]Magyar Mérnökök és Építészek Világszövetségének találkozója. 1995. November 25. Sheraton Cleveland City Center Hotel, Cleveland, Ohio
Bozóki Barnabás, okl.
villamosmérnök
Toronto, Ont.
Kanada
ABSTRACT. A nap a folyamatosan sugárzott fény és hő energia sugárzás mellet nagy mennyiségű elektromosan töltött atomi részecskét is sugároz. Ez a sugárzás, amit a nap szelének neveznek nem folyamatos. Tizenegy éves periódussal felerősödik és csökken. A földünk mágnes tere, a magnetoszféra, ennek a sugárzásnak a nagy részét eltéríti. De amikor a nap szele különöse erős, a sarkok közelében egy része behatol az ionoszférába és ott sarki áramokat fejleszt. Ennek az áramnak a következménye az Auróra ami általában a sarkok körül látható és mint északi fény ismeretes az északi sarok közelében. Amikor a sarki áram olyan erős, hogy jelentősen megzavarja a föld mágnese terét akkor beszélünk földmágneses viharról. A legutóbbi aktív nap periódus alatt, 1989-1993 között, például több mint száz mágneses vihart figyeltek meg. Ezek a viharok néha a modern technika vívmányaira káros hatással lehetnek. Különösen a villamos távvezetékek vannak kitéve üzemzavaroknak földmágneses viharok idején. Jelen pillanatban nincs megbízható földmágneses vihar előjelzés, így a villamosenergia rendszereket nem tudjuk hatásosan védeni az ilyen jellegű zavaroktól. De megvan a remény, hogy mire a következő viharos időszak elérkezik az ezredforduló idején már lesz megbízható földmágneses "időjárás jelentés". Egy nemzetközi geofizikai program keretében a közeljövőben mintegy tíz űrszondát fognak az űrben elhelyezni a magnetoszféra és a nap szelének a mérésére. Az így szerzett adatok segítségével meglesz a lehetőség egy gazdaságos és hatásos védelmi stratégia kidolgozására.
]
Tisztelt hallgatóim, a sarki fényt már a barlanglakó őseink is csodálták, mint azt a barlangok falán talált képek bizonyítják. A tengerészek már évszázadok óta tudják, hogy a mágneses iránytű néha megbolondul. A tényt, hogy ezek a jelenségek a naptevékenységgel kapcsolatos földmágneses vihar jelei csak a múlt században derült ki. Azóta sok újabb következményét tapasztaltuk a földmágneses viharoknak: zavarok a rádiózásban, telefon és villanyáram szolgáltatásban, megsemmisített híradástechnika űrszonda, és még sok egyéb.
Én 1989-ben ismerkedtem meg a földmágneses viharok következményeivel. Akkor az Ontárioi villamos műveknél dolgoztam mint a védelmi automatikákat tervező csoport vezetője. 1989 március 13.-án egy nagy mágneses vihar volt, ami súlyos zavarokat okozott az észak-amerikai villamos hálózatokon, többek között a mienken is. A legnagyobb problémát a Quebecki rendszernek okozta, ahol, 6 millió fogyasztó szenvedett egy 9 órás áram szünetet. Az USA-ban is jelentős károkat okozott, például az egyik nukleáris erőmű blokk transzformátorát tönkretette.
Ezután a földmágneses vihar után kaptam azt a feladatot, hogy kidolgozzak egy védekezési stratégiát az ilyen jellegű veszélyek ellen. Így kerültem kapcsolatba azokkal a kutatócsoportokkal akik ezzel a témával foglalkoztak. A Villamos Mérnökök Nemzetközi szervezete (IEEE) keretén belül egy munkacsoportot alapítottunk a védekezés lehetőségeinek tanulmányozására. A csoport jelentése az idén készült el [1]. Sajnos általánosan alkalmazható megoldást nem találtunk, mert mint kiderült, megbízható földmágneses vihar előjelzés hiányában gazdaságos védekezés lehetetlen.
A geofizikusok és űrkutatók is felismerték a földmágneses vihar előjelzés fontosságát és egy nemzetközi program keretében elkezdődött egy nagyon érdekesnek ígérkező kutatómunka a jelenség tanulmányozására. Erről a sok millió dolláros beruházást igénylő programról és az előzményeiről próbálok most egy rövid áttekintést adni. Mindenek előtt a probléma okozójáról a napról kell egy néhány szót szólni.
