Extrapolation of the Solar Coronal Magnetic Field by Means of an Optimization Method

Nicolas Wijsen
In deze scriptie wordt een methode bestudeerd om het magnetisch veld in de atmosfeer van de zon, i.e. de corona, te bepalen. Dit magnetisch veld veroorzaakt zonne-uitbarstingen die, wanneer ze gericht zijn naar de aarde, grote schade kunnen aanrichten aan onze sattelieten en andere technologie op aarde.

De Duistere Kant van de Zon

Op 13 maart 1989 doven plots alle lichten in de Canadese provincie Quebec. Meer dan negen uur lang zitten de zes miljoen inwoners zonder stroom. Vijftien jaar later, in oktober 2003, zorgt een plotse ontregeling van verschillende satellieten voor problemen in de luchtvaart. Op hetzelfde moment zet een stroomstoring in Zweden 50.000 mensen een uur lang zonder elektriciteit. Wat hebben deze schijnbaar ongerelateerde evenementen met elkaar te maken? Hoe worden ze veroorzaakt? En kunnen we ze voorkomen? Je leest het hier!

Een zonne-uitbarsting die een plasmawolk de ruimte in slingert.De zon is een gloeiend hete gasbol die ervoor zorgt dat oceanen niet bevriezen, dat planten groeien, en dat intelligent leven mogelijk is op aarde. Bovendien is de zon een bron van groene energie die een steeds grotere rol speelt in onze energievoorziening. Toch heeft de zon ook een ‘duister’ kantje. Enorme explosies aan het oppervlak van de zon katapulteren op regelmatige basis gigantische gaswolken de ruimte in. Deze zonne-uitbarstingen kunnen krachtiger zijn dan een miljard atoombommen die tegelijkertijd ontploffen!

Wanneer zo'n gaswolk (ook wel plasmawolk genoemd) de aarde treft, kan dit een hele resem problemen veroorzaken. Satellieten kunnen ontregeld worden en het leven van astronauten loopt gevaar. Bovendien interageren deze plasmawolken met het magnetisch veld van onze aarde. Wanneer dit gebeurt, kunnen elektrische stromen gecreëerd worden in elektriciteitsleidingen. Deze stromen kunnen ons elektriciteitsnet beschadigen, wat kan leiden tot een grootschalige stroomstoring, een zogenaamde ‘black-out’. Dit is wat in 1989 gebeurde in Canada en in 2003 in Zweden.

Hoewel de zonne-uitbarstingen van 1989 en 2003 groot waren, kunnen er op de zon nog veel grotere uitbarstingen plaatsvinden. Zo werd de aarde in 1859 getroffen door een uitbarsting die tientallen malen sterker was dan die van 1989. Omdat in 1859 elektriciteit nog niet alom tegenwoordig was in de maatschappij, ging deze zonne-uitbarsting voorbij zonder al te grote schade aan te richten. In onze huidige maatschappij zouden de gevolgen van zo'n uitbarsting echter catastrofaal zijn. Langdurige black-outs zouden miljoenen mensen zonder verlichting, drinkbaar water en verwarming zetten. Uitvallende verkeerslichten zouden leiden tot enorme verkeerschaos en vliegtuigen zouden zonder GPS blind moeten vliegen. Koelkasten zouden voedsel niet meer vers houden en ook bankautomaten zouden niet langer werken. Zelfs je toilet doorspoelen zou niet meer lukken...

Hoe kunnen we ons hiertegen beschermen? Zonne-uitbarstingen kunnen niet worden voorkomen, maar we kunnen wel proberen te voorspellen wanneer ze plaatsvinden. Als we daarin slagen, kunnen we tijdig gepaste voorzorgsmaatregelen nemen om de grootste schade te voorkomen. Wetenschappers trachten daarom al tientallen jaren een ruimteweerbericht te ontwikkelen dat waarschuwt voor zonne-uitbarstingen.

Het ontwikkelen van een betrouwbaar ruimteweerbericht is echter een zeer moeilijke taak. Eerst en vooral moet men begrijpen hoe zonne-uitbarstingen tot stand komen. Wetenschappers hebben ontdekt dat de drijfveer achter deze uitbarstingen het magnetisch veld van de zon is. De exacte mechanismen hierachter zijn echter nog onvoldoende begrepen, omdat we het ontstekingsmechanisme van zonne-uitbarstingen niet direct kunnen waarnemen. De explosies vinden namelijk plaats in de ijle atmosfeer van de zon, de zogenaamde corona, die zo ijl is dat het magnetisch veld er nauwelijks meetbaar is.

