Physikalische Grundlagen des Weltraumwetters - Sonnenstürme und Stromausfälle

Transkript

1 Physikalische Grundlagen des Weltraumwetters - Sonnenstürme und Stromausfälle Volker Bothmer 1 Jörg Büchner 2 (1) Institut für Astrophysik der Universität Göttingen (IAG) (2) Max-Plack-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), Katlenburg-Lindau SoSe 2011

2 Dr. Volker Bothmer Physik der Sonne, Heliosphäre und des Weltraumwetters SONNENSTÜRME UND STROMAUSFÄLLE

3 Presse- und Medienschnipsel

4 The Different Forms of Solar Energy Output Cause Different Space Weather Effects Variability Cause Origin Δt (Earth) Effects Irradiance Photosphere Visible Disk 8 min. EM-Radiation Flare Photosphere, Corona, magnetic reconnection Visible Disk 8 min. EM-,EUV-, X-,γ- Radiation; sporadic ionisation Radio Emission Corona Visible Disk 8 min. EM-Radiation Solar Energetic Particles (kev-gev) Solar Wind Coronal Mass Ejections (CMEs) Magnetic reconnection, coronal and interplanetary shocks, Flares and CMEs Heating several possible physical mechanisms Instabilities of the coronal magnetic field in association with emerging bipoles Primarily W-Hemisphere, propagation along IMF; coupled to shock waves and reconnection processes >10 min. Particle Radiation, secondary radiation through interaction with impact medium Corona 3-5 Days Geomagnetic Activity, mild to medium storms Corona ca. 12 hrs Days Magnetic Small to Superstorms

5 Effekte des Weltraumwetters

6 Schematische Darstellung: Wechselwirkung des Sonnenwindes mit dem Erdmagnetfeld Sonne Erde mittlerer Abstand = 1 AE 150 Million km Sichtbares Licht Flares (Röntgen-, EUV-, γ-strahlung) Radiostrahlung Energiereiche Teilchen bis GeV S N Sonnenwind und CMEs: E = - v x B z Interplanetares Magnetfeld (Interplanetary Magnetic Field, IMF) Erdmagnetfeld Magnetische Rekonnexion

7 Solar-Terrestrial Coupling

8 Imduktion des Sonnenwindes Ohm sches Gesetz j ~ ( E v B) Elektrisches Feld von Sonnenaufgang zu Sonnenuntergang 1 Feldlinienparallele Ströme Konvektives elektrisches Feld j 0 E V B / SW SW c

9 Magnetosphärische Stromsysteme

10 Kp

11 D St schneller Sonnenwindstrom

12 Sonnenwind - D St für CIR und fast Stream

13 D St, AE - Sonnenwind

14 Polare Elektrojets Schwarz: Regionen in denen el. Ströme in das Oval fließen Grau: Regionen in denen el. Ströme aus dem Oval herausfließen

15 Magnetosphärische Stromsysteme

16 Kopplung Magnetosphäre - Ionosphäre - Atmosphäre

17 Polare Elektrojets Schwarz: Regionen in denen el. Ströme in das Oval fließen Grau: Regionen in denen el. Ströme aus dem Oval herausfließen

18 Polarlichtoval am 16. Juli 2000

19 CME - 15./16. Juli 2000

20 Phasen eines magnetischen Sturms

21 CME - 15./16. Juli 2000

22 Phasen eines magnetischen Sturms

23 October 2003 Storms

24 Beziehung Sonnenwind - D St

25 Magnetosphärische Stromsysteme

26 Carrington Sturm 26

27

28 Schematische Darstellung des Eintreffens eines Sonnensturms bei der Erde

29 Starker CME im März 1989 führte zum Ausfall des Hydro-Quebéc Stromsystems in Kanada (9 Stunden). Betroffen waren etwa zehn Millionen Menschen.

