DE ZON (3) HELIOSEISMOLOGIE

Transcriptie

1 DE ZON (3) Dit is alweer een derde artikel over de zon terwijl ik dacht met één te kunnen volstaan, maar zo ging het zo vaak. In '86 werd ik (nog amper bekend met 'VESTA') door een oud leerlinge, Wietske Bosschieter (dochter van bestuurslid Jan), gevraagd een artikeltje voor VESTA te schrijven over het ontstaan van het heelal. Dit werden er tien (tezamen de serie 'ruimte en tijd' genoemd). Een ander artikeltje over Einstein, met zijn speciale en algemene relativiteitstheorie, werden er zelfs 12! Uit de stroom kranten en tijdschriften artikelen die daarna over deze onderwerpen (Big Bang en Einstein) verschenen, bleek wel het belang hiervan. Echter, niets voor ons mens is belangrijker dan de zon! Zouden we zonder Big Bang en Einstein nog wel kunnen leven, zonder onze zon is dat volslagen ondenkbaar, dus dat dit onderwerp eens even 'in het zonnetje' gezet wordt is verdedigbaar. Het 1e artikel ging voornamelijk over de opbouw van de zon, begrippen als zonnevlekken en zonnewind en.. over de (toen) a.s. zonsverduistering (op 11/8/99). Het 2e artikel handelde over de oorzaak van de zonnevlekken (magnetisme!) en de omgeving rond de zon (heliosfeer), verkend door de 'Ulyssus.' Ook de satelliet Cluster zou zonsonderzoek doen, doch direct na zijn start (juni '96) verging deze jammerlijk. Een nieuwe loot aan het onderzoek van de zon is de: HELIOSEISMOLOGIE Al in 1950 werd de mogelijkheid van (materie)trillingen in de zon en aan de oppervlakte daarvan geopperd. Geluid is niet anders dan voortplanting van materietrillingen binnen bepaalde frequenties (30- tot 1000 Hz). Daar materietrillingen zich uiteraard niet in vacuüm kunnen voortplanten zijn ze op aarde dan ook niet waarneembaar. In 1960 is (door Leighton op de Mount Wilson) een 'trilling' van het zonsoppervlak gemeten met een periode van vijf minuten m.b.v. dopplerverschuiving van spectraallijnen: stukjes zonsoppervlak (± 3500 vierkante km) vertoonden een op- en neergaande beweging met een amplitude van ± 30 km. Aan het oppervlak vertonen zich warrige zigzagpatronen die, t.g.v. interferentie, met een snelheid van 50- tot 100 km/s langs het zonsoppervlak bewegen. Pas na 10 jaar bleek uit een computerprogramma dat in de zon eigentrillingen moeten ontstaan, miljoenen staande trillingen elk in een eigen trilholte, beginnend ergens in de zon en aan het oppervlak 'open' eindigend. Dit is te vergelijken met een orgelpijp waarin de luchttrillingen, t.g.v. interferentie, staande golven veroorzaken met een knoop onderin en een buik aan het open uiteinde. Al deze miljoenen eigentrillingen interfereren met elkaar (versterkingen en uitdovingen) met een resulterende amplitudo van ±30 km (overeenkomen met het statisch gemiddelde: wortel uit aantal trillingen maal gemiddelde amplitudo.) Na dit inzicht (5 minutentrilling als interferentiepatroon van miljoenen eigentrillingen) was de helioseismologie geboren en daarmee de jongste tak van zonsonderzoek. Deze seismologie levert belangrijke informatie op over temperatuur en rotatiesnelheid door de gehele zon. De uitleg hiervan is nogal ingewikkeld. Voor de liefhebber wordt in onderstaand intermezzo een klein tipje van de sluier opgelicht.

2 Intermezzo I: Met behulp van de z.g. Fourieranalyse (een wiskundige methode waarvan de uitleg hier te ver gaat) kan men uit de totaaltrilling de afzonderlijke eigentrillingen bepalen. Bij elke eigentrilling behoort een specifieke trilholte. De golfpatronen worden bepaald door de gehele getallen n (= het aantal knopen) en l (=het aantal golven rondom de zon). Hoe groter het golvend oppervlak, hoe kleiner l, hoe dieper steekt de inwendige 'orgelpijp'. Net zoals bij de orgelpijp slaat n op de grondtoon. Het totale patroon bestaat uit grondtoon èn boventonen. De vergelijking met de orgelpijp gaat dus ver. Figuur 1. Golfpatroon langs oppervlak en in de zon. NB Er zijn dus zowel golven langs het oppervlak in samenhang met golven loodrecht op het oppervlak beginnend, maar daarna omgebogen door inwaartse temperatuurstijging. Aan de oppervlakte en in het inwendige van de zon worden de golven gereflecteerd en interfereren met elkaar tot staande golven, elk met hun interferentiepatroon. Ook de golven langs het oppervlak zijn door interferentie tot staande golven geworden. De voornaamste parameters van de trilholten, diepte en rotatiesnelheid, kunnen dus (indirect) bepaald worden uit meting van frequenties van de trilholten. Zo is het dus mogelijk om zowel temperatuur als rotatiesnelheid door de gehele zon nauwkeurig te peilen. Het temperatuurverloop was in overeenstemming met de verwachting dus de bestaande theorieën daarover bleken te kloppen. Een uitwendige differentiële rotatie was al veel eerder (m.b.v. zonnevlekken) waargenomen: een aswenteling bij de polen in 36 en aan de evenaar in 25 dagen, maar nu bleek ook een inwendige differentiële rotatie: Binnen in de zon is er (voor 2/3 deel als een vast lichaam) een aswenteling van 27 dagen. Er zijn twee verschillende meetprincipes: I. Meting van de verticale golfsnelheid van het oppervlak m.b.v. het dopplereffect (spectrale lijnverschuiving). II. Meting van de door de golven veroorzaakte verandering in de intensiteit van de uitgezonden straling. Het zal een ieder hopenlijk duidelijk zijn dat de te meten verschillen (in spectrale frequentie en intensiteit) uiterst miniem zijn, en dus een zeer gevoelige apparatuur vereisen met een nauwkeurigheid van 1 op 10 miljoen! Voor de liefhebber weer een korte toelichting in:

3 Intermezzo II Er zijn twee verschillende nieuwe technieken voor zeer nauwkeurige dopplermeting: I. Resonantiecellen waarin kalium- of natriumgas met daaromheen een sterke magneet. Toegevoerd zonlicht wordt geabsorbeerd. Door de magneet ontstaat Zeemansplitsing. II. Stabiliteit: 1 op honderdmiljard In een Michelson-interferometer wordt zonlicht gemengd met een spectraallijn van laserlicht. T.g.v. dopplerverschuiving van de spectraallijn verandert de intensiteitszweving in fase welke zeer nauwkeurig gemeten kan worden. In de helioseismologie worden niet alleen zeer hoge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid van de meetapparatuur, daarbij is er ook nog de eis van (zeer) lange meetduur (een dag met ruim 12 zonne-uren is nog veel te kort!). Nu zijn er drie principes voor het verkrijgen van een zeer lange meetduur (vele dagen achtereen) : I. De Antarctica waar de zomers (in onze winter dus) de zon voorlopig niet ondergaat. De atmosfeer is stabiel met weinig waterdamp en meer dan 100 uren zonneschijn achtereen is heel normaal. Op de Scott-Amundsenbasis wordt daar al jaren helioseismologie bedreven. II. Een netwerk van telescopen waar de zon altijd wel in één telescoop waarneembaar is. Er zijn Franse en Engelse netwerken in bedrijf en de VS hebben het netwerk GONG (= Global Oscillation Network Groep). Bij het GONG project worden radiogolven de zon ingestuurd om na terugkaatsing, ergens in het onzichtbare inwendige van de zon, door GONG weer te worden opgevangen. Hiermee verkrijgen we meer informatie over de temperatuurverdeling in de zon, de convectiestromen en het daarmee samenhangend zonne-mechanisme. III. Een ruimtetelescoop. Dit werd de SOHO (Solar and Heliosferic Observatory) waaraan in onderstaand artikeltje ruime aandacht wordt besteed.

