We gaan waarschijnlijk een kleine ijstijd tegemoet, zo voorspellen Amerikaanse astronomen. Toch neemt de activiteit van de zon de afgelopen maanden eindelijk toe. Dat lijken echter de laatste spartelingen voordat de zon voor de rest van deze eeuw in een kalme, rustige sluimer verkeert.
Dat de zon mogelijk aan de vooravond staat van een lange rustperiode was groot nieuws in sommige Engelstalige media, maar de afgelopen jaren was er al eerder aan de bel getrokken. De Nederlandse astronoom prof dr Kees de Jager verkondigt al enkele jaren dat we de komende eeuw veel meer Elfstedentochten kunnen verwachten omdat de regelmatige opeenvolging van cycli van zonnevlekken wordt doorbroken.
‘Niets nieuws onder de zon’, zo reageert De Jager naar aanleiding van de voorspelling van Amerikaanse astronomen dat de zon het de komende decennia rustig aan gaat doen. De negentigjarige astronoom publiceerde de afgelopen jaren diverse wetenschappelijke artikelen waarin hij wijst op een lange periode met weinig zonneactiviteit en mogelijk een kleine ijstijd.
Is het aardse magneetveld de weg kwijt?
Volgens sommigen kan het aardmagneetveld elk moment omkeren. Is er reden tot zorg?
Tot voor kort maakten veel astronomen zich vooral zorgen over het lange uitblijven van zonnecyclus nummer 24. Langzaam komt die de laatste maanden eindelijk op gang. We hebben dit jaar al enkele uitbarstingen van zonnevlammen meegemaakt die mogelijk gevolgen voor de radiocommunicatie konden hebben. Ondertussen kijken wetenschappers naar de eerste tekenen van de daaropvolgende zonnecyclus, aan de polen van de zon. Misschien blijft cyclus 25 echter uit en gaan we een periode zonder zonnevlekken tegemoet.
Voorzichtig verwijzen enkele Amerikaanse deskundigen al naar de periode van 1645 tot 1715, het Maunderminimum. Die kenden we in Europa als een Kleine IJstijd. Zo’n ijstijd heeft natuurlijk gevolgen voor de klimaatsvoorspellingen van het IPCC. Als er al sprake is van opwarming van de aarde door uitstoot van broeikasgassen, dan zal een koelere periode maatregelen ter beperking van de CO2-uitstoot minder urgent maken. En wat er gebeurt als de zon zich weer herstelt, is giswerk.
Gong
In juni presenteerden de Amerikaanse astronomen hun interpretaties van meetresultaten van de National Solar Observatory en van de onderzoeksafdeling van de luchtmacht. Aanwijzingen voor een koelere zon halen ze uit diepgaande studies van drie facetten, namelijk de inwendige zon, de zonnevlekken en de corona.
Allereerst is er het onderzoek naar het binnenste van de zon. Frank Hill en zijn collega’s berekenen uit de gemeten trillingen van de zon de interne structuur van de ster. Het zijn net geluidstrillingen, en de zes meetstations die de trillingen vaststellen vormen dan ook een project met het toepasselijke acroniem GONG (Global Oscillation Network Group).
Ze meten onder bandvormige stromingen in de zonneatmosfeer die als een wind van oost naar west waaien. Deze beginnen op gematigde breedten en verplaatsen zich dan richting evenaar. De breedte waar deze stromingen zich bevinden, komt overeen met de vorming van nieuwe zonnevlekken in een zonnecyclus. Eerder konden ze uit dergelijke metingen de verlate start van zonnecyclus 24 voorspellen. Van de zonale stroom voor cyclus 25 zien ze tot nog toe geen spoor. Dat kan dus nog wel duren tot 2021 of 2022, voorspelt Hill, of deze cyclus blijft helemaal achterwege.
De zon in zichtbaar licht bij het minimum in 2006 (links) en het maximum in 2001 (rechts).
Matt Penn en William Livingston hebben de afgelopen jaren de veldsterkte van zonnevlekken gemeten. Binnenin de actieve zon snoeren magnetische lussen zich af en bewegen naar het oppervlak. Ze vormen daar magnetische slurven vanuit het binnenste van de zon en voorkomen aan het oppervlak dat afgekoeld plasma terugzinkt. Ze veroorzaken zo een van de vele verschijnselen die astronomen sinds Galilei hebben opgetekend zoals met name zonnevlekken – doordat het sterke magneetveld de convectie ter plaatse tegenhoudt en er een lokale koele zone ontstaat van slechts 4000°C – als ook zonnevlammen en de krachtige coronale massa-uitstotingen.
Penn en Livingstone zien de sterkte van het magneetveld in die magneetlussen dalen, en daaruit leiden ze af dat als het tot een cyclus 25 komt. De magnetische velden zullen zo zwak zijn dat er niet of nauwelijks zonnevlekken kunnen ontstaan. Bij een normale zonnevlek is er een veldsterkte van 2500 tot 3500 gauss. Voor een zonnevlek is er minimaal een veldsterkte van 1500 gauss nodig. Penn en Livingston zagen tijdens de cycli 23 en 24 de gemiddelde veldsterkte dalen met 50 gauss per jaar. Ze voorspellen dat het niet lang meer duurt voordat de magneetvelden zo zwak zijn dat ze de convectiekrachten aan het zonneoppervlak niet meer kunnen overwinnen.
Richard Altrock, werkzaam bij de Amerikaanse luchtmacht, bestudeerde een derde facet, de corona van de zon. Dat is de stralenkrans, die we pas kunnen zien als we het zonsoppervlak afschermen of de maan voor de zon schuift bij een zonsverduistering. In die corona zijn allerlei structuren herkenbaar. Die coronale structuren ontstaan door krachtige, robuuste magnetische velden die zijn verankerd in de zonnekern, legt hij uit. De veranderingen die wij in de corona zien weerspiegelen veranderingen in de dieper gelegen schillen van de zon. In 1999 zag hij de eerste sporen van zonnecyclus 24, die ontstonden op de zeventigste breedtegraad en zich dan naar de evenaar bewegen. Tot zijn verrassing verplaatsten die sporen zich maar liefst veertig procent trager dan normaal.
Voor zijn metingen gebruikt Altrock, in het plaatsje Sunspot in New Mexico, een fotometer die kijkt naar spectraallijnen van ijzerionen bij een temperatuur van twee miljoen graden Celsius. Het is in de corona veel heter dan aan het oppervlak van de zon, waar de temperatuur zo’n 6000°C bedraagt. Als zo’n nieuw magneetveld in de corona naar de evenaar beweegt, duwt het tegelijkertijd de restanten van de vorige cyclus naar de polen, tot een breedtegraad van 85. Bij cyclus 24 kan dit proces weleens achterwege blijven, denkt Altrock. Dan krijgen we in 2013 een zwak zonnemaximum, en niemand weet wat er vervolgens zal gebeuren. Alhoewel, als cyclus 24 zwak is, dan geldt dat waarschijnlijk ook voor cyclus 25. Oneven cycli volgen vaak de even cycli qua sterkte.
Propvol
Al eeuwen proberen fysici met metingen aan de zon verklaringen te vinden voor hoe de zon werkt. Galilei verbaasde zich al over de zonnevlekken die hij zag en diverse astronomen registreerden gebeurtenissen die zich met een bepaalde regelmaat voltrokken. Zo is er de elfjarige cyclus in de activiteit van de zonnevlekken, waarvan nummer 24 dus lang op zich liet wachten. Eigenlijk is er sprake van 22 jaar, als je in ogenschouw neemt dat elke elf jaar de polariteit van het magneetveld van de zon wisselt. Er zijn ook processen die op een langere tijdschaal plaatsvinden. Daarnaast zijn er cycli met een veel grotere periodiciteit, tot zelfs duizenden jaren.
In eerste instantie waren er enkel visuele waarnemingen van de zon, maar nu beschikken astronomen over een groot arsenaal aan meettechnieken, op aarde en aan boord van satellieten. Ze kunnen straling meten, bij diverse golflengten, en de sterkten van magneetvelden. Spectra vertellen welke ionen er voorkomen en zelfs trillingen van het zonsoppervlak zijn meetbaar. Tenslotte laat zonneactiviteit ook sporen na aan het aardoppervlak, van jaarringen tot variërende hoeveelheden aan radioactieve isotopen van elementen waaronder koolstof en stikstof.
