De afgelopen week heeft de zon een aantal krachtige zonnevlammen uitgespuwd op het hoogtepunt van haar 11-jarige zonnecyclus. Maar hoe bezorgd moet je je maken over de radioactieve oprispingen van de zon?
Laten we eerst een onderscheid maken tussen de verschillende soorten zonneactiviteit:
Zonnevlekken zijn grote donkere gebieden op het oppervlak van de zon, die ontstaan wanneer schommelingen in het magnetische veld van de zon naar het oppervlak borrelen. De vlekken zijn donker omdat ze koeler zijn dan de andere delen van het zonneoppervlak er omheen. Koelte is hier betrekkelijk: een zonnevlek is nog steeds 4.500 graden Celsius, maar wordt omgeven door materiaal dat een temperatuur van 6.000 graden Celsius bereikt.
Zonnevlammen zijn gigantische explosies die gepaard gaan met zonnevlekken en worden veroorzaakt door het plotseling vrijkomen van energie uit “kronkels” in het magnetische veld van de zon. Het zijn intense uitbarstingen van straling die minuten tot uren kunnen duren.
Coronale massa-ejecties (CME’s) vallen soms samen met zonnevlammen. Het zijn enorme explosies van materie – gas en gemagnetiseerd plasma – die met miljoenen kilometers per uur van de zon wegschieten.
Wat is het probleem?
Zonnevlammen en CME’s vormen geen directe bedreiging voor mensen – de atmosfeer van de aarde beschermt ons tegen de straling van ruimteweer. (Als een astronaut in de ruimte wordt gebombardeerd met de hoogenergetische deeltjes van een CME, kan hij of zij ernstig gewond raken of gedood worden. Maar de meesten van ons hoeven zich geen zorgen te maken over die situatie). We kunnen de effecten van CME’s echter indirect voelen, door de verstoringen van onze technologie – waarvan sommige verwoestende en langdurige gevolgen voor de beschaving kunnen hebben.
Als een CME de magnetosfeer van de aarde raakt – het volume van de ruimte rond onze planeet dat door ons magnetisch veld wordt beïnvloed – zal het, als het naar het zuiden is gericht, een sterke wisselwerking hebben met het magnetisch veld van de aarde dat naar het noorden is gericht. Wanneer dit gebeurt, wordt het magnetische veld van de aarde “opengepeld als een ui, waardoor energetische zonnewinddeeltjes langs de veldlijnen naar beneden kunnen stromen om de atmosfeer boven de polen te raken,” legt NASA uit. “Aan het aardoppervlak wordt een magnetische storm waargenomen als een snelle daling van de sterkte van het aardmagnetisch veld. Deze afname duurt ongeveer 6 tot 12 uur, waarna het magnetische veld zich over een periode van enkele dagen geleidelijk herstelt.”
De geomagnetische storm die het gevolg is van CME-magnetosfeer interacties kan allerlei technologie waar we in het moderne leven op vertrouwen in de war sturen. Satellieten die hoog in geosynchrone banen draaien – waaronder veel communicatiesatellieten – zijn kwetsbaar voor geomagnetische stormen, hetzij omdat ze kunnen worden gepenetreerd door hoogenergetische deeltjes, hetzij omdat de satelliet sterk geladen kan raken, waardoor belangrijke onderdelen beschadigd kunnen raken door ontladende stromen.
Een nog ernstiger probleem is het potentieel van CME’s om elektrische netwerken te beschadigen. Een geomagnetische storm veroorzaakt elektrische stromen in geleidend materiaal op de grond, onder meer door pijpleidingen, communicatiekabels en elektriciteitskabels. Deze grote, geomagnetisch geïnduceerde stromen kunnen transformatoren overbelasten en leiden tot wijdverspreide black-outs.
“Stel je voor dat grote steden een week, een maand of een jaar zonder stroom zitten,” zei Daniel Baker, natuurkundige aan de Universiteit van Colorado, op een bijeenkomst over geofysica in 2011, volgens National Geographic. “De verliezen zouden 1 tot 2 biljoen dollar kunnen bedragen, en de gevolgen zouden nog jaren merkbaar kunnen zijn.”
Niets van dit alles is louter hypothetisch. De zonnestorm van 1859, de zogeheten Carrington-storm, de sterkste uit de geschiedenis, deed poollicht opflakkeren tot in het zuiden van Cuba en maakte telegraaflijnen in Noord-Amerika onbruikbaar. Een CME in 2003 verstoorde satellieten, hoogfrequente radiocommunicatie en schakelde de Zweedse stad Malmö uit.
Als onderdeel van een door NASA gefinancierde workshop over de gevolgen van ruimteweer, analyseerde ingenieur en geomagnetische storm-expert John Kappenmann hoe een geomagnetische storm op gelijke voet met een bijzonder sterke storm in mei 1921 het elektriciteitsnet zou beschadigen. Kappenmann berekende dat als de zonnegebeurtenis van 1921 zich vandaag zou voordoen, meer dan 130 miljoen mensen waarschijnlijk hun stroom zouden verliezen en 350 transformatoren het risico zouden lopen op permanente schade. Het vervangen of repareren van die transformatoren kan weken tot maanden duren; in de tussentijd zou alles, van schoon water tot benzinestations tot mobiele telefoondiensten tot vervoer, eronder lijden in de gebieden waar de stroom uitvalt.
“De fysica van de zon en van het magnetisch veld van de aarde zijn niet fundamenteel veranderd, maar wij wel,” vertelde Kappenman aan Popular Science. “We hebben besloten de elektriciteitsnetten te bouwen, en we hebben ze geleidelijk aan kwetsbaarder gemaakt naarmate we ze met elk aspect van ons leven hebben verbonden. Op een dag zal zich weer een Carrington-gebeurtenis voordoen.”
Wat kunnen we doen?
Eigenlijk is een deel van de reden dat hoogspanningstransformatoren kwetsbaar zijn voor geomagnetische stormen te wijten aan de maatregelen die we hebben genomen om ze tegen blikseminslag te beschermen. De aardverbindingen tussen de transformatoren die deze stroompieken afvoeren, dienen ook als een doorgang voor geomagnetisch geïnduceerde stromen. Nutsbedrijven kunnen zich tegen zwaar ruimteweer beschermen door belangrijke kritieke transformatoren te voorzien van elektrische weerstanden of condensatoren – maar met een prijskaartje van honderdduizenden dollars per transformator staan ze niet te springen om deze beveiligingen vrijwillig te installeren.
Meer waarschuwing vooraf voor mogelijk schadelijke CME’s die op weg zijn naar de aarde zou nutsbedrijven wat tijd geven om de stroomopwekking terug te schroeven om te proberen de effecten van geomagnetische stromen te beperken. Momenteel kan het ruimteweervoorspellingscentrum van de National Weather Service slechts 10 tot 60 minuten van tevoren waarschuwen voor sterke geomagnetische stormen. Betere ruimteweersvoorspellingen zouden ons nog meer tijd kunnen geven om voorbereidingen te treffen om de zonnestorm te doorstaan. Helaas begint ons alarmsysteem nu al aan verbetering toe te zijn. Veel van de satellieten waarop we vertrouwen om de activiteit van de zon in de gaten te houden, naderen het einde van hun operationele levensduur, en plannen voor vervanging zijn schaars.
Over het algemeen “beginnen we meer bewustzijn te zien” onder beleidsmakers over de risico’s die zonnestormen met zich meebrengen, vertelde Chris Beck van de Electric Infrastructure Security Council aan de Washington Post. “Hoewel we nog niet zover zijn dat we ook echt oplossingen gaan implementeren.”
Image: NASA/SDO