Kako pa pridemo do spreminjajočega se magnetnega polja? Tokovodnik lahko miruje, magnetno polje v njegovi okolici pa se spreminja (na primer premikamo magnet). Lahko je tudi obratno: magnet miruje, tokovodnik pa premikamo. Kako velike so inducirane napetosti, je odvisno od hitrosti spreminjanja magnetnega polja. To lahko prevedemo v odvisnost od hitrosti premikanja tokovodnika, v odvisnost o dolžini tokovodnika in na odvisnost o magnetni indukciji (gostoti magnetnega polja).

Kaj je lahko tokovodnik? To je lahko ovoj bakrene žice v transformatorju ali generatorju. Tu govorimo o elektromagnetni indukciji znotraj strojev, kot so na primer generatorji ali transformatorji. Kaj pa če pogledamo v »globalne« dimenzije? Tokovodnik je lahko naftovod, dolg več tisoč kilometrov, ali elektroenergetski daljnovod, dolg več sto kilometrov. To je lahko tudi železniška proga. Da bi se v tako dolgih »tokovodnikih« inducirala napetost, potrebujemo magnetna polja vesoljskih razsežnosti. Ali se to lahko zgodi?

Solarna aktivnost

Od trenutka, ko je Galilej skozi svoj teleskop pogledal v Sonce in na njegovi površini videl pege, je minilo skoraj štiristo let. Sredi devetnajstega stoletja so znanstveniki ugotovili, da se število peg na Soncu povečuje in zmanjšuje v ciklih, dolgih približno enajst let. S podrobnim študijem starih zapiskov so nato določili cikle za nazaj, vse do prvih opazovanj v sedemnajstem stoletju. Kljub temu so za »prvi« cikel izbrali solarno aktivnost med letoma 1755–1766. Od takrat pa do danes je za nami že 23 ciklov. Ravno zdaj smo sredi 24. Astronomi vseskozi budno spremljajo solarno aktivnost, potekajo tudi številni projekti, med katerimi je Sonce opazovano tako iz Zemlje kakor tudi iz satelitov v vesolju.

Solarna aktivnost ni enako močna pri vseh solarnih ciklih. V zgodovini je zapisano, da je bila ta aktivnost komajda zaznavna (med letoma 1645 in 1715), zgodilo pa se je tudi tako, da aktivnost skorajda ni pojenjala do naslednjega cikla (med letoma 1784 in 1799).

V solarno aktivnost sodijo tudi izbruhi velike količine snovi v vesolje. Takšni izbruhi (korone) so lepo vidni med popolnim sončnim mrkom. Izstreljeno snov sestavljajo vroči, ionizirani delci snovi. Oblak snovi nato potuje po vesolju, nosi ga solarni veter s hitrostjo približno 2000 km/s. Po izbruhu s površine Sonca takšen oblak potuje naprej po vesolju in se širi. Da bi prepotoval pot od Sonca do Zemlje, potrebuje približno tri do štiri dni. Ko takšen oblak enkrat doseže Zemljo, je Zemlja vplivu oblaka lahko izpostavljena več ur.

Ko takšen oblak pride do atmosfere, je to opazno po nastanku polarnega sija. Prvi je povezavo med izbruhi na Soncu in polarnim sijem opazil Richard Carrington. Leta 1859 je opazil zelo močan izbruh, toda v tem primeru se je to na Zemlji poznalo že po sedemnajstih urah. Zaradi izrazito močne solarne aktivnosti, kakršna ni bila ugotovljena nikoli prej ali pozneje, so ta dogodek poimenovali solarna supernevihta. Če se spomnimo v začetku omenjene elektromagnetne indukcije, je že iz podatka o času prihoda nevihtnega oblaka do Zemlje (sedemnajst ur v primerjavi s štirimi dnevi) mogoče slutiti, da bo vpliv solarne nevihte močan.

Na prvi konkreten dokaz takšne solarne aktivnosti je bilo treba počakati do leta 1959, ko je Sovjetska zveza izstrelila satelit Luna 1 z merilno opremo, ki je dokazala obstoj solarnega vetra. Dokaj močna aktivnost je zaznana še v ciklih leta 1921 in 1989. Upoštevaje doslej najmočnejšo zaznano aktivnost leta 1859 bi lahko sklepali, da se cikel izrazito močne aktivnosti ponavlja na sedemdeset let. Vse kaže, da bo tudi cikel, ki trenutno poteka, eden močnejših.

Solarna nevihta – geomagnetna nevihta

Med velikimi eksplozijami na Soncu so lahko v vesolje izstreljene velike količine ionizirane snovi. Oblak ionov v gibanju dejansko predstavlja električni tok. Električni tok vedno ustvari magnetno polje. Oblak ionizirane snovi lahko pri poti skozi vesolje zapljuskne tudi Zemljo. V zgornjih plasteh atmosfere pride do močnega vpliva na magnetosfero, naravni Zemljin magnetni ščit. Ta vpliv se lahko pokaže na več načinov. Tisto, kar je na Zemlji vidno od nastanka sveta, je polarni sij.

Če zaradi močne solarne nevihte na Zemlji nastane motnja v magnetnem polju, je to potem geomagnetna nevihta. Magnetno polje Zemlje bi lahko bilo izrazito moteno in bi lahko prišlo do močnega nihanja zemeljskega magnetnega polja. Posledica naj bi bilo to, da bi polarni sij lahko videli tudi daleč od tečaja proti ekvatorju. Med že omenjeno nevihto leta 1859 je bil polarni sij viden celo na Kubi in Havajih. Na severovzhodnem delu ZDA je bil polarni sij tako močan, da je bilo ob njem mogoče brati časopis.

V zadnjih nekaj desetletjih za najmočnejšo geomagnetno nevihto velja tista, ki je bila leta 1989. Za tisto leta 1921 pravijo, da je bila desetkrat močnejša. Za tisto leta 1859 pa, da je za polovico močnejša od tiste leta 1921. Kako se bo končal trenutno aktiven cikel, bomo šele videli.

Velike kovinske strukture in geomagnetne nevihte

Zemlja je v novejši zgodovini prepredena z velikimi kovinskimi strukturami, kot so na primer železniške proge, daljnovodi, kabelske povezave, naftovodi, plinovodi … Nekateri od teh objektov (na primer daljnovodi) lahko v dolžino neprekinjeno merijo več sto ali več tisoč kilometrov. O velikih (predvsem dolgih) kovinskih strukturah v zgodovini ne moremo kaj dosti povedati, kajti zgodovina tehnike (železnice, telegrafov, naftovodov, daljnovodov …) sega v zgodovino prej desetletja kot stoletja.

Če dolg daljnovod opazujemo kot tokovodnik, lahko pričakujemo, da bo spremenljivo magnetno polje, ki je nastalo zaradi geomagnetne nevihte, induciralo v takem daljnovodu napetost. Kako velika bi ta napetost lahko bila, je odvisno od več dejavnikov. Lahko pričakujemo tudi, da bi inducirana napetost imela vpliv na električne naprave.

Še pred slabim stoletjem so bile električne naprave, ki so bile v uporabi, po številu in kompleksnosti zanemarljive v primerjavi z napravami, ki jih uporabljamo danes. Še več, mirno lahko povemo, da pred dvema stoletjema ni bilo praktično nobenih dolgih kovinskih struktur. Te so se (najprej v obliki telegrafskih povezav in železnic) začele pojavljati šele sredi devetnajstega stoletja. Zato tudi če bi bil vpliv geomagnetnih neviht na električne naprave (lahko) izrazit, tega pravzaprav ne bi opazili, ker (preprosto povedano) električnih naprav ni bilo.

Omenili smo geomagnetne nevihte v letih 1859, 1921 in 1989. Njihov vpliv na električne instalacije je ostal zapisan, v najslabšem primeru kot časopisna novica. Med geomagnetno nevihto, ki se je začela 1. septembra 1859, so uporabniki telegrafa v Evropi in ZDA opazili, da se jim naprave kvarijo. Na stebrih telegrafskih napeljav je bilo vidno iskrenje. V nekaterih telegrafih se je vnel papirnati trak. Ponekod so telegrafisti odklopili baterije in vso instalacijo ozemljili, a so kljub temu (brez baterijskega napajanja) lahko še naprej sprejemali in oddajali poročila.

Pred geomagnetno nevihto, ki je potekala od 13. do 15. maja 1921, so bile na Soncu s prostim očesom (seveda skozi zatemnjeno steklo) vidne temne pege. Pega je bila dolga več kot 150 tisoč kilometrov. Trinajstega maja je bila vidna sredi sončevega diska, na legi, ki je bila kot nalašč za izstrelitev oblaka proti Zemlji. Med trajanjem geomagnetne nevihte so prenehale delovati številne telegrafske povezave. V podzemni železnici v New Yorku je prišlo do požara, za katerega so že takrat ocenili, da je posledica sončne aktivnosti. Na Švedskem je zagorela telefonska centrala. V vsej Evropi so bile motene telefonske in telegrafske povezave. Polarni sij je bil viden tudi nad Kalifornijo, kjer je bil v Pasadeni sij točno v zenitu.

Med geomagnetno nevihto leta 1989 je bil lepo viden učinek močnih magnetnih polj. Solarna nevihta se je začela 10. marca. Tri dni pozneje je bil polarni sij viden daleč od tečaja, tudi na Floridi in Kubi. Trinajstega marca ob 2:45 je vpliv induciranih tokov povzročil izpad delovanja elektroenergetskega sistema Hydro-Quebec. Zaščitni sistemi niso mogli preprečiti izpada delovanja in omrežje je v trenutku ostalo brez 9,5 GW moči. Bil je hladen zimski dan, v katerega se je šest milijonov ljudi zbudilo brez električne energije. Ljudje so obtičali v dvigalih, temnih pisarnah in domovih. Prometna signalizacija ni delovala. Težave so čutili tudi v elektroenergetskem omrežju na severovzhodu ZDA. Na področju Severne Amerike in Evrope je zgorelo več visokonapetostnih elektroenergetskih transformatorjev, katerih vrednost lahko štejemo v milijonih evrov. O strošku, ki je nastal zaradi izpada delovanja transformatorjev, si lahko samo mislimo.

Kot pravijo strokovnjaki, kot posledica vsake povečane solarne aktivnosti v ZDA in Kanadi nastane v elektroenergetskem sistemu za približno sto milijonov ameriških dolarjev škode.

Vpliv geomagnetne nevihte

Če se bo med geomagnetno nevihto v dolgih kovinskih strukturah inducirala napetost, lahko pričakujemo, da se bo to kot motnja najbolj poznalo pri delovanju elektroenergetskih sistemov. Takšni sistemi med supernevihto leta 1859 pravzaprav sploh še niso obstajali. Med nevihto leta 1921 jih je že nekaj bilo, a je to neprimerljivo malo z razsežnostmi sistemov, ki jih uporabljamo danes.

Predvidimo, da se bo med tokratno povečano solarno aktivnostjo res pojavila solarna supernevihta, ki bo »izstrelila« ogromen oblak proti Zemlji. Predpostavimo, da bo za solarno supernevihto, bodisi čez nekaj ur ali čez nekaj dni, na Zemlji nastala geomagnetna nevihta. Pravzaprav ne zna nihče natančno napovedati, kakšne bodo njene posledice.

Načela vodenja in zaščite elektroenergetskega sistema nastajajo na temelju izkušenj. Nihče nima kristalne krogle, ki bi znala povedati »če bo to, potem bo ono«. Zato strokovnjaki s pridom zbirajo izkušnje in zapisujejo dogodke. Ko se kaj nepojasnjenega zgodi, skušajo iz številnih rezultatov meritev dognati kaj, kje in zakaj se je zgodilo. Nato v sistem vpeljejo dodatna pravila in zaščitne ukrepe, da se kaj takega ne bi spet zgodilo.

Glede na izkušnje, ki jih pravzaprav nimamo, ne znamo natančno napovedati, kakšne bi lahko bile posledice geomagnetne nevihte na elektroenergetske sisteme. Napovedi se gibljejo od odmahovanja z roko do najbolj črnih scenarijev.
Poleg zgoraj opisanih vplivov na elektroenergetske instalacije je znan vpliv geomagnetnih neviht na telekomunikacije. Radijske povezave se prekinjajo, pojavljajo se motnje, nastanejo težave pri sprejemu signalov … V ta nabor sodi tudi sprejem signalov sistema GPS.

V začetku letošnjega marca so nekatera letalska podjetja za polete na relacijah Evropa–Amerika prenehala leteti čez severni tečaj, ker so pričakovala težave z radijskimi komunikacijami.

Izkušnje kažejo, da zaradi solarnih neviht pride do izpada delovanja satelitskih komunikacij, do okvar na satelitih in celo do popolne izgube satelitov. Med solarno nevihto je sevanje s Sonca izrazito povečano. Ena od misij vesoljnega plovila Space shuttle je bila zaradi zaščite vesoljcev prekinjena predčasno. V drugi so se vesoljci v satelitu skrili v najbolj globoki kotiček satelita in tam počakali, da solarna nevihta mine.

Če bi po naključju vesoljce med sprehodom po Luni zapljusknil val solarne nevihte, bi najbrž umrli isti hip. Vesoljci v vesoljskih plovilih lahko prejmejo odmerek sevanja, ki bi ga sicer prejeli med celoletnim bivanjem v vesolju. K sreči nas Zemljino magnetno polje brani pred škodljivimi vplivi sevanja zaradi solarne dejavnosti. Še več, na Zemlji lahko mirno povemo, da solarne in geomagnetne nevihte nimajo vpliva na ljudi, ampak samo na tehniko.

Črni scenarij

Visokonapetostni (več stokilovoltni) daljnovodi, po katerih se pretaka velika količina energije, so lahko dolgi mnogo kilometrov. Zaradi geomagnetnih neviht bi se v njih lahko inducirala tako visoka napetost, ki bi poškodovala visokonapetostne instalacije. Posebej občutljivi na zelo visoke napetosti so energetski transformatorji. V elektrarnah imamo običajno po enega ali dva takšna transformatorja. Če je takšen transformator poškodovan, običajno v elektrarni ni rezervnega.

