De nieuwe inzichten geven ons de mogelijkheid om op tijd maatregelen te nemen om belangrijke elektriciteitsnetten te beschermen.
Afgelopen mei was het groot nieuws: zelfs in Nederland was het noorderlicht te zien. Hoewel velen daarnaar uitkeken, had het ook een keerzijde. Zo waarschuwden deskundigen voor mogelijke stroomuitval en schade aan elektriciteitsnetten. In een nieuwe studie hebben onderzoekers onderzocht waarom het spectaculaire noorderlicht gepaard kan gaan met deze risico’s. Want als we beter begrijpen hoe dit gebeurt, kunnen we in de toekomst misschien maatregelen nemen om de ergste gevolgen te voorkomen.
Stroomuitval
Even voor de goede orde: het noorderlicht zelf veroorzaakt geen directe stroomuitval. Dit is enkel een visueel en natuurlijk fenomeen dat ontstaat door interacties tussen de zonnewind en het magnetische veld van de aarde. Maar dezelfde processen die het noorderlicht veroorzaken, zoals bijvoorbeeld geomagnetische stormen en interplanetaire schokken, kunnen wél voor problemen met het elektriciteitsnet zorgen. “De meest ernstige schade aan stroominfrastructuur deed zich waarschijnlijk voor in maart 1989 na een zware geomagnetische storm,” vertelt onderzoeker Denny Oliveira.” Het Hydro-Quebec elektriciteitssysteem in Canada werd bijna negen uur lang stilgelegd, waardoor miljoenen mensen zonder stroom kwamen te zitten.”
Nederland
Tijdens ernstige geomagnetische stormen kan het aurorale gebied enorm uitbreiden. Dat is wat er ook afgelopen mei gebeurde. “Normaal gesproken ligt de zuidelijkste grens rond de breedtegraad van 70 graden,” legt Oliveira uit. “Maar tijdens extreme gebeurtenissen kan deze dalen tot 40 graden of zelfs lager. Dit gebeurde tijdens de storm van mei 2024, die de meest ernstige was in de afgelopen twee decennia.” De reden dat afgelopen mei het noorderlicht in Nederland te zien was, kan dus worden toegeschreven aan de extreme geomagnetische activiteit tijdens deze storm.
Twee processen
Hoewel deze verschijnselen spectaculair zijn, kunnen ze ook gevaarlijk zijn en leiden tot stroomuitval. Om dat beter te begrijpen, moeten we eerst even terug naar hoe aurora’s precies ontstaan. Aurora’s worden op twee manieren veroorzaakt. Enerzijds kunnen ze ontstaan doordat deeltjes van de zon het magnetische veld van de aarde bereiken en een geomagnetische storm veroorzaken, anderzijds doordat interplanetaire schokken het magnetische veld van de aarde samenpersen. Deze schokken veroorzaken zogenoemde ‘geomagnetisch geïnduceerde stromen’. En deze stromen kunnen ernstige schade toebrengen aan elektrische infrastructuur zoals stroomleidingen.
Interplanetaire schokken
In de nieuwe studie hebben onderzoekers de impacthoek van interplanetaire schokken bestudeerd. Ze wilden begrijpen hoe geomagnetisch geïnduceerde stromen worden beïnvloed door schokken die vanuit verschillende hoeken en op verschillende momenten van de dag de aarde bereiken. Om dit te doen, gebruikten ze gegevens over interplanetaire schokken en vergeleken deze met metingen van geomagnetisch geïnduceerde stromen van een aardgaspijpleiding gelegen in de gemeente Mäntsälä in Finland. Om de eigenschappen van deze schokken te bepalen, zoals hun invalshoek en snelheid, maakten de onderzoekers gebruik van gegevens over het interplanetaire magnetische veld en de zonnewind. De schokken werden ingedeeld in drie categorieën: sterk hellende schokken, matig hellende schokken en bijna frontale schokken.
Impacthoek
De onderzoekers komen tot een interessante conclusie. Ze ontdekten dat schokken die recht op de aarde afkomen (dus de frontale schokken), hogere pieken veroorzaken in geomagnetisch geïnduceerde stromen, zowel meteen na de schok als tijdens de daaropvolgende substorm. Deze pieken waren vooral intens rond ‘magnetisch middernacht’; het tijdstip waarop de magnetische noordpool van de aarde zich recht tegenover de zon bevindt, gezien vanaf Mäntsälä. Op dat moment zorgden lokale substormen ook voor opvallend heldere aurora’s. Kortom, de wetenschappers toonden aan dat de impacthoek van interplanetaire schokken dus bepaalt hoe krachtig de resulterende stromen zijn. Schokken die rechtstreeks op de aarde inbeuken, in plaats van onder een hoek, veroorzaken krachtigere geomagnetisch geïnduceerde stromen omdat ze het magnetisch veld sterker samendrukken.
Minder sterke schokken
De onderzoekers stellen dat sterkere schokken krachtigere stromen en intensere aurora’s veroorzaken. “Maar ook minder sterke, maar regelmatige schokken kunnen schade veroorzaken,” zo waarschuwt Oliveira. Hoewel minder krachtige schokken mogelijk niet direct schadelijk lijken, kunnen ze bij herhaald optreden accumuleren en samen met de impacthoek bijdragen aan de uiteindelijke schade aan elektrische infrastructuren.
Maatregelen
Deze inzichten zijn belangrijk omdat ze mogelijkheden bieden om gevaarlijke schokken te voorspellen, zodat we onze elektriciteitsnetten beter kunnen beschermen. Heel concreet kunnen de hoeken van de schokken tot twee uur vóór hun impact worden voorspeld. Dit stelt ons dus in staat om tijdig maatregelen te nemen. “Een eenvoudige manier om apparatuur te beschermen, is door enkele specifieke elektrische circuits te beheren zodra een schokwaarschuwing wordt ontvangen,” stelt Oliveira voor. “Dit helpt voorkomen dat geomagnetisch geïnduceerde stromen de levensduur van de apparatuur verkorten.”
Voor deze studie werden alleen gegevens gebruikt over stromen op één specifieke locatie, namelijk het aardgaspijpleidingsysteem van Mäntsälä. De onderzoekers hopen in vervolgonderzoek een meer wereldwijd beeld te kunnen scheppen. “Het zou waardevol zijn als elektriciteitsbedrijven wereldwijd hun gegevens beschikbaar zouden stellen aan wetenschappers voor onderzoek,” zegt Oliveira. Als dat zou gebeuren, zou dit kunnen leiden tot de ontwikkeling en implementatie van effectievere beschermingsstrategieën. Hierdoor kan de levensduur van infrastructuur worden verlengd en kan de impact van ruimteweer op kritieke systemen worden geminimaliseerd.