Magnetische kaart van de fotosfeer. Wit wijst  op een magnetische noordpool, terwijl zwart wijst  op een magnetische zuidpool.Satellieten kunnen daarentegen wel het magnetisch veld in kaart brengen aan het oppervlak van de zon, de zogenaamde fotosfeer. Aan de hand van zulke magnetische kaarten proberen wetenschappers het magnetisch veld van de corona te reconstrueren. Je kunt dit vergelijken met het bestuderen van de plattegrond van een stad om vervolgens te bepalen hoe de gebouwen in de stad er daadwerkelijk uitzien.

Afgelopen decennia hebben wetenschappers met wisselend succes verschillende computerprogramma's ontwikkeld die het magnetisch veld van de corona trachten te reconstrueren. Nu blijkt echter dat de verschillende programma's niet altijd dezelfde magnetische velden voorspellen. Vermits we het magnetisch veld van de corona niet rechtstreeks kunnen meten, is het moeilijk te bepalen welk programma het bij het rechte eind heeft. Tot op de dag van vandaag wordt er daarom veel aandacht besteed aan het optimaliseren van deze computerprogramma's.

Wetenschappers gebruiken deze programma's ook om beter het verband te begrijpen tussen magnetische velden en zonne-uitbarstingen. Uit studies is bijvoorbeeld gebleken dat zonne-uitbarstingen vaak ontstaan uit magnetische velden met een buisvormige structuur. Dit is een interessante vaststelling, vermits we dan zonne-uitbarstingen zouden kunnen voorspellen door de zon af te speuren naar zulke magnetische structuren.

Een UV-foto van een zonnevlam die plaatsvond op 25 juni 2015 (links) en de bijbehorende computersimulatie  van het magnetisch veld (rechts).Het is echter nog niet duidelijk of elke zonne-uitbarsting veroorzaakt wordt door zo'n buisvormig magnetisch veld. Anderzijds kun je je ook de vraag stellen of buisvormige magnetische velden altijd tot een uitbarsting leiden. En kunnen we uit de eigenschappen van het magnetisch veld bepalen hoe groot de uitbarsting zal zijn? Dit zijn slechts enkele van de vele vragen die nog beantwoord moeten worden vooraleer wetenschappers een betrouwbaar ruimteweerbericht kunnen ontwikkelen.

Het is niet geweten hoe vaak de aarde getroffen wordt door een extreem grote zonne-uitbarsting, zoals in 1859 het geval was. Over één zaak zijn wetenschappers het echter volledig met elkaar eens: het is niet zozeer de vraag of het zal gebeuren, maar wel wanneer het zal gebeuren. Zullen we op tijd in staat zijn om deze uitbarstingen te voorspellen? Of worden de doemscenario's realiteit? De tijd tikt...

Bibliografie

Altschuler, M. D. & Newkirk, G. 1969, SoPh, 9, 131

Aly, J. J. 1989, SoPh, 120, 19

Aly, J. J. & Seehafer, N. 1993, SoPh, 144, 243

Amari, T., Boulmezaoud, T. Z., & Aly, J. J. 2006, A&A, 446, 691

Amari, T., Boulmezaoud, T. Z., & Mikic, Z. 1999, A&A, 350, 1051

Aulanier, G., Török, T., Démoulin, P., & DeLuca, E. E. 2010, ApJ, 708, 314

Bineau, M. 1972, Comm. Pure Appl. Math, 25, 77

Bobra, M. G., van Ballegooijen, A. A., & DeLuca, E. E. 2008, ApJ, 672, 1209

Borrero, J. M., Tomczyk, S., Kubo, M., et al. 2011, SoPh, 273, 267

Boulmezaoud, T. Z. & Amari, T. 2000, ZaMP, 51, 942

Charbonneau, P. 2010, LRSP, 7

Chen, P. F. 2011, LRSP, 8

Chiu, Y. T. & Hilton, H. H. 1977, ApJ, 212, 873

Close, R., Parnell, C., Mackay, D., & Priest, E. 2002, SoPh, 212, 251

Committee On The Societal & Economic Impacts Of Severe Space Weather Events. 2008, Severe Space Weather Events–Understanding Societal and Economic Impacts: A Workshop Report, Tech. rep.

