4) De Relatie Zon - Aarde De Zon heeft een continue en sterk variabele invloed op onze planeet, de Aarde. Deze invloed gebeurt via 3 kanalen: electromagnetisch stralen, van radiogolven tot gammastralen. versnelde deeltjes (vb: protongebeurtenissen)‏ parameters van de zonnewind en hun schommelingen te wijten aan coronale gaten of coronale massa-uitbarstingen. Het geheel van activiteitsfenomenen hiervoor beschreven zullen verschillende variaties genereren in elk van deze 3 componenten, dit op een schaal gaande van fracties van sekonden tot millenia. We maken hier een onderscheid tussen de trage variaties (zonnecyclus) en de snelle variaties (uitbarstingsfenomenen). Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 1

De spectrale ‘belichting’ van de Zon en variatie De aanwezigheid van de atmosfeer bemoeilijkt de metingen van de absolute stralings- en deeltjesflux van de Zon op Aarde. Er is een gedeeltelijke of zelfs totale absorptie van het zonlicht in functie van de golflengte: Lange golflengte (zichtbaar, infrarood, radio): O2, H20 (troposfeer)‏ Korte golflengte (X,UV): O3, minoritaire bestanddelen (stratosfeer)‏ Breed « venster » zonder invloed: radiogolflengtes (30 MHz - 30 GHz)‏ Hoogte waarop 50% van de invallende straling geabsorbeerd wordt Om de bijdrage van de Zon, ter hoogte van de Aarde, te meten, is het vaak nodig om metingen te doen op grote hoogtes of vanuit de ruimte. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 2

Spectrum van het zonnelicht Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 3

Zonneconstante en zonnecyclus De zonneconstante is de ‘energetische belichting’, t.t.z. de energie die door de Zon wordt uitgestraald over alle golflengtes en dat vertikaal invalt op een oppervlakte van 1 m2 op een afstand van 1 AE, bovenop op de aardatmosfeer. Er bestaan nu al 22 jaar metingen door ‘absolute’ ruimte-radiometers: Gemiddelde: 1365 ± 1 W/m2 Totale variatie over een cyclus: Amplitude 0,1% Maximale belichting op het maximum van de cyclus Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 4

Spectrale belichting: variaties tijdens de cycles Het zichtbare en infrarode spectrum, voortgebracht ter hoogte van de fotosfeer, varieert bijzonder weinig (<1%). De variaties zijn veel hoger (een factor 10 tot 1000), bij golflengtes onder de 320 nm, in het ultraviolet. Deze straling, die echter van de andere lagen komt (chromosfeer, corona) komt slechts overeen met 2% van de totale straling. Ze heeft niettemin een belangrijk effect op de hogere aardatmosfeer Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 5

Spectrale belichting: onrechtstreekse schattingen De metingen van de zonnestraling in sommige spectrale banden zijn: met tussenpozen uitgevoerd (afhankelijkvan de levensduur van de ruimte-instrumenten), slechts sinds kort beschikbaar (nieuwe detectors). Het is dan ook noodzakelijk om variaties in de niet-gemeten spectrale belichting te schatten aan de hand van metingen van referentie golflengtes of indices.. Men maakt vaak gebruik van statistische empirische vergelijkingen, proxies.   De meest gangbare referenties zijn metingen die vanop de grond, over lange periodes zijn verkregen: de internationale zonnevlekken index (Ri, SIDC), radio flux van10,7cm (Ottawa), specifieke spectraallijnen (Ca II H&K, Mg II, H Lyα). Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 6

Ri = 1.14 F10.7(sfu) - 73.21 Radioflux van 10,7cm (2,8 GHz): Een enkel station: Penticton, Ottawa, Canada Dagelijkse flux beschikbaar sinds 1950 Oorsprong: overgangslaag, chromosfeer Goede correlatie met de andere indexen (hier, Ri): amplitude= factor 3 Ri = 1.14 F10.7(sfu) - 73.21 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 7

Toepassing: De gemeten radioflux F10.7 is 165 sfu (solar flux unit). Hoeveel is de geschatte waarde van de overeenkomstige Ri index? (afgerond)‏ Ri = 165 x 1,14 – 73,21= 114,89 dus Ri = 115 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 8

De volgende pagina toont een vergelijking van de variatie van de verschillende indexen, over de laatste twee cycli. Ze toont de relatieve overeenkomst van de variaties, wat toelaat om een overeenkomst vast te leggen tussen deze indexen. In het verleden bestonden de meeste indexen nog niet, behalve Ri en F10.7 (de 2 grafieken beneden, links). Enkel deze twee reeksen, en in het bijzonder de zonnevlekkenindex laten toe om de variatie van de spectrale en energetische belichting te reconstrueren voor de vorige decennia en eeuwen. Zonne-indexen en proxies spelen een centrale rol in de analyse van de relaties Zon-Aarde, op langere termijn, in het bijzonder wat betreft de evolutie van het klimaat (zie hoofdstuk 5). Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 9

‘Proxy’ tijdsreeksen voor de periode 1975 tot 2001 (G. De Toma)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 10

Straling: bron van snelle variaties De onregelmatige verdeling van de groepen van actieve gebieden op de Zon en hun langdurig bestaan gedurende verschillende zonne- rotaties heeft tot gevolg dat er een modulatie van 27 dagen (synodische periode) ontstaat voor de stralingsamplitude voor kortere golflengtes (corona). De grootste variaties zijn te wijten aan zonnevlammen. Deze variaties zijn van impulsieve aard, duren enkele minuten tot enkele uren, en hebben een piek die tot 10 tot 10000 de geïntegreerde flux van de kalme Zon kan bereiken. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 11

