Ερευνητές δημιούργησαν τον πρώτο λεπτομερή ηλεκτρικό χάρτη κάτω από τις Ηνωμένες Πολιτείες, βελτιώνοντας την ικανότητα παρακολούθησης των κινδύνων από ηλιακές καταιγίδες και την κατανόηση κρυφών γεωλογικών δομών.
Μια ηλιακή καταιγίδα στην κλίμακα του γεγονότος που προκάλεσε εννιάωρη διακοπή ρεύματος στο Κεμπέκ το 1989 θα μπορούσε να προκαλέσει πολύ μεγαλύτερη αναστάτωση εάν έπληττε σήμερα τις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες.
Οι επιστήμονες έχουν τώρα αναπτύξει βελτιωμένες μεθόδους για την ανίχνευση αυτών των καταιγίδων προτού εκδηλωθούν, χαρτογραφώντας κρυφές ηλεκτρικές δομές κάτω από το έδαφος και αποκαλύπτοντας πώς η υπόγεια γεωλογία μπορεί να επηρεάσει τις ζημιές στα δίκτυα ηλεκτροδότησης.
Μετά από 18 χρόνια έρευνας και μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν σε περισσότερες από 1.800 τοποθεσίες σε εθνικό επίπεδο, το USMTArray (United States Magnetotelluric Array) ολοκλήρωσε την πρώτη μεγάλης κλίμακας έρευνα για τις υπόγειες ηλεκτρικές ιδιότητες της ηπείρου [1]. Σε μια νέα μελέτη, ερευνητές από το Κέντρο Αστροφυσικής Χάρβαρντ & Σμιθσόνιαν (CfA) αποκάλυψαν έναν τρισδιάστατο χάρτη που δείχνει πώς τα ηλεκτρικά ρεύματα κινούνται μέσα από θαμμένα πετρώματα, υγρά και αρχαίους γεωλογικούς σχηματισμούς.
Ο χάρτης φέρνει στο φως κρυφές δομές και αγώγιμες διαδρομές βαθιά κάτω από τη Βόρεια Αμερική. Το USMTArray μετρά τις φυσικές διακυμάνσεις του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου της Γης στην επιφάνεια.
Επειδή η υπόγεια ηλεκτρική αγωγιμότητα επηρεάζεται από τα ορυκτά, τα υγρά και τη θερμοκρασία, αυτές οι μετρήσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να εξετάσουν δομές που κυμαίνονται από ρηχά στρώματα ιζημάτων έως αρχαίους σχηματισμούς ηλικίας άνω του ενός δισεκατομμυρίου ετών, οι οποίοι στηρίζουν τα θεμέλια της ηπείρου.
«Τα μαγνητοτελλουρικά δεδομένα, τα οποία μετρούν τις φυσικές μεταβολές του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια της Γης για να χαρτογραφήσουν την υπόγεια ηλεκτρική ειδική αντίσταση, αντιδρούν πολύ έντονα σε στοιχεία όπως τα υγρά και το λιωμένο πέτρωμα», δήλωσε η Άννα Κέλμπερτ (Anna Kelbert), επιστήμονας του προγράμματος Γεωεπιστημών στο CfA και επικεφαλής συγγραφέας της νέας επιστημονικής δημοσίευσης.
Νέος τρισδιάστατος χάρτης της Γης θα μπορούσε να αναβαθμίσει τις προειδοποιήσεις για ηλιακές καταιγίδες
Η Κέλμπερτ δήλωσε ότι το USMTArray παρέχει επίσης μια τρισδιάστατη εικόνα της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης, η οποία εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης μέχρι τον μανδύα. «Αυτό μας προσφέρει ένα θεμελιωδώς διαφορετικό παράθυρο στο εσωτερικό της Γης σε σύγκριση με τα σεισμικά δεδομένα». Τα ευρήματα αυτά έχουν σημαντικές πρακτικές προεκτάσεις.
Κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών καταιγίδων, η ενέργεια που απελευθερώνεται από τον Ήλιο μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικά ρεύματα που κινούνται μέσω του εδάφους και εισέρχονται στις υποδομές ηλεκτροδότησης.
Το μπλακάουτ του 1989 στο Κεμπέκ απέδειξε τον κίνδυνο, όταν τα γεωηλεκτρικά πεδία που προκλήθηκαν από την καταιγίδα υπερφόρτωσαν το ηλεκτρικό σύστημα της Hydro-Québec, διακόπτοντας την παροχή ρεύματος σε εκατομμύρια ανθρώπους.
Η Κέλμπερτ και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι κατά τη διάρκεια της ίδιας καταιγίδας, τα μεγέθη του γεωηλεκτρικού πεδίου σε μια τοποθεσία στο Μέιν έφτασαν τα 22,79 βολτ ανά χιλιόμετρο (36,7 βολτ ανά μίλι).