De Pontieu, B., Erdélyi, R., & James, S. P. 2004, Natur, 430, 536

de Pontieu, B., McIntosh, S., Hansteen, V. H., et al. 2007, PASJ, 59, S655

De Rosa, M. L., Schrijver, C. J., Barnes, G., et al. 2009, ApJ, 696, 1780

Dedner, A., Kemm, F., Kröner, D., et al. 2002, JCoPh, 175, 645

del Toro Iniesta, J. C. 2007, Introduction to Spectropolarimetry

Démoulin, P. & Aulanier, G. 2010, ApJ, 718, 1388

DeRosa, M. L., Wheatland, M. S., Leka, K. D., et al. 2015, ApJ, 811, 107

Elsworth, Y., Howe, R., Isaak, G. R., et al. 1995, Natur, 376, 669

Forbes, T. G. 2000, JGRA, 105, 23153

Gary, G. A. 2001, SoPh, 203, 71

Gilbert, H. R., Holzer, T. E., Low, B. C., & Burkepile, J. T. 2001, ApJ, 549, 1221

Gilchrist, S. A. & Wheatland, M. S. 2013, SoPh, 282, 283

Green, L. M. & Kliem, B. 2014, in IAU Symposium, Vol. 300, Nature of Prominences and their Role in

Space Weather, ed. B. Schmieder, J.-M. Malherbe, & S. T. Wu, 209–214

Green, L. M., Kliem, B., & Wallace, A. J. 2011, A&A, 526, A2

Hoeksema, J. T., Liu, Y., Hayashi, K., et al. 2014, SoPh, 289, 3483

Hood, A. W. & Priest, E. R. 1981, Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics, 17, 297

Hudson, H. S. 2000, ApJ, 531, L75

Hudson, H. S., Fisher, G. H., & Welsch, B. T. 2008, in Astronomical Society of the Pacific Conference

Series, Vol. 383, Subsurface and Atmospheric Influences on Solar Activity, ed. R. Howe, R. W. Komm,

K. S. Balasubramaniam, & G. J. D. Petrie, 221

Hughes, D. W., Rosner, R., & Weiss, N. O. 2007, The Solar Tachocline (Cambridge University Press)

Inhester, B. & Wiegelmann, T. 2006, SoPh, 235, 201

J.-P. Zahn (auth.), Jean-Pierre Rozelot, C. N. e. 2009, The Rotation of Sun and Stars, 1st edn., Lecture

Notes in Physics 765 (Springer-Verlag Berlin Heidelberg)

Jackson, J. D. 1975, Classical electrodynamics

Jiang, C. & Feng, X. 2014, SoPh, 289, 63

Khan, J. I., Fletcher, L., & Nitta, N. V. 2006, A&A, 453, 335

Kliem, B. & Török, T. 2006, PhRvL, 96, 255002

Kosovichev, A. G., Schou, J., Scherrer, P. H., et al. 1997, SoPh, 170, 43

Kramar, M., Inhester, B., & Solanki, S. K. 2006, A&A, 456, 665

Leka, K. D., Barnes, G., Crouch, A. D., et al. 2009, SoPh, 260, 83

Lin, H., Kuhn, J. R., & Coulter, R. 2004, ApJ, 613, L177

Liu, R., Liu, C., Török, T., Wang, Y., & Wang, H. 2012, ApJ, 757, 150

Liu, R. & Wang, H. 2010, ApJ, 714, L41

Liu, R., Wang, H., & Alexander, D. 2009, ApJ, 696, 121

Low, B. C. & Lou, Y. Q. 1990, ApJ, 352, 343

Mackay, D. H., Karpen, J. T., Ballester, J. L., Schmieder, B., & Aulanier, G. 2010, ssr, 151, 333

Malanushenko, A., Schrijver, C. J., DeRosa, M. L., & Wheatland, M. S. 2014, ApJ, 783, 102

Marsh, G. E. 1992, Phys. Rev. A, 45, 7520

Martin, S. F., Livi, S. H. B., & Wang, J. 1985, AuJournalPh, 38, 929

Metcalf, T. R., De Rosa, M. L., Schrijver, C. J., et al. 2008, SoPh, 247, 269

Metcalf, T. R., Jiao, L., McClymont, A. N., Canfield, R. C., & Uitenbroek, H. 1995, ApJ, 439, 474

Metcalf, T. R., Leka, K. D., Barnes, G., et al. 2006, SoPh, 237, 267

Morse, P. M. & Feshbach, H. 1953, Methods of theoretical physics

Nakagawa, Y. & Raadu, M. A. 1972, SoPh, 25, 127

Priest, E. 2014, Magnetohydrodynamics of the Sun, 1st edn. (Cambridge University Press)

Priest, E. & Forbes, T. 2006, Magnetic Reconnection: MHD Theory and Applications (Cambridge Uni-

versity Press)

Pulkkinen, T. 2007, LRSP, 4

Qiu, J., Hu, Q., Howard, T. A., & Yurchyshyn, V. B. 2007, ApJ, 659, 758

Robbrecht, E., Berghmans, D., & Van der Linden, R. A. M. 2009, ApJ, 691, 1222

Rosenthal, C. S., Bogdan, T. J., Carlsson, M., et al. 2002, ApJ, 564, 508

Sakurai, T. 1982, SoPh, 76, 301

Sandman, A. W., Aschwanden, M. J., Derosa, M. L., Wülser, J. P., & Alexander, D. 2009, SoPh, 259, 1

Schmidt, H. U. 1964, NASSP, 50, 107

Schrijver, C. J., De Rosa, M. L., Metcalf, T. R., et al. 2006, SoPh, 235, 161

Schrijver, C. J., De Rosa, M. L., Title, A. M., & Metcalf, T. R. 2005, ApJ, 628, 501

Schrijver, C. J., DeRosa, M. L., Metcalf, T., et al. 2008, ApJ, 675, 1637

Schrijver, C. J., Kauristie, K., Aylward, A. D., et al. 2015, AdSR, 55, 2745

Schwenn, R. 2006, LRSP, 3

Seehafer, N. 1978, SoPh, 58, 215

Semel, M. 1967, AnAp, 30, 513

Shafranov, V. D. 1963, JNuE, 5, 251

Shen, J., Zhou, T., Ji, H., et al. 2014, ApJ, 791, 83

Shibata, K. & Magara, T. 2011, LRSP, 8

Simões, P. J. A., Fletcher, L., Hudson, H. S., & Russell, A. J. B. 2013, ApJ, 777, 152

Singer, H., Heckman, G., & Hirman, J. 2013, Space Weather Forecasting: A Grand Challenge (American Geophysical Union), 23–29

Solanki, S. K. & Hammer, R. 2002, The solar atmosphere, ed. J. A. Bleeker, J. Geiss, & M. C. E. Huber

(Kluwer Academic Publishers), 1065

Spiegel, E. A. & Zahn, J.-P. 1992, A&A, 265, 106

Su, Y., van Ballegooijen, A., Lites, B. W., et al. 2009, ApJ, 691, 105

Sun, X., Hoeksema, J. T., Liu, Y., et al. 2012, ApJ, 748, 77

Teuber, D., Tandberg-Hanssen, E., & Hagyard, M. J. 1977, SoPh, 53, 97

Thalmann, J. K. & Wiegelmann, T. 2008, A&A, 484, 495

Titov, V. S. & Démoulin, P. 1999, A&A, 351, 707

Titov, V. S., Török, T., Mikic, Z., & Linker, J. A. 2014, ApJ, 790, 163

Török, T. & Kliem, B. 2004, PADEU, 14, 165

Török, T. & Kliem, B. 2005, ApJ, 630, L97

Török, T., Kliem, B., & Titov, V. S. 2004, A&A, 413, L27

Valori, G., Kliem, B., & Keppens, R. 2005, A&A, 433, 335

van Ballegooijen, A. A. & Martens, P. C. H. 1989, ApJ, 343, 971

Welsch, B. T., Fisher, G. H., & Sun, X. 2013, ApJ, 765, 98

Wheatland, M. S. 2007, SoPh, 245, 251

Wheatland, M. S., Sturrock, P. A., & Roumeliotis, G. 2000, ApJ, 540, 1150

Wiegelmann, T. 2004, SoPh, 219, 87

Wiegelmann, T. 2007, SoPh, 240, 227

Wiegelmann, T. & Inhester, B. 2003, SoPh, 214, 287

Wiegelmann, T., Inhester, B., & Sakurai, T. 2006, SoPh, 233, 215

Wiegelmann, T. & Neukirch, T. 2002, SoPh, 208, 233

Wiegelmann, T. & Neukirch, T. 2003, NPGeo, 10, 313

Wiegelmann, T. & Sakurai, T. 2012, LRSP, 9

Wiegelmann, T., Thalmann, J. K., & Solanki, S. K. 2014, A&ARv, 22, 78

Yan, Y. & Li, Z. 2006, ApJ, 638, 1162

Yang, W. H., Sturrock, P. A., & Antiochos, S. K. 1986, ApJ, 309, 383

Universiteit of Hogeschool
master of astronomy and astrophysics
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Stefaan Poedts
Kernwoorden
Share this on: