Avaruussään synnyttämät maanpäälliset sähkövirrat

Avaruussäämyrskyjen aikana lähiavaruuden sähkövirrat ovat erityisen voimakkaita ja nopeasti vaihtelevia. Voimakkaiden magneettisten vaihteluiden lisäksi ne aiheuttavat sähkökentän, jolloin maanpinnan eri pisteiden välille syntyy jännite. Vaikka nämä jännitteet ovat yleensä hyvin pieniä, alle 1 voltti kilometrillä, ne voivat aiheuttaa satojen kilometrien pituisiin johdinjärjestelmiin usean sadan voltin jännitteitä. Näiden jännitteiden synnyttämiä häiriövirtoja kutsutaan geomagneettisesti indusoituneiksi virroiksi (GI-virrat, tai GIC englanninkielisen termin "geomagnetically induced currents" mukaisesti). Vaikka GI-virralla viitataan yleensä vain ihmisen rakentamiin johdinjärjestelmiin, myös maaperässä kulkee aivan samalla periaatteella syntyviä virtoja.

Avaruussään tihutöitä

Otollisimpia kohteita GI-virroille ovat pitkät suurjännitesähköjohdot sekä maakaasu- ja öljyputket. Suurin sähköverkossa Suomessa mitattu GI- virta on ollut 200 ampeeria, Ruotsissa puolestaan noin 300 ampeeria. Suomen maakaasuputkessa on mitattu enimmillään 57 ampeerin virta. Mallilaskujen perusteella näitäkin suurempia lukemia on ilmeisesti esiintynyt.

Suurjänniteverkoissa maadoitettujen muuntajien läpi kulkevat häiriövirrat aiheuttavat virhetoimintoja ja muuntajien kyllästymisiä, joista voi seurata esimerkiksi releiden virhetoimintoja. Taloudellisesti merkittäviä GIC-peräiseksi tunnistettuja välittömiä haittoja on havaittu varsin harvoin, karkeasti arvioiden kerran vuosikymmenessä. Pahin tunnetuin GIC-tuho sattui Kanadassa maaliskuussa 1989, jolloin Quebecin osavaltiosta jäi suuri osa ilman sähköä tuntikausiksi, kun avaruussäämyrskyn vaikutukset olivat kytkeneet sähkönsiirtoverkon pois toiminnasta. Yhdysvalloissa myrsky tuhosi muuntajan, ja monia muitakin häiriöitä esiintyi laajalti pitkin mannerta. Lokakuun 2003 suuren magneettisen myrskyn aikaiset GI-virrat pimensivät Ruotsissa Malmön sähköverkon muutaman kymmenen minuutin ajaksi.

Maakaasuputkissa GI-virroilla on kahdenlaista vaikutusta. Virrat voivat sellaisenaan lisätä korroosiota ja siten lyhentää putken elinikää. Käytännössä suurempi haitta lienevät GIC:n aiheuttamat häiriöt putkea korroosiolta suojaavassa järjestelmässä, jonka jännitetaso heilahtelee magneettisten myrskyjen aikana.

Televerkoissa GI-virroille herkimpiä kohteita ovat pitkät kaukoverkon kaapeliyhteydet. Suomesta on tunnistettu kuitenkin vain yksi varma GIC-tuho, tosin niinkin kauan sitten kuin vuonna 1958, jonka aikaista teletekniikkaa ei ole enää käytössä. Myös rautateiltä eri puolilta maailmaa on viitteitä GIC-peräisistä virhetoiminnoista valo-opastimissa.

Laajemmin tulkittuna GIC-ilmiö vaikuttaa myös magneettisiin kartoituksiin, joita käytetään mm. öljyn ja kaasun etsinnässä tai geologisissa tutkimuksissa. Vaikka GI-virta ei tällöin ole suoraan haitallinen, niin samaan aikaan esiintyvät Maan magneettikentän suuret vaihtelut vääristävät kartoitustuloksia ja voivat johtaa esimerkiksi öljynporauksessa kalliisiin suuntausvirheisiin. Kartoitusten ajoittaminen magneettisesti rauhalliselle ajalle on yksinkertaisin ratkaisu ongelmien välttämiseksi.

Suomen GIC-tutkimus korkeatasoista

Suomessa GIC-tutkimus alkoi 1970-luvun lopulla Imatra Voima Oy:n ja Ilmatieteen laitoksen välisenä yhteistyönä. Ilmatieteen laitoksella käynnistettiin GI-virtoihin kohdistuva teoreettinen tutkimustyö, johon kuului myös virtojen mittausohjelma. Imatran Voima Oy ja nykyisin suurjänniteverkosta vastaava Fingrid Oyj ovat tutkimuksissaan testanneet 400 kV verkon muuntajia syöttämällä niihin sellaisia suuria tasavirtoja, joita avaruussäämyrskyn aikana verkkoon voi pahimmillaan syntyä. Testien mukaan Suomessa käytössä olevat muuntajatyypit kestävät hyvin tällaisen lisäkuormituksen. Vaikka Suomessa siis havaitaan verkossa huomattavia GI-virtoja, niiden haittavaikutukset ovat vähäisiä.

Maakaasuputkien GI-virtoja on tutkittu yhteistyössä Gasum Oy:n (aiemmin Neste Oy) kanssa 1980-luvulta lähtien. Työhön on tässäkin tapauksessa kuulunut sekä mallinnusta että mittausta.

GI-virtojen syntyperiaate

GI-virtojen syntyperiaate: ionosfäärin sähkövirrat, kuvassa I(t), synnyttävät muuttuvan magneettikentän, joka indusoi maanpinnalle sähkökentän E(t). Sähkökenttä puolestaan ajaa sähkövirtoja maankuoressa sekä erityisesti laajoissa hyvin sähköä johtavissa rakennelmissa, kuten kaasuputkissa ja sähköjohdoissa.
Kuva: IL / Antti Pulkkinen
 

GIC energianlähteenä?

Avaruussää ei koskaan ole täysin "tyyni", joten GIC-ilmiö esiintyy koko ajan. Kun GIC havaittiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla lennätinjärjestelmissä, sen synnyttämällä jännitteellä saatettiin ajoittain korvata varsinainen virtalähde. Voitaisiinko siis "taivaallisten paristojen" teho siepata esimerkiksi käämillä? Mallilaskelma osoittaa, että se ei olisi ollenkaan käytännöllistä, sillä edes koko Suomen ympäröivä käämi ei tuottaisi kuin 1-10 MW huipputehon. Samaan päästään yksittäisellä tuulivoimalalla huomattavasti edullisemmin kustannuksin.