Cluster-satellieten luisteren naar ochtendconcert

Ochtendconcert
16 augustus 2001

Het vacuüm van de ruimte is niet de plaats waar je het getsjirp van vogels zou verwachten. Toch legde ESA’s satellietkwartet Cluster fluitsignalen vast die er sprekend op lijken.

Tijdens hun eerste maanden in de ruimte legden de Cluster-satellieten tijdens het zogenoemde breedband-experiment radiosignalen vast die binnen een paar seconden in toonhoogte veranderen. Als de signalen worden beluisterd, lijken ze op het typische gefluit van vogels ‘s ochtends. Onderzoekers noemen dit dan ook het ‘ochtendconcert’ (dawn chorus). In werkelijkheid is het geluid afkomstig van hoog-energetische elektronen in de stralingsgordels om de aarde.

Geheime telefoongesprekken

De ontdekking van geluidssignalen uit de ons omringende ruimte dateert al uit de tijd van de Eerste Wereldoorlog. De Duitse natuurkundige Heinrich Barkhausen probeerde aan het front de geallieerde telefoongesprekken af te luisteren. Dit werd hem niet al te moeilijk gemaakt, omdat bij deze gesprekken de aarde als retourleiding werd gebruikt. Barkhausen hoefde alleen maar twee sondes in de grond te steken en het daartussen eventueel aanwezige elektrische veld te versterken. Behalve flarden van geheime telefoongesprekken hoorde hij tot zijn verbazing zo nu en dan ook melodieuze fluittonen. Daarbij werd het hele gebied van de hoorbare frequenties in enkele seconden van hoog naar laag doorlopen. Deze signalen worden nu whistlers genoemd. Ze doen zich onregelmatig voor. Op sommige dagen zijn ze vaak te horen, op andere helemaal niet.

Bliksemontladingen

Whistler
Whistler detectie

Whistlers, zo weten we inmiddels, worden veroorzaakt door bliksemontladingen. Bij een krachtige bliksem wordt niet alleen een lichtflits en een donder geproduceerd. Ook wordt een heel spectrum van radiogolven uitgezonden. De meeste golflengten van deze ‘radioknal’ worden door de ionosfeer (atmosferische laag op 80 tot 1000 km hoogte) naar het aardoppervlak teruggekaatst. Maar de zeer langgolvige radiogolven (met golflengten tussen 30 en 300 km) dringen door de ionosfeer heen en komen in de exosfeer terecht. De exosfeer vormt het overgangsgebied tussen onze atmosfeer en de interplanetaire ruimte. Door de exosfeer lopen de gebogen krachtlijnen van het aardmagneetveld. Het buitendeel van de exosfeer wordt ook wel de magnetosfeer genoemd.

Vindt een bliksemontlading plaats, dan volgen de in de exosfeer doorgedrongen radiogolven de aardmagnetische krachtlijnen. Na een afgelegde weg van vele duizenden kilometers door de ruimte komen ze dan op het andere halfrond terecht. Voor een deel worden ze daar weer door de ionosfeer teruggekaatst. Het pakketje radiogolven gaat dan via de ruimte van noordelijk naar zuidelijk halfrond, enzovoort. Zo ontstaat een serie fluittonen die elkaar met regelmatige tussenpozen van enkele seconden volgen. Er zijn series van tientallen whistlers waargenomen die alle door één bliksem waren geproduceerd.

Poollichtgeruis

“Whistlers vormen maar één van de vele akoestische signalen die je uit de omgeving van de aarde kunt opvangen en versterken tot hoorbaar geluid,” zegt dr. Craig Kletzing van de Universiteit van Iowa, een van de onderzoekers van Clusters breedband-experiment. “Zo stromen na zonsuitbarstingen geladen deeltjes de magnetosfeer in. Aan de pool vormen de magnetische veldlijnen een soort trechters en als de deeltjes daarlangs in de dampkring binnendringen, treedt poollicht op. Tijdens krachtig poollicht ontstaat soms een geruis dat aan het knetteren van brandend gras doet denken. Het dagboek van de op Nova Zembla overwinterende Hollanders meldt zelfs een geluid als dat van knallend vuurwerk.”

Kwakende kikkers, keffende honden en fluitende vogels

Chorus emission point
De plaats waar het "concert" wordt uitgezonden

Eveneens na zonsuitbarstingen is het ‘ochtendconcert’ te beluisteren. Het bestaat uit een reeks tonen die van laag naar hoog gaan en lijken op het getsjirp van vogels, het gekwaak van kikkers of zelf het gekef van honden. De benaming ochtendconcert in vergelijking met het ochtendconcert van zangvogels is zelfs dubbel toepasselijk, want de signalen doen zich het sterkst voor aan de ochtendzijde van de aarde.

“Waarom dat zo is, weten we nog niet precies,” vervolgt Kletzing. “De signalen worden in ieder geval opgewekt door verstoringen in de plasmasfeer van geladen deeltjes op 26.000 tot 32.000 km afstand van de aarde, en wel boven de (magnetische) evenaar. Net als bij whistlers lopen de signalen dan heen en weer langs de magnetische krachtlijnen. Het verschil is echter dat in dit geval de tonen van laag naar hoog gaan. En doordat ze maar zeer kort duren, meestal maar 0,1 tot 1 seconde, lijken ze sprekend op het getsjirp van vogels.”

Meestal bevinden de vier Cluster-satellieten zich binnen de plasmasfeer als zij de magnetische evenaar oversteken. Maar bij sterke zonneactiviteit wordt de hele plasmasfeer ingedrukt en komt dichter bij de aarde te liggen. Bij die gelegenheden registreerde het Clusterkwartet de activiteiten die leidden tot het ochtendconcert.

"Het mooist was dat op 27 november 2000,” vervolgt Kletzing. “We ontvingen toen wel 38 minuten lang gegevens. De hele tijd dat de ruimtevaartuigen over de magnetische evenaar trokken, waren er bij 5 tot 8 kHz sterke signalen van het ochtendconcert te horen. We konden toen ook nagaan hoe het signaal zich vanuit dit gebied verspreidde."

Buizenstructuur

Closest approach
De Cluster-satellieten ondekten het "concert" in de buurt van het perigeum, het punt in de satellietbaan dat zich het dichtst bij de aarde bevindt

De metingen met de Cluster-satellieten wezen uit dat de radiogolven zich vanaf de magnetische evenaar verspreidden, zich heen en weer langs de krachtlijnen voortplantten en dat ze dat deden binnen tamelijk nauwe kanalen van hoogstens 600 km diameter.

“Dat laatste vermoedden we ook al uit waarnemingen van whistlers,” zegt Kletzing. “Omdat het om lange series van signalen gaat, moeten de signalen wel door een nauw kanaal lopen zodat de energie bijeen wordt gehouden en tientallen weerkaatsingen kunnen voorkomen zonder dat ze veel aan intensiteit verliezen. Die buizenstructuur geeft de exosfeer ook een draderige structuur, die enigszins lijkt op de corona van de zon. En ja, natuurlijk proberen we die structuur met behulp van Cluster nog verder te ontrafelen.”

Het ochtendconcert is maar één voorbeeld van de natuurverschijnselen die door de Cluster-satellieten onder de loep worden genomen. De Cluster-satellieten werden in juli en augustus 2000 gelanceerd en zullen nog minstens een jaar doorgaan met het bestuderen van magnetische verschijnselen en het vastleggen van het ruimteweer rond de aarde.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.