Solstorme og EDB

Hej Spørg om Fysik
Jeg skriver til jer, da I må være dem i Danmark, som ved mest om solstorme, og hvordan de kan påvirke elektrisk udstyr.

Jeg arbejder med sikkerhed, og er lidt bekymret for, hvordan den solstorm, som er blevet spået til at komme i 2013 vil påvirke EDB. Jeg har læst lidt om den solstorm, som forsagede nedbrud på Powergrid i Quebec i Canada og er bevidst om, at det kun var en lille lokal solstorm.

Det, jeg kan læse mig til, er, at den solstorm, som af NASA er spået til at komme i 2013, vil være tilsvarende den som, man oplevede i 1859.

Jeg håber at I kan hjælpe mig med lidt mere viden om, hvor skadeligt dette fænomen kan være for hospitalers infrastruktur. Jeg regner nemlig ikke med, at ret mange anser en solstorm for en EDB-risiko, og derfor er jeg lidt bekymret for risikoen.

Med venlig hilsen
HS

Kære HS

Mange tak for din interesse og henvendelse! Jeg hedder Jacob Trier Frederiksen, og er forsker i forskningsgruppen for Sol- og Planetfysik her på Niels Bohr Institutet. Til dagligt arbejder jeg med supercomputer-modellering af plasma, og skal i gang med et større forskningsprojekt indenfor eksplosiv magnetisk aktivitet på Solens overflade; netop fænomener, som forårsager solstorme.

Vedr. dine tanker omkring den næste solcyklus (solcyklus #24, som forventes at toppe sent i 2013) er de meget fine og aktuelle, og der er nogle af dem jeg kan svare på. Andre aspekter af dine spørgsmål føler jeg mig ikke rustet til at svare på - spørgsmål, som i større grad kan besvares af ingeniører og hospitalsfysikere, som har bygget bl.a. EDB-apparatur, MRI-scannere, pacemakere og elnet, samt rumfysikere som har bistået ved bygning af vores kommunikationssatellitter.

Jeg vil starte med at uddybe dét aspekt af dit spørgsmål, som går på selve solstormen.

Gennem nogle hundrede år har mennesket registreret antallet af solpletter på solen, og de sidste 15 år har kurven set således ud.

Hvad er en solstorm, og hvordan påvirker den Jorden - kort fortalt?
'Forudsigelsen' af solstormen i 2013 er rent statistisk baseret på nuværende stade. Vi kan ikke med vores nuværende viden og teknologi direkte forudsige en solstorm med mere end nogle få timers varsel, allerhøjest. Derfor er det heller ikke sikkert at vi faktisk får en solstorm i 2013, som er kraftig nok til at forvolde store skader på vores infrastruktur. Der kommer nok solstorme til den tid, men styrken og antallet af solstorme er, for nuværende, ukendte faktorer.

Den næste solcyklus (#24) er forudsiges p.t. at blive svagere end den forrige (max omkring år 2001), dvs. færre solpletter. Solpletter og magnetisk aktivitet på Solen er meget nært korrelerede. Baggrundsbilledet under kurven viser hvorledes plasma i Solens atmosfære opvarmes rundt omkring solpletter (varmere=lysere).

Coronal Mass Ejection

Disse kraftige opvarmninger er et resultat af eksplosioner i plasmaet, som om-konfigurerer magnetfelter, og desuden kan føre til afstødning af store mængder af magnetiseret gas fra overfladen, som på billedet til venstre (den røde skive i midten er en blænde mod direkte sollys, som overdøver den lysende udspyede gas). En sådan extra kraftig acceleration af gas ud i solsystemet kaldes en CME= Coronal Mass Ejection, og medfører en forøgelse af solvindens hastighed.

Solvinden er der altid, men i perioder uden sol-aktivitet er vinden 'stille' og giver kun anledning til lidt nordlys og svage forstyrrelser af Jordens atmosfære. Solvinden 'blæser' stort set lige kraftig ud fra Solen i alle retninger, men når en CME forekommer, er den oftest skudt i ud i en mere bestemt retning.

En CME(Coronal Mass Ejection) skudt ud i retning mod jorden der forstyrrer Jordens magnetfelt

Hvis denne retning passer med Jordens omløbsbane, ja, så passerer Jorden igennem CME'en i sin bane omkring Solen. Hvis dette sker vil CME'en forstyrre Jordens magnetfelt (det hedder også Magnetosfæren når det er udenfor atmosfæren (flere tusinde kilometer over Jordoverfladen), som illustreret på billedet herunder:

Effekten af en solstorm kan normalt inddeles i to, som har samme oprindelse i CME'en, men forskellige virkeområder og forårsages af forskellige elementer af CME'en (plasma-skyen).:

1. Partiklerne: giver anledning til nordlys og kan lægge ladning på rumfartøjer og satellitter.
    
2. Magnetfeltet (i gasskyen): kan skifte retning meget hurtigt, jo hurtigere solvinden 'blæser'. 

Kort om disse effekter

Partikler fra Solen trænger ind i Jordens atmosfære og skaber nordlys.

Nordlys omkring de magnetiske poler
Partikler fra Solen kan nu trænge ind i Jordens atmosfære og skabe nordlys, dette vil være meget kraftigere i perioder med høj aktivitet på Solen (fx i 2013), hvor vi vil kunne observere spektakulære nordlys hvis Solvinden tager til i styrke (ja, endog bliver til en regulær Solstorm). Herunder et fantastisk billede taget fra en af NASAs Rumfærger, som viser, hvorledes nordlyset er koncentreret i ringformationer omkring de magnetiske poler.

Denne partikelstorm kan lamme satellitter i høje kredsløb om Jorden, hvis de ikke er tilstrækkeligt godt afskærmet og elektronikken ikke er beskyttet, og dette vil kunne medføre fald i båndbredden for rumbaseret kommunikation, HVIS stormen er kraftig nok, forstås. Til hverdag er dette ikke problem, men i aktive perioder (igen, 2013) kan det blive et problem.

Dette er satellit-fabrikanterne også opmærksomme på, og satellitter overlever som regel selv kraftige forøgelser i solvinden, og evt. følgende solstorme.

Figur som tilnærmelsesvis illustrerer processen.

Inducering af fejlstrømme i elforsynings- og tele-netværk
Magnetfeltet som bæres med i CME'en (plasma-skyen), kan skifte retning (polaritet) meget hurtigt under en solstorm, og vil derfor påvirke Jordens (statiske) magnetfelt i pulser. Derudover vil partikler afbøjes forskelligt omkring Jorden, afhængigt af deres ladning (minus eller plus).

Den samlede effekt af dette er, at en stærk og pulserende strøm vil induceres i Jordens magnetosfære, og følgelig også inducere kraftige fejlstrømme i store elektriske kredsløb, som for eksempel elnet og tele-net.

Skitse af hele det elektriske kredsløb på Jorden.

Mit gæt på effekter (som jeg dog ikke vil gøres ansvarlig for) er, at ved helt ekstremt kraftige solstorme kan elnettet og internettet - fx - påvirkes og evt. falde ud i perioder, dette vil være en effekt af de inducerede strømme. Med hensyn til computere internt, kan de fejle delvist ved bit-flipping, hvis enkelte kosmiske partikler rammer selve chippenes overflade. Evt kan computere også fejle fuldstændigt, hvis chippene eller printkort lider overlast af permanent karakter. Dette kan være en effekt af partikel-aspektet, og hvis dette sker, vil vi sandsynligvis også lide overlast rent helbredsmæssigt. Men dette scenarie er meget usandsynligt.

Et eksempel (fra Quebec-tilfældet) på en kerne i en transformerstation, som den så ud efter en solstorm-induceret fejlstrøm.

Her stopper så min viden (og forskningen stoppede allerede i det interplanetare rum) ;-) , og jeg må henvise til ingeniører og computer-chip-specialister med hensyn til, hvor meget der skal til at lamme vores forsynings-net.

Som forsker her på Niels Bohr Institutet beskæftiger vi os hovedsageligt med supercomputer-modellering af fænomener på Solen, såsom "Flares" (eng.) og CME'er, samt fundamental plasmafysik, ultimativt, mht. at forudsige solstorme i god tid så samfundet kan tage eventuelle nødvendige forholdsregler.

De bedste hilsner
Jacob Trier Frederiksen, ph.d.
Niels Bohr Institutet