de afhankelijkheid van de mensheid van elektriciteit is door de wereldwijde covid-19-pandemie verder verlicht. Het is onmogelijk om het moderne leven zonder voor te stellen, zonder alles, van licht tot internet. Wat zou er gebeuren als dat ‘ s nachts verdween? Als al onze elektriciteitsnetten gelijktijdig uitvielen? Dit is meer dan de setting van een dystopische roman: Het is een reële mogelijkheid. Een grote geomagnetische storm veroorzaakt door de zon kan de transformatoren opblazen die een essentieel onderdeel zijn van onze elektriciteitsnetten. En het is al eerder gebeurd.

de fysica

de zon laat een constante stroom van geladen deeltjes uit, bekend als de zonnewind. De aarde wordt grotendeels beschermd tegen deze wind door haar intern gegenereerde magnetische veld. Het magnetisch veld creëert een soort bel rond de aarde, bekend als de magnetosfeer. De magnetosfeer beschermt ons tegen de gevaarlijke zonnestraling en voorkomt dat onze atmosfeer wordt weggenomen met de wind. Bij de magnetische polen kan een deel van het zonnewind materiaal zijn weg vinden in de atmosfeer van de aarde. Dit is wat aurora veroorzaakt, en waarom ze meestal alleen te zien zijn rond de Noord-en Zuid-magnetische Polen.

af en toe kan de zon sterkere energiewolken afgeven, bekend als coronale massa-ejecties (CME ‘ s). Deze ejecties kunnen miljarden tonnen materiaal uit de uitgebreide atmosfeer van de zon, de zonnecorona, gooien en ze met ongelooflijke snelheden door de ruimte laten slingeren – af en toe in onze richting. Ze kunnen verschillende dagen tot slechts 15 uur duren om ons te bereiken. De grootste CME ‘ s zijn het gevolg van het ontspannen van sterk gedraaide magnetische veldlijnen, vaak vergezeld van een zonnevlam. Ze komen meestal voor in gebieden met zware zonnevlekkenactiviteit en zijn het meest waarschijnlijk wanneer de activiteit van de zon op een piek staat die bekend staat als het zonnemaximum in de zonnecyclus.

De geschiedenis

de zon was op een zon maximum in 1859, toen elektriciteit nog niet wijdverbreid was en voornamelijk werd gebruikt met telegraafsystemen. Richard Carrington observeerde zonnevlekken op een geprojecteerd beeld van de zon op de ochtend van 1 September toen hij twee ongelooflijk heldere lichtvlekken opmerkte.

Fig 1: de zonnevlekken en zonnevlammen (gelabeld als A en B) waargenomen door Richard Carrington in 1859. Bron: MNRAS

zeer vroeg de volgende ochtend lichtte aurora de nachtelijke hemel op, die zich uitstrekte tot aan de Carribean op het noordelijk halfrond. Hoe verder naar het noorden, hoe helderder de aurora verscheen, wakker goudzoekers in de Rocky Mountains en het verstrekken van genoeg licht om te lezen door in het noordoosten van de Verenigde Staten. De telegraafsystemen in Europa en Noord-Amerika faalden en sommige telegraafoperators kregen zelfs sterke schokken.

de gebeurtenis werd veroorzaakt door de grootste CME in de geregistreerde geschiedenis. De lichtvlekken die Carrington waarnam waren zonnevlammen die bij de uitwerping hoorden. Uren later bereikte de CME de aarde en braken de snel bewegende geladen deeltjes door de magnetosfeer en gingen de atmosfeer in, waardoor het schitterende aurora ontstond dat over de hele wereld werd waargenomen. Die geladen deeltjes sprongen langs de telegraaflijnen en schokten de operators toen ze het einde bereikten.

Wat als het vandaag gebeurde? onze elektriciteitsnetten zijn tegenwoordig ongelooflijk complexer dan de telegraafsystemen van 1859. De exacte uitkomst van een soortgelijke gebeurtenis van dezelfde omvang is onmogelijk te zeggen. De dichtstbijzijnde gebeurtenis waarmee we het kunnen vergelijken is de geomagnetische stormen van 1989, een jaar van sterke zonneactiviteit. In maart 1989, de provincie Quebec (die dicht bij de Noord Geomagnetische paal) verloren elektriciteit voor 9 uur na een storm geactiveerd de stroomonderbrekers. Maar die gebeurtenis was aanzienlijk kleiner dan die in 1859.

een gebeurtenis van die grootte of groter zou transformatoren, essentiële onderdelen van het elektriciteitsnet, kunnen uitblazen, waardoor velen zonder stroom zitten. Afhankelijk van precies waar de storm het hardst toeslaat, hoe goed het net is beschermd tegen fakkels en hoeveel Reserve transformatoren beschikbaar zijn, kan de stroomstoring duren van 16 dagen tot een paar jaar en de kosten voor de VS alleen al kunnen oplopen tot $0,6 – $2,6 biljoen.

Fig 2: een model van de relatieve sterkte van elektrische velden veroorzaakt door een andere gebeurtenis op Carrington-niveau. De paarse schaduw geeft gebieden aan met grotere elektrische velden die harder zouden worden getroffen door een storm. De ergste effecten worden gezien op de Atlantische kust en Canada, deels te wijten aan de nabijheid van de noordelijke Geomagnetische Pool.(Bron: a risk report by Lloyd ‘ s.)

een andere gebeurtenis op Carrington-niveau is onvermijdelijk. Aurorale records kunnen worden gebruikt om de historische grootte van vroegere stormen te meten. Ze geven aan dat stormen zoals die in Quebec ongeveer om de 50 jaar plaatsvinden, terwijl gebeurtenissen op Carrington-niveau ongeveer om de 150 jaar plaatsvinden. Het is 162 jaar geleden sinds 1858, maar we hoeven nog niet in paniek te raken. De zon, die werkt op een 11 jaar cyclus, had net een zonne-minimum een jaar geleden in April 2019. Het volgende zonnemaximum, de periode van hoogste activiteit, zal pas ergens in 2023-2026 plaatsvinden en sommige maxima zijn zwakker dan andere.na de storm van 1989 die Quebec trof, bereidde de provincie zich voor door het upgraden van hun elektrische infrastructuur tegen hoge voorafkosten, maar met de wetenschap dat het geld zou besparen als er weer een storm zou komen. De VS is niet op dezelfde manier voorbereid. Vanaf 2002 werden vijftien procent van de grote transformatoren die nog in gebruik waren, gemaakt voor 1972 (toen belangrijke robuustheid werd geïntroduceerd in transformatoren). Zelfs moderne transformatoren zijn niet per se uitgerust om te gaan met een Carrington-niveau evenement en er is geen federal reserve of transformers, omdat dat te duur werd geacht in een 2017 U. S. Department of Energy rapport. Energiebedrijven hebben hun eigen reserves, maar exacte aantallen en locaties van die reserves worden beschouwd als bedrijfseigen informatie. In plaats van een federal reserve, het rapport drong er bij de overheid om een onafhankelijke beoordeling van de betrouwbaarheid van kritische transformatoren te creëren en samen te werken met de industrie om te komen met plannen in het geval van grote uitval. Het is onduidelijk of dit is gebeurd.