Höstens stora solutbrott och konsekvenser av dessa i Sverige

Transkript

1 Fredrik Forsberg Höstens stora solutbrott och konsekvenser av dessa i Sverige Handledare: Stephan Buchert Institutet för RymdFysik Box Uppsala

2 Sammanfattning Genom solaktivitet kommer partiklar och strålning fram till jorden och kan orsaka bl a störningar på satelliter, absorberade radiosignaler och inducerade strömmar på jordytan. Undersökningen har gällt effekter av solstormar mellan 24 oktober till 4 november 2003 i Sverige. Metoden har huvudsakligen varit kontakt med olika inblandade via e-post och resultatet visar på störningar i elnätet, hos radioamatörer och på radarstationer. Inledning Rymdväder kallas de förändringar i rymden i närheten av jorden som på något sätt påverkar jorden eller dess magnetfält. Rymdvädret har sin orsak i varierande solaktivitet. Mitt projekt har handlat om just rymdväder och dess effekter på jorden. Men först en liten bakgrund: Solen kan delas in i flera olika delar, t ex kärnan, där fusionen av väte sker, fotosfären, solens yta, och den del som är mest intressant i vårt fall: Koronan. Koronan ligger utanför solen och värms upp till ca K (att jämföra med temperaturen vid ytan ca 6000 K). Ett magnetiskt fält sticker ut från solens yta. Från solen strömmar solvinden: Ett flöde av plasma (d v s joniserad gas) som drar med sig magnetfält ut i solsystemet. Solvinden är snabbast om den lämnar solen i s k koronala hål där magnetfältlinjerna kommer ut från solens inre. I vanliga fall är solvindens hastighet ca 400 km/s och densiteten är låg i genomsnitt 6 partiklar/cm 3 men den snabba solvinden når i genomsnitt 800 km/s vid jordens avstånd från solen. Solvinden strömmar ut från solen över hela planetsystemet och utöver det. Utan solvind hade jorden haft ett dipolformat magnetfält runt sig men detta omformas av solvinden. På dagsidan (den sida av jorden som är vänd mot solen) trycks fältet ihop och på nattsidan (bortvänd från solen) dras det ut i en lång svans, den s k magnetosvansen. Figur 1 Jordens magnetosfär. Solvinden pressar ihop jordens magnetfält på dagsidan och drar ut det till en svans på nattsidan. 2

3 Jordens magnetfält i sin tur hindrar solvindens framfart, då plasmat består av laddade partiklar som inte kan röra sig vinkelrätt mot ett magnetfält. Magnetfältet utövar nämligen en kraft på den laddade partikeln som får partikeln att snurra runt magnetfältlinjen (åt höger för elektroner, vänster för positiva joner, sett bakifrån magnetfältet). Om partikeln har en hastighetskomposant i magnetfältets riktning, kommer den att röra sig i en spiralformad bana utmed (eller emot) fältlinjen. Figur 2 Laddade partiklars rörelse runt en magnetfältlinje. Magnetfältet går in i pappret och negativa partiklar cirklar i klockans riktning, positiva mot. Eftersom solvinden färdas snabbare än ljudets hastighet i det omgivande plasmat, bildas det en bogchock framför jorden partiklarna saktas ned och solvinden tvingas ut runt jorden, utmed fältlinjerna. Vissa partiklar från solstormen kan ta sig in i det hål i magnetfältet som bildas över jordens poler (eng. cusp). Resten fortsätter runt jorden och drar, som tidigare nämnts, ut jordens magnetfält till en lång svans på vägen. Genom svansen kan sedan ytterligare partiklar ta sig in och närma sig jorden. (Norrsken uppstår när dessa laddade partiklar kommer in i atmosfären över polerna eftersom fältlinjerna går ner mot polerna och exciterar atomer som finns där, mest syre och kväve, så att de sänder ut ljus när elektronerna faller tillbaka till sina grundtillstånd.) Figur 3 Bogchock, cusp och de laddade partiklarnas väg in i jordens magnetosfär. När de laddade partiklarna närmar sig jorden tvingas de att följa de magnetiska fältlinjerna mot polerna. Ju närmare polerna de kommer, desto starkare blir magnetfältet och desto mer vinklad blir dess bana. Då kommer partikelns bana runt och vinkel mot fältlinjen att bli mindre och mindre, tills partikeln vänder håll och rör sig mot den motsatta polen utmed magnetfältet. Partikeln har fastnat i ett s k strålningsbälte (strålningen består av de energirika partiklarna). Eftersom jordens magnetfält avtar med avståndet från jorden, kommer den magnetiska kraften på partikeln att vara lite mindre när den är på sidan av fältlinjen längst bort från jorden. Där blir cirkeln runt linjen lite större, och resultatet blir att partikeln driver åt det håll som den rör sig åt när cirkeln är som störst (stort steg fram, mindre steg tillbaka). 3

4 Detta blir österut för elektroner och västerut för positiva joner. Ström är laddade partiklar som rör sig, och vi har alltså en ström västerut runt jorden, den s k ringströmmen. Figur 4 Driften av laddade partiklar när de rör sig mellan polerna orsakar ringströmmen. Vi återgår till solen igen. På bilder av solen kan man se mörka fläckar, s k solfäckar. Det är öppningar på solens yta där magnetfältet går ut ur solens inre och sedan in igen. Dessa fläckar är svalare än resten av solen och ses därför som just fläckar. Vid solfläckarna kan det frigöras stora mängder energi, något som kallas för en soleruption (eng. solar flare). Då avges strålning högfrekvent radiostrålning till lågfrekvent gammastrålning och partiklar accelereras. Strålningen når jorden med ljusets hastighet, d v s det tar ca 8 minuter, medan partiklarna behöver en till två dagar för att nå jorden. En koronamassutkastning (eng Coronal Mass Ejection, CME) är en annan händelse som inträffar i koronan. Då kastas stora mängder plasma ut från solen. Resultatet blir att solvinden blir varmare, tätare och snabbare mer, energirikare plasma når alltså jorden på kortare tid. Magnetfältet som CME-plasmat bär med sig kan också vara starkare än det vanliga magnetfältet i solvinden. På en koronagrafbild en bild av solen där man har skapat en konstgjord solförmörkelse för att den ljusare koronan ska synas kan man se en CME som ljusa eruptioner (se figur 5). Eftersom plasmat från CME:n ofta rör sig snabbare än den vanliga solvinden, kan en koronamassutkastning skapa chockvågor i solvinden och även partiklar i den interplanetära rymden kan accelereras. Figur 5 Koronamassutkastning den 28/ Skivan i mitten täcker solen, som är lika stor som den vita cirkeln. På bilden kan man se CME:n som en halo runt hela solen, vilket betyder att den är på väg mot jorden. Bilden tagen med LASCO/SOHO 1. 4

5 Solens aktivitet varierar under en elvaårsperiod, vilket beror på att Solens magnetiska nord- och sydpol omvänds var 22:a år. Att aktiviteten varierar märker man enklast på antalet solfläckar, som varierar mellan över ca 10 per dag vid solminimum och 100 per dag vid solmaximum. Vad får då detta för effekter på jorden? En soleruption resulterar i partiklar och strålning. Strålningen kan vara farlig för oskyddade astronauter i rymden, och även påverka när den når jorden. Strålning gör att atmosfären i högre grad blir joniserad, d v s uppdelad i positiva joner och negativa elektroner. Detta gör att absorbtionen av kortvågsradiostrålning ökar. Partiklarna från eruptionerna eller utkastningarna har stor betydelse för rymdstormarna. Fler partiklar mot jorden betyder att fler partiklar så småningom kommer in i jordens magnetosfär. Om solvindens magnetfält är starkare, kan det också ha betydelse, eftersom partiklar accelereras av s k reconnection mellan jordens och solvindens magnetfält på jordens dagsida. Detta sker om magnetfälten är motsatt riktade eftersom jordens magnetfält alltid är riktat mot norr, sker det alltså om solvindens magnetfält är (delvis) riktat åt söder eftersom de då kan smälta samman (förenklat: Som när man för två magneter mot varandra). Den magnetiska energi som då frigörs används för att accelera partiklar runt magnetosfären och så småningom in i den (se figur 3). Den ökade partikeltätheten drabbar geostationära satelliter, som kan uppleva fantomkommandon eller t o m kortslutningar. Detta eftersom elektroner laddar upp satelliterna så att en likadan ström som skulle flyta ifall operatören på marken skulle skicka ett kommando, flyter ändå. (Anledningen till att fler elektroner än protoner/positiva joner träffar satelliterna är att elektronerna har mindre massa och följaktligen högre hastighet för samma rörelseenergi. Med högre hastighet är sannolikheten större att en elektron ska träffa satelliten än en proton.) Den ökande mängden partiklar innebär också en starkare ringström. Då blir magnetfältet som skapas av strömmen större, och jordens magnetfält, som ju var motsatt riktat ringströmmens, blir mindre. En förändring i jordens magnetfält inducerar en ström som ska motverka förändringen, en s k geomagnetiskt inducerad ström (eng. Geomagnetic Induced Current, GIC). Denna ström kan färdas genom ledningar eller pipelines (som då skadas om de inte är tillräckligt isolerade). Kraftledningar transporterar växelström GIC är likström. Transformatorer fungerar bara med växelström och kan bli överhettade vid rymdstormar. Ringströmmens storlek och jordens magnetfälts storlek relativt normala omständigheter är alltså intressant för att mäta eventuella störningar i elnät. Därför finns det ett index för detta Disturbance storm, D st. D st är i princip medelvärdet av det geomagnetiska fältets styrka på några olika mätstationer utmed ekvatorn. Eftersom jordens magnetfält minskar vid en rymdstorm, är D st då negativt. Ju lägre värde D st har, desto större storm. 5

6 Figur 6 D st -index från 1957 till Y axelns enhet är nanotesla (nt). Värden under linjen vid -200 nt tyder på geomagnetiska stormar. Notera också hur värdet varierar med elvaårscykler precis som solen. Det extrema värdet vid 1989 är stormen mars som slog ut elnätet i Quebec. Data från WDC Kyoto, plottad med gnuplot. Det är intressant att kunna förutsäga stormar så att man kan stänga av satelliter etc. Tyvärr är det också svårt. En soleruption märker man av den ökade strålningen ca 8 minuter efter att den skett, men det behöver inte betyda att en koronamassutkastning har skett eller att extra mycket plasma är på väg mot jorden. Detta märker man först vid satelliten ACE, utplacerad mellan solen och jorden ungefär så långt bort att det tar solvinden en timme att nå jorden, och detta kan vara ännu kortare tid om en storm är på väg eftersom partiklarna då har högre hastighet. Man får alltså inte särskilt mycket förvarning innan stormen kommer. Samtidigt skulle en satellit närmare solen ge mindre exakta rapporter. Solvindsmagnetfältets nord-sydliga komposant kan ändra riktning på vägen och hastigheten kan ändras. Det är alltså en avvägning mellan tid och tillförlitlighet (dessutom ligger punkten som ACE kretsar runt, L1, så till att jordens och solens dragningskraft är lika stor på satelliten, så det behövs inte mycket bränsle för att ligga kvar där). Bra vore det om man kunde förutsäga eruptionerna och massutkastningarna på solen innan de sker där. 6

7 Syfte Det här projektet går ut på att undersöka effekterna av en storm som inträffade 24/10 till 4/11 hösten Stormen innehöll flera mycket kraftiga soleruptioner bl a den kraftigaste sedan mätningarna av röntgenstrålning i rymden började! och koronamassutkastningar. Däremot var solvindens och jordens magnetfält inte motsatt riktade särskilt lång tid, vilket antagligen minskade konsekvenserna på jorden. Det är intressant att veta hur rymdvädret påverkar livet på jorden. Syftet med projektet är därför att ta reda på så många effekter som möjligt, men att begränsa det hela till Sverige för att försöka få en mer komplett bild av händelsen. Metod Undersökningen började med att leta i olika tidningars arkiv efter rapporter om störningar som kan ha varit orsakade av solstormen. När jag hittat något som verkade lovande, följde jag upp detta spår genom att kontakta någon på det berörda företaget eller myndigheten för att dels bekräfta störningen och helst också fylla på med mer infomation. Mediearkivet 2 var en bra källa att leta tidningsartiklar. Här kunde man söka på störning, avbrott etc inom ett rimligt tidsintervall ( till ) och få upp alla artiklar som kan ha något med saken att göra. De flesta artiklar höll dock ganska låg vetenskaplig nivå och gav inte särskilt mycket. En annan metod som användes var att ta fram en lista med olika företag inom olika branscher som kan ha drabbats av rymdstormarna och kontakta dessa med e-post. Efter någon vecka upprepade jag frågan om jag inte fått något livstecken från företaget. Totalt kontaktades Sydkraft, Teracom, Sveriges Radio, SAS, Tele2, Vodafone, Telia, Sveriges SändarAmatörer, Borås Energi, SMHI, Barsebäck kärnkraftverk (som sedan ledde vidare till Oskarshamn kärnkraftverk), Fortum (som ledde vidare till Nova naturgas AB) och Luftfartsverket. Resultat Elnätet Klockan / kopplades en 130 kv-ledning bort av ett reläskydd. Ledningen matade delar av Malmö och ca kunder blev spänningslösa (vid tillfället utfördes arbeten i nätet, vilket gjorde att nätet var onormalt kopplat och fler kunder än normalt drabbades). Alla hade återfått spänningen efter 50 minuter, de flesta efter På kärnkraftverket i Oskarshamn utsattes aggregattransformator T2 för höga geomagnetiskt inducerade strömmar med höga lokala temperaturer som följd. Solstormar genererade störningar vid flera tillfällen kl / , kl / till ca / (se figur 7) samt på kvällen den 30/ uppmättes geomagnetisk inducerade strömmar i T2. Högsta registrerade strömmen var 254 A. 4 7