Energetische deeltjes en de zonnecyclus Naast de zonnedeeltjes afkomstig van uitbarstingen en CME's, is de Aarde ook onderhevig aan een permanente flux van deeltjes met veel hogere energie (> 1 GeV), die zich verplaatsen met bijna de lichtsneldheid. Deze deeltjes vormen de ‘galactische kosmische straling (GKS)’. Het zijn voornamelijk electronen en protonen (90%) en atoomkernen. Deze GKS komt van buiten ons zonnestelsel en wordt gevoed door supernovae, actieve melkwegen, enz.. Hoewel ze niet van de zon afkomstig is, is deze stroom van deeltjes beïnvloed door de Zon, via de zonnewind. Ze wijken van hun baan af of worden tegengehouden ter hoogte van de heliopauze. De hoeveelheid van GKS die de heliosfeer kan binnendringen, en dus de planeten bereiken, is sterk gemoduleerd door de sterkte van de zonneactiviteit (t.t.z. de zonnewind)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 12

Men neemt een belangrijke modulatie waar van de kosmische straling: In antifase met de zonnecyclus: maximale flux tijdens minimale zonneactiviteit Sterkte: factor 1,5 tot 2, afnemend met de energie van de GKS Gemiddelde flux (10 dagen) van 500 - 960 keV protonen (Zon) en protonen > 190 MeV (GKS+ protongebeurtenissen) Metingen IMP8/CPME (Sarris et al. 1976)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 13

Kosmogenische isotopen en de zonnecyclus Deze kosmische straling kan tot op het oppervlak van de Aarde komen, waar onstabiele isotopen kunnen worden gevormd. Daardoor kan men een datering uitvoeren. Via deze isotopen kan men een chronologische reconstructie maken van de modulatie van de kosmische straling en dus ook de intensiteit van de zonneactiviteit over de voorbije millenia. De 2 belangrijkste isotopen zijn: 10Be: wordt uit ijsboringen gehaald. Het is een ‘puur’ spoor, aangezien de gevonden hoeveelheid enkel en alleen bepaald wordt door de kosmische stralingsflux, 14C: dringt binnen in het metabolisme van levende organismen (oceaanbodem bezinksel, boomcirkels) en geeft informatie over een combinatie van verschillende factoren: zonne-activitiet maar ook temperatuur op Aarde. Fig.: Fröhlich & Lean 2004 Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 14

Energetische deeltjes: bron van snelle variaties De flux van hoogenergetische zonnedeeltjes, voornamelijk electronen en protonen, is afkomstig van voornamelijk 2 bronnen: De zonnevlammen Produceren impulsieve variaties. Stijging: 30 tot 60 min na het begin van de uitbarsting (fractie van de lichtsnelheid). Daling in enkele uren of dagen. Mogelijk heel sterke flux: protongebeurtenissen. De CME's: Ze Produceren ook impulsieve variaties. De stijging is meer geleidelijk: enkele uren voor de doorgang van de schok ter hoogte van de Aarde (1 tot 4 dagen na de CME uitbarsting). Duur: enkele dagen. Deeltjes met lagere energie in vergelijking met zonnevlammen. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 15

Heliosferische magneetvelden De Aarde is beveiligd tegen de rechtstreekse zonnewind door haar magneetveld. Deze verandert de zonnedeeltjes van koers waardoor ze een volume rond de Aarde, de magnetosfeer, niet kunnen binnendringen. Onder de druk van de supersonische zonnewind wordt de magnetosfeer vervormd: schokvorming aan de kant van de Zon, de magnetosfeer wordt uitgerokken in een ’magnetostaart’. De deeltjes van de zonnewind kunnen enkel de magnetosfeer binnendringen na een herschikking van het interplanetaire magneetveld ter hoogte van de magnetostaart. Deze deeltjes zijn dan gevangen en gestockeerd in the magnetosfeer. (blauwe en groene zones in de figuur)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 16

Niet eruptieve structuren: De zonnewind, met haar variaties in snelheid, dichtheid, maar ook in het magneetveld, veroorzaakt verdichting en vervorming van de magnetosfeer. Er ontstaan twee soorten geo-effectieve fenomenen in de zonnewind: Niet eruptieve structuren: magnetische sectoren en snelle stromen (coronale gaten). Ze produceren terugkerende en lichte storingen Eruptieve structuren: zijn CME's die soms magnetische wolken bevatten (flux-koorden). zijn de oorzaak van sterkere storingen. In het geval dat het magnetisch veld, gelinkt aan de zonnewind tegengesteld is aan het aards magneetveld (Bz negatief), worden de storingen versterkt omdat de her- verbindingen van de magnetosfeerlijnen versterkt worden en dan de zonnedeeltjes gemakkelijker de magnetosfeer kunnen binnendringen. Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 17

Simulatie van de interactie magnetosfeer – zonnewind (Univ. Maryland)‏ Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 18

Overzicht van de 3 interactiemodes De invloed van de Zon uit zich in 3 opeenvolgende golven, in de tijd. Oorsprong Uitbarstingen CMEs/uitbarstingen CMEs/coronale gaten Drager Electromagnetische Straling Hoogenergetische deeltjes Deeltjes met lage en gemiddelde energie Magneetveld Aankomst Duur Onmiddelijk 1-2 uur 15 min– enkele uren Enkele dagen 2 tot 4 dagen 1 tot meerdere dagen Effect X-stralen, EUV Radio opflakkeringen Protongebeurtenissen Geomagnetische Stormen Storingen Communicatiestoornis, radio, radar Desorientatie van satellieten, verlies en achteruitgang Bestraling van vliegtuigen Radar, radio-golven: voortplanting afwijking Electriciteitspannes Afremming van satellieten Gecertifie. opleiding «Concepten en methodologiën van de Aard- en Ruimtewetenschappen» - technische experten 19