Here Are the U.S. Regionen, die am anfälligsten für Sonnenstürme sind

Netzbetreiber in Minnesota, North Dakota und Wisconsin sollten besondere Vorsichtsmaßnahmen gegen Solar-„Wetter“

Eine neue Studie über solar-induzierte Stromausfälle im US-Stromnetz zeigt, dass einige Schlüsselregionen – ein Teil des Mittleren Westens und der Ostküste – anfälliger zu sein scheinen als andere.

Die gute Nachricht ist, dass ein paar vorbeugende Maßnahmen den Schaden drastisch reduzieren könnten, wenn ein Sonnensturm die Erde trifft. Dazu gehört die Bevorratung von elektrischen Transformatoren in nationalen strategischen Reserven.

Jeffrey Love ist Forschungsgeophysiker bei der U.S. Geological Survey (USGS) in Golden, Colo. und Mitautor der neuen USGS-Studie zur geoelektrischen Gefährdung durch Sonneneinstrahlung. Er ist eine von vielen Stimmen in der weltweiten geophysikalischen Gemeinschaft, die davor warnen, dass geoelektrische „perfekte Stürme“ auftreten werden – es ist nicht eine Frage des Ob, sondern des Wann. Solche Stürme können zwischen einem und drei Tagen andauern.

Love erklärt, dass Sonneneruptionen und andere Auswürfe von Sonnenmasse, die durch den Weltraum reisen, in die Erdatmosphäre einschlagen und starke elektrische und magnetische Felder erzeugen können. Diese Magnetstürme können gelegentlich stark genug sein, um den Betrieb von Hochspannungsleitungen zu stören.

Abhängig von der Geologie einer bestimmten Region können die Ströme, die ein geomagnetischer Sturm in den Stromleitungen induziert, den Betrieb des Stromnetzes destabilisieren und Transformatoren beschädigen (oder sogar zerstören).

Glücklicherweise sind einige Gesteinsarten, wie z. B. Sedimentgesteine, relativ elektrisch leitfähig. Das heißt, sie sind effektiver darin, sturmbedingte elektrische Felder abzubauen. Daher sind die Regionen des Landes, in denen es mehr dieser leitfähigen Gesteinsarten gibt, widerstandsfähiger gegenüber einem magnetischen Sturm. Zufälligerweise ist das der größte Teil der Vereinigten Staaten.

Einige Regionen mit geologischem Pech haben jedoch zufällig mehr elektrisch widerstandsfähiges Gestein (einschließlich eruptiver und metamorpher Formationen) im Boden. Und das bedeutet, dass elektrische Hochspannungsleitungen in diesen Teilen des Landes stärker von geomagnetischen Störungen durch Sonneneruptionen betroffen sind. Versorgungsunternehmen in diesen Regionen müssen wissen, dass Stromstörungen und -ausfälle – und möglicherweise durchgebrannte Transformatoren – wahrscheinlicher sind, wenn ein großer Sonnensturm auf die Erde trifft.

Im schlimmsten Fall, so Love, könnten Teile des Stromnetzes, die nicht über genügend Ersatztransformatoren und andere Geräte verfügen, nicht mehr funktionieren, bis sie durch Ersatzsysteme ersetzt werden können. Wenn es nicht genügend Transformatoren und andere Geräte gibt, könnten viele in den am stärksten betroffenen Regionen tage- oder wochenlang ohne Strom sein, bis Geräte geliefert oder von Grund auf neu gebaut werden können.

Im März 1989 zum Beispiel schlug ein sogenannter koronaler Massenauswurf von der Sonne auf die Erde ein. Aufgrund der Ausrichtung des Planeten zum Zeitpunkt des Einschlags fielen Stromnetze und Transformatoren vor allem in der kanadischen Provinz Quebec aus. Für die nächsten 12 Stunden wurden Millionen von Menschen in eine Welt ohne Strom, Licht, Heizung oder andere notwendige Dienstleistungen zurückgeworfen.

„Die geomagnetische Störung war global, aber der Effekt war prominent für Quebec, weil Quebec altes und geologisch widerstandsfähiges Gestein hat“, sagte Love. „Außerdem haben die Stromnetze in Quebec sehr lange Leitungen, was bedeutet, dass die Integration des elektrischen Feldes entlang der Leitungen sehr hohe Spannungen erzeugt.“

Die Vereinigten Staaten vermieden die Hauptlast des geomagnetischen Sturms von 1989, weil er zufällig über der kanadischen Provinz konzentriert war.

Wie ein Stromnetz auf einen starken Sonnensturm reagiert, ist in erster Linie eine Funktion von drei Faktoren, sagte Love.