30 Furcht vor Stromausfällen

31 Zerstörung von Transformatoren durch Ground Induced Currents (GICs) Spektrum der Wissenschaften 03/09

32 Elektrische Ströme am Erdboden GICs = Ground Induced Currents DC-like, Gleichströme Erzeugen harmonische Frequenzen Spannungsfluktuationen Berechnung für ein technisches System: 1. Bestimmmung des lokalen horizontalen el. Feldes 2. Berechnung von GICs durch el. Feld

33 Schema für GIC in 3-Phasen System

34 Berechnung von GICs Zeitlich variabler ionosphärischer Strom: B t E ab b a Edl GIC Problemstellung: 1. Geophysikalisches Problem hinsichtlich geoelektrischem Feld 2. Technisches Problem hinsichtlich Berechnung des induzierten Stroms

35 Amerikanische NAS- Studie unter Leitung des NRC enthält Abschätzungen der möglichen Auswirkungen des Sturms von 1921 auf das amerikanische Stromnetz (Firma Metatech Corporation, J. Kappenman). Basis: Workshop im Mai 2008 in Washington, D.C., mit Vertretern von Regierung, Industrie und Wissenschaft.

36 Elektrische Ströme (~480 nt/min, einige hundert A) innerhalb von 90 s

37 Zerstörung von Transformatoren durch Ground Induced Currents (GICs) Spektrum der Wissenschaften 03/09

38 Zerstörte Transformatoren

39 Folgen des Sturms 1989

40 Auswirkungen auf das US-Stromnetz 4800 nt/min 50 geom. Breite (Göttingen, 52 ) 10-faches db/dt relativ zum März 1989 Sturm am 14./15. Mai 1921

41 Auswirkungen auf das US-Stromnetz (Worst Case) Ausfall von bis zu 350 Transformatoren in Nord- USA (ca. 80%). Etwa 130 Millionen Einwohner betroffen. Bei permanenten Schäden ca. 4- bis 10-jährige Wiederherstellungszeit. Hunderte Millionen US$ Kosten.

42 Berechnete Risiken

43 Berechnete Risiken

44 Stromnetz Risiken und US KKWs

45 Wenige Stunden später von der Realität überholt...

46

47 Problemlösungen Bessere Abschirmung der Transformatoren könnte Risiko von starken GICs um bis zu 70% reduzieren. Spezielle Schulung von Personal zur optimierten Steuerung der Netze (Vermeidung von Überhitzung und Überlastung). Besonderer Schutz von Hochspannungsnetzen (> 230 kv) - größere Gefahr wegen geringerer Widerstände.

48 ZUR SITUATION IN EUROPA

49 Abstand zum erdmagnetischen Pol Europa USA

50 Europäische Stromnetze

51 Finnland s HV Power Grid

52 Berechneter GIC für WTS event mit 5 km/s in 100 Höhe

53 Ergebnisse der Diskussion JK, RP, VB Die Häufigkeit von Stürmen ist geringer als in den USA, nicht aber die Bedrohung durch einen starken Sturm. Die Technik der europäischen Netze ist nicht besser als die der USA. Erhöhte Anfälligkeit durch angestrebte Erhöhung der Effizienz (speziell EHV, s. auch China und Südafrika). Mögliche Domino-Effekte.

54 Schlussfolgerungen Ein systematisches Risiko von Stromausfällen durch Sonnenstürme ist in Europa ebenso wie in den USA gegeben. Spezielle Studien der europäischen Netze sind angesichts dieses Risikos notwendig.

55 Magnetische Stürme Date AA* [nt] max. Kp min. Dst [nt] Auroral Observation nearest to the Equator (geogr. Latitude) /14. March 441 9o -589 A: Florida Keys, ( 24 o N) /19. Sept Si: Florida, ( 29 o N) /25. March 377 9o - Si: Korfu, ( = 39 o N) /13. Nov o -339 A: Atlantic, ( = 28 o N) /16. July 357 9o -429 Sch: 48 N /15. May Si: Samoa, ( = 14 o S) /26. Sept Si: Mallorca, ( = 39 o N) /30. Oct o -363 A: Florida /29. March 329 9o - Si: Queensland, ( 27 o S) /8. July Si: Atlantic, ( = 24 o N)

56 Magnetische Aktivität, Superstürme ( ap>1500) und Sonnenflecken Monthly Smoothed <Ap>, <Ap >( ); Normalized Storm Magnitude;, 1/3 SSN (Ap reconstructed by Svalgaard) Jahr

57 October 2003 Storms

58 Carrington CMEs Lakhina et al., 2004 Spektrum der Wissenschaften, March 2009

59 CME forecasting requires new perspectives (I)CME?? Space Weather Effects of (I)CMEs depend on: -internal magnetic field configuration - draping of the ambient interplanetary IMF - CME and IMF compression and direction Southward IMF Component Northward IMF Component Gosling, AGU Geophys. Monogr. 1990