”100-årsregn” med koppling till EMC

I takt med samhällets ökande beroende av kontinuerlig elkraft så skulle därför nya skyddstekniker mot effekter av geomagnetiska stormar kunna vara ett framtidsområde även för EMC-experter.

Begreppet ”100-årsregn” . har blivit aktuellt sedan ett antal översvämningar, orsakade av kraftiga skyfall inträffade under 2021. Med 100-årsregn menar vi ett regn som är mycket kraftigt och som i genomsnitt anses inträffa någon gång cirka var 100:e år. Just i år, 2021, är det exakt 100 år sedan ett annat naturfenomen inträffade med en kraft som inte setts sedan dess. Det handlar om en så kallad geomagnetisk storm som inträffade 1921 och som orsakade skador på infrastruktur och byggnader i flera länder. Bakgrunden till fenomenet är den aktivitet som ständigt pågår på solen och som i sin tur kan påverka infrastruktur på jorden.

Solen får av och till mycket kraftiga energiutbrott som består av strålning eller laddade partiklar. Utbrotten kallas ofta för solstormar. Utbrotten av laddade partiklar benämns även koronamassutkastningar och består av plasma från solens corona. När dessa laddade partiklar når jorden kan de orsaka det vi kallar geomagnetiska stormar. Norrsken är en produkt av sådana utkast av laddade partiklar som påverkar jonosfären. På grund av orienteringen av jordens eget magnetfält så sugs dessa partiklar in vid nord- och sydpolen, vilket förklarar varför norrsken uppträder vid polerna. Eftersom fenomenet uppträder vid båda polerna så talar man därför ibland hellre om polarsken som samlingsnamn, eller om sydsken för Sydpolen.

 

Solens aktivitet kan följas genom antalet solfläckar på solens yta, där högre antal solfläckar indikerar en ökad aktivitet. Antalet solfläckar varierar cykliskt med en periodicitet på 9-14 år och med ett medelvärde på cirka 11 år. Man har observerat och räknat solfläckar sedan 1755 och därifrån räknar man den första solfläckscykeln som nummer 1. Solfläckscykel 24 hade sitt maximum år 2014 med 114 solfläckar. Cykel 25 beräknas av NASA nå sitt maximum i juli 2025 och beräknas ha 115 solfläckar. Medelvärdet för antalet solfläckar är 179 så cykel 24 och 25 tillhör därmed perioder med svagare solaktivitet än genomsnittet. 1989 uppstod en kraftigare geomagnetisk storm som bland annat orsakade störningar på elnätet i Kanada. Den inträffade under solfläckscykel 22 som hade 212 solfläckar som mest.

 

Solstormar som riktas mot jorden kan påverka och störa radiovågor och satellitsignaler som antingen ska studsa mot jonosfären eller passera igenom. Även kommunikation för luftfart kan påverkas. En kraftig geomagnetisk storm som den 1921 påverkar kritisk infrastruktur genom inducerade strömmar och spänningar och gnistbildning som i sin tur kan orsaka bränder. Strömmarna som bildas av det elektriska fältet kan orsaka störningar i bland annat elnätet, i signalsystem och elförsörjning för tågtrafik samt orsaka korrosion i rörledningar.

 

Den kraftigaste geomagnetiska stormen i modern tid inträffade år 1859. Den kallas ibland för Carrington-händelsen efter en av de astronomer (Richard Carrington) som observerade och dokumenterade den. Vid detta tillfälle kunde norrsken ses så långt söder ut som i Karibien och Rom. Över Klippiga bergen var norrskenen så starka att gruvarbetare gick upp på natten och började laga frukost eftersom de trodde det var morgon. I nordöstra USA kunde de som var vakna läsa tidningen mitt i natten i det starka skenet. Även fåglar blev förvirrade av det starka ljuset och började kvittra på natten.  i USA och Europa slutade fungera och telegrafoperatörer kunde få elektriska stötar när de telegraferade. Papper för utskrift av telegrafimeddelanden kunde börja brinna spontant. Vid tidpunkten pågick en snabb utbyggnad av telegrafilinjer i världen och idag refereras det nätet ibland till det Viktorianska internet. Att den geomagnetiska stormen påverkade denna nya revolutionerande infrastruktur för kommunikation över långa avstånd så märkbart, blev förstås en överraskande upptäckt.

