De zon is de belangrijkste energiebron voor het leven op aarde. Zonder zonnestraling zou er geen klimaat, geen fotosynthese en uiteindelijk geen leven zijn. Maar de zon is geen constante energiebron. Haar stralingsintensiteit en spectrale verdeling kunnen in de tijd variëren, afhankelijk van processen op en in de zon, zoals zonnevlekkenactiviteit en uitbarstingen.
Zelfs relatief kleine veranderingen kunnen een merkbare invloed hebben op de aardse atmosfeer en het klimaat. Om deze variaties nauwkeurig te meten en te begrijpen, zijn instrumenten nodig die buiten de atmosfeer van de aarde opereren, zodat ze het zonlicht kunnen meten zonder verstoringen door wolken, luchtlagen en gassen. Om deze reden werd in 2008 het SOLAR-platform met onder andere het SOLSPEC-instrument naar het Internationaal ruimtestation ISS gebracht. Dit geheel wordt vaak aangeduid als het Solar Spectrum Experiment, omdat het gericht is op het nauwkeurig meten van het volledige zonnespectrum. België speelde een belangrijke rol in dit experiment, zowel technisch als wetenschappelijk. In wat volgt bespreken we de opzet van het experiment, de wetenschappelijke doelstellingen en resultaten, en de Belgische bijdrage aan deze indrukwekkende internationale onderneming.
Wat is SOLAR / SOLSPEC?
Het SOLAR-platform was een extern instrumentenplatform dat gemonteerd werd op de Columbus-module van het ISS. Columbus is het Europese onderzoekssegment van het ruimtestation. Het SOLAR-platform werd gelanceerd in februari 2008 met de spaceshuttle Atlantis (STS-122) en vervolgens bevestigd aan de buitenkant van Columbus. Daar bleef het actief tot 2017. Het platform droeg drie instrumenten die samen het volledige zonnespectrum konden meten:
- SOLSPEC (SOLar SPECtrum instrument): een spectrometer die het zonlicht verdeelt in zijn verschillende golflengtes en de intensiteit ervan meet.
- SOL-ACES: gericht op metingen in het extreme UV en UV-bereik.
- SOVIM: meet de totale zonnestraling en spectrale verdeling in zichtbaar en nabij-infrarood.
Het hart van het Solar Spectrum Experiment is SOLSPEC. Dit instrument is speciaal ontworpen om met grote nauwkeurigheid het zonnespectrum te meten over een breed golflengtebereik, van het ultraviolet (UV) over het zichtbare licht tot het infrarood (IR). Concreet gaat het om een bereik van ongeveer 160 nanometer (UV) tot ongeveer 3 micrometer (IR). Dit is het deel van het zonnespectrum dat het meest relevant is voor de energiehuishouding van de aarde en voor atmosferische chemische processen. SOLSPEC bestaat uit drie spectrometers (voor UV, zichtbaar en IR), elk met eigen optische elementen en detectoren. Het instrument is uitgerust met interne kalibratielampen, zodat men de gevoeligheid en nauwkeurigheid van het systeem tijdens de missie kon opvolgen en behouden. In de ruimte worden instrumenten immers blootgesteld aan extreme temperaturen, straling en verouderingseffecten, wat de metingen kan beïnvloeden. Dankzij interne kalibratie kan men deze effecten detecteren en corrigeren.
Waarom meten vanuit de ruimte?
Als je zonnestraling meet aan het aardoppervlak, is het resultaat niet hetzelfde als de werkelijke zonnestraling die boven de atmosfeer aanwezig is. De atmosfeer absorbeert en verstrooit licht. In het UV-bereik absorberen ozon en zuurstof grote delen van het zonnespectrum. Daardoor bereikt gevaarlijke UV-C-straling het aardoppervlak niet, maar dat maakt het onmogelijk om die straling vanaf de grond rechtstreeks te meten. In het infrarood zorgen waterdamp en andere gassen ook voor sterke absorptiebanden, die het spectrum vervormen. Ook wolken, stof en aerosolen verstrooien en reflecteren licht, wat het spectrum verder verandert. Door het instrument buiten de atmosfeer te plaatsen, op het ISS, ongeveer 400 kilometer boven de aarde, krijgt men een “zuiver” zonnespectrum. Dat is essentieel voor toepassingen in zonnefysica, klimaatonderzoek en atmosferische wetenschap.
Belgische bijdrage
België speelde een opvallend belangrijke rol in dit internationale project, vooral via het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie (BIRA–IASB) en het Belgian User Support and Operations Centre (B.USOC).
- Ontwikkeling en bouw
SOLSPEC is oorspronkelijk ontwikkeld door Franse en Belgische wetenschappers en ingenieurs. België leverde expertise op vlak van precisiemechanica en optica. Belgische bedrijven zoals Lambda-X en Pedeo waren betrokken bij de bouw en modernisering van het instrument. Het ging onder meer om optische componenten en mechanische structuren die bestand moesten zijn tegen de zware omstandigheden in de ruimte. - Kalibratie en karakterisatie
Voor de lancering werkte België mee aan de kalibratie van SOLSPEC in laboratoria. Dit houdt in dat men precies bepaalt hoe het instrument reageert op licht van verschillende golflengten en intensiteiten. Kalibratie is cruciaal om de metingen te kunnen vertrouwen en vergelijken over de tijd. Tijdens de missie bleven Belgische wetenschappers betrokken bij de interpretatie van kalibratieresultaten en de controle van de instrumentprestaties. - Operaties vanuit Ukkel
Een van de meest zichtbare Belgische bijdragen was de operationele controle van SOLAR/SOLSPEC. Vanuit het B.USOC in Ukkel werd het instrument op afstand aangestuurd. Belgische operatoren planden de waarnemingen, volgden het systeem op, en zorgden voor de overdracht van gegevens naar wetenschappelijke teams. Zo werd België een belangrijke schakel tussen het instrument op het ISS en de internationale onderzoeksgemeenschap. - Data-analyse en wetenschap
Belgische onderzoekers waren betrokken bij de wetenschappelijke verwerking en analyse van de data. Ze leverden bijdragen aan de samenstelling van het referentiespectrum en aan studies over de variabiliteit van de zonnestraling. Ook werkten ze mee aan publicaties die de resultaten van het experiment bekendmaakten in de internationale wetenschappelijke literatuur.
Resultaten
Tussen 2008 en 2017 voerde het SOLAR/SOLSPEC-experiment meer dan 12.000 waarnemingen van de zon uit tijdens zogenaamde “Sun Visibility Windows”, periodes waarin het ISS een directe, onbelemmerde zichtlijn naar de zon had. Op basis van deze enorme dataset kon een nieuw referentie-zonnespectrum worden samengesteld: het zogenaamde SOLAR-ISS spectrum. Dit spectrum bestrijkt het bereik van 165 tot 3000 nanometer en geldt sindsdien als een belangrijke internationale standaard. De metingen toonden ook hoe bepaalde golflengtegebieden gevoeliger zijn voor zonneactiviteit dan andere. In het UV-bereik, bijvoorbeeld, kunnen veranderingen tot enkele procenten optreden tussen zonne-minimum en zonne-maximum. Dergelijke variaties hebben directe gevolgen voor de stratosferische chemie en kunnen indirect het klimaat beïnvloeden. Daarnaast leverde het experiment waardevolle informatie voor het valideren en verbeteren van instrumenten en modellen die vanuit de ruimte of vanaf de aarde zonnestraling meten. Het hielp bijvoorbeeld bij het kalibreren van andere satellietinstrumenten.
Het SOLAR-instrument aan de Columbus module - Foto: ESA
