DE ZON (2) In het vorige VESTA nummer beloofde ik op de zon terug te komen, bij deze dus. Tja, 11 augustus is geweest. Bent U, ook zoals ik en met mij vele (honderd) duizenden Nederlanders, naar Frankrijk, Zuid Duitsland, Oostenrijk etc. afgereisd om het astronomisch spektakel te aanschouwen ? Die dag leek Noord Frankrijk bijna uitsluitend door onze landgenoten bevolkt te zijn ! Eerst op de camping, later in de velden, je zag niet anders. Zelf had ik pech en heb ik de echte eclips niet mogen waarnemen, hopenlijk had U meer succes. De eerstvolgende eclips die 'een beetje in de buurt' komt, is op 21 juni 2001 te zien in zuidelijk Afrika (Kenia). Tot daar dan ! Hieronder volgen nog wat uitgewerkte zonneonderwerpen. NB. het verdient aanbeveling om het vorig artikeltje over de zon nog eens na te lezen of er op na te slaan.
De zon in de oudheid. In onze vroegste beschaving, die der Egyptenaren, speelde de zon als de godheid Ra, al een zeer belangrijke rol. De naam Pharao is er dan ook van afgeleid. Ra's zoon Horus manifesteerde zich telkens in de regerende koning. In Newgrange (Ierland) bevindt zich een ganggraf, 5000 jaar geleden zo gegraven dat alleen op midwinter, bij zonsopgang, de gehele gang verlicht werd. In Delphi (Griekenland) bouwde men een tempel ter ere van Apollo, de god van de zon (èn schone kunsten), die veelvuldig werd geraadpleegd (orakel van Delphi). De Aztekenpriesters brachten 500 jaar (dus nog niet eens zo lang) geleden, op grote schaal mensenoffers op het altaar van Tenochtitlan (het tegenwoordige Mexicostad) daar ze geloofden dat de zonnegod een dieet van mensenharten van node had.
Magnetisme van de zon. Tal van zonsverschijnselen, zoals zonnevlekken, erupties (zonnevlammen), protuberansen, welke allen de zon zeer 'onrustig' maken, vinden hun oorsprong in het magnetisme van de zon. Zoals we weten: magnetisme wordt veroorzaakt door elektrische stromen. Het is verleidelijk om een vergelijking te maken met het aardmagnetisme dat simpel als een soort staafmagneet werkt: een N-pool en een Z-pool (waarvan de ligging enigszins wisselend is, dicht bij de geografische N- en Z-pool gelegen). Het zonnemagnetisme is echter ongelofelijk ingewikkeld èn wisselend. Zonnevlekken (en dus de oorzaak: magnetisme) vertonen een elfjarige cyclus. Niet alleen is er een periodieke verandering in intensiteit. Elke 11 jaar draait ook de richting van het magnetisme (net voor het zonnevlekken-maximum) om: N- wordt Z-pool (en andersom uiteraard). Helaas weten we van het magnetisme onder het zonneoppervlak maar bitter weinig. Kan de sterkte aan de oppervlakte (tijdelijk en plaatselijk) miljoenen malen sterker zijn dan van die op aarde, waarbij zonnevlammen gevormd kunnen worden, niemand weet of de sterkte diep in het binnenste van de zon zwakker- òf miljoenen malen sterker is (dan van de aarde). Overigens vertonen sterren die op de zon gelijken, overeenkomstige magnetische activiteitscycli (8 tot 12 jaar) en er is zelfs een ster waar de activiteit gestopt is, dus vergelijkbaar met het Maunderminimum (zie VESTA 63). De directe bepaling van de magnetische veldsterkte lukt slechts in het zeer dunne laagje van de fotosfeer (200 km dik). Het voortdurend lussenpatroon (zie VESTA 63) geeft aanleiding tot heldere punten in het röntgenlicht die geen voorkeur hebben voor bepaalde heliografische breedte. Ze komen ook op de polen voor. Van de totale magnetische flux is echter wel 95% aanwezig op breedtes beneden 45 graden. Magnetische velden zijn een vorm van (uiteraard magnetische) energie die gevormd wordt uit de kinetische energie van de convectiezone.
Gevolgen van het magnetisch veld. Behoudens granulatie (gevolg van borreling van het oppervlak) is elke waargenomen structuur in fotosfeer, chromosfeer en corona het gevolg van magnetische velden. Gebieden waarin een sterk magnetisch veld de opborreling van hete materie uit het binnenste van de zon onderdrukt, zijn uiteraard koeler en vormen de bekende zonnevlekken (temperatuur +/- 3000 K i.p.v. de normale 6000 K). In de corona zijn gebieden waarin de magnetische veldlijnen niet als lussen terugkeren maar uitwaaieren in de ruimte, hetgeen een verlies aan energie betekent. Ook hier treedt een temperatuurdaling op en worden de z.g. coronale gaten gevormd. In perioden met veel zonnevlekken zou men een lagere zonneconstante verwachten. Het verlies aan straling uit de 'donkere' vlekken wordt echter meer dan gecompenseerd door extra straling uit heldere gebieden. Zonnevlammen worden (waarschijnlijk) gevormd indien magnetische veldlijnen, die tegengesteld gericht zijn, elkaar heel dicht naderen. Er ontstaat dan een 'kortsluiting' (reconnectie) waarbij het magnetische energieverlies aanleiding geeft tot enorme energie uitbarstingen (zonnevlammen) vergelijkbaar met miljard waterstofbommen (!) hetgeen een sterke energiestraal (o.m. bestaande uit ionen), de z.g. zonnewind tot gevolg heeft. Is deze straal op de aarde gericht dan treden er na enkele dagen in onze aardatmosfeer ernstige verstoringen van het magnetisch en elektrisch veld op. Radioverkeer valt uit, satellieten worden onklaar en zelfs een kerncentrale is er ooit door uitgevallen ! Optredend poollicht is ook het gevolg van deze zonnewind. Deeltjes die aan de zonkant de magnetosfeer (zie figuur 1) binnendringen veroorzaken rode poollichtverschijnselen. Bij het meer bekende groene poollicht komen waarschijnlijk aan de andere kant, via de staart, deze deeltjes de magnetosfeer binnen. Zonnevlammen zijn zelden in zichtbaar licht waarneembaar (dus helaas niet tijdens een zonsverduistering) maar bevat wel veel röntgen en ook radiostraling. Zonnevlammen veroorzaken ook bewegingen van gasmassa's die soms met grote snelheid (2000 km/s) als 'sprays' uit het vlamgebied wegstromen. Protuberansen zijn er ook het gevolg van.
HELIOSFEER en de ULYSSES De heliosfeer is dat gedeelte van de ruimte waar de zon ten gevolge van het uitzenden van snelle (350 km/s) atomaire deeltjes, vnl waterstof- en heliumkernen en vrije elektronen (de z.g. zonnewind) zijn invloed doet gelden. De heliosfeer is te beschouwen als een enorme zak (waarvan de wand de heliopauze wordt genoemd), zich uitstrekkend tot ver buiten ons zonnestelsel (100 AE. NB afstand Pluto-zon = 40 AE). Daar de zon zich met een snelheid van +/- 25 km/s door de interstellaire ruimte beweegt, heeft de heliopauze een ellipsoïdale vorm. De heliopauze is ahw de grens van het gebied waar het diffuse gas in de ruimte de invloed van de zonnewind gaat overheersen. De Voyagers, die allang de grens van het planetenstelsel zijn gepasseerd, nemen de zonnewind nog steeds waar. (De Voyagers functioneren dus, 'tig' jaar na dato, nog steeds !)
Nu had men al jaren een vermoeden van het bestaan van de zonnewind. Zo is de staart van een komeet ten gevolge van deze wind altijd van de zon afgericht. In de jaren 60 is (uiteraard met behulp van ruimtevaartuigen) het bestaan van de wind bevestigd. Het belang van de zonnewind voor ons op aarde is reeds eerder beschreven. Ook voor de ruimtevaart is deze wind van eminent belang. Derhalve is naarstig onderzoek naar deze zonnewind verricht o.a. tussen '74 en '84 met behulp van de Duitse satelliet Helios-1. NB: Zelfs tijdens een eclips kunnen we iets van de zonnewind gewaar worden: bleke slierten, zichtbaar in de corona. In 1980 werd de Solar Max(imum Mission) in een baan om de aarde gebracht maar deze ging in november '89 zijn ondergang tegemoet. Alle ruimtevaartuigen bewogen in de buurt van het eclipticavlak van de zon: bij de start vanaf het aardoppervlak krijgen ze de draaisnelheid van de aarde om de zon (30 km/s) mee, ze worden dus steeds in het eclipticavlak afgeschoten. De heliosfeer buiten het eclipticavlak bleef derhalve een 'helio-incognita'. Om een ruimtevaartuig in een vlak, loodrecht op dit eclipticavlak - met de zon als
middelpunt- te laten 'vliegen' is zeer veel extra energie nodig voor de benodigde snelheidsverandering van 42 km/s, iets wat geen enkele raket momenteel kan presteren. Daar de mens (bijna) voor niets staat, heeft ze er iets op gevonden: het (sterke) gravitatieveld van de planeet Jupiter. Men laat de satelliet een scheervlucht maken langs Jupiter waarna ze weer verdwijnt de ruimte in, loodrecht (!) op zijn oorspronkelijke baanrichting met een snelheid van ... 126 km/s daarmee het snelste ruimtevaartuig ooit. Deze techniek wordt ook wel de swing-by techniek genoemd. De plannen voor deze spectaculaire operatie werden al in 1977 gemaakt. Na een periode vol pech, ook onenigheid en dus uitstel werd pas op 6 oktober 1990, vanuit het ruimteveer Discovery de ULYSSES gelanceerd met negen wetenschappelijke instrumenten aan boord zoals magnetometers (bepaling sterkte en richting magnetisch veld), een 72 m lange draadantenne (detectie radiogolven en radioruis, uitgezonden door zon en Jupiter), tellers voor geladen deeltjes (massa en snelheid) en 'gewone' deeltjes, en röntgendetectoren die zonnevlammen waarnamen, die schokgolven veroorzaakten welke door het ruimtevaartuig gevoeld werden. De energiebron is een op radioactiefverval werkende generator. 100 wetenschappers en vijftig instituten zijn bij al deze experimenten betrokken.
De naam Ulysses (synoniem voor Odysseus) is zo gekozen, omdat deze held uit Homerus (de Odyssee) een lange, omslachtige reis ondernam naar onbekend gebied, waar hij o.a. de klippen van Scylla en Charybdis passeerde, vastgebonden aan de mast, om aan de verlokkingen van deze dames te ontkomen (zie verder genoemde Odyssee). Noordelijke en zuidelijke zonnewindstromen dringen de equatoriale zone binnen en vormen gebieden met tegengestelde (magnetische) polariteit, gescheiden door een dun vlak in de vorm van een uitwaaierende rok, de zg ballerinarok. 31/6/95 passage van de N-pool van de zon
Tijdens de Jupiter-passage deed men waarneming aan botsing van de zonnewind met het magnetisch schild van de planeet. Na deze passage (2/2/92) nam de hoek met het equatorvlak ('evenaar') met 2 graden per maand toe en toen werd het spannend. De metingen ervoor (in het vlak) waren niet echt nieuw (Helios was ervoor al geweest). De wisseling van N- en Z-magnetisme (de ballerinarok) verdween) mei '93, op 30 zuiderbreedte), dus alleen zuiver Z- magnetisme werd nog ervaren. De zonnewind bestaat uit 2 delen, de zg 'langzame' (nog altijd 400 km/s), afkomstig uit de hete en turbulente corona en de snelle (700 km/s), afkomstig uit gebieden boven de coronale gaten en is in het algemeen constanter. Op 45 graden (dec '93) werd nog slechts de snelle wind gemeten. Dit was toch wel een verrassing: aangenomen werd dat de langzame wind, die we in het equatorvlak constant waarnemen de normale was en niet de snelle, die bij vlagen ontstond. Het tegendeel blijkt nu waar. In '94 werd het 'weer' wat rustiger en de zg Alfvèngolven (buigen veldlijnen af en helpen zonnewind voort te bewegen) konden waargenomen worden. Ook de chemische samenstelling van de wind werd iets anders, zwaardere elementen (C, N, O en Fe) kwamen minder voor. Niet alleen zonnewind, ook een interstellaire 'bries' werd waargenomen (met de bescheiden snelheid van 25 km/s waarmee ons planetenstelsel zich door het heelal beweegt):