Der erste ist die Intensität und der Ort des Sturms selbst; der zweite ist die geologische Reaktionsfähigkeit der Mineralien in einer Region auf die elektrische Aktivität in der Atmosphäre.

Love sagt, dass eine Studie aus dem Jahr 2019 diesen zweiten Faktor über zwei Drittel der Vereinigten Staaten abbildet. Die Vermessung des verbleibenden Drittels – bestehend aus den südlichen und südwestlichen Regionen der zusammenhängenden 48 Staaten – wird innerhalb von drei Jahren abgeschlossen sein.

Der dritte Faktor hat mit der Ausrichtung von Hochspannungsleitungen zu tun. Wenn das geoelektrische Feld während eines Sonnensturms z. B. in Richtung Nord-Süd zeigt, wird es die höchsten Spannungen in elektrischen Leitungen induzieren, die in Nord-Süd-Richtung verlaufen. (Love merkte an, dass die geoelektrischen Felder in einem Sturm zwar schlimmstenfalls nur etwa 25 Volt pro Kilometer betragen, dieses Feld dann aber über die Länge der Stromleitung integriert wird. Bei langen Stromleitungen, die parallel zu den geoelektrischen Feldern ausgerichtet sind, kann die induzierte Spannung also Tausende von Volt betragen. Das kann ein Stromnetz und Transformatoren, die für Wechselstrom ausgelegt sind, in Mitleidenschaft ziehen.)

Das Worst-Case-Szenario, das die Netzexperten nachts wach hält, ereignete sich zuletzt im Jahr 1859. Es hatte seinen Ursprung in einer Sonneneruption, die am 1. September 1859 auf der Sonnenoberfläche explodierte und von den englischen Amateurastronomen Richard Carrington und Richard Hodgson beobachtet wurde.

Glücklicherweise hatte die Welt, als das „Carrington-Ereignis“ die Erde traf, nur wenig elektrische Infrastruktur, die gestört werden konnte. Es waren hauptsächlich Telegrafendrähte entlang von Eisenbahnlinien, die die Hochspannungsstöße zu spüren bekamen.

„Es gibt eine gewisse Erwartung, dass, wenn wir eine Wiederholung des Sturms von 1859 haben sollten, es einige erhebliche Auswirkungen auf das elektrische Stromnetz und andere Technologie haben könnte, von der die moderne Gesellschaft abhängt“, sagte Love. Und weil so viele der heutigen elektrischen Systeme um Computerchips herum aufgebaut sind, die nicht robust gegenüber Hochspannungsstößen sind, besteht die Befürchtung, dass ein modernes Carrington-Ereignis auch einen Teil unserer computerisierten Welt auslöschen könnte.

Was, so Love, das Studium und die Kartierung dieses Phänomens im Voraus umso wichtiger macht. Netzbetreiber in Minnesota, North Dakota und Wisconsin sowie entlang einer Strecke von Maine bis Virginia müssen erkennen, dass sie in einem geoelektrischen „perfekten Sturm“ härter getroffen werden könnten als andere Regionen.

Diese Betreiber haben Optionen, wie sie reagieren können, besonders wenn sie im Voraus vorbereitet sind. Sie können zusätzliche Stromerzeugungskapazitäten einschalten, den Strom in weniger betroffene Regionen umleiten und verfügbare Transformatoren aus einem strategischen Vorrat austauschen. Natürlich müssten in diesem Vorrat genügend Transformatoren vorhanden sein, um die Anforderungen zu erfüllen, die ein großer geomagnetischer Sturm an das Netz stellen könnte.

Im Jahr 2015 legten acht US-Elektrizitätsversorgungsunternehmen einen Vorrat an Transformatoren für den Notfall an. Eine von US-Präsident Trump unterzeichnete Anordnung vom März 2019 wies die Behörden an, die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes gegenüber elektromagnetischen Impulsen zu verstärken. Im selben Monat veröffentlichte die National Oceanic and Atmospheric Administration eine Nationale Weltraumwetter-Strategie und einen Aktionsplan (der einen Plan aus dem Jahr 2015 aktualisierte, aus dem 2016 eine behördenübergreifende Arbeitsgruppe für Weltraumwetter hervorging). Das sind positive Schritte, um auf zukünftige geoelektrische Stürme vorbereitet zu sein.

„Weltraumwettereffekte, die über unseren Köpfen entstehen und die Geologie unter unseren Füßen… beeinflussen unsere technologischen Systeme“, sagte Love. Was wir mit diesem Wissen machen, liegt also letztlich an uns.