Zonnevlammen, protuberansen en plasmawolken

De Zon is een enorme kernfusiecentrale. Als het er op de Zon heftig aan toe gaat, kan dat ook gevolgen hebben voor de Aarde. Satellieten, elektriciteits- en communicatienetwerken kunnen dan van slag raken.

In de Zon worden door kernfusie per seconde zo’n 700 miljoen ton waterstofkernen in 695 miljoen ton heliumkernen omgezet. Het verschil (zo’n 4,4 miljoen ton) wordt omgezet in energie en veroorzaakt zonnewind. Die zonnewind, een stroom van geladen deeltjes, wordt door het magnetische veld van de Aarde vastgehouden in de zogenaamde Van Allen-gordels. Bij grote activiteit van de Zon kan er een plasmawolk uitgestoten worden en de deeltjes daarvan kunnen in de buurt van de polen de Aarde bereiken. De energierijke deeltjes ioniseren en verstoren de deeltjes in de bovenste lagen van de atmosfeer. Die deeltjes stralen op hun beurt dan licht uit in verschillende kleuren. Dat noemen we het Noorderlicht in het noordelijk halfrond of het Zuiderlicht in het zuidelijke halfrond.

Op de Zon vinden veel nog nauwelijks begrepen verschijnselen plaats. Zo treden er zonnevlekken op, verschijnen er protuberansen en zonnevlammen en wordt er opvallend weinig straling afgegeven bij een zonneminimum, een periode met weinig activiteit. Bij zonnemaxima kunnen er dan weer enorme uitbarstingen optreden. De Zon doorloopt zo een cyclus van zo’n 11 jaar.

Zonnevlekken zijn gebieden op de Zon met sterke magnetische velden. Die zorgen voor een verstoring in de convectie (de warmtestroming) zodat de zonnevlekken kouder zijn dan de rest van het oppervlak van de Zon. Boven de zonnevlekken ontstaan vaak protuberansen. Dat zijn gaswolken die de lussen van de magnetische veldlijnen volgen. De zogenoemde “rustige” protuberansen kunnen dagen tot zelfs weken duren en zo’n 40.000 kilometer boven het oppervlak uitsteken. Zogenaamde “eruptieve” protuberansen duren slechts enkele uren maar komen veel hoger, tot wel 300.000 km boven de atmosfeer van de Zon.

Zonnevlammen zijn nog veel heftiger dan de eruptieve protuberansen. Ze ontstaan wanneer de bewegingen in het binnenste van de Zon de magnetische velden verwringen. Die magnetische velden richten zich dan vervolgens opnieuw en daarbij wordt dan materiaal van de Zon weggeslingerd.De magnetische bewegingen op de Zon kunnen twee verschillende gevolgen hebben: zonnevlammen en plasmawolken (CME’s: Coronal Mass Ejections). Dat is te vergelijken met het afvuren van een kanon. De zonnevlam is dan de mondingsvlam: de uitgestoten gassen die aan het uiteinde van de loop een vlam veroorzaken die vanuit alle richtingen te zien is. De plasmawolk is de kanonskogel: een geweldige wolk van gemagnetiseerde deeltjes dat in één bepaalde richting wordt uitgestoten. Daar waar de deze deeltjes terechtkomen, kunnen de gevolgen heftig zijn.  Zonnevlammen en plasmawolken komen vaak samen voor tijdens een actieve periode van de Zon maar lang niet elke zonnevlam gaat gepaard met een plasmawolk.

Zonnevlammen duren slechts enkele minuten tot enkele uren maar ze slingeren enorme hoeveelheden geïoniseerd materiaal de ruimte in. In tegenstelling tot protuberansen heeft het materiaal van een zonnevlam zoveel energie dat het kan ontsnappen aan de zwaartekracht van de Zon. Het licht van een zonnevlam plant zich voort met de snelheid van het licht en bereikt de Aarde in iets meer dan acht minuten. De energie die vrijkomt bij een zonnevlam versnelt ook zeer energierijke deeltjes die dan vervolgens de Aarde in enkele tientallen minuten bereiken.De energie van een zonnevlam kan het deel van de atmosfeer verstoren waardoor radiogolven zich bewegen. Dat kan storingen veroorzaken en in het slechtste geval het uitvallen van communicatie- en navigatiesignalen.

Het hete materiaal in plasmawolken verplaatst zich trager: met een snelheid van meer dan 1,6 miljoen kilometer per uur. Het doet er een tot drie dagen over om de Aarde te bereiken. Deze deeltjes kunnen niet alleen poollicht veroorzaken, maar ze kunnen ook vervelende gevolgen hebben. De magnetische veranderingen die ze veroorzaken kunnen namelijk hoge frequentie radio’s storen en gps-coördinaten met een paar meter doen afwijken.  De magnetische schommelingen kunnen ook leiden tot storingen in het elektriciteitsnetwerk en in communicatienetwerken. Lange kabels werken als lange antennes: door inductie kunnen er elektrische stromen in de kabels ontstaan. Dit kan tot schade leiden. Ook computers kunnen beschadigd raken. Zij hebben weliswaar korte kabeltjes, maar ze zijn veel gevoeliger dus ook voor kleine inductiestromen.

Zonnevlammen en CME’s kunnen ook schade veroorzaken aan satellieten en ruimtevaarders. Daarom worden ze continu in de gaten gehouden door een aantal ruimtesondes, zoals SOHO, ACE, STEREO, Cluster en de Ulysses-satelliet. Moderne satellieten worden zo ontworpen dat ze tijdens een piek van activiteit in een veilige modus kunnen worden gezet en daarna opnieuw opgestart kunnen worden. Zonnevlammen en plasmawolken kunnen ook gevaarlijk zijn voor de gezondheid van ruimtevaarders omdat zij niet beschermd worden door de Van Allen-gordels. De hoogenergetische deeltjes kunnen het DNA beschadigen, wat dodelijke gevolgen kan hebben. Het extreemste geval van zonnewind in de moderne geschiedenis deed zich voor op 1 en 2 september 1859. Er werden toen verschillende zonnevlammen gezien. Normaal doet een door de zon uitgestoten plasmawolk er zo’n 3 dagen over om de Aarde te bereiken, maar deze had slechts iets minder dan 18 uur nodig. De gevolgen waren duidelijk merkbaar: de pas enkele jaren eerder in gebruik genomen telegraafverbinding tussen Amerika en Europa viel uit door kortsluitingen het Noorderlicht was zelfs te zien in Rome, Havana en Hawaï. Bovendien was het zo helder dat men ‘s nachts een krant kon lezen.