De aanhoudende vulkaanuitbarsting in Tonga begon in december 2021, maar pas om 17.15 uur plaatselijke tijd op 15 januari 2022 vond de krachtige explosie plaats. Deze veroorzaakte een enorme aswolk, aardbevingen en tsunami’s die reikten tot aan de verre kusten van Peru aan de andere kant van de Stille Oceaan. Nu zijn wetenschappers zelfs op zoek naar de effecten van de uitbarsting in de ruimte.
De uitbarstingskolom bereikte de stratosfeer van de aarde, de tweede laag van de atmosfeer boven de grond. Het geluid van de explosie werd op duizenden kilometers afstand gehoord in Yukon Territory, Canada. En hoewel onder de drempel voor het menselijk gehoor, werden de druk(geluids)golven zelfs waargenomen door barometers in het Verenigd Koninkrijk.
Het lijkt erop dat de uitbarsting ook een reeks zogenaamde “atmosferische zwaartekrachtgolven” heeft opgewekt, die door een Nasa-satelliet zijn waargenomen en die in concentrische cirkels vanuit de vulkaan naar buiten uitstralen. Wetenschappers, waaronder ikzelf, onderzoeken nu welke invloed deze golven in de ruimte kunnen hebben. Het doel van ons onderzoek is een beter inzicht te krijgen in de bovenste lagen van de atmosfeer, ver boven de plaats waar het internationale ruimtestation (ISS) in een baan om de aarde draait, en met name in hoeverre veranderingen daarin worden aangedreven door gebeurtenissen op aarde (in tegenstelling tot de ruimteomgeving). Het zou ons ook kunnen helpen beter te begrijpen hoe technologie zoals GPS wordt beïnvloed door vulkaanuitbarstingen.
Omdat de atmosfeer voor menselijke ogen meestal doorzichtig is, denken wij er zelden aan dat het een complexe en dynamische structuur is met vele verschillende lagen. De bovenste ranken van onze atmosfeer reiken tot ver boven de lijn van Karman, het punt 100 km boven zeeniveau waar de ruimte officieel begint.
Deze atmosferische lagen zitten vol met golven die in alle richtingen reizen, niet anders dan golven aan het oppervlak van de zee. Dergelijke atmosferische zwaartekrachtgolven kunnen worden opgewekt door een willekeurig aantal verschijnselen, waaronder geomagnetische stormen veroorzaakt door uitbarstingen op de Zon, aardbevingen, vulkanen, onweersbuien, en zelfs zonsopgang. Je hebt waarschijnlijk zelf wel eens de effecten daarvan gezien, want diezelfde golven kunnen golvende wolken veroorzaken.
De ionosfeer
Dergelijke golven verplaatsen zich niet alleen horizontaal, maar ook naar boven, naar enkele van de allerhoogste delen van de atmosfeer van onze planeet – de ionosfeer. Dit is een gebied van de atmosfeer van de aarde dat zich uitstrekt van ongeveer 65 km tot meer dan 1.000 km hoogte (het ISS draait in een baan op ongeveer 400 km). Op deze hoogten worden atmosferische gassen gedeeltelijk “geïoniseerd”, waardoor een zogenaamd plasma ontstaat, wat betekent dat de moleculen worden gesplitst in geladen deeltjes – positieve atomen, ionen genaamd, en negatieve elektronen.
Ionisatie in de atmosfeer vindt plaats door blootstelling aan ultraviolette straling van de zon, hoogenergetische deeltjes uit de ruimte, en zelfs meteoren die verbranden. Maar aangezien tegengesteld geladen deeltjes een aantrekkingskracht op elkaar uitoefenen, zoals een magneet die aan een koelkastdeur blijft kleven, hebben ionen en elektronen ook de neiging om te recombineren, waarbij weer neutrale moleculen worden gevormd. Er is dus een complexe en voortdurende fluctuatie in de ionosfeer tussen plasmaproductie en plasmaverlies als gevolg van recombinatie.
Hoewel deze processen meestal niet waarneembaar zijn in zichtbaar licht, kunnen zij wel invloed hebben op radiolicht met een langere golflengte. Het plasma in de ionosfeer kan radiogolven bij bepaalde frequenties weerkaatsen, bij andere verstrooien, of zelfs geheel blokkeren.
Deze eigenschappen maken de ionosfeer nuttig voor verscheidene moderne technologieën, waaronder hoogfrequente radiocommunicatie, en over-the-horizon radar. Maar net als op grondniveau is de ionosfeer onderhevig aan weersinvloeden. Dit wordt veroorzaakt door ofwel de ruimte-omgeving (ruimteweer) of door gebeurtenissen op Aarde.
Ruimteverstoringen
Wanneer atmosferische zwaartekrachtgolven, opgewekt door een vulkaanuitbarsting (of een andere bron), de ionosfeer bereiken, kunnen zij zogenaamde “reizende ionosferische storingen” teweegbrengen. Dit zijn compressiegolven die de fluctuaties in de dichtheid van het plasma in korte tijd aanzienlijk kunnen versterken en zich over duizenden kilometers over de hele wereld kunnen verplaatsen. Deze effecten kunnen de moderne technologie verstoren, bijvoorbeeld door de nauwkeurigheid van satellietplaatsbepalingssystemen (GPS) te verstoren.
Vulkaanuitbarstingen in het verleden zijn in verband gebracht met meetbare veranderingen in de ionosfeer zoals gedetecteerd door GPS-ontvangers op de grond, bijvoorbeeld in 2015 en 2013.
Om deze verstoringen in meer detail te bestuderen dan hun effecten op GPS, gebruik ik gegevens van een faciliteit genaamd de Low Frequency Array (Lofar). Lofar, een van ’s werelds grootste radiotelescopen, bestaat uit tientallen radioantennes verspreid over Europa en is ontworpen om verre natuurlijke radiobronnen in het vroege heelal, zoals radiosterrenstelsels, te observeren.
Het uiterlijk van radiobronnen in de ruimte, wanneer men ze door de ionosfeer bekijkt, is vergelijkbaar met de manier waarop het zicht op voorwerpen door een glas water vervormd kan raken wanneer we het omroeren (of schudden). Met zorgvuldige analyse kan men deze vervormingen gebruiken om te begrijpen wat er in de ionosfeer zelf gebeurt. Rondreizende ionosferische storingen kunnen deze vervormingen versterken, vooral op de radiogolflengten die we met Lofar gebruiken.
De video hierboven, gemaakt door Richard Fallows, toont enkele Lofar-gegevens van december 2013. De heldere lichtpunten zijn natuurlijke radiobronnen, zoals verre sterrenstelsels. De sequentie in het linkerpaneel is van een rustige nacht, en in het rechterpaneel is de ionosfeer verstoord. De bronnen veranderen snel van positie en vervagen in en uit.
De komende weken zullen we onze Lofar-gegevens heel nauwkeurig bekijken om te onderzoeken of er duidelijke patronen zichtbaar zijn die kunnen worden toegeschreven aan de Tongaanse uitbarsting. Uiteindelijk zou het onderzoek ons kunnen helpen beter te begrijpen hoe vulkanen op aarde de ruimte en de technologie beïnvloeden. Aangezien de ionosfeer de atmosferische interface is tussen de aarde en de ruimte, kan het zelfs licht werpen op de precieze mate waarin verstoringen worden veroorzaakt door terrestrische weersomstandigheden versus ruimteweersomstandigheden.
Gareth Dorrian ontvangt financiering van de Leverhulme Trust voor ionosferisch onderzoek met LOFAR-gegevens.