De meeste 'gewone' elementen waren aanwezig zoals verwacht, alleen koolstof bleek opvallend schaars. Men vermoedt dat dit element verborgen zit in stofkorreltjes, die echter worden verzameld in een geavanceerde 'stofzak', die massa, snelheid en bewegingsrichting van de stofdeeltjes vaststelt. Ulysses onderzoekt ook de kosmische straling èn hun wisselwerking met de heliosfeer. Een gedeelte van de kosmische straling zal door de heliosfeer teruggekaatst worden, terug de interstellaire ruimte in zodat een zekere filtering plaats vindt. Dit effect is sterker naarmate de zon actiever is: tijdens een (zonnevlekken) minimum bereikt 20% meer kosmische straling de aarde. De verwachting dat de kosmische straling, verder van de 'evenaar' richting polen via de magnetische veldlijnen zou toenemen, kwam niet uit. Een reeds beproefde methode om de intensiteit van de kosmische straling in vroeger tijden te bepalen, is de meting van radioactieve C-14 in jaarringen van oud hout: meer straling, meer C-14. Resultaat: gedurende duizenden jaren bleek een cyclus van toe- en afname van +/- 200 jaar. Tijdens het Maunderminimum (kleine ijstijd !) was er een piek van C-14 ! Na het verlaten van de 'evenaar' werden ook schokgolven in de zonnewind waargenomen: deze ontstaan door het uitstoten van materie èn door botsing van snelle tegen langzame zonnewind. Ook werden enorme bellen plasma, afkomstig uit de corona, de zg coronale massa-uitstotingen (CME) waargenomen, die ook schokgolven veroorzaken. Verder verloop: 13 sept. '94 bereikte Ulysses zijn meest 'zuidelijke' punt, op 350 miljoen km van de zon (ruim 2 AE. NB Jupiter staat op ruim 5 AE van de zon), in februari '95 kruiste Ulysses de 'evenaar' (op 1,3 AE), 31 juli '95 werd de poolas gekruist. Het ligt in de bedoeling om, na een lange tocht naar de baan van Jupiter en weer terug, in 2000 weer de Zuid- en in 2001 weer de Noordpool (van de zon) te passeren. Interessant is dat de zon dan in die tijd in de periode van maximale activiteit zal zijn, in plaats van de minimale activiteit tijdens 1e passage. 17/4/98 vond de 2e passage langs Jupiter plaats en begon Ulysses zijn tweede baan rond de zon. De Z-poolpassage zal in 2000 plaats vinden, de evenaar zal in 2001 gepasseerd worden. De Ulysses beweegt met een heliocentrische snelheid van 9,2 km/s. Elke 2 dagen wordt de grote antenne op de aarde gericht ter uitwisseling van gegevens. Tot slot: men hoopt uit dit zonneonderzoek het antwoord te kunnen vinden op de vraag hoe de corona aan zijn hoge temperatuur komt. Dit is één van de meest fundamentele problemen in het zonneonderzoek.
CLUSTER De ESA (Europese ruimtevaartorganisatie) startte in '94 met een ambitieus zonneproject, bestaande uit twee satellieten SOHO en Cluster, de laatste zo genoemd omdat deze uit 4 identieke satellieten zou bestaan op de hoekpunten van een (denkbeeldige) tetraëder met een ribbe, variërend van 200 km, richting zon tot 20.000 km in de andere richting. Het was de bedoeling dat cluster de zonnewind en electrische en magnetische velden in de zg magnetosfeer zou onderzoeken. De magnetosfeer (zie figuur 1) is de ruimte rond de aarde waarin het aards magnetisch veld de 'overhand' heeft boven buitenaardse invloeden zoals de zonnewind, die deze magnetosfeer aan de zonzijde 'indrukt' tot een afstand van 10 aardstralen (=60.000 km). Aan de andere zijde heeft de magnetosfeer een vorm, gelijkend op een komeetstaart en strekt zich tot 1000 aardstralen uit. Deze asymetrische vorm is (uiteraard) het gevolg van de zonnewind. De lancering op 6 juni '96 met de gloednieuwe Ariane-5 raket (het was haar eerste missie) liep op een grandioze mislukking uit: door een scheve stand van uitlaten begon de raket te hellen zodat automatisch het vernietigingsmechanisme in werking werd gesteld. Maar -niet te lang- getreurd, het volgend jaar al werd een plan voor een nieuwe lancering opgesteld. Medio 2000 zal vanuit Baikonoer (Kazachstan) een nieuwe poging gewaagd worden.
Andere gelanceerde of nog te lanceren zonnesatellieten: TRACE 1/4/98 is vanaf de basis Vandenberg (Californië) de Transitional and Coronal Explorer TRACE gelanceerd met het doel het magnetisch veld op de grens van fotosfeer en corona te bestuderen. YOHKOH Dit is een Japanse röntgensatelliet voor het maken van röntgenbeelden van de zon. HESSI Juli 2000 wordt vanaf cape Canaveral met een Pegasusraket de HESSI (High Energie Solar Spectroscopic Imager) gelanceerd om zowel beelden als energiespectra in röntgen- en gammagebied op te nemen en zonnevlammen te observeren. In het volgend nummer zal o.m. uitgebreid aandacht besteed worden aan een nieuw onderzoeksterrein: de Helioseismologie en de satelliet SOHO. Jaap Kuyt
