Van stormachtig tot kalm

De zonneactiviteit varieert periodiek, maar duur en intensiteit van de maxima zijn slecht voorspelbaar. Te veel modellen is geen model.

George Beekman

Hoe zal de zon zich de komende jaren gedragen? Die vraag wordt telkens weer actueel wanneer onze buurster zich – zoals nu – in een heel rustige periode van zijn ruwweg elfjarige activiteitscyclus bevindt. Succesvolle voorspellingen over de activiteit van de zon zijn niet alleen van belang voor astronomen die het inwendige van deze ster proberen te doorgronden, maar ook voor ruimtevaartdeskundigen en de energiesector. Helaas laat het gedrag van de zon zich nog steeds moeilijk voorspellen. De verwachtingen voor de komende tijd lopen uiteen van stormachtig tot heel kalm weer op de zon.

De variërende activiteit van de zon manifesteert zich het duidelijkst in het aantal donkere vlekken aan het oppervlak: gebieden waar bundels magnetische veldlijnen de warmtestroom uit het inwendige blokkeren. Tijdens perioden van maximale activiteit zijn er iedere dag vele zonnevlekken te zien, maar tijdens perioden van minimale activiteit kan de zon wekenlang vlekkenloos zijn. In de pas met deze variatie veranderen ook het aantal en de intensiteit van de uitbarstingen aan het oppervlak en in de atmosfeer van de zon en de hoeveelheid straling (van röntgen- tot radiostraling) en hoog-energetische deeltjes die de zon uitzendt.

Om deze variërende activiteit in een getalmaat te kunnen uitdrukken, werd in 1848 door de Zwitserse astronoom Rudolf Wolf het ‘relatieve zonnevlekkengetal’ geïntroduceerd, een AEX-achtig getal dat wordt afgeleid uit het aantal vlekken en vlekkengroepen dat dagelijks op de zon is te zien. Het wordt nu berekend op de Koninklijke Sterrenwacht van Brussel en meestal weergegeven in maand- of jaargemiddelden. Het zonnevlekkengetal fluctueert in een periode van gemiddeld elf jaar, maar zowel deze duur als de maxima kunnen sterk variëren. Het hoogste jaargemiddelde was in de afgelopen eeuw 190 (in 1958) en het laagste 64 (in 1906).

dynamo

Algemeen wordt aangenomen dat de variërende activiteit van de zon een uitvloeisel is van haar grootschalige, magnetische veld. Dat veld wordt opgewekt door een complexe wisselwerking tussen bewegende gassen, elektrische stromen en magnetische velden in het inwendige. Het fijne van deze ‘dynamo’ is nog lang niet bekend, maar algemeen wordt aangenomen dat de differentiële rotatie van de zon (het verschijnsel dat de evenaar langzamer draait dan de hogere breedten) hierbij een belangrijke rol speelt. Het magnetische veld wordt hierdoor zo ‘verwrongen’ dat het na elf jaar omklapt en na twee maal elf jaar weer de beginsituatie bereikt.

De energierijke deeltjes die de zon tijdens uitbarstingen uitzendt, kunnen de elektronica van satellieten en andere ruimtevaartuigen verstoren. De ionosfeer, een van de hoogste lagen in de atmosfeer die bovendien elektrisch geleidend is, wordt turbulenter, waardoor radioverbindingen via de korte golf kunnen uitvallen. Ook het aardmagnetische veld kan lokaal kortstondig van richting en sterkte veranderen, wat weer leidt tot de inductie van gelijkstromen in hoogspanningsleidingen en het doorbranden van transformatoren. En afgelopen jaar is duidelijk geworden dat de radiostraling die de zonne-erupties zèlf opwekken het Global Positioning System (GPS) behoorlijk kunnen verstoren.

Al deze problemen treden het vaakst op wanneer de zon actief is. Bovendien leidt de sterkere ultraviolette straling van de zon dan tot een opwarming en uitzetting van de hoogste lagen van de atmosfeer, waardoor satellieten (zoals de Hubbleruimtetelescoop) en het Internationale Ruimtestation meer weerstand ondervinden en daardoor sneller hoogte verliezen.

In de afgelopen decennia zijn vele methoden ontwikkeld om het moment en de hoogte van het komende maximum te bepalen. Een recent overzicht van de Belgische onderzoeker Jan Janssens geeft er 28, met evenzovele onderzoekers die het ei van Columbus menen te hebben gevonden. In geen enkel ander onderzoeksgebied van de sterrenkunde bestaan zoveel verschillende manieren om iets te berekenen: een slecht teken!

