Een onderzoeksgroep uit Graz onderzocht hoe zonnestormen kunnen worden gesimuleerd om hun effecten op de aarde nauwkeuriger te kunnen voorspellen. Hun werk heeft een nauwkeuriger model opgeleverd voor het simuleren van zonnestormen in realtime.

De zon is een extreem actieve ster die op veel verschillende manieren invloed heeft op de planeten van het zonnestelsel. Een van de meest zichtbare effecten is aurora borealis. Dit noorderlicht wordt veroorzaakt door zonnewind, d.w.z. een gestage stroom van protonen en elektronen uitgezonden door de zon, die in wisselwerking staat met het magnetische veld van de aarde en de kleurrijke lichteffecten veroorzaakt. Onder normale omstandigheden, het magnetisch veld van de aarde beschermt de planeet grotendeels tegen de zonnewind, maar soms, enorme fakkels barsten uit op de zon, in relatief korte tijd veel heet materiaal de ruimte in slingeren. Dit materiaal treft de aarde een paar dagen later als een zonnestorm, die satellieten kunnen beschadigen, GPS-navigatie verstoren of zelfs stroomuitval veroorzaken. Wat, precies, betrokken is bij deze gebeurtenissen is nog grotendeels onbekend, daarom hebben verschillende ruimtesondes instrumenten aan boord om zonnestormen vanuit de ruimte vast te leggen.

Een onderzoeksgroep onder leiding van de astrofysicus Christian Möstl van het in Graz gevestigde Space Research Institute van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen werkt aan een reeks projecten die worden gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF om zonnestormen en hun effecten op aarde in realtime te modelleren, waardoor het mogelijk wordt om dergelijke extreme gebeurtenissen met grotere precisie te voorspellen. In een project dat in 2019 is afgerond, een team onder leiding van Möstl ontwikkelde een bijzonder gedetailleerd model voor de voortplanting van zonnestormen.

Elliptische vorm

"Het doel is ondubbelzinnig:we willen zonnestormen voorspellen, ", zegt Christian Möstl. "Er zijn verschillende ruimtesondes die zonnestormen op enige afstand van de aarde kunnen volgen. In de jaren 1990, de SOHO-sonde was de eerste die dergelijke opnames maakte, vandaag is er ook de Parker Solar Probe en nog twee andere sondes met de naam STEREO." Al deze sondes bewegen in of nabij de ecliptica - het vlak waarin de planeten rond de zon draaien. Hoe de stormen eruit zien van buiten dit vlak kan met de huidige sondes niet worden vastgesteld. De modellen moeten werken op basis van zo realistisch mogelijke aannames. "Oudere modellen gingen uit van een puntvormige of cirkelvormige structuur, maar dat is niet realistisch, " merkt Möstl op. "In een eerder project, we hebben de cirkels vervangen door cirkelbogen. In het recente project hebben we nu de volgende stap gezet en een elliptische vorm gebruikt."

Om de nauwkeurigheid verder te vergroten, Het team van Möstl heeft een aantal effecten aan het model toegevoegd. Zonnewind heeft meestal een lagere snelheid dan de zonnestormen en vertraagt ​​ze. "Zonnestormen reageren sterk op zonnewind, " legt Möstl uit. "Ons nieuwe model is het eerste dat de groothoekwaarnemingen van STEREO combineert met het weerstandseffect van de zonnewind."

Realtime simulatie

Het model heeft de bijzondere eigenschap dat het realtime voorspellingen kan maken zodra geschikte gegevens beschikbaar zijn. Dergelijke gegevens zouden medio 2020 kunnen worden geleverd door een geplande ESA-satellietmissie, als Tanja Amerstorfer, lid van het projectteam, benadrukt:"Het gaat er niet om de effecten achteraf te reproduceren, maar over het hebben van een tool die we in realtime kunnen gebruiken." zonnestormen hebben vier of vijf dagen nodig om de aarde te bereiken. "De recordsnelheid is 14 uur, ", zegt Amerstorfer - genoeg tijd voor een systeem voor vroegtijdige waarschuwing. Op dit moment is er, echter, geen officiële instantie om te voorspellen wanneer zonnestormen de aarde zullen treffen. "Er is een website waar onderzoeksgroepen zoals wij weddenschappen kunnen plaatsen op het tijdstip van aankomst, " zegt Möstl. In 2011 deden ze mee en wonnen, maar hij maakt heel duidelijk dat dit geen serieus waarschuwingssysteem is.

Bijgevolg, een functionerend systeem voor vroegtijdige waarschuwing ontbreekt nog. "Er zijn in de geschiedenis verschillende zonnestormen geweest die vandaag grote schade zouden aanrichten, ", zegt Amerstorfer. Het laatste grote evenement van deze soort was in 1989 in Quebec, waar het stroomonderbrekingen betrof. In 1859 en 1921 troffen nog grotere zonnestormen de aarde. In die tijd, poollicht was zelfs zichtbaar op de middelste breedtegraden, bijvoorbeeld in Rome. Telegraaflijnen werden beschadigd door die gebeurtenis. Op de huidige infrastructuur, dergelijke gebeurtenissen zouden verwoestende gevolgen hebben. "De VS en Groot-Brittannië hebben dit scenario opgenomen in hun nationale rampenplannen, " meldt Amerstorfer. In 2012 een zonnestorm in de orde van grootte van de gebeurtenis van 1859 miste de aarde ternauwernood, overigens.

Magnetisch veld als een probleem

Möstl en Amerstorfer benadrukken dat er nog veel moet gebeuren voordat een betrouwbaar waarschuwingssysteem kan worden opgezet. De fout bij het inschatten van de aankomsttijd ligt momenteel op zijn best rond de tien uur. Volgens Mostl, het grootste onopgeloste probleem is het magnetische veld in zonnestormen. "We weten dat deze velden de vorm aannemen van grote, gebogen zogenaamde "fluxbuizen". Maar we kunnen alleen maar een hypothese maken over hoe het veld in deze buizen precies is geconfigureerd. Het zal belangrijk zijn om de aard van het magnetische veld in een zonnestorm te kennen."

Volgens Mostl, dit is net zo belangrijk als de grootte van de storm:"De richting van het magnetische veld werkt als een schakelaar. Als het magnetische veld van de storm de tegenovergestelde richting heeft van die van de aarde, het zal veel meer energie overbrengen naar het aardmagnetisch veld dan wanneer het dezelfde oriëntatie heeft." Snelheid speelt ook een grote rol:een korte, snelle storm heeft een sterker effect dan een langzamere, langer een. Bovendien, zonnestormen komen vaak niet als een enkele gebeurtenis voor, maar kunnen elkaar onmiddellijk opvolgen en met elkaar in wisselwerking staan.

Simuleer de hele keten van effecten

In volgende FWF-projecten, de onderzoeksgroep van Graz werkt nu aan verschillende aspecten van het probleem om een ​​hele keten van simulaties op te bouwen. "We willen alles combineren in één model, van de uitbarsting van de zonnestorm tot de effecten op aarde, de aurora's en stromingen in de grond. Dat is het doel, ", zegt Mostl.