Badania zórz polarnych i prądów indukowanych geomagnetycznie ujawniają, że kąt wstrząsów międzyplanetarnych w stosunku do ziemskiego pola magnetycznego ma krytyczny wpływ na intensywność prądów oddziałujących na infrastrukturę elektryczną. Bezpośrednie wstrząsy zwykle indukują silniejsze prądy, co może prowadzić do powszechnych przerw w dostawie prądu. Prognozowanie tych wstrząsów może pomóc w ograniczeniu zagrożeń dla infrastruktury krytycznej.
Naukowcy odkrywają, że wstrząsy międzyplanetarne, które uderzają czołowo w ziemskie pole magnetyczne, powodują powstawanie silniejszych prądów elektrycznych w warstwie przyziemnej, zagrażając rurociągom i kablom podmorskim.
Zorze powstają w wyniku uderzenia cząstek słonecznych w ziemskie pole magnetyczne, ale uderzenia te powodują również powstawanie prądów indukowanych geomagnetycznie na poziomie gruntu, co może uszkodzić infrastrukturę przewodzącą prąd elektryczny. Naukowcy badający te prądy w celu ochrony infrastruktury krytycznej przeprowadzili pierwsze badania, w których porównano wstrząsy międzyplanetarne z dokonywanymi w czasie rzeczywistym pomiarami prądów indukowanych geomagnetycznie, wykazując, że kąt oddziaływania wstrząsów ma kluczowe znaczenie dla przewidywania możliwych uszkodzeń infrastruktury: wstrząsy, które uderzają w pole magnetyczne pod kątem wytwarza prądy o mniejszej mocy.
Wpływ wstrząsów międzyplanetarnych na infrastrukturę
Zorze polarne od tysiącleci inspirują mity i znaki, ale dopiero teraz, gdy nowoczesna technologia opiera się na elektryczności, doceniamy ich prawdziwą moc. Te same siły, które powodują zorze polarne, powodują również prądy, które mogą uszkodzić infrastrukturę przewodzącą prąd, np. rurociągi. Teraz naukowcy piszą Granice w astronomii i naukach o kosmosie wykazali, że kąt oddziaływania wstrząsów międzyplanetarnych ma kluczowe znaczenie dla siły prądów, oferując możliwość prognozowania niebezpiecznych wstrząsów i ochrony infrastruktury krytycznej.
„Zorze polarne i prądy indukowane geomagnetycznie są powodowane przez podobne czynniki pogody kosmicznej” – wyjaśnił dr Denny Oliveira z NASAGoddard Space Flight Center, główny autor artykułu. „Zorza polarna to wizualne ostrzeżenie wskazujące, że prądy elektryczne w przestrzeni mogą generować prądy indukowane geomagnetycznie na ziemi”.
„Rejon zorzy może znacznie się rozszerzyć podczas silnych burz geomagnetycznych” – dodał. „Zwykle jego najbardziej wysunięta na południe granica przebiega wokół 70 stopni szerokości geograficznej, ale podczas ekstremalnych zjawisk może spaść do 40 stopni lub nawet więcej, co z pewnością miało miejsce podczas burzy w maju 2024 r. – najpoważniejszej burzy w ciągu ostatnich dwóch dekad”.
Światła, kolor, akcja
Zorze powstają w wyniku dwóch procesów: albo cząstki wyrzucone ze Słońca docierają do ziemskiego pola magnetycznego i powodują burzę geomagnetyczną, albo też wstrząsy międzyplanetarne ściskają pole magnetyczne Ziemi. Wstrząsy te generują również prądy indukowane geomagnetycznie, które mogą uszkodzić infrastrukturę przewodzącą prąd. Silniejsze wstrząsy międzyplanetarne oznaczają silniejsze prądy i zorze, ale częste, słabsze wstrząsy mogą również wyrządzić szkody.
„Prawdopodobnie najbardziej szkodliwe skutki dla infrastruktury energetycznej miały miejsce w marcu 1989 r. w następstwie silnej burzy geomagnetycznej — system Hydro-Quebec w Kanadzie został wyłączony na prawie dziewięć godzin, pozbawiając miliony ludzi prądu” – stwierdziła Oliveira. „Jednak słabsze i częstsze zdarzenia, takie jak wstrząsy międzyplanetarne, mogą z czasem stanowić zagrożenie dla przewodów uziemiających. Z naszych prac wynika, że po wstrząsach dość często występują znaczne prądy geoelektryczne i zasługują na uwagę.”
Uważa się, że wstrząsy, które uderzają w Ziemię czołowo, a nie pod kątem, indukują silniejsze prądy indukowane geomagnetycznie, ponieważ bardziej ściskają pole magnetyczne. Naukowcy zbadali, w jaki sposób wstrząsy pod różnymi kątami i o różnych porach dnia wpływają na prądy indukowane geomagnetycznie.
W tym celu wykorzystali bazę danych dotyczącą wstrząsów międzyplanetarnych i porównali ją z odczytami prądów indukowanych geomagnetycznie z rurociągu gazu ziemnego w Mäntsälä w Finlandii, który w okresach aktywności zwykle znajduje się w obszarze zorzy polarnej. Aby obliczyć właściwości tych wstrząsów, takie jak kąt i prędkość, wykorzystano dane dotyczące międzyplanetarnego pola magnetycznego i wiatru słonecznego. Wstrząsy podzielono na trzy grupy: wstrząsy o dużym nachyleniu, wstrząsy o średnim nachyleniu i wstrząsy prawie czołowe.
Kąt natarcia
Odkryli, że większa liczba wstrząsów czołowych powoduje wyższe wartości szczytowe prądów indukowanych geomagnetycznie zarówno bezpośrednio po uderzeniu, jak i podczas następującej po nim burzy. Szczególnie intensywne szczyty miały miejsce około północy magnetycznej, kiedy biegun północny znajdowałby się pomiędzy Słońcem a Mäntsälä. Lokalne burze występujące w tym czasie również powodują uderzające pojaśnienie zorzy.
„Umiarkowane prądy występują wkrótce po uderzeniu perturbacyjnym, gdy w Mäntsälä występuje około zmierzchu czasu lokalnego, podczas gdy bardziej intensywne prądy występują około północy czasu lokalnego” – stwierdziła Oliveira.
Ponieważ kąty tych wstrząsów można przewidzieć nawet na dwie godziny przed uderzeniem, informacje te mogą pozwolić nam na wprowadzenie zabezpieczeń sieci elektroenergetycznych i innej wrażliwej infrastruktury przed najsilniejszym i najbardziej czołowym wstrząsem.
„Jedną rzeczą, jaką operatorzy infrastruktury energetycznej mogą zrobić, aby zabezpieczyć swój sprzęt, jest zarządzanie kilkoma określonymi obwodami elektrycznymi w przypadku wydania ostrzeżenia o porażeniu” – zasugerowała Oliveira. „Zapobiegłoby to skróceniu żywotności sprzętu przez prądy indukowane geomagnetycznie”.
Naukowcy nie odkryli jednak silnych korelacji między kątem uderzenia a czasem potrzebnym do uderzenia, a następnie indukowania prądu. Może to wynikać z faktu, że do zbadania tego aspektu potrzeba większej liczby nagrań prądów na różnych szerokościach geograficznych.
„Aktualne dane zebrano tylko w określonym miejscu, a mianowicie w systemie gazociągów Mäntsälä” – przestrzegł Oliveira. „Chociaż Mäntsälä znajduje się w krytycznym miejscu, nie daje to obrazu sytuacji na całym świecie. Ponadto w badanym okresie brakowało danych z Mäntsälä przez kilka dni, co zmusiło nas do odrzucenia wielu zdarzeń z naszej bazy danych dotyczącej szoków. Byłoby miło, gdyby światowe firmy energetyczne udostępniały swoje dane naukowcom w celach badawczych”.
Odniesienie: „Pierwsze bezpośrednie obserwacje wpływu kąta uderzenia wstrząsu międzyplanetarnego na rzeczywiste prądy indukowane geomagnetycznie: przypadek fińskiego systemu rurociągów gazu ziemnego” Denny M. Oliveira, Eftyhia Zesta i Sergio Vidal-Luengo, 7 maja 2024 r., Granice w astronomii i naukach o kosmosie.
DOI: 10.3389/fspas.2024.1392697
