Forskning om norrsken och geomagnetiskt inducerade strömmar avslöjar att vinkeln för interplanetära stötar mot jordens magnetfält kritiskt påverkar hur allvarliga strömmar som påverkar elektrisk infrastruktur. Direkta stötar tenderar att inducera starkare strömmar, vilket kan leda till omfattande strömavbrott. Att förutse dessa chocker kan bidra till att minska riskerna för kritisk infrastruktur.
Forskare upptäcker att interplanetära stötar som träffar jordens magnetfält frontalt orsakar kraftfullare elektriska strömmar på marknivå, hotande rörledningar och undervattenskablar.
Norrsken orsakas av partiklar från solen som träffar jordens magnetfält – men dessa effekter orsakar också geomagnetiskt inducerade strömmar på marknivå, vilket kan skada infrastruktur som leder elektricitet. Forskare som studerar dessa strömmar för att skydda kritisk infrastruktur har utfört den första forskningen som jämför interplanetära stötar med realtidsmätningar av geomagnetiskt inducerade strömmar, vilket visar att vinkeln för stötarnas påverkan är nyckeln för att förutse möjliga skador på infrastrukturen: stötar som träffar magnetfält i en vinkel producerar mindre kraftfulla strömmar.
Inverkan av interplanetära chocker på infrastruktur
Norrsken har inspirerat myter och förebud i årtusenden – men först nu, med modern teknik som är beroende av elektricitet, uppskattar vi deras verkliga kraft. Samma krafter som orsakar norrsken orsakar också strömmar som kan skada infrastruktur som leder elektricitet, som rörledningar. Nu skriver forskare in Gränser inom astronomi och rymdvetenskap har visat att anslagsvinkeln för interplanetära stötar är nyckeln till strömmarnas styrka, och erbjuder en möjlighet att förutse farliga stötar och skydda kritisk infrastruktur.
”Nordsken och geomagnetiskt inducerade strömmar orsakas av liknande rymdväderdrivare”, förklarade Dr Denny Oliveira från NASAGoddard Space Flight Center, huvudförfattare till artikeln. ”Norsken är en visuell varning som indikerar att elektriska strömmar i rymden kan generera dessa geomagnetiskt inducerade strömmar på marken.”
”Nordskensregionen kan expandera kraftigt under svåra geomagnetiska stormar,” tillade han. ”Vanligtvis är dess sydligaste gräns runt latituderna 70 grader, men under extrema händelser kan den gå ner till 40 grader eller ännu längre, vilket säkerligen inträffade under stormen i maj 2024 – den allvarligaste stormen under de senaste två decennierna.”
Ljus, färg, action
Norrsken orsakas av två processer: antingen når partiklar som skjuts ut från solen jordens magnetfält och orsakar en geomagnetisk storm, eller så komprimerar interplanetära stötar jordens magnetfält. Dessa stötar genererar också geomagnetiskt inducerade strömmar, vilket kan skada infrastruktur som leder elektricitet. Kraftfullare interplanetära stötar betyder kraftigare strömmar och norrsken – men frekventa, mindre kraftfulla stötar kan också göra skada.
”Förmodligen inträffade de mest intensiva skadliga effekterna på kraftinfrastrukturen i mars 1989 efter en kraftig geomagnetisk storm – Hydro-Quebec-systemet i Kanada stängdes av i nästan nio timmar, vilket lämnade miljontals människor utan elektricitet”, säger Oliveira. ”Men svagare, mer frekventa händelser som interplanetära stötar kan utgöra ett hot mot jordledare över tid. Vårt arbete visar att betydande geoelektriska strömmar förekommer ganska ofta efter stötar, och de förtjänar uppmärksamhet.”
Stötar som träffar jorden frontalt, snarare än i en vinkel, tros inducera starkare geomagnetiskt inducerade strömmar, eftersom de komprimerar magnetfältet mer. Forskarna undersökte hur geomagnetiskt inducerade strömmar påverkas av stötar vid olika vinklar och tider på dygnet.
För att göra detta tog de en databas med interplanetära stötar och korsrefererade den med avläsningar av geomagnetiskt inducerade strömmar från en naturgasledning i Mäntsälä, Finland, som vanligtvis är i norrskensregionen under aktiva tider. För att beräkna egenskaperna hos dessa stötar, såsom vinkel och hastighet, använde de interplanetära magnetfält och solvinddata. Stötdämparna delades in i tre grupper: högt lutande stötdämpare, måttligt lutande stötdämpare och nästan frontala stötdämpare.
Angreppsvinkel
De fann att fler frontala stötar orsakar högre toppar i geomagnetiskt inducerade strömmar både omedelbart efter stöten och under följande substorm. Särskilt intensiva toppar ägde rum runt magnetisk midnatt, då nordpolen skulle ha befunnit sig mellan solen och Mäntsälä. Lokaliserade substormar vid denna tidpunkt orsakar också slående norrskens ljusare.
”Måttliga strömmar uppstår strax efter störningspåverkan när Mäntsälä är runt skymningen lokal tid, medan mer intensiva strömmar förekommer runt midnatt lokal tid”, sa Oliveira.
Eftersom vinklarna på dessa stötar kan förutsägas upp till två timmar före sammanstötningen, kan den här informationen göra det möjligt för oss att sätta in skydd för elnät och annan sårbar infrastruktur innan de starkaste och mest frontala stötarna slår till.
”En sak som operatörer av kraftinfrastruktur kan göra för att skydda sin utrustning är att hantera några specifika elektriska kretsar när en stötvarning utfärdas,” föreslog Oliveira. ”Detta skulle förhindra att geomagnetiskt inducerade strömmar minskar utrustningens livslängd.”
Men forskarna hittade inga starka samband mellan vinkeln på en stöt och den tid det tar för den att träffa och sedan inducera en ström. Det kan bero på att fler inspelningar av strömmar på olika breddgrader behövs för att undersöka denna aspekt.
”Aktuella data samlades bara in på en viss plats, nämligen Mäntsäläs naturgasledningssystem”, varnade Oliveira. ”Även om Mäntsälä befinner sig på en kritisk plats ger det ingen världsomspännande bild. Dessutom saknas Mäntsälä-data flera dagar under den undersökta perioden, vilket tvingade oss att ignorera många händelser i vår chockdatabas. Det skulle vara trevligt att få världsomspännande kraftbolag att göra sin data tillgänglig för forskare för studier.”