4 SOHO In 1993 werd besloten tot een zonneproject, bestaande uit de lanceringen in '95 van Cluster (zie boven) en SOHO die tussen zon en aarde in het punt (L1, z.g. Lagrangepunt) gebracht wordt, waar zwaartekracht van zon en aarde met elkaar in evenwicht zijn zodat continu waarnemingen van trillingen aan het zonsoppervlak verricht kunnen worden. NB Zon - L1 en aarde blijven dus steeds op één rechte lijn te liggen. De ESA (Europese ruimtevaartorganisatie) heeft de satellieten gebouwd, de NASA (USA) verleent volledige medewerking. De SOHO heeft een groot aantal instrumenten met diverse onderzoeksdoelen/instrumenten aan boord NB Tussen [.. ] staan de namen van de betreffende instrumenten: 1) Eén die oscillaties van de gehele zon registreert. Deze levert meer kennis over de dieper gelegen structuur van de zon. Dit betreft dus de helioseismologie [Golf] 2) Een ander instrument registreert apart miljoenen beeldpunten. Hieruit hoopt men meer inzicht te verkrijgen over de opwekking van het uitwendig magnetisch veld [MDI]. NB Deze beide waarnemingen zijn aanvullingen op GONG (zie figuur 2). 3) Bij een derde (Zwitsers) experiment worden de trillingen aan de hand van helderheidsvariaties gedetecteerd. 4) Eén die kortgolvige UV straling uit de koelere delen van de corona (zg coronale gaten) waarneemt. [UVCS] 5) Een zg coronograaf met de Lasco (Larde Angle Spectrometic Coronograph) en de EIT (Extreem UV Imaging Telescoop), ter detectie van zichtbaar coronalicht (bij zonsverduistering met blote oog waarneembaar!) tot een hoogte van 20 miljoen (!) km. 6) CDS bekijkt het spectrum van de corona. 7) Onderzoek naar de UV-gloed, (MBV EIT) afkomstig van waterstofionen in gehele zonnestelsel aanwezig, dat misschien antwoord geeft op de vraag: is de heliosfeer (VESTA 64 figuur 1 ) aan de (zons)polen afgeplat? 8) Summer meet ultraviolette straling. 9) Virgo meet elektromagnetische straling 10) Detectie geladen deeltjes van de zonnewind m.b.v. de CELIAS (Charge, Element and Isotope Analysis System). Hiermee zijn de zeldzame elementen als P, Cl, Ti en Mn aangetoond. 11) SWAN meet afwijkingen in de zonnewind. 12) Onderzoek naar energierijke deeltjes in schokgolven. [Costep en ERNE]. April '98 werd besloten om de satelliet nog tot 2003 actief te houden maar 25 juni '98 ging er iets mis! (zie onder). Resultaten SOHO. 2/12/1995 werd de SOHO gelanceerd en bereikte 2/2/96 het Lagrangepunt L1. Hieruit drijft ze echter wel langzaam weg, wat met tussenpozen door stuurraketjes wordt verholpen. 16/4/96 was SOHO geheel operationeel. 1) Op het AAAS-symposium te Seattle (maart '97) werden schitterende videobeelden (met Lasco en EIT gemaakt) vertoond: passage zon van de Boogschutter, verzwelging van een komeet en zonnevlammen (ondanks minimum nog wel één per dag). 2) Op een foto is een enorme CME (Coronal Masss Ejection) te zien welke 4 dagen later zelfs de communicatiesatelliet AA&T fataal werd. 3) Nieuwe ontdekkingen zijn o.a. straalstromen van heet plasma nabij de polen, die zich naar de evenaar bewegen.

5 4) Bewegende gordels (vergelijkbaar met onze passaatwinden), km breed, waarvan de beweging tot km onder het oppervlak doorgaat, van de evenaar vandaan bewegend, met aan de randen vorming van zonnevlekken. 5) Jan '97 bevond Jupiter zich (t.o.v. Aarde SOHO) achter de zon. Radiosignalen van Gallileo (draaiend rond Jupiter) bereikten nu SOHO na passage door de corona waarbij signaal-vervorming plaats vindt afhankelijk van de snelheid van de zonnewind. Uit metingen bleek dat de langzame zonnewind afkomstig is van streamers (in de corona) en de snelle wind door het gehele oppervlak wordt uitgezonden (en niet alleen door poolgebieden zoals oorspronkelijk werd gedacht). 6) Febr. '98 zijn in het UV zeer hete plekken op het zonsoppervlak ontdekt met een duur van enkele tientallen minuten en een temperatuur van soms miljoen graden, op plaatsen waar gasstromen elkaar ontmoeten en het magnetisch veld het gas samenperst. Of deze hete plekken verantwoordelijk zijn voor opwarming van de corona is nog niet geheel duidelijk. 7) Gigantische tornado's met snelheden van 15 tot 150 km/s, duizend maal sterker dan op aarde, vermoedelijk bijdragend aan de zonnewind. 8) Verhitting van de corona is het gevolg van het ineenstorten van magnetische veldlijnen met als gevolg duizenden explosies per dag. 9) Versnelling van zuurstofatomen in coronale gaten waaruit de snelle zonnewind ontstaat. De snelle wind is het gevolg van explosies op de zon. gevolgd door massa uitstotingen. 10) Ontdekking in de zonnewind van veel chemische elementen in verschillende ionisatiegraden. 11) Waarneming van sterkte en richting deeltjes in de heliosfeer, afkomstig uit de interstellaire ruimte (vnl H en He) waaruit precies afgeleid kan worden in welke richting de zon (met zijn planeten beweegt: 16h36m in rechte klimming en ' in declinatie, dit is het grensgebied van Ophiuchus en Schorpioen. 12) Een deel van de interstellaire deeltjes wordt door de zonnewind geïoniseerd, teruggebogen naar de heliopauze en door de schokgolf aldaar weer terug naar het binnen gebied van het zonnestelsel geleid. Deze deeltjes vormen de z.g. anomale kosmische straling. 13) Als gevolg van een zonnevlam zijn seismische schokgolven ontstaan welke waarneming een theorie hierover opgesteld bevestigde. 14) Op 7 april en 2 mei waren er enorme explosies gevolgd door een zonnevlam en een CME: een stroom geladen deeltjes vertrok richting aarde (700 km/s). 11 april werd prachtig poollicht waargenomen en 4 mei waren er storingen in elektrische centrales (USA). Problemen met de SOHO. 25 juni '98 ging er iets mis: bij een onderhoudsbeurt werd per ongeluk een gyroscoop uitgeschakeld waardoor het contact verloren ging. Naarstig werd aan dit probleem gesleuteld (kosten 1 à 2 miljoen dollar, wat weinig is t.o.v. de kosten voor vervanging: 1 miljard). 16 sept. was SOHO weer onder controle: van de 12 instrumenten werkten er 4 weer, 5 werden ingezet, de laatste 3 na enige weken. Maar.. daarna raakten gyroscopen wéér buiten bedrijf. Zou dit het einde van de SOHO zijn?

6 21 dec '98 werd SOHO in een 'safe mode' tot rust gebracht. Dankzij verwoede pogingen werd SOHO begin febr. weer aan het werk gezet zonder gebruik van de defecte gyroscopen! Daarna zijn er weer nieuwe resultaten te melden: 15) 13 en 19 april '99 zijn zonscherende kometen ontdekt. 16) Met behulp van de SWAN (Solar Wind ANisotropics) waarmee de SOHO een UVbeeld van de gehele hemel maakt, zijn projecties van zonnevlekken aan de achterkant van de zon waargenomen evenals de schaduw van de staart van de komeet Hale-Bopp (juni'99). Hierboven is dus een indrukwekkend aantal nieuwe 'ontdekkingen',door de SOHO gedaan, opgesomd. We zijn benieuwd naar de resultaten van de komende 3 jaren! Invloed van de zon op klimaat(verschillen) en het weer. Dat dag en nacht, jaargetijden, klimaatzones etc. door onze zon veroorzaakt worden, is genoegzaam bekend, maar hoe zit het met het wisselend weer, geleidelijke opwarming van onze aardatmosfeer (0,6 graad over de afgelopen eeuw), verplaatsing van hoge en lage drukgebieden etc. etc.? Heeft onze zon daar al of géén invloed op? Een belangrijk zonsgegeven is uiteraard de z.g. 'zonneconstante'. Dit is de hoeveelheid stralingsenergie door de zon uitgezonden en op aarde ontvangen: 1,366 W/m 2. Daar de invloed (absorptie) van de atmosfeer geëlimineerd moet worden, was nauwkeurige meting pas mogelijk met behulp van satellieten. [Dit was o.a. de SMM = Solar Maximum Mission, in '80 gelanceerd, doch al weer in '89 t.g.v. wrijving in de atmosfeer verbrand]. Deze 'constante' bleek toch geringe variaties (tot 0,1%) te vertonen, die samenhingen met de variatie in het 'zonnevlekkengetal' die een ongeveer 11 jarige cyclus (variërend tussen 9 en 13 jaar) vertoont. figuur 3: variatie in zonnevlekkengetal Het laatste maximum was in '89, dus het nieuwe maximum wordt dit jaar verwacht. [Over aard en oorzaak van de zonnevlekken, zie de afleveringen zon (1) en zon (2) in resp. VESTA 63 en 64]. Men zou verwachten: meer zonnevlekken, minder straling dus een lagere zonneconstante. De werkelijkheid bleek juist andersom! De afname van straling uit de donkere delen wordt ruimschoots gecompenseerd door een toename van de (niet zichtbare) UV straling en de begeleidende 'fakkels (faculae).

