När solens utbrott hