De activiteit van de zon kunnen we meten aan de hand van zonnevlekken: hoe meer vlekken de zon vertoont, hoe actiever ze is. Langdurige observatie en analyse van die zonnevlekken kan ons dus meer inzicht geven in de evolutie van het klimaat. Dat belangrijke wereldwijde onderzoek wordt tegenwoordig gecoördineerd door de Koninklijke Sterrenwacht van België in Ukkel. ‘Onze gegevens worden niet alleen door academici gebruikt, ook door militairen en bedrijven’, zegt directeur Frédéric Clette van het coördinatiecentrum.
De dag dat de weerbarstige lente intrad, publiceerde het wetenschappelijke tijdschrift Nature een overzicht van de vijf langstlopende onderzoeken ter wereld, als illustratie van het gegeven dat goede wetenschap ‘geen sprint is, maar een marathon’. Op twee en drie staan observaties van de vulkaan Vesuvius in Italië en experimenten over de invloed van bemesting op de tarweproductie in Engeland, die beide al 170 jaar lopen.
Ver op kop, met 400 jaar observaties, prijkt de analyse van zonnevlekken. Sinds 1981 wordt het onderzoek gecoördineerd door het Solar Influences Data Analysis Center van de Koninklijke Sterrenwacht van België in Ukkel. De coördinatie gebeurt zonder extra financiering of mankracht. De gegevens worden verzameld door een kleine honderd waarnemers uit de hele wereld, overwegend vrijwilligers die regelmatig met eenvoudige telescopen de vlekken in kaart brengen.
‘We moeten erover waken dat de beschikbaarheid van hypermoderne technieken de informatie niet beïnvloedt want als je meer ziet, kun je andere conclusies trekken dan met summiere gegevens’, zegt directeur Frédéric Clette van het coördinatiecentrum. ‘Het is belangrijk dat we zicht blijven hebben op de langetermijnevoluties, naast het verzamelen van nieuwe elementen die ons kunnen leren welke processen die evoluties sturen.’
De zon heeft een invloed op tal van menselijke activiteiten, onder meer door haar rol in het bepalen van ons klimaat. ‘Maar verschillen in zonneactiviteit hebben evenzeer een effect op de levensduur van satellieten en de efficiëntie van moderne telecommunicatie’, benadrukt Clette. ‘Onze gegevens worden niet alleen door academici gebruikt, ook door militairen en bedrijven. De uitbaters van pijpleidingen voor olie en gas gebruiken ze bijvoorbeeld om hun onderhoud te plannen, want de activiteit van de zon heeft een rechtstreekse invloed op het roesten van hun leidingen.’
Zonnevlekken zijn een maat voor de activiteit van de zon: hoe meer vlekken er zijn, hoe actiever de zon is. De oudste geregistreerde observaties van zonnevlekken dateren van 2000 voor Christus. Ze werden gemaakt door Chinese astrologen. Maar die keken met het blote oog en zagen alleen de grote vlekken, wat te fragmentarisch is voor nuttige analyse. In feite zijn systematische analyses in 1613 begonnen – dus exact 400 jaar geleden – toen de befaamde wetenschapper Galileo Galilei zijn eerste tekeningen van zonnevlekken publiceerde (zijn observaties begonnen waarschijnlijk in 1611).
‘Hij wist niet wat hij zag, maar zijn registraties waren nauwkeurig genoeg om bruikbaar te zijn’, vertelt Clette. ‘Hij ging er wel van uit dat het vlekken op de zon waren, en niet iets wat tussen zon en aarde hing. Het was in zijn tijd duidelijk aan het worden dat de aarde niet het centrum van het heelal was. Dat centrum verschoof naar de zon, die daardoor een perfecte goddelijke sfeer van licht moest zijn, waar geen vlekken op konden zitten. Galilei was niet echt een diplomaat, waardoor hij ook over dit onderwerp in conflict kwam met andere waarnemers.’