Posledica tega je, da bi ostali brez večine električne energije. Dandanes si brez električne energije ne znamo predstavljati življenja. Pravzaprav bi se brez električne energije življenje skorajda ustavilo: ne bi bilo prevoza, ogrevanja, telekomunikacij, ustavile bi se tovarne … Kmalu bi lahko začelo primanjkovati hrane, vode, zdravil … V najslabšem primeru bi lahko bilo hudo ogroženo delovanje in življenje na velikih področjih na Zemlji.

Visokonapetostni elektroenergetski transformatorji so običajno unikatni in se delajo po naročilu, za znanega kupca in znano mesto uporabe. Čakalna doba za izdelavo takšnega transformatorja je merljiva prej v letih kot mesecih. Zato lahko pričakujemo, da bi v primeru poškodovanja večjega števila močnostnih visokonapetostnih transformatorjev za ponovno vzpostavitev prejšnjega stanja potrebovali vsaj nekaj let.

Večji je elektroenergetski objekt, bolj je lahko občutljiv na geomagnetno nevihto. Velike elektrarne so priključene na dolge visokonapetostne daljnovode prek visokonapetostnih energetskih transformatorjev. Vsaka elektrarna je vozlišče, v katerega steče tok, ki je induciran zaradi geomagnetne nevihte.

Od vseh elektrarn bi lahko bile še posebej na udaru nuklearne. Teh je na vsem svetu zdaj približno štiristo. Med delovanjem je vsaka elektrarna priključena na visokonapetostno elektroenergetsko omrežje. Toda nuklearna elektrarna potrebuje električno energijo tudi za ustavljanje. Pri nesreči v Fukušimi so pri reševanju situacije čutili pomanjkanje električne energije, ki so ga le s težavo razrešili. Treba se je zavedati, da se v reaktorju elektrarne razvija velika količina toplote. Elektrarna ima veliko toplotno vztrajnost in je zato ni mogoče ustaviti v nekaj sekundah kot na primer hidroelektrarno. Zato nuklearna elektrarna potrebuje električno energijo za hlajenje. Če ta energija ni na voljo prek daljnovodov, jo potem v nuklearnih elektrarnah zagotavljajo s pomožnimi agregati.

Ravno dogodki v Fukušimi so usmerili pozornost strokovnjakov na možnost popolnoma avtonomnega delovanja nuklearne elektrarne (brez zunanjega napajanja). Številne nuklearne elektrarne po vsem svetu so na temelju dognanj iz Fukušime dopolnile svoja pravila obratovanja in načela delovanja zaščitnih mehanizmov.

Geomagnetna nevihta 2012/13 – bo ali ne bo?

Obdobja povečane solarne aktivnosti se ponavljajo na približno vsakih enajst let. Toda do močnega izbruha ionizirane snovi s površine Sonca v vesolje lahko pride kadar koli, tudi takrat, ko je »mirno obdobje«. Res pa je, da je med povečano aktivnostjo večja možnost nastanka velikih solarnih in nato tudi geomagnetnih neviht.

Sonce lahko oblak izbruhne v kateri koli smeri. Ni rečeno, da bo ta oblak usmerjen točno proti Zemlji. Toda tudi če se to zgodi, ni mogoče zagotovo napovedati, kateri del Zemljine oble bo geomagnetna nevihta prizadela. Morda bo ravno Evropo, morda tudi ne …

Strokovnjaki opozarjajo, da bi upravitelji elektroenergetskih sistemov na pojav geomagnetne nevihte morali biti pripravljeni. Toda kako? V kolikšni meri? S katerimi ukrepi? Predlogi nihajo od »popolna izključitev in ozemljitev elektroenergetskega sistema med geomagnetno nevihto«, prek različnih predlaganih dodatnih zaščitnih ukrepov do predloga »prav nobeni ukrepi niso potrebni«.

Res je, da živimo dokaj daleč od severnega tečaja. Res je tudi, da pri nas ni dolgih daljnovodov (noben ni daljši od stotih kilometrov) ali več sto ali več tisoč kilometrov drugih kovinskih struktur (plinovodov, naftovodov …). Zato lahko pričakujemo, da se tudi v primeru še tako močne solarne nevihte pri nas to ne bo kaj prida poznalo. Na drugi strani pa ne smemo pozabiti, da so naše tovrstne instalacije del svetovnih sistemov.

Morda bi bilo še najlepše, če bi tudi mi lahko iz svojih domov opazovali polarni sij. Da bi v živo, na našem nebeškem odru, videli predstavo aurora borealis. In naj od solarne nevihte ne bi bilo nič več kot to …

Moj mikro, maj 2012 | Zlatko Matič