8 Figur 7 Geomagnetisk inducerad ström i transformatorn T2 i Oskarshamn 29/ Den svarta grafen är den inducerade strömmen. Notera utslagen vid och och framåt. Plot från OKG AB. Andra effekter på elnätet inkluderar frånkopplade transformatorer i Lindbacka (Örebro), Kimstad, Midskog, Långå, Filipstad, Kalhyttan och Baggetorp. Ledningarna mellan Boden-Svartbyn (130 kv), KVT-HEÖ (400 kv) och Sverige-Polen-länken blev också bortkopplade. 4 Under samma tidsperiod inträffade även ett strömavbrott i Borås, men analysen efter avbrottet gav att avbrottet orsakades av ett fel i Vattenfalls reläskydd för den matande linjen 5 och alltså inte orsakades av någon geomagnetisk storm. Satelliter Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut har inte märkt av några störningar i sin verksamhet under solstormarna. 6 Flygtrafiken Luftfartsverket rapporterade vissa störningar på sina radarstationer. Falska ekon dök upp men störde inte verksamheten nämnvärt, då de försvann igen efter 1-2 radarvarv. En radarstation blev visserligen vid en annan solstorm den 18/ , d v s två veckor senare överbelastad av alla radarsignaler den tog emot och blev nedtagen mellan kl och (UTC). Vissa procedurer för flygtrafikledning fick justeras om, vilket man redan förberett för. 7 8

9 I södra Tyskland ställdes vissa flygningar in, eftersom Deutsche Flugsicherungs radaroch kommunikationsutrustning drabbades av solstormen. 8 Radiokommunikation Radioamatörer söder om Alperna utnyttjade stormen för att upprätta förbindelser på våglängden 144 MHz. Antagligen omöjligt att kommunicera med radiosignaler mellan 3 MHz till 30 MHz. 9 Mobiltelefoni Det enda svaret från mobiltelefonibranschen lyder: Inte så vitt jag vet 10. Diskussion Figur 8 Det geomagnetiska fältet 30/ uppmätt i Kiruna. Enheten är 10-8 T. Det intressanta är X- komposanten (med två tydliga nedgångar) som är det som påverkas av ringströmmen. Notera nedgången vid UTC. Strömavbrottet i Malmö är den mest märkbara effekten av rymdstormen. Detta inträffade 30/ kl Sannolikt är tiden i lokal svensk tid (UTC +1). Isåfall skulle detta klockslag bli UTC och sammanfalla precis med den kraftiga nedgången i magnetogrammet från Kiruna (figur 8)! Avbrottet är då högst troligt orsakat att geomagnetisk inducerad ström som är inducerad av just minskningar av det geomagnetiska fältet. 9

10 Vidare till de falska ekona som dök upp på radar hos Luftfartsverket. Dessa är troligen orsakade av den strålning som sänds ut i samband med soleruptioner. Se figur 9 för ett mycket tydligt samband: Radarstationen slogs ut precis efter en kraftig ökning av röntgenstrålning. (Radar och röntgen är ju helt olika våglängder, men vid en soleruption sänds det ut strålning från hela det elektromagnetiska spektrat, och alla dessa vågor förflyttar sig med ljusets hastighet. Om radarvågor sändes ut, skulle de alltså ha nått GOES vid denna tidpunkt, och det finns anledning att tro att radar sändes ut.) Figur 9 Röntgenstrålning på GOES-satelliten runt 18/ Varje kraftig uppgång tyder på en soleruption och vi ser den kraftigaste uppgången precis efter kl 8 UTC den 18 november samtidigt som luftfartsverkets radar tog emot för många signaler och slogs ut. Plot från Space Environment Center, Boulder, CO, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), US Dept. of Commerce. Radioamatörerna hade inte så mycket exakt information att ge. Däremot bekräftades att de blev påverkade av stormen. När elektrontätheten ökar i jonosfären, absorberas vågor med lägre frekvens (3 MHz till 30 MHz, t ex) som i vanliga fall skulle reflekteras mer och vågor med högre frekvens, som i vanliga fall skulle gå igenom jonosfären, kan reflekteras. Det hela förskjuts. 10

