De zon zorgt voor licht en warmte op aarde, maar is ook wel eens humeurig. Een zonnestorm kan onze elektriciteits- en communicatienetwerken ernstig ontwrichten.

13 februari 2011: Een zonnestorm stuurde een stroom geladen deeltjes op ons af die onze communicatieinfrastructuur en elektriciteitsnetwerk ernstig had kunnen ontwrichten. Maar supercomputers helpen dit te voorkomen! En plasmafysica heeft nog veel meer, ook aardse toepassingen. Bovendien speelt Vlaanderen hier een grote rol.

Wat is ruimteweer?

Men kan ruimteweer beschrijven als: "de veranderlijke toestand van de omgeving in de ruimte die een invloed uitoefent op de Aarde en op haar technologische systemen". De ruimte is immers helemaal niet zo leeg als het wel lijkt. Zo stuurt de zon bijvoorbeeld voortdurend een stroom geladen deeltjes op ons af, de zonnewind genoemd.

Nu lijkt die zon misschien wel een stabiele, rustige lichtbron, maar in realiteit is dit niet zo. Er zijn heel wat dynamische processen aan de gang op de zon, voornamelijk in de buurt van actieve gebieden, waar het magnetisch veld van de zon het sterkst is. Het meest tot de verbeelding sprekend zijn coronale massa ejecties (CMEs). Hierbij kan tot 1013 kg materiaal (even veel als de watermassa in Lake Superior, het grootste van de grote meren in de Verenigde Staten) in de ruimte geslingerd worden, met een snelheid van 400 tot meer dan 2000 km/s (een kracht vergelijkbaar met die van 5000 atoombommen).

Impact

Wanneer een stroom van geladen deeltjes afkomstig van een flinke CME de aarde bereikt, blijft dit niet zonder gevolgen.

  • Noorderlicht is het meest zichtbare gevolg. Dit schouwspel wordt veroorzaakt door interactie tussen de aardatmosfeer, het magnetische veld van de aarde en deeltjes afkomstig van de zon. Bij botsingen van deze deeltjes met de in de atmosfeer aanwezige stikstof- en zuurstofatomen wordt de bewegingsenergie omgezet in zichtbaar licht.
  • "Radio blackouts": Verstoring van de ionosfeer kan aanleiding geven tot het falen van radiosignalen. Een zware storm kan radiocommunicatie verhinderen gedurende verschillende uren voor een groot gedeelte van de aarde. Ook positionering (via GPS) of communicatie met satellieten wordt hierdoor aangetast.
  • Geomagnetische stormen: door vervorming van het aardse magnetische veld kunnen stromen geïnduceerd worden. Elektriciteitscentrales en hoogspanningskabels raken hierdoor overbelast met grootschalige stroompannes als gevolg.
  • Straling: Een uitbarsting op de zon kan de hoeveelheid hoog-energetische deeltjes die onze richting uitgestuurd worden sterk verhogen. Dit kan gevaarlijk zijn voor zowel de mens als voor elektronische systemen in de ruimte en op aarde. De verhoogde straling brengt extra risico's mee voor piloten en vliegtuigpassagiers. Vooral astronauten moeten rekening houden met de tijdelijk verhoogde stralingsniveaus. Ook satellieten kunnen hierdoor beschadigd raken.

Een verstoring van de communicatie of de GPS systemen, of erger nog, het stuk gaan van een aantal communicatiesatellieten, of het uitvallen van een aantal elektriciteitscentrale blijft niet zonder gevolgen in onze hoogtechnologische maatschappij. De potentiële economische en maatschappelijke impact valt niet te onderschatten. Daarom is het ook heel belangrijk dat we enerzijds meer inzicht krijgen in de fysische processen die de CMEs veroorzaken en de mogelijke gevolgen ervan op aarde, en dat we anderzijds ook tijdig kunnen voorspellen wanneer en met welke sterkte een stroom van geladen deeltjes de aarde zal bereiken en wat de impact daarvan zal zijn. Het is immers beter te voorkomen dan te genezen. Eventjes ter bescherming de instrumenten van een satelliet afzetten bijvoorbeeld heeft minder gevolgen dan wanneer die instrumenten vernietigd zou worden.

Het voorspellen van ruimteweer

Voorspellen wanneer er een coronale massa-ejectie zal optreden, is alsnog onmogelijk. Niet alle fysische processen die optreden in de zon zijn al gekend, en bovendien kunnen we met de huidige technieken ook niet met voldoende resolutie (in tijd en ruimte) de zon observeren om een begintoestand te bepalen voor een voorspellend wiskundig model.

Het duurt echter gemiddeld een drietal dagen voor een CME de aarde bereikt en een magnetische storm veroorzaakt. Daarom kunnen we op een andere manier te werk gaan. Er zijn al behoorlijke wiskundige modellen die kunnen voorspellen hoe de deeltjesstroom zal voortbewegen in de interplanetaire ruimte. De zon wordt voordurend geobserveerd vanuit een aantal satellieten. Wanneer een CME gedecteerd wordt die in de richting van de aarde komt, kunnen we onze computers aanschakelen en met het wiskundige model voorspellen wanneer en met welke intensiteit de deeltjesstroom de aarde zal bereiken. Nu is de simulatie van een CME (en ruimteweer in het algemeen) niet vanzelfsprekend door de grootte van het simulatiedomein (de afstand van de zon tot de aarde bedraagt 150 miljoen kilometer). We willen immers op enkele uren een resultaat berekenen zodat er nog de nodige maatregelen getroffen kunnen worden. Met een PC lukt dat zelfs met de modernste simulatietechnieken niet. Supercomputers zijn absoluut noodzakelijk om bruikbare voorspellingen te kunnen maken. De simulatie van ruimteweer is ook de drijvende toepassing voor het Flanders ExaScience Lab, een samenwerkingsproject tussen Intel, IMEC en de vijf Vlaamse universiteiten opgezet in 2010. In dit lab worden softwaretechnologieën ontwikkeld voor toekomstige computers die nog 1000 keer krachtiger zijn dan de snelste computers anno 2010.

Verwant onderzoek

In de astrofysica spelen magnetohydrodynamische processen niet alleen een rol bij CMEs. Andere fenomenen waarbij dezelfde fysische plasmaprocessen optreden zijn de vorming van jonge sterren en allerhande zeer hoge-energieprocessen zoals pulsarwindnevels, kernen van actieve sterrenstelsels, microquasar dynamica en uitbarstingen van gamma-straling.

Plasma's (geioniseerde gassen) hebben echter ook op aarde toepassingen. Al lange tijd hoopt men dat kernfusie de energie van de toekomst zal worden. De meest waarschijnlijke technologie om dit te verwezenlijken is de tokamak, een torusvormig apparaat waarin een plasma opgesloten en verhit wordt door magneetvelden. Dezelfde wiskundige modellen die de zonnewind beschrijven, spelen ook hier een rol. In het supercomputercentrum van Jülich werd in 2009 een supercomputer van 100 TFlop in gebruik genomen voor de simulatie van de plasmastromen in de ITER-reactor die in aanbouw is in Frankrijk.

Ook in de industrie wordt er al gebruik gemaakt van plasmatechnologieën, bijvoorbeeld bij allerhande oppervlaktebehandelingen van materialen. Grootschalige numerieke simulaties spelen ook bij de ontwikkeling en verdere verfijning van deze technologieën een belangrijke rol.

Links

Met dank aan...

Deze pagina kwam tot stand met de hulp van het KU Leuven Centre for mathematical Plasma-Astrophysics [http://wis.kuleuven.be/CmPA].