloeden.

Zeer snelle protonen van een deeltjesstorm

De zeer snelle protonen van een deeltjesstorm bereiken na ongeveer een uur de aarde. Ze gaan dus net iets langzamer dan de lichtsnelheid (acht minuten reistijd). Deze deeltjes zijn vooral schadelijk op grote hoogte. Passagiers en personeel in vliegtuigen zouden een verhoogde stralingsdoses kunnen ontvangen. Vooral voor zwangeren kan dit voor problemen zorgen en ook astronauten lopen groot gevaar tijdens een zware deeltjesstorm.

De protonen zijn niet alleen voor mensen schadelijk. Als een deeltje inslaat op een computerchip of andere micro-elektronica in een satelliet of vliegtuig, kan de computerberekening verkeerd gaan en soms tot nare gevolgen leiden. Zo is er een voorbeeld van een vliegtuig dat waarschijnlijk door een ingeslagen deeltje in een duikvlucht is geraakt. Ook zonnepanelen van satellieten raken beschadigd door een deeltjesstorm. Dit vermindert hun levensduur.

Geomagnetische storm

Begin februari 2022 droeg een geomagnetische storm bij aan het verlies van tientallen satellieten

Bij een geomagnetische storm is er sprake van een sterke coronale massa uitstoot die de aarde raakt. Naast het noorder- en zuiderlicht veroorzaakt zo'n geomagnetische storm sterke veranderingen in de ionosfeer waarbij radiocommunicatie soms dagen wordt bemoeilijkt. Zoals hierboven al is opgemerkt leiden verstoringen van het aardmagnetisch veld tot elektrische spanningen in de ionosfeer hoog boven ons én in de aardkorst. Als de aardkorst niet goed geleidend is maar er wel een door mensen gemaakte elektriciteitsnetwerk, spoorlijn of pijpleiding ligt, dan loopt een deel van de stroom daar doorheen. Dit kan ervoor zorgen dat het elektriciteitsnetwerk stuk gaat en dat er grote gebieden zonder stroom komen te zitten. In 1989 hebben miljoenen mensen in de Canadese stad Québec vele uren zonder stroom gezeten door een zware geomagnetische storm. Vergelijkbare extreme gebeurtenissen in het ruimteweer doen zich slechts enkele keren per eeuw voor. In Nederland werden in 1989 voor zover bekend geen gevolgen gemeld. Maar omdat er verder in het verleden nog extremer ruimteweer is gemeten en omdat onze technologie steeds blijft veranderen, is het belangrijk om waakzaam te blijven. 

Een geomagnetische storm gaat vaak ook gepaard met een of meerdere zonnevlammen. Ook de hogere atmosfeer dijt dan uit. Dit leidt weer tot een hogere luchtweerstand voor satellieten wat hun baan rond de aarde kan beïnvloeden. Begin februari 2022 droeg een geomagnetische storm bij aan het verlies van tientallen satellieten die kort daarvoor in een lage baan waren gelanceerd. Een geomagnetische storm is dus een veelzijdige gebeurtenis die veel impact kan hebben.

Luchtvaart

Lange-afstandscommunicatie is van groot belang voor de luchtvaart. Ook boven de oceanen moeten de piloten contact kunnen houden met het vaste land.  Bij een zeer verstoorde ionosfeer kan dit contact moeilijk of zelfs onmogelijk worden. Een deeltjesstorm kan ook een verhoogde stralingsdoses voor de inzittenden veroorzaken. Eenmaal in de buurt van een luchthaven kan ruimteweer nog steeds voor problemen zorgen. Er zijn voorbeelden van luchthavens die dicht moesten omdat radarsystemen van de luchtverkeersleiding onbruikbaar werden door een zonnevlam. 

Satellietnavigatiesignalen

Doordat ruimteweer de ionosfeer verstoord kan het ook zijn dat satellietsignalen door de ionosfeer verstoord worden. Bij satellietnavigatiesignalen van bijvoorbeeld GPS of het Europese Galileo kan dat voor vliegtuigen bij slecht zicht de landing bemoeilijken. Maar op de beschikbaarheid en nauwkeurigheid van satellietnavigatie wordt ook vertrouwd in andere sectoren, zoals in de landbouw en offshore industrie.

Een wat minder bekende toepassing is dat de tijdcode in het GPS of Galileo signaal ook gebruikt kan worden voor de synchronisatie van klokken in netwerken voor telecommunicatie en dataverkeer. Binnen deze sectoren is het dus belangrijk dat de systemen met een tijdelijke uitval van de satellietsignalen vanwege het ruimteweer om kunnen gaan en dat beheerders op de hoogte zijn van deze mogelijke verstoringen door ruimteweer.