 

År 1921 inträffade en ny kraftig geomagnetisk storm. Då hade infrastruktur för elnät, järnväg och telefoni byggts ut i betydligt större utsträckning än vad som var fallet 1859. Konsekvenserna av denna geomagnetiska storm är väl beskriven i exempelvis [1]. Flera bränder inträffade i New York, bland annat i kontrolltornet för järnvägstrafik nära Grand Central Station. Järnvägsnätet påverkades i hela delstaten New York och stormen kom därför även att kallas “New York Railroad Superstorm”. I Brewster, cirka 80 norr om New York City, uppstod gnistbildning i en växelstation för Central New England Railroad, vilket i sin tur ledde till brand där hela byggnaden brand ned. Elektrisk utrustning längs långa järnvägs- och telegraflinjer i norra USA och Kanada förstördes av de inducerade spänningarna.

 

Telegrafväxlar skadades i flera länder såsom Australien, Brasilien, Danmark, Sverige, Norge, Frankrike, Japan, Nya Zeeland och Storbritannien. Detta innebar att kommunikationen försvann helt i stora områden i flera länder. I Karlstad började en telegrafstation att brinna efter gnistbildning i utrustningen. Liknande problem uppstod i en station i Ånge. I hela södra halvan av Sverige rapporterades olika störningar i el- och telefonnät. En senare analys visade att den lokala elektriska fältstyrkan nådde nivåer upp till ca 10 kV/m och orsakade inducerade spänningar på upp till 1 kV i telefonledningar i närheten av Karlstad [1].

 

Vad kan man då göra för att förebygga skador av kraftiga geomagnetiska stormar? En huvudåtgärd är att få så tidig förvarning som möjligt när geomagnetiska stormar är på gång. Idag finns därför övervakningssystem som ska varna så tidigt som möjligt när sådana är på gång. Löpande uppdateringar av rymdväder görs av Space Weather Prediction Center på National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) och man kan följa rymdvädersprognoser på deras hemsida. Ett koronamassutkast tar 1 – 5 dagar att nå jorden varför det finns den tiden att vidta nödåtgärder från det att ett utkast observerats på solen. Förebyggande åtgärder mot skador handlar ofta om olika typer av redundans i exempelvis elnätet samt funktioner som medger att snabbt kunna stänga ned och koppla ifrån delar när en stark geomagnetisk storm är på väg. Transformatorer har visat sig vara känsliga för geomagnetiska stormar varför åtgärder för att skydda sådana har hög prioritet. Reservgeneratorer för elkraft till kritiska anläggningar är en annan förebyggande åtgärd. Statistiskt sett så är de starkaste genererade elektriska fälten vid en geomagnetisk storm orienterade i öst-västlig riktning. Det innebär att långa ledningar som är orienterade i samma riktning är de som får de högsta inducerade spänningarna. Det finns gott om artiklar på internet för den som är intresserad av ämnet och vill fördjupa sig mer i detalj beträffande konsekvenser och möjliga förebyggande åtgärder.

 

Forskning för att minska effekterna av kraftiga geomagnetiska stormar pågår i världen och i takt med att samhället blivit mer och mer beroende av elnäten så är olika lösningar för att minska sårbarheten mot solstormar av stort intresse. Inom EMC-området finns det sedan gammalt kunskaper om skydd mot andra hot som genererar höga spänningar, såsom åsknedslag. I takt med samhällets ökande beroende av kontinuerlig elkraft så skulle därför nya skyddstekniker mot effekter av geomagnetiska stormar kunna vara ett framtidsområde även för EMC-experter.

 

Peter Stenumgaard
EMC-redaktör

 

[1] Mike Hapgood, ”The Great Storm of May 1921: An Exemplar of a Dangerous Space Weather Event”, Space Weather, Vol. 17, Issue. 7,pp. 950-975, July 2019.