11 Figur 10 Absorbtion av frekvensen 38,2 MHz i Kilpisjärvi 30/ Notera de höga värdena mitt på dagen och spiken vid kl 20 UTC. Plot från Imaging Riometer for Ionospheric Studies (IRIS), Department of Communications Systems, Lancaster University (UK) i samarbete med Sodankylä Geofysiska observatorium, finansierat av the Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC). I figur 10 ser vi absorbtionen som en funktion av tiden den 30/ Vi ser för det första att sändaramatörerna har rätt när de säger att de hade störningar: Absorbtionen är helt klart högre än normalt. Notera också det plötsliga höga värdet vid kl 20 UTC, samtidigt som vi märkte av en plötslig sänkning av nord-sydriktade magnetfältet i Kiruna. Kan det vara så att strömmar har börjat flyta i jonosfären som skapar magnetfält som inducerar strömmar på jorden? Trots att jag försökt att få en så komplett bild av effekterna som möjligt genom att kontakta alla olika branscher som möjligtvis kan ha blivit drabbade, har bevakningen ändå inte blivit så fullständig som man kunde önska. Flera personer har inte svarat, och vi vet t ex alltså inte om det har inducerats någon ström i gasledningar i södra Sverige eller inte. Två av tre tillfrågade av mobiltelefonbolagen har heller inte hört av sig. Likadant med flera andra. Kanske vet man helt enkelt inte hur det är. Någon anställd rymdfysiker som håller koll på solstormar är det nog inte särskilt många företag som har, men bara att registrera en störning i sig kan vara svårt nog. Först måste en kund reagera på att något inte fungerar som det ska, sedan ska kunden kontakta företaget och till sist måste företaget skriva ned händelsen och dokumentera den ordentligt. 11

12 Om händelsen legat närmare i tiden hade det nog också varit lättare att hitta effekter. Människor hade kommit ihåg bättre vad som verkligen hänt. Å andra sidan hade man isåfall inte haft lika mycket data runt omkring att jämföra med. Det bästa hade kanske varit att samla in rapporter om störningar direkt efter händelsen för att sedan vänta in vetenskapliga analyser av stormen. Slutord Tack till min handledare Stephan Buchert för idéer och synpunkter. Också tack till Håkan Swahn på OKG för all information. Alla vetenskapliga projekt jorden runt som delar med sig av sina data ska även de ha stort tack. Litteratur Freeman, John W., Storms in Space, Cambridge Univerity Press, Cambride, 2001 Fälthammar, C.-G., Rymdfysik. Stockholm, 1990 Cowley, S. W. H., The Earth s Magnetosphere, Eos, Trans. AGU, 19 dec, 1995 Tsuratani, Bruce T. och Gonzales, Walter D., Magnetic Storms, Eos, Trans. AGU, 1 feb, 1994 Joselyn, Jo Ann, The Human Impact of Solar Flares and magnetic Storms, Eos, Trans. AGU, 18 feb, 1992 Goldstein, B. E., The Solar Wind, Eos, Trans. AGU, 18 maj, 1993 Windows to the Universe team, Windows to the Universe, Geological Survey of Canada, Effects on Technology/Geomagnetic Hazards, Referenser 1 SOHO/LASCO-data är framtaget av ett konsortium bestående av Naval Research Laboratory (USA), Max-Planck-Institut für Aeronomie (Tyskland), Laboratoire d'astronomie (France), och University of Birmingham (UK). SOHO är ett internationellt samarbetsprojekt mellan ESA och NASA Kontakt Gunnar Ridell, Sydkraft Nät AB 4 Kontakt Håkan Swahn, specialist OKG AB 5 Kontakt Bertil Thilander, Borås Energi Nät AB 6 Kontakt Weine Josefsson, SMHI 7 Kontakt Pär Oberger, Luftfartsverket 8 Sonnensturm verursacht Störungen, Deutsche Flugsicherung, pressmeddelande , presse_archiv_2003/sonnensturm_verursacht_stoerungen_29_oktober_2003/index.html 9 Kontakt Jonas Ytterman, Sveriges SändareAmatörer 10 Kontakt Karl-Johan Nybell, Tele2 12