Zonnecyclus: hoe de 11-jarige adem van de zon ons technologische leven raakt
De zon lijkt op het oog een constante, onveranderlijke bol licht. In werkelijkheid ademt ze in een ritme van ongeveer elf jaar: soms is ze rustig en vlekkeloos, soms bedekt met donkere vlekken en barstend van uitbarstingen. Dat ritme heet de zonnecyclus, en het bepaalt hoeveel "ruimteweer" er richting de aarde komt.
Vergelijk het met een vulkanisch eiland dat om de elf jaar van rustig naar onrustig gaat en weer terug. In de rustige fase, het zogeheten zonneminimum, gebeurt er weinig. In de onrustige fase, het zonnemaximum, ontstaan er regelmatig uitbarstingen die verder reiken dan de zon zelf: ze kunnen satellieten beschadigen, gps-signalen verstoren en op aarde poollicht tot ver buiten de poolgebieden veroorzaken.
Wat is het precies?
De basis van de zonnecyclus is het magnetisch veld van de zon. Dat veld ontstaat diep in de zon door een proces dat de zonnedynamo wordt genoemd: een combinatie van bewegend, elektrisch geladen gas (plasma) en de rotatie van de zon die samen elektrische stromen en dus magnetische velden opwekken.
Een belangrijk detail is dat de zon niet als een vaste bol draait. De evenaar draait sneller rond dan de polen, een verschijnsel dat differentiële rotatie heet. Hierdoor raken magnetische veldlijnen in de loop van jaren steeds verder opgewonden, als een elastiek dat wordt opgerekt.
Op plekken waar die opgewonden veldlijnen door het zonneoppervlak breken, koelt het gas lokaal iets af en ontstaan donkere plekken: zonnevlekken. Ze zijn niet echt koud, maar wel enkele duizenden graden kouder dan hun omgeving, waardoor ze donkerder ogen. Astronomen tellen het aantal zonnevlekken al sinds de zeventiende eeuw en drukken de activiteit uit in het zonnevlekkengetal, ook wel Wolfgetal genoemd naar de Zwitserse astronoom die de telmethode standaardiseerde.
Wanneer het zonnevlekkengetal laag is, spreekt men van een zonneminimum; is het hoog, dan is er sprake van een zonnemaximum. Rond het maximum ontstaan vaker twee soorten uitbarstingen. Een zonnevlam (flare) is een plotselinge, felle flits van straling vanaf het zonoppervlak. Een coronale massa-ejectie (CME) is een enorme wolk plasma en magnetisch veld die de zon de ruimte in slingert, afkomstig uit de corona, de ijl hete buitenste atmosfeer van de zon die je tijdens een zonsverduistering als een lichtkrans kunt zien.
Aan het einde van elke cyclus keert de polariteit van het magnetisch veld van de zon om: de magnetische noordpool wordt zuidpool en omgekeerd. Pas na twee van zulke cycli, dus na ongeveer 22 jaar, is het magnetische veld weer helemaal terug bij de oorspronkelijke stand. Strikt genomen is de "echte" magnetische cyclus van de zon dus 22 jaar lang, terwijl de bekendere 11-jarige cyclus alleen naar het aantal zonnevlekken kijkt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van zonnecyclusonderzoek is ruimteweervoorspelling: inschatten wanneer en hoe hard de zon uitbarstingen richting de aarde stuurt. Dat is geen abstracte wetenschap, want moderne samenlevingen zijn kwetsbaar voor de gevolgen ervan.
Satellieten kunnen door geladen deeltjes en extra straling schade oplopen of tijdelijk uitvallen. Astronauten op ruimtestations lopen tijdens hevige uitbarstingen een verhoogd stralingsrisico. Gps-signalen en radiocommunicatie, inclusief die van de luchtvaart op poolroutes, kunnen worden verstoord doordat geladen deeltjes de bovenste laag van de dampkring (de ionosfeer) veranderen.
Ook elektriciteitsnetten op aarde zijn niet immuun: een sterke magnetische verstoring, een geomagnetische storm genoemd, kan extra stroom induceren in lange hoogspanningskabels en transformatoren beschadigen. Daarnaast bestudeert men of de zonnecyclus een meetbaar effect heeft op het aardse klimaat; de conclusie tot nu toe is dat dit effect zeer klein is vergeleken met door mensen veroorzaakte opwarming. Tot slot is er ook gewoon fundamenteel wetenschappelijk belang: de zon is de dichtstbijzijnde ster en een natuurlijk laboratorium om magnetische dynamica in sterren te bestuderen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Solar Dynamics Observatory (SDO), gelanceerd door NASA in 2010, fotografeert de zon continu in verschillende golflengten en levert al meer dan een decennium de basisgegevens voor zonnecyclusonderzoek.
De Parker Solar Probe van NASA, gelanceerd in 2018, vliegt dichter langs de zon dan enige eerdere ruimtesonde en meet rechtstreeks in de corona hoe de zonnewind, de constante stroom geladen deeltjes vanaf de zon, wordt versneld.
Solar Orbiter, een gezamenlijke missie van ESA en NASA gelanceerd in 2020, maakt onder meer de eerste goede foto's van de polen van de zon, gebieden die vanaf de aarde nauwelijks te zien zijn maar cruciaal voor het begrijpen van de zonnedynamo.
De praktische gevolgen van zonneactiviteit werden pijnlijk duidelijk in maart 1989, toen een geomagnetische storm het elektriciteitsnet van de Canadese provincie Quebec liet uitvallen; zes miljoen mensen zaten uren zonder stroom.
Recenter, in februari 2022, verloor SpaceX veertig pas gelanceerde Starlink-satellieten nadat een relatief bescheiden geomagnetische storm de dampkring liet opzwellen en extra luchtweerstand veroorzaakte. En in mei 2024 zorgde de zogeheten Gannon-storm, een van de sterkste geomagnetische stormen in twintig jaar, voor poollicht dat tot in Zuid-Europa en delen van de Verenigde Staten zichtbaar was.
Hoe ver is de techniek?
De huidige zonnecyclus, cyclus 25 geteld sinds de systematische telling in de achttiende eeuw begon, startte rond december 2019 na een lang en rustig zonneminimum. Een internationaal Solar Cycle Prediction Panel, samengesteld door NOAA, NASA en het International Space Environment Service (ISES), publiceerde in 2019 een officiële voorspelling die uitging van een relatief zwakke cyclus.
Die voorspelling bleek te laag: de zonneactiviteit steeg sneller en hoger dan verwacht, met een maximum dat rond 2024-2025 werd bereikt en boven de oorspronkelijke prognose uitkwam. Dit illustreert een terugkerend probleem: het exacte moment en de precieze sterkte van een zonnemaximum kunnen pas maanden tot jaren achteraf met zekerheid worden vastgesteld, omdat men dan pas het volledige verloop van de maandelijkse zonnevlektellingen kan overzien.
De belangrijkste obstakels voor betere voorspellingen zijn de chaotische, niet-lineaire aard van de zonnedynamo, de beperkte hoeveelheid historische data van hoge kwaliteit, en het feit dat de diepere lagen van de zon waar het magnetisch veld ontstaat niet rechtstreeks waarneembaar zijn. Onderzoekers gebruiken daarom een combinatie van waarnemingen aan het oppervlak, helioseismologie (het bestuderen van trillingen aan het zonoppervlak om iets over het binnenste af te leiden) en computermodellen, maar consensus over de beste voorspelmethode ontbreekt nog.
Wie werken eraan?
NASA volgt de zon onder meer via het Goddard Space Flight Center, dat missies als SDO en Parker Solar Probe beheert. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA draagt bij via Solar Orbiter en eigen ruimteweerdiensten.
Operationele waarschuwingen voor het grote publiek en sectoren zoals luchtvaart en energie komen vooral van het Space Weather Prediction Center van de Amerikaanse NOAA. Het eerdergenoemde Solar Cycle Prediction Panel, met leden uit meerdere landen, stelt elke cyclus opnieuw een officiële voorspelling op.
In Europa is het Solar Influences Data Analysis Center (SIDC) van de Koninklijke Sterrenwacht van België een centrale speler: het beheert SILSO, het wereldwijde referentiearchief voor het zonnevlekkengetal. Ook het National Solar Observatory in de Verenigde Staten en het Max Planck Institute for Solar System Research in Duitsland behoren tot de belangrijkste onderzoeksinstituten op dit gebied.