Dynamo
De zon is meer dan een samengeklonterde bol vol waterstof en helium waarin kernfusie plaatsvindt. Allereerst bestaat de zon uit diverse onderdelen, namelijk de kern, de stralingszone, de convectiezone, de zichtbare fotosfeer en daarbuiten de corona. De zon roteert, maar de snelheid van rotatie varieert naar gelang breedtegraad en diepte. Neem daarbij het gegeven dat de zon propvol geladen deeltjes zit, en dan komen daar elektromagnetische krachten bij. Bovendien is er sprake van energieproductie binnenin en energieverlies aan de buitenzijde, waardoor er sprake is van opwarming en afkoeling, en er dus transport van energie en materie plaatsvindt. Opwarmend materiaal zet uit, welt op en zinkt, na afkoelen, van het oppervlak weer terug naar het binnenste.
De zon is als een dynamo, maar met al die processen die plaatsvinden wel een chaotische, die continu aanwakkert en dan weer afremt. De nu gangbare hypothese is dat de magneetvelden ontstaan tussen de stralingszone en de convectiezone, op een diepte van zo’n 200.000 kilometer. Daar ontstaan, dankzij de vele geladen deeltjes in het plasma, sterke elektrische stromen met bijbehorende sterke magneetvelden. Sommige magneetvelden zijn ringvormig. Door de draaiing van de schillen kunnen veldlijnen zich daartussen als om een klos opwikkelen.
De hoeveelheid zonlicht die de aarde treft, varieert naar gelang de afstand tot de zon. De activiteit van de zon heeft echter ook invloed. De hoeveelheid energie die de zon uitstraalt, is door dat chaotische gedrag niet constant. De laatste decennia schommelde de stralingsintensiteit van 1361 tot 1366 watt per vierkante meter, met topwaarden als het aantal zonnevlekken het hoogst was.
Wintertaferelen
De Jager en zijn Argentijnse collega Silvia Duhau hebben uit eeuwenlange waarnemingen geprobeerd het chaotische gedrag van de zonnedynamo te beschrijven. Veel periodieke processen volgen uit de tellingen van zonnevlekken. Die periodiciteit is niet tegenstrijdig met het chaotische karakter – de duur van cycli en van de langduriger minima en maxima varieert. Een eeuwenlange registratie van zonnevlekken laat duidelijk een gat zien in de 17e eeuw, de Kleine IJstijd waarin schilders prachtige wintertaferelen konden vastleggen, ofwel het Maunderminimum. Er schaatsten zelfs mensen op de Thames. Er waren toen nauwelijks zonnevlekken zichtbaar. De afgelopen eeuw hebben astronomen daarentegen een verhoogde activiteit van de zon vastgesteld, een maximum.
Daaraan komt nu een einde, denkt De Jager. Hij voorspelde vorig jaar dat we opnieuw zo’n kleine ijstijd kunnen verwachten, en die duurt dan wellicht tot het jaar 2100. De recente presentaties van de Amerikaanse wetenschappers bevestigen nu deze voorspelling. In feite, geeft De Jager aan, kun je de coronametingen van Altrock vergelijken met de metingen aan het polaire magneetveld van de zon, waaruit hij met Duhau afleidt dat we een minimum tegemoet gaan.
De analyses van koolstof-14 in sedimenten en hout en het aantal zonnevlekken laten zien dat ongeveer elke tweehonderd jaar de zon een rustperiode kent. De Kleine IJstijd was zo’n periode, maar ook rond 1050, 1250, 1450 en 1850 kunnen rustigere perioden worden herkend. De afgelopen eeuw was de zon onmiskenbaar zeer actief in dezelfde analyse. Mochten de wetenschappelijke interpretaties van het gedrag van de zon door De Jager, Kuhau en hun Amerikaanse collega’s kloppen, dan zien we de komende decennia een inactieve zon, een geringere intensiteit van de zonnestraling en wellicht meer Elfstedentochten.