A nap mint tudjuk egy hatalmas nukleáris erőmű, hidrogén atomok fúziója által produkál már mintegy 5 milliárd éve hihetetlen mennyiségű energiát, és még további 5 milliárd évig fog a jelen formájában energiát sugározni. Néhány adat a napról:
A nap a földtől 150 millió km-re van, fénye 8 perc alatt ér a földre. A napkorong (fotoszféra), átmérője 100 szorosa föld átmérőjének. A korona, nap külső atmoszférája, egy szuper forró gáz réteg ami napfogyatkozás idején mint a nap udvara látható. A nap szele a naptevékenységek eredményeképpen létrejött elektromosan töltött részecske, u.n. plazma, sugárzás. A nap szél 300-700 km/s sebességgel halad, intenzitása időben nagy mértékben változik a naptevékenységek függvényében.
A legjelentősebb nap szelet eredményező naptevékenység a képen látható lángnyelvekre, gázfelhőkre emlékeztető kitörés. Mivel a nap forog a tengelye körül egy ilyen kitörésből származó sugárzás úgy pásztázza be a világűrt mint egy világító torony fénysugara a tengert. Ha föld a sugár útjában van, akkor kb. 2-4 nappal a kitörés után észlelhető a sugárzás hatása a földön. A képen látható kitörést a NASA fényképezte egy űrszondából 1989 március 9.-én. Valószínű, hogy ennek a kitörésnek a szele okozta már említett nagy mágneses vihart március 13.-án.
A legújabban felfedezett naptevékenység a korona luk. A 70-es években űrszondákról készített röntgen felvételek kimutatták, hogy a nap koronáján időnként megjelenik egy sötét folt ami hónapokig, esetleg évekig látható. A korona lukaknak fontos szerepük van a nap szél erősségének meghatározásában, mivel lehetővé teszik hogy rajtuk keresztül nagy mennyiségű elektromosan töltött részecske szabaduljon ki a nap mágneses köréből.
A legrégebben megfigyelt naptevékenység a napfolt. Közelebbről megvizsgálva egy napraforgó virágra emlékeztetnek. A sötét foltot egy petál szerű képződmények veszik körül. A színkülönbség hőmérséklet különbségnek az eredménye. A napfoltok helyén a fotoszféra hőmérséklete kb. 2000 °C-kal alacsonyabb mint az átlagos 5500 °C-os napkorong hőmérsékletnél. A napfoltok keletkezésének okát nem tudjuk, de megfigyelések bizonyítják, hogy számuk 11 éves periódussal változik, és nyilvánvalóan a nap mágnességével vannak kapcsolatban. A nap mágneses tere ugyanis 11 évenként változtatja a polaritását.
A naptevékenységeket, a múlt század második felében kezdték rendszeresen figyelni. A nap egyik világszerte ismert és méltányolt napmegfigyelője Fényi Gyula, egy magyar jezsuita szerzetes volt. Fényi 150 éve Sopronban született, 1927-ben Kalocsán halt meg. A kalocsai Haynald obszervatóriumban dolgozott. Több mint három évtizeden keresztül egy perturbáció-spektroszkóppal páratlanul egyöntetű megfigyeléseket adott közre. Többek között az Ö megfigyeléseinek az eredménye hogy a naptevékenységek és a napfoltok száma között összefüggés van. Ma is a napfoltszám a leggyakrabban használt naptevékenység mutató. 1848 óta számolják a napfoltokat szisztematikusan, egy Wolf nevű zürichi csillagász által kidolgozott módszerrel.
Az fenti ábrán látható, hogy hogyan változott a napfoltok száma ebben a században. A napfoltok száma havi átlagban van megadva. Érdekes megfigyelni hogy az elmúlt 20 évben a napfoltok száma egy növekvő tendenciát mutat. Egyesek szerint ez az éghajlatra is hatással van, lehet hogy ez az egyik oka hogy a föld átlagos hőmérséklete emelkedik.
Ezek után vizsgáljuk meg hogyan hat a nap szel földünk mágneses terére.
A földet körülvevő mágneses teret magnetoszférának nevezzük. Ez a mágneses tér egy üstökösre emlékeztető burkot formál a föld köré és védi a földet a nap szelétől. A felénk érkező részecskék nagy részét eltéríti. A nap felőli oldalon a nap szél az erővonalakat lenyomja kb. 60,000 km magasságig (10 szeres rádiusz) még az árnyékos oldalon az erővonalak elnyúlnak tízszer olyan távolságra mint a napos oldalon. A burok nem tökéletes, a sarkok felett a mágneses erővonalak egy tölcsérszerű nyílást hagynak, ahol föld felé áramló elektromosan töltött részecskék egy része behatol az ionoszférába és ott áramot fejleszt. Ezt nevezzük sarki áramnak.
A sarki áramok kb. 100 km magasságban keringenek a pólusok felett. Nagy földmágneses viharok idején ezek az áramok 1 MA nagyságrendűek és polaritásukat 5-15 percenként változtatják. A sarki fény a sarki áramok szemmel látható jele. Hasonlóan amint egy Neon csőben elektromos áram hatására a gáz molekulák fényt sugároznak, az ionoszférában levő gázmolekulák is fényt sugároznak amikor a sarki áramok elektronjai bombázzák. Alacsony naptevékenység idején a sarki fény csak az úgynevezett Auróra zónában, a 67. szélességi kör közelében látható. Nagy földmágneses viharok idején a sarki fény az egyenlítő felé tolódik el. Torontóban utoljára 1991 júniusban volt az északi fény jól látható.
A sarki áramok hatására a föld felszínén létrejövő mágneses térerősség változásából ítéljük meg a földmágneses viharok intenzitását. A mágneses erőteret elsősorban meghatározó földmágnesesség úgy tekinthető mint egy nagy rúdmágnes erőtere, ez időben nem változik. Tehát ha egy magnetométer változást mutat az a sarki áram következménye.
Az fenti ábrán a már többször említett nagy vihar idején mutatja földmágnesesség változást Ottawában. A Bx, By koordináták az északi és keleti irányú térerősség változást mutatják. Amint látható a vihar március 13-án, Greenwich-i idő szerint 3:00 órakor kezdődött. Az az első nagy "lökést" 8:00 órakor mérték. Québecben ekkor hajnali 2 óra volt, ekkor kezdődött a 9 órás áramszünet. Nappal a tér aránylag nyugodt volt, de estére a heves aktivitás visszatért. Másnap 9:00 órakor ért véget az eddig ismert legnagyobb mágneses vihar.
A földmágneses tér változás közvetve hat a villamos hálózatokra. A változó mágneses tér áramot indukál a föld belsejében, és ez az áram a föld vezetőképességtől függő föld felületi feszültséget eredményez. Ez azt jelenti hogy ha föld felületén két ponton egy-egy vasrudat leszúrunk, a rudak között feszültség mérhető. Ahol a föld vezetőképessége rossz, vagyis az ellenállása nagy, ott ugyanaz a föld áram nagyobb feszültséget eredményez. Ezért van az, hogy sziklás vidéken mint Québec a földmágnes viharok több problémát okoznak mint például a például Saskatchewan-ban. Az említett vihar idején a felületi feszültség Ottawa környékén időnként elérte a 3 V/km értéket. A felületi feszültség hatására u.n. földmágnességgel indukált egyen áram kerül csővezetékekbe, telefon kábelekbe, és villamos hálózatokba.
A fenti ábrán egy nagyfeszültségű távvezetéket látható. A távvezeték indulópontján egy Blokk Transzformátorral felemelik a feszültséget pl. 500 kV-ra. Így szállítják az energiát a fogyasztóhoz ami több száz kilométerre van. A fogyasztó állomáson egy autótranszformátor segítségével a távvezetéken érkezett energiát letranszformálják egy könnyebben kezelhető alacsonyabb feszültségre. A transzformátorok csillagpontja a biztonságos üzemetetés érdekében le vannak földelve. Ezeken a földpontokon záródik a földmágneses áramkör.
Felhasználva az előbbi ábrán adott EFF értéket, és feltételezve 100 km távolságot a távvezeték hosszára, 300 V feszültség különbséget kapunk a távvezeték állomásai között. Egy 500 kV-os távvezeték ellenállása kb. 3 ohm/100 km. Ez azt jelenti, hogy a példánk szerinti távvezetésben kb. 100 A (300/3) földmágneses áram folyik a vihar idején. Ez az áram kétféleképpen veszélyezteti a távvezeték működését:
1. Torzítást okoz, ezáltal felharmonikusokban gazdag feszültség jelenik meg a távvezetéken, amit a védőautomatikák meghibásodás jelének tekintenek és lekapcsolják távvezetéket. A kiesésnek a következményeképpen a még üzemben maradt egységek túlterhelésnek lesznek kitéve, ezért a védőberendezések azokat is lekapcsolják. Egy ilyen láncreakció indult el Québecben az 1989-es vihar idején. A reakció csak azért nem terjedt tovább, mert Québec nincs szinkronos kapcsolatban a szomszédos rendszerekkel.
2. A FIA következtében a transzformátor vasmagja aszimmetrikusan telítődik ami túlmelegedést eredményez. Ez történt egy Pennsylvaniai hálózaton.
Hogyan lehet védekezni az ilyen károk következmények ellen? Háromféle védekezési lehetőség van:
1. Kondenzátorok segítségével elblokkoljuk a földmágneses áramkört. - Ez egy drága megoldás és hátrányos következményei lehetnek. Nem mindenütt alkalmazható.
2. A transzformátort túlméretezzük, hogy az egyenáramú gerjesztés ne okozzon benne kárt, és a védőberendezéseket megfelelő szűrő segítségével érzéktelenítjük a várható torzításokra. - Ez a megoldás is költséges, és nem tudjuk meghatározni kellő pontossággal a várható földáramok nagyságát és időtartalmát. Ennek következtében nem tudunk reális követelményeket adni a transzformátor tervezőknek. A védőberendezések szűrése is okozhat nem kívánatos hatásfok csökkenést.
3. A mágneses vihar idejére a hálózatot úgy üzemeltetjük, hogy a védőberendezések esetleges működése ne okozzon láncreakciót. - Ez úgy oldható meg hogy nagy tartalékokkal üzemeltetjük a rendszert. Ez azt jelenti, hogy minden rendelkezésre álló egységet beindítunk. Ebben az esetben az üzemanyag és a kezelő személyzet túlóra bére jelenti a viharra való felkészüléssel kapcsolatos kiadást. Ez a megoldás tűnik leggazdaságosabbnak, feltételezve, hogy csak ritkán van szükség ehhez a védelemhez folyamodni.
A kulcs kérdés tehát a védekezési stratégia kialakításában az hogy milyen gyakran várhatók a mágneses viharok, és mennyi idő áll rendelkezésre a viharra való felkészülésre. Ennek a kérdésnek a megválaszolására a rendelkezésre álló geofizikai adatok nyújtanak segítséget.
A geofizikusok a mágnese viharok mérésére több rendszert dolgoztak ki, a két legismertebb vihar erősséget mérő mutató a K index és az A index. A mindkét mutató magnetométer mérések alapján osztályozza a vihar erősségét. A K index 3 óra időtartalom alatt mérhető földmágnes erőtér változást osztályozza, az A index 24 óra időtartalomra vonatkozik és a helyi állapotokat méri. Minkét mutatónak van az egész földre összegezett változata is. Ezt nevezik Kp és Ap indexnek. Ezek számításánál 15, a föld különböző pontján végzett mérések összesített eredménye alapján van a vihar osztályozva.
Az a fenti ábrán például a Colorádóban működő Space Enviroment Laboratory (SEL) adatai alapján látható az Ap index és a napfoltok száma 1989 márciusában. Amint látható az Ap index pontosan mutatja mikor volt a nagy mágnese vihar. Március 13.-án és 14.-én az Ap index jóval 100 felett volt. A napfoltok száma magas volt az egész hónapban, tehát ennek alapján nem lehet a viharos napokat megállapítani. Jól megfigyelhető a napfoltok 27 napos periódus változása, ez a nap tengely körüli forgásának az eredménye.
Az Ap indexet 1933 óta számítják, tehát jelentős statisztika adat áll rendelkezésre földmágneses viharok számának megbecsüléséhez. A nehéz kérdés, hogy hol húzzuk meg a határt. A geofizikusok értelmezése szerint 40 feletti Ap index már földmágneses vihart jelent.
A fenti ábra a 40 fölötti Ap index kritérium alapján mutatja az viharos napok számát összehasonlítva a napfolt periódusokkal. A jelenlegi 22 periódus 1986-ban kezdődött és előreláthatólag 1987 fog véget érni. 1989-ben és 1991-ben a viharok száma 50 felett volt. Ez egy meglehetősen nagy szám és nem egyezik meg az a elektromos rendszereken észlelt zavarok számával.
Az IEEE munkacsoportunk összegyűjtötte
az észak-amerikai villamos rendszerektől a 22. peridus
alatt a földmágnességnek tulajdonított
zavarok számát. A fenti táblázatban
látható ennek a vizsgálatnak az eredménye.
Amint látjuk, csak 14 vihar okozott problémát a
villamos hálózatoknak. Kevés kivétellel
csak a 100-on felüli Ap indexet mutató viharok okoztak
problémát. Ha megfigyelésünket, egy
meghatározott területre korlátozzuk akkor a
viharok szám tovább csökken.
Ontarioban
például csak két vihar okozott zavarokat.
Úgy gondolom könnyen belátjuk a nagy különbség jelentőségét a védekezés szempontjából. Ha 10 évenként csak 2-3 földmágnes vihar jelent veszélyt a rendszer számára, akkor a felkészülés költsége elhanyagolható a vállalat költségvetése szempontjából. De ha több mint 100 alkalommal kell ezt a felkészülést elvégezni akkor a 3. pontban vázolt védekezés már nem praktikus.
Ma meg nem tudjuk előre megjósolni melyik földmágneses vihar fog jelentős zavart okozni a villamos rendszerekben, mert csak földi mérések állnak rendelkezésünkre. Amikor ezek a mérések már mutatják, hogy egy nagy vihar van folyamatban akkor már késő a a védekezést megszervezni. Ahhoz hogy sikeresen védekezni tudjunk legalább 4-5 óra felkészülési időre van szükség. Ilyen előjelzés csak a űrszondák segítségével lehetséges. A tervek szerint ez hamarosan megvalósul, egy nemzetközi nap-föld fizika program keretében.
A fenti illusztráció mutatja azokat a már meglévő vagy hamarosan üzembelépő űrszondákat ami a földmágneses vihar eljelzésben szerepet kapnak. A következő űrszondák már üzemelnek: A Japán GEOTAIL föld árnyékolt oldalról küld értékes adatokat. A amerikai WIND a nap szelét méri. A föld "napos" oldalán 1.6 millió km magasságban az úgynevezett 1. lebegési pont körül kering. Itt egyforma a föld és a nap gravitációs hatása. Az Ulysses, UARS, ASO már működő űrszondák nem kimondottan a földmágnes vihar kutatást szolgálják, de fontos adatokat szolgáltatnak erre a célra is. Hamarosan fellövik POLAR-t is ami a sarki áramokat tápláló plazma behatolást fogja mérni. A SOHO-t az európaik készítik, és a napról fog adatokat gyűjteni. A CLUSTER-is az európaik tervezik a magnetoszféra mérésére. Az oroszok és a németek is készítenek űrszondákat a félmágneses előjelzés program keretében, de ezekről még nem sokat tudunk. Természetesen ezek az űrszondák csak az alapfeltételeket fogják biztosítani a védekezéshez. A villamosenergia rendszereknek maguknak fog kelleni kidolgozni a részletes tervet a védekezésre az előjelzések alapján.
Összefoglalva elmondhatjuk hogy, a villamos energiarendszereknek a földmágneses viharok egy kis valószínűségű de jelentős veszélyt jelentenek. Az utóbbi években bekövetkezett változások, amik a villamosenergia szolgáltatást gazdaságossá és megbízhatóvá tették, megnövelték a földmágneses vihar okozta zavarok létrejöttének veszélyét. Ennek a veszélynek a gazdaságos elhárításához megbízható földmágneses vihar előjelzés szükséges. Minden remény megvan, hogy ez hamarosan megvalósul. A villamos mérnökökre vár a feladat, hogy a megtalálják a módját, hogy az adatokat hasznosítsák a rendszerek védelmére.
________________________________________
1. Bozoki, B.; Chano, S.R.; Dvorak, L.L.; Feero, W.E.; Fenner, G.; Guro, E.A.; Henville, C.F.; Ingleson, J.W.; Mazumdar, S.; McLaren, P.G.; Mustaphi, K.K.; Phillips, F.M.; Rebbapragada, R.V.; Rockefeller, G.D.; , "The effects of GIC on protective relaying," Power Delivery, IEEE Transactions on , vol.11, no.2, pp.725-739, Apr 1996