Statistici kijken alleen naar de zonnevlekkengetallen zelf. Zij bestuderen het verloop van de voorafgaande cycli en zoeken naar overeenkomsten, verbanden en periodiciteiten die naar de toekomst kunnen worden geëxtrapoleerd. Sommige astronomen maken hierbij zelfs gebruik van fourieranalyses en neurale netwerken. Maar het vervelende is dat verbanden en periodiciteiten vaak tijdelijk blijken te zijn: het gedrag van de vlekkengetallen in het verleden geven geen zekerheid over het gedrag in de toekomst! De hierop gebaseerde voorspellingen van het maximale (jaargemiddelde) vlekkengetal van de komende cyclus lopen dan ook uiteen van 42 tot 160. Ter vergelijking: de afgelopen cyclus, nummer 23, had een maximum van 121.

Naast deze numerieke methoden zijn er de meer fysisch georiënteerde methoden, waarbij wordt gezocht naar ‘voorboden’ van het gedrag van de zon. Zo is al lang bekend dat de onrust van het magnetische veld van de aarde, veroorzaakt door erupties op de zon, een voorbode kan zijn van de komende zonneactiviteit. De Amerikaanse zonnefysicus David Hathaway beweerde afgelopen september in Geophysical Research Letters dat deze activiteit nu zes tot acht jaar eerder uit de geomagnetische onrust kan worden afgeleid. Hij voorspelt dat het maximum van de komende zonnevlekkencyclus 160 zal bedragen – dus stormachtig weer op de zon zal geven.

Een heel ander resultaat vindt de Amerikaan Kenneth Schatten, een andere bekende voorspeller van de zonneactiviteit, die als ‘voorbode’ de intensiteit van de magnetische velden aan de polen van de zon gebruikt. Schatten heeft een model ontwikkeld waarin deze velden rond een vlekkenminimum de ‘kiemen’ vormen van het magnetische veld van de nieuwe cyclus. Zo zou ongeveer zeven jaar vooruit kunnen worden gekeken. Op grond van dit model voorspelt Schatten voor de komende cyclus een zonnevlekkengetal van slechts tachtig, dus een heel rustige zon.

zeestroming

Haaks hierop staat dan weer het resultaat van onderzoekers van het High Altitude Observatory in Boulder, Colorado. Zij hebben een model van de zon ontwikkeld waarin de magnetische velden aan de polen deel uitmaken van een grootschalige, langzame stroming tussen de polen en de evenaar, aangedreven door de dynamo in het inwendige. De snelheid van deze stroming, die enigszins vergelijkbaar is met de zeestroming tussen de Atlantische en de Stille Oceaan, zou een maat zijn voor de activiteit van de zon over 17 tot 21 jaar. Op grond van dit model voorspellen Mausumi Dikpati en haar collega’s dat het zonnevlekkengetal rond 2012 een maximum van 160 tot 180 zal bereiken, het hoogste sinds het historische maximum (in 1958) aan het begin van de ruimtevaarttijdperk (Astrophysical Journal, 20 september 2006).

David Hathaway merkte in oktober 1999 in een sindsdien veel geciteerd overzichtsartikel in de Journal of Geophysical Research op ‘dat het niet verrassend is dat al deze pogingen om de zonnevlekkencyclus te voorspellen vaak gezien worden als iets wat minder is dan wetenschap en slechts iets méér dan astrologie’. De oorzaak daarvan ligt er hoofdzakelijk in dat astronomen nog onvoldoende afweten van de processen in de zon en de manier waarop die met elkaar zijn verweven. Er bestaat nog geen hard, fysisch model dat betrouwbare voorspellingen mogelijk maakt.

De verwachtingen voor het komende zonnevlekkenmaximum – middels 28 methoden die maxima tussen de 42 en 180 opleveren – wijzen er op dat deze toestand nog niet is veranderd. Maar misschien is het probleem nog fundamenteler. Algemeen wordt aangenomen dat de dynamo in de zon zich in een permanente toestand van deterministische chaos bevindt, waardoor sommige processen een sterk niet-lineair karakter hebben. Dat impliceert misschien dat het weer op de zon zich nooit precies zal laten voorspellen.