Een kleine ijstijd
In 1848 begon de Zwitserse astronoom Rudolf Wolf met systematische metingen die tot een index leidden: een gestandaardiseerde maat voor de zonneactiviteit. ‘Tijd heeft daarin een belangrijke rol gespeeld’, legt Clette uit. ‘Wolf was zich totaal niet bewust van het mogelijke belang van zijn metingen voor de mens. Hij was een wetenschapper die zich, als een ontdekkingsreiziger, op onbekend terrein begaf, en die zijn leven lang gegevens heeft verzameld. Hij kon rustig blijven werken en werd niet opgejaagd door instanties die hem dwongen veel te publiceren om zijn budget te verantwoorden. Vandaag zou het veel moeilijker zijn om zo’n langdurig onderzoek op te starten en te rechtvaardigen. Nu moet je al bijna op voorhand weten wat je zult vinden als je onderzoekskredieten wilt krijgen.’
Wolf wist net zomin als Galilei wat zonnevlekken waren, maar uit zijn waarnemingen leidde hij wel de elfjarige zonnecyclus af. Dat is géén standaardgegeven, want de lengte van de cyclus varieert tussen negen en veertien jaar. De vraag waarom de cyclus ongeveer elf jaar duurt, en geen zes maanden of twee eeuwen, is pas de voorbije tien jaar opgelost. ‘Het basismechanisme achter de zonnevlekken kennen we sinds de jaren 1960’, vertelt Clette. ‘De vlekken worden veroorzaakt door intense magnetische velden die een gevolg zijn van gasstromingen in de zon gecombineerd met het constante draaien van de ster. De zon fungeert in feite als een dynamo die magneetvelden opwekt.’
De vlekken zijn koeler dan de rest van het zonneoppervlak: tussen 3000 en 4500 °C in plaats van 5800. Hun afmetingen variëren tussen 16 en 160.000 kilometer – de grootste zijn vanaf de aarde zichtbaar zonder telescoop. Zonnevlekken wijzen op toenemende activiteit van de zon. De afwezigheid van zonnevlekken wordt daarom gelinkt aan koelere temperaturen op aarde, hoewel de vlekken slechts een kleine invloed op de helderheid van de zon hebben. Zo was er tussen 1645 en 1717 een lange periode zonder zonnevlekken (bekend als het Maunder Minimum) die hand in hand ging met een kleine ijstijd. De gegevens wijzen uit dat de zon om de een tot drie eeuwen in een soort winterslaap met lage activiteit treedt, wat een grote invloed op het aardklimaat kan hebben.
Sinds tien jaar hebben wetenschappers zicht op de mechanismen achter de cyclus, met dank aan nieuwe technieken zoals helioseismografie, die de dynamiek in de zon in kaart brengen. ‘Het magnetische veld dat de zonnedynamo genereert, komt in de buurt van de zonne-evenaar naar de oppervlakte en creëert daar vlekken’, legt zonnefysicus Clette uit. ‘Het veld brokkelt echter geleidelijk af, vergelijkbaar met een koord die begint te rafelen. De vlekken verdwijnen zodra het veld te klein is geworden. Maar het veld is niet weg, het is alleen uiteengevallen in vele kleine veldjes die zich verplaatsen, meestal richting de polen van de zon. Daar accumuleren ze weer tot één groot geheel dat in de diepte verdwijnt en terechtkomt in de grote inwendige bewegingen van de zon. Het veld wordt weer sterk en stijgt aan de evenaar opnieuw naar de oppervlakte, waardoor de cyclus gesloten is. Het is in feite een soort lopende band met een omlooptijd van gemiddeld elf jaar.’
Atypisch gedrag
Die elf jaar is geen perfect horloge. Er zit veel variatie in de cyclus, en daar zicht op krijgen is de volgende uitdaging. Een grote uitdaging, want het betreft niet-lineaire natuurkunde met ingebouwde chaoselementen, zodat het niet zeker is of de analyse ooit een echt voorspellend karakter zal krijgen. ‘We weten sinds kort ook dat er twee dynamo’s in de zon zitten’, zegt Clette. ‘Eentje in de noordelijke hemisfeer en eentje in de zuidelijke. De twee zijn wel gekoppeld aan elkaar, maar hoe dat gebeurt, is een raadsel. We hopen dat te ontsluieren door na te gaan of we de oude gegevens, tot en met die van Galilei, kunnen opsplitsen in een noordelijke en een zuidelijke index. Zo blijven de oude gegevens ook vandaag erg nuttig.’
Er is uiteraard de vraag wat de zon op lange termijn doet. Over de héél lange termijn is Clette duidelijk: ‘Ten tijde van de dinosaurussen gedroeg de zon zich op dezelfde manier als vandaag. Er zijn geen zichtbare trends op die termijn.’ Op kortere termijn is dat wel het geval. Volgens Clette gedraagt de zon zich de laatste vijftig jaar ‘atypisch’: ‘Het lijkt alsof we in een ‘Groot Maximum’ zitten, met vijf opeenvolgende zonnecyclussen die héél intens waren. De huidige cyclus is de eerste in tachtig jaar die min of meer normaal is. Misschien keren we stilaan terug naar gemiddelde waarden.’
Hoe zit dat dan met de recente persberichten die stelden dat de zonneactiviteit in mei een hoogtepunt zou bereiken? Clette: ‘De tijd voor een nieuwe cyclus begint kan variëren, en het minimum in activiteit van de voorbije jaren, met uitzonderlijk weinig vlekken op de zon, kan verklaard worden door een trage start van een nieuwe cyclus. Het is dus niet zo dat de zon op weg is naar een nieuwe winterslaap, zoals sommigen nogal voorbarig beweerden. Zo’n traag startende cyclus heeft dikwijls – dat weten we uit de historische gegevens – een laag, maar langdurend maximum, zonder echte piek. Daar zitten we sinds een jaar in. Sinds twee maanden is er wel een kleine piek in de activiteit, alsof de zon een tweede adem vindt. In het verleden heeft ze nog plotse opstoten van activiteit gekend, als een soort koortsaanvallen. In feite is alles mogelijk. Aparte cyclussen beantwoorden zelden aan het algemene beeld.’
Sommigen gebruiken het Groot Maximum als argument om te stellen dat de globale opwarming van het klimaat integraal aan zonneactiviteit te wijten is, en niet aan menselijke activiteiten, zoals de massale uitstoot van broeikasgassen – het gehalte aan CO2 in de atmosfeer bereikte vorige maand een nieuw maximum. Clette denkt dat die redenering veel te simplistisch is: ‘We moeten uiteraard weten wat de natuurlijke variatie van de zon is als we de impact van de mens in kaart willen brengen. We zien dat de globale aardtemperatuur vanaf 1850 begint te stijgen. Maar de activiteit van de zon is sinds 1950 niet meer gestegen, terwijl de temperatuur op aarde wél blijft stijgen, net als het gehalte aan CO2. Ik meen dat de recente evolutie van de zonneactiviteit aantoont dat ze niet alleen voor de stijging van de globale aardtemperatuur verantwoordelijk kan zijn.’
Op ons dagelijks weer heeft de grootschalige activiteit van de zon geen invloed. De aarde past zich niet op zo’n korte termijn aan. Het ruimteweer is een ander verhaal. Stormen op de zon kunnen de levensduur van satellieten en zelfs de gezondheid van astronauten beïnvloeden via de intense stralingen die ze loslaten. Voorspellingen van zonneactiviteit worden gebruikt om extra beschermingsmaatregelen voor mensen en materiaal in de ruimte te voorzien. ‘Hoe actiever de zon is, hoe meer remming er is op de snelheid van laaghangende ruimtetuigen, zoals het ISS-ruimtestation en een aantal satellieten, waardoor die op termijn op de aarde zouden kunnen vallen’, zegt Clette. ‘Er moet dus bijtijds aan worden gedacht om ze opnieuw in een hogere baan te sturen, zoals met het ruimtestation bij elke aankomst van een laadraket gebeurt. Het alternatief is dat er op tijd aan vervanging wordt gedacht. Ook daarvoor zijn onze voorspellingen nuttig.’
DOOR DIRK DRAULANS
‘Ten tijde van de dinosaurussen gedroeg de zon zich op dezelfde manier als vandaag.’
