Thermosfeer: de onzichtbare laag die bepaalt hoe lang satellieten blijven vliegen
Boven je hoofd, ergens tussen de tachtig en zeshonderd kilometer hoogte, ligt een laag van de atmosfeer die de thermosfeer heet. Het is de laag waarin de meeste satellieten ronddraaien, inclusief het internationale ruimtestation ISS. Toch is de lucht daar zo ijl dat je het nauwelijks nog lucht kunt noemen: in een kubieke centimeter zitten miljarden keren minder luchtdeeltjes dan hier op zeeniveau.
Het rare aan de thermosfeer is dat de temperatuur er, gemeten in graden, torenhoog kan oplopen — soms tot ver boven de duizend graden Celsius — terwijl een astronaut die er zonder pak zou zweven eerder zou bevriezen dan verbranden. Vergelijk het met een lege sportzaal waarin een handjevol pingpongballetjes met waanzinnige snelheid rondstuitert: elk balletje heeft veel energie, dus een hoge 'temperatuur', maar er zijn er zo weinig dat je nauwelijks iets voelt als je je hand uitsteekt. Die vreemde eigenschap maakt de thermosfeer cruciaal voor de toekomst van de ruimtevaart: hoe dichter of ijler deze laag op een bepaald moment is, hoe meer of minder weerstand satellieten ondervinden — en dat bepaalt mede hoe lang duizenden satellieten in een megaconstellatie zoals Starlink in de lucht blijven.
Wat is het precies?
De atmosfeer van de aarde bestaat uit lagen die van elkaar verschillen door hoe de temperatuur er verandert met de hoogte. Van laag naar hoog zijn dat de troposfeer (waar het weer zich afspeelt), de stratosfeer (met de ozonlaag), de mesosfeer (waar de meeste meteoren verbranden) en dan de thermosfeer. Daarboven ligt nog de exosfeer, die geleidelijk overgaat in de lege ruimte — een harde grens bestaat niet.
In de thermosfeer stijgt de temperatuur met de hoogte, in tegenstelling tot de laag eronder. Dat komt doordat de weinige overgebleven deeltjes — voornamelijk losse zuurstof- en stikstofatomen — hier rechtstreeks de extreme ultraviolette straling en röntgenstraling van de zon opvangen. Die straling wordt in de lagere atmosfeer al weggefilterd, maar bereikt de thermosfeer in volle kracht en versnelt de deeltjes tot hoge snelheden.
Een deel van de thermosfeer heet de ionosfeer: hier maakt zonnestraling atomen elektrisch geladen door er elektronen af te schieten, een proces dat ionisatie heet. Die geladen deeltjes kaatsen radiogolven terug naar de aarde, wat radiocommunicatie over lange afstand mogelijk maakt, maar ze kunnen ook gps-signalen en andere satellietcommunicatie verstoren.
Wat de thermosfeer bovendien lastig te doorgronden maakt, is haar enorme veranderlijkheid. Overdag, als de zon schijnt, warmt en zet de laag uit; 's nachts krimpt ze weer. Tijdens een zonnestorm — een uitbarsting van geladen deeltjes en straling vanaf de zon die de aarde bereikt — kan de thermosfeer binnen enkele uren opzwellen, waardoor de dichtheid op satelliethoogte tijdelijk kan verdubbelen of meer.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers en ruimtevaartorganisaties willen de thermosfeer vooral beter leren voorspellen. De reden is praktisch: elke satelliet die door deze laag vliegt, ondervindt luchtweerstand, ook al is de lucht er ijl. Die weerstand remt de satelliet langzaam af, waardoor hij geleidelijk naar een lagere baan zakt en uiteindelijk verbrandt in de dichtere atmosfeer. Hoe voorspelbaarder die weerstand is, hoe beter operators kunnen inschatten hoeveel brandstof of stuwkracht nodig is om een satelliet op zijn plek te houden.
Dat belang is de laatste jaren sterk gegroeid door de opkomst van megaconstellaties: netwerken van duizenden kleine satellieten, zoals Starlink van SpaceX, die internet vanuit de ruimte leveren. Om botsingen tussen al die satellieten en met ruimtepuin te voorkomen, moeten operators voortdurend nauwkeurig weten waar elke satelliet zich bevindt — en dat hangt direct af van hoe sterk de thermosfeer op dat moment afremt.
Een tweede doel is ruimteweer-voorspelling in bredere zin: het inschatten van de gevolgen van zonnestormen voor satellieten, astronauten en zelfs stroomnetten op aarde. Betere thermosfeermodellen helpen ook bij het plannen van veilige, gecontroleerde terugkeer van uitgediende satellieten en ruimtepuin, zodat resten boven onbewoond gebied neerkomen in plaats van willekeurig.
Tot slot voedt onderzoek naar de thermosfeer ook fundamentelere kennis over hoe de zon en de aarde op elkaar inwerken — kennis die weer helpt om het gedrag van de bovenatmosfeer op langere termijn te begrijpen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA lanceerde in 2009 de satelliet GOCE, die in een ongewoon lage baan van ongeveer 255 kilometer vloog — midden in de thermosfeer — om het zwaartekrachtveld van de aarde nauwkeurig in kaart te brengen. Om de constante luchtweerstand op die hoogte te compenseren, gebruikte GOCE een ionenmotor die continu bijstuurde. De missie eindigde in 2013 toen de brandstof op was en de satelliet in de atmosfeer verbrandde.
NASA lanceerde in 2019 de ICON-missie (Ionospheric Connection Explorer), specifiek gebouwd om de wisselwerking tussen de thermosfeer en de ionosfeer te bestuderen en te begrijpen hoe aards weer en ruimteweer elkaar daar beïnvloeden.
Al sinds 2001 verzamelt NASA's TIMED-missie (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics) gegevens over energie-uitwisseling in deze hoge luchtlagen en is daarmee een van de langstlopende missies die zich specifiek op dit gebied richt.
Een spraakmakend praktijkvoorbeeld deed zich voor in februari 2022, toen een relatief milde geomagnetische storm de thermosfeer deed opzwellen vlak nadat SpaceX tientallen nieuwe Starlink-satellieten had gelanceerd. De verhoogde luchtweerstand op hun nog lage inschietbaan zorgde ervoor dat een fors deel van die satellieten niet op tijd kon opklimmen naar de definitieve baan en alsnog verbrandde in de atmosfeer — een kostbare les over hoe onvoorspelbaar de thermosfeer kan zijn.
ESA onderzocht daarnaast het concept voor een missie genaamd Daedalus, die specifiek de thermosfeer en ionosfeer met instrumenten aan boord zou meten. Het voorstel haalde de eindronde van ESA's Earth Explorer-programma, maar is uiteindelijk niet als volledige missie geselecteerd — een teken van hoe duur en technisch lastig direct meten in deze laag blijft.
Hoe ver is de techniek?
De thermosfeer zelf is uiteraard geen technologie, maar de modellen en instrumenten waarmee we haar meten en voorspellen, ontwikkelen zich nog volop. De meestgebruikte rekenmodellen voor dichtheid, zoals NRLMSISE-00, JB2008 en DTM, voorspellen de dichtheid van de thermosfeer nog altijd met een foutmarge die kan oplopen tot vijftien à vijfentwintig procent. Voor het plannen van individuele satellietmanoeuvres is dat een aanzienlijke onzekerheid.
Een belangrijk obstakel is dat directe metingen in de thermosfeer schaars zijn. Instrumenten die er daadwerkelijk doorheen vliegen, ondervinden zelf ook luchtweerstand en hebben daardoor een beperkte levensduur, zoals bij GOCE het geval was. De meeste kennis komt daarom van een combinatie van een klein aantal satellietmissies, grondstations die radiosignalen door de ionosfeer volgen, en het nauwkeurig bijhouden van hoe bestaande satellieten in hun baan vertragen.
De laatste jaren wordt geëxperimenteerd met kunstmatige intelligentie en machinelearning om weerstandsvoorspellingen te verbeteren, door patronen te herkennen in grote hoeveelheden historische baangegevens van duizenden satellieten. Dat staat nog in een relatief vroeg stadium, maar de druk om vooruitgang te boeken neemt toe naarmate er meer satellieten worden gelanceerd en de kans op botsingen groeit.
Kortom: de wetenschappelijke basiskennis over de thermosfeer is behoorlijk stevig, maar de praktische, nauwkeurige en tijdige voorspelling ervan — nodig om duizenden satellieten veilig te laten samenleven — is nog volop in ontwikkeling.
Wie werken eraan?
NASA speelt met missies als ICON en TIMED een centrale rol in het wetenschappelijk onderzoek naar de thermosfeer. ESA droeg met GOCE bij aan praktische kennis over vliegen in deze laag en onderzocht met het Daedalus-conceptvoorstel verdere directe metingen.
Het Amerikaanse NOAA Space Weather Prediction Center maakt op basis van thermosfeermodellen dagelijkse ruimteweer-voorspellingen die wereldwijd door satellietoperators worden gebruikt. Ook de Amerikaanse Space Force volgt de dichtheid van de thermosfeer nauwlettend, omdat het direct van invloed is op het volgen van satellieten en ruimtepuin voor veiligheidsdoeleinden.
Op universitair niveau doen onder meer de University of Colorado Boulder, de University of Michigan en in Nederland de TU Delft onderzoek naar thermosfeerdichtheid en de nauwkeurige baanbepaling van satellieten.
Ook commerciële partijen zoals SpaceX hebben inmiddels een direct praktisch belang gekregen: het beheer van duizenden Starlink-satellieten vergt eigen expertise in het voorspellen van thermosfeergedrag.