7 Berekeningen leerden: een variatie van 1% in de zonneconstante heeft -wereldwijd- een temperatuurverandering van 1 graad tot gevolg. Daar de enorme warmteopslag van de oceanen een buffer vormt loopt de temperatuurverandering wel op achter. Er is echter wel een duidelijke samenhang tussen zeewatertemperatuur en zonnevlekkengetal aangetoond, zie figuur 4 figuur 4 Invloed van de zon op zeewatertemperatuur Er is echter nog een factor van belang: de zonsdiameter. Is deze wel zo constant? In '95 heeft men ontdekt dat de zonsdiameter precies in fase varieert met de 11-jarige cyclus! Deze variatie zou 20% bijdragen aan de variatie van de zonneconstante. Overigens is meting van de zonsdiameter bepaald geen eenvoudige zaak. Zo bleek uit helioseismologische waarnemingen de zonsdiameter 210 km (=0,03%) kleiner. Overigens, waar leggen we de grens, de zon is tenslotte geen vast lichaam. Met de hierboven bedoelde diameter bedoelt men die in zichtbaar licht. Bestuderen we de zon in het 6 millimeter gebied, dan blijkt de grens km boven die van het zichtbare gebied te liggen. We spreken hier van de microgolfdiameter die óók blijkt te fluctueren in fase met de 11-jarige zonnevlekken cyclus. Deze fluctuatie is vele malen groter dan die van de optische diameter en bedraagt ongeveer km (= 1%) doch heeft geen invloed op de zonneconstante. Dat de temperatuur wereldwijd stijgt is een keihard gegeven. Zo hebben gletsjertongen in de Alpen in de laatste honderd jaar zich honderden meters teruggetrokken en dit effect is aan de polen ook duidelijk zichtbaar. Zorgelijk is e.e.a. wel. Als al het ijs (op de polen en Groenland) zou smelten dan stijgen de oceanen zeker 6 meter! Het broeikaseffect (stijging temperatuur door toename van het kooldioxydegehalte in de lucht) wordt bij voortduring als de grote boosdoener aangewezen. Milieuconferenties op hoog politiek niveau hebben beslist dat alle landen de kooldioxyde uitstoot door energiecentrales op gas en olie moeten terugdringen. Daarom ook worden er straks in zee windenergiecentrales gebouwd! Maar de broeikas theorie is wetenschappelijk slecht onderbouwd. Het is helemaal nog niet zo zeker dat die kooldioxyde uitstoot zoveel invloed heeft. Tussen 1940 en 1970 was er zelfs sprake van een afkoeling, die absoluut niet in overeenstemming was met de theorie! Uit onderzoek van de Deense astronomen Christensen en Lassen bleek dat de zonnevlekkencyclus-periode in die periode was teruggelopen van 11,7 naar 9,7 jaar. Ze 'ontdekten' ook: korte cycli hebben veel vlekken. De heren, door nieuwsgierigheid (de bron der wetenschap!) gedreven, gingen met hun analyses terug tot 1750, dus nog voor de industriële revolutie en wat bleek: Alle klimaatschommelingen konden in verband gebracht worden met variaties in de zon! Dus zo groot is onze menselijke invloed op het weer dus helemaal niet.

8 Let wel, met variaties in de zon worden niet alleen de variaties in het zonnevlekkengetal bedoeld, ook heftige zonnevlammen en CME's (Coronale Massa Extincties) doen hun invloed gelden. Eén CME produceert meer energie (in een enkel uur) dan de gehele mensheid in miljard jaar zou verbruiken! Over zonne activiteit - met als hoofdmoot deze cyclus- en het weer zijn inmiddels al zo n 1000 artikelen verschenen, maar veel duidelijkheid verschaften deze niet, in tegendeel. Conclusies stonden vaak haaks op elkaar en de hierdoor veroorzaakte frustratie legde verder onderzoek enige tijd (tachtiger jaren) lam. Belangwekkend genoeg is een onderzoek van de stratosfeeronderzoekster Karin Labitzke en de Amerikaanse meteoroloog Harry van Loon. Ze vonden een duidelijk verband tussen de zonne activiteit (11-jarige cyclus), de wintertemperatuur en aantal depressies (in N-Amerika). Deze resultaten waren weer een impuls voor (geld voor) nieuw onderzoek. (zie figuur 5) figuur 6 zonnevlekken Zonnevlekken zijn koelere gebieden in de buitenste, turbulente laag van de zon. Het aantal varieert in een elfjarige cyclus. Deze vlekken zijn gefotografeerd tijdens het huidige maximum. figuur 5 zonne activiteit, wintertemperatuur en aantal depressies. Calder (ƒ 69,50). Een interessant boek over de invloed van de zon op het weer is 'De grillige zon, de onthullende waarheid over het broeikaseffect' van Nigel In het volgend VESTA nummer de laatste aflevering over de zon. Hierin zal o.m. de toepassing van zonne-energie behandeld worden. Jaap Kuyt