Σε αυτή την ένταση, το έδαφος διοχέτευε ηλεκτρισμό πολύ πέρα από τα όρια που έχουν σχεδιαστεί να αντέχουν τα περισσότερα συστήματα ισχύος. Τα ηλεκτρικά δίκτυα είναι κατασκευασμένα για να διαχειρίζονται εναλλασσόμενο ρεύμα, όχι συνεχές ρεύμα. Πιστεύω ότι οτιδήποτε ξεπερνά το 1 V/km θεωρείται απειλή από τη βιομηχανία δικτύων ηλεκτροδότησης”, δήλωσε η Κέλμπερτ (Anna Kelbert) .
«Για τιμές κοντά στα 20 V/km, εάν ένα γεωηλεκτρικό πεδίο τέτοιου μεγέθους είχε κατεύθυνση κατά μήκος μιας τυπικής γραμμής μεταφοράς ενέργειας 200 χιλιομέτρων στο Μέιν, θα μιλούσαμε για τάσεις 4.000 V, οι οποίες θα διοχέτευαν ένα ισχυρό οιονεί συνεχές ρεύμα (quasi-DC) κατά μήκος αυτής της γραμμής».
Οι ηλιακές καταιγίδες αποτελούν αυξανόμενη απειλή για τα δίκτυα ηλεκτροδότησης
Μια παρατεταμένη υπερτάση συνεχούς ρεύματος μπορεί να υπερφορτώσει τους μετασχηματιστές, προκαλώντας υπερθέρμανση και καταστρέφοντας ενδεχομένως εξοπλισμό που είναι ακριβός και χρονοβόρος στην αντικατάστασή του.
Ένα μεγάλο συμβάν, μεγαλύτερο από το μπλακάουτ του 1989, θα μπορούσε να αφήσει μεγάλα τμήματα της χώρας χωρίς ρεύμα για εκτεταμένο χρονικό διάστημα. Η Κέλμπερτ δήλωσε ότι το USMTArray βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα αξιολόγησης αυτών των κινδύνων.
Στο παρελθόν, οι ερευνητές βασίζονταν σε απλοποιημένα μονοδιάστατα μοντέλα για να εκτιμήσουν πώς κινούνταν ο ηλεκτρισμός κάτω από το έδαφος. Η νέα έρευνα δείχνει ότι η υπόγεια γεωλογία στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι πολύ πιο περίπλοκη.
Οι γεωηλεκτρικοί κίνδυνοι μπορούν να διαφέρουν απότομα ακόμη και μεταξύ τοποθεσιών που απέχουν μόλις λίγα μίλια, με ορισμένες κοντινές περιοχές να εμφανίζουν διαφορές τόσο μεγάλες όσο και τοποθεσίες που χωρίζονται από εκατοντάδες μίλια.
Σήμερα, οι πληροφορίες από το USMTArray τροφοδοτούν έναν χάρτη κινδύνου σε πραγματικό χρόνο, τον οποίο διαχειρίζονται η Εθνική Υπηρεσία Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA) και το Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ (USGS).
Το σύστημα καταγράφει τα ηλεκτρικά πεδία σε ολόκληρη τη χώρα κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών καταιγίδων, βοηθώντας τους επιστήμονες και τους αξιωματούχους έκτακτης ανάγκης να εκτιμήσουν τους κινδύνους σε συγκεκριμένες τοποθεσίες με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό,τι στο παρελθόν.
Έρευνα-μαμούθ αποκαλύπτει αρχαίες δομές κάτω από τη Βόρεια Αμερική
Το έργο ξεκίνησε το 2006 με στόχο τη δημιουργία μιας λεπτομερούς εικόνας της βαθιάς γεωλογικής δομής της Βόρειας Αμερικής. Το τρισδιάστατο ηλεκτρικό μοντέλο που προέκυψε ιχνηλατεί την κίνηση αρχαίων μαζών ξηράς που συγκρούστηκαν πριν από πολύ καιρό, χαρτογραφεί σταθερές ηπειρωτικές περιοχές που έχουν επιβιώσει για δισεκατομμύρια χρόνια και αποκαλύπτει πώς σχηματίστηκε η Βόρεια Αμερική.
Σε αντίθεση με τις σεισμικές τεχνικές, αυτές οι ηλεκτρικές μετρήσεις μπορούν να εντοπίσουν χαρακτηριστικά όπως ανενεργές, αρχαίες ζώνες καταβύθισης, οι οποίες χαρακτηρίζονται από αγώγιμα υλικά όπως ο γραφίτης και τα θειούχα ορυκτά που βρίσκονται θαμμένα βαθιά κάτω από το έδαφος.
Επειδή ο χάρτης μπορεί να εντοπίσει υπόγεια υγρά και ηλεκτρικά αγώγιμα ορυκτά, οι ερευνητές λένε ότι μπορεί επίσης να βοηθήσει στον εντοπισμό πολύτιμων πόρων, συμπεριλαμβανομένων των κοιτασμάτων ορυκτών και των υπόγειων πηγών θερμότητας. «Υπάρχει ακόμα ένα κενό ανάμεσα στη γνώση των γεωηλεκτρικών πεδίων σε πραγματικό χρόνο και στη χρήση αυτών των πληροφοριών για τη λήψη έγκαιρων επιχειρησιακών αποφάσεων», δήλωσε η Κέλμπερτ. «Η πρόβλεψη, και όχι απλώς η ανίχνευση, είναι το επόμενο ορόσημο».