Why we need to get better at predicting space weather

De Zon is de belangrijkste energiebron voor het in stand houden van het leven op Aarde, maar zij geeft ons veel meer dan alleen licht en warmte. Zij geeft ons ook zonnestormen.

Storingen op de Zon, zoals coronale massa-uitstoten veroorzaakt door zonnevlammen die voortkomen uit actieve zonnevlekgebieden, kunnen zonnestormen veroorzaken. Zonnevlammen en coronale massa-uitstoten zenden enorme hoeveelheden straling en geladen deeltjes de ruimte in.

Deze gebeurtenissen kunnen schade toebrengen aan de communicatie- en energie-infrastructuren van de Aarde, wat kan leiden tot stroomstoringen en verminderde systeemfunctionaliteit. Satellieten, ruimtestations en astronauten, luchtvaart, GPS, elektriciteitsnetten en meer kunnen worden beïnvloed.

Naarmate onze beschaving geavanceerder wordt, worden we kwetsbaarder voor de effecten van zonnestormen. Nu, aangezien de activiteit van de Zon toeneemt, moeten we beter worden in het voorspellen van ruimteweer.

Veel mensen herinneren zich nog steeds de instorting van het elektriciteitsnet van Quebec in Canada op 13 maart 1989, die negen uur duurde en zes miljoen mensen trof. Het veroorzaakte honderden miljoenen dollars aan schade en verloren inkomsten. Deze stroomuitval werd veroorzaakt door zonnestormen.

Het Carrington-evenement, genoemd naar de amateurastronoom die het registreerde, was een andere krachtige zonnestorm die plaatsvond in september 1859. Geavanceerde technologie in 1859 beperkte zich tot elektrische telegrafen, en de meeste daarvan vielen uit in heel Europa en Noord-Amerika, in sommige gevallen kregen de operators er elektrische schokken van.

Tegenwoordig zijn we veel afhankelijker van technologie, die op haar beurt steeds kwetsbaarder is voor de effecten van de ruimte en de unieke natuurrampen die daar voorkomen.

De ruimte is immens, koud, donker en doordrenkt van straling. Straling in de ruimte komt voornamelijk van galactische kosmische straling – hoogenergetische deeltjes die afkomstig zijn van andere sterrenstelsels – en zonnepartikelgebeurtenissen – hoogenergetische deeltjes van onze eigen Zon.

In ruimtestraling worden atomen in de interstellaire ruimte versneld tot snelheden dicht bij de lichtsnelheid. Uiteindelijk worden de elektronen verwijderd en blijft alleen de positief geladen kern over.

Mensen observeren en tellen zonnevlekken al meer dan 400 jaar, waardoor dit het langstlopende experiment ter wereld is. De zon heeft een 11-jarige zonnevlekkencyclus, en op dit moment zitten we midden in die cyclus. Nu nadert het “zonnemaximum”, waar de grootste zonneactiviteit plaatsvindt. Het volgende zonnemaximum wordt verwacht in 2025.

Mensen zijn bekend met het noorderlicht, dat een zichtbaar effect is van zonnestraling. Het magnetische veld van de aarde, dat ons beschermt tegen de meeste gevaren van ruimtestraling, leidt de geladen deeltjes naar de polen, waar ze onze atmosfeer binnendringen en prachtige lichtshows veroorzaken.

Maar de straling kan ook technologie en mensen beïnvloeden. Tijdens sterke zonnestralingsstormen kunnen energetische protonen elektronische circuits in satellieten en het biologisch DNA van astronauten beschadigen. Passagiers en bemanning die over de noordpool vliegen, zouden worden blootgesteld aan verhoogde straling.

Deze stralingsstormen kunnen fouten veroorzaken die navigatieoperaties extreem moeilijk maken. Energierijke protonen kunnen ook de atomen en moleculen in de atmosfeer ioniseren, waardoor een laag vrije elektronen ontstaat. Deze laag kan hoogfrequente radiogolven absorberen, wat leidt tot een uitval van hoogfrequente communicatie, ook bekend als kortegolfradio.

Met onze toenemende afhankelijkheid van technologie is het voorspellen van het weer in de ruimte cruciaal. Het nauwkeurig voorspellen van ruimteweer is echter al lange tijd een uitdagend probleem voor experts.

Het begrijpen van de complexiteit van zonnevlekken zal ons helpen te voorspellen of er significante zonnevlammen kunnen plaatsvinden. Mijn collega's en ik hebben een real-time geautomatiseerd computersysteem ontwikkeld dat gebruikmaakt van beeldverwerking en kunstmatige intelligentie-technologieën om satellietgegevens van de zon te monitoren en analyseren. Dit helpt bij het voorspellen van de waarschijnlijkheid van zonnevlammen in de komende 24 uur.

We hebben baanbrekende technieken ontwikkeld voor automatische verwerking, detectie en kenmerkextractie van zonnekenmerken – zoals actieve gebieden en zonnevlekken – vastgelegd door NASA’s Solar Dynamics Observatory-satelliet. We hebben ook het eerste geautomatiseerde en realtime systeem geïntroduceerd om zonnevlekken te classificeren. Voorheen was de classificatie van zonnevlekken een handmatig proces dat nauwgezet werd uitgevoerd door experts.

Ruimtemissies en astronauten hebben een veel grotere kans om door straling te worden beïnvloed, omdat ze niet beschermd worden door het magnetische veld van de aarde. De effecten op mensen kunnen stralingsziekte, een verhoogd risico op kanker, degeneratieve ziekten en effecten op het centrale zenuwstelsel omvatten.

Ondanks deze risico's nemen menselijke en robotische activiteiten in de ruimte toe en werkt NASA aan het laten landen van mensen op Mars in de jaren 2030. Er zijn twee rovers – Curiosity en Perseverance – en één lander momenteel operationeel op Mars, met een andere rover gepland voor lancering in 2022.

Ons ruimteweersvoorspellingsysteem is openbaar beschikbaar, en wordt nu gebruikt als een van de besluitvormingsinstrumenten voor Nasa’s robotmissies en om de stralingseffecten op de baan van Nasa’s Chandra-röntgenobservatorium te beheren.

Terwijl we verder de ruimte in blijven reizen, zullen we onze huidige mogelijkheden voor het voorspellen van ruimteweer moeten versterken om een beter beeld te krijgen van zonneactiviteit en de effecten ervan in het zonnestelsel te beperken.

Deze taak is ongelooflijk uitdagend, aangezien de meeste zonneobservaties worden gedaan vanuit het gezichtsveld van de Aarde. Betere modellering en onderzoek naar de evolutie van zonnekenmerken is noodzakelijk om rekening te houden met de drastisch verschillende hemelbanen rond de Zon.

Geschreven door Rami Qahwaji, Hoogleraar Visuele Informatica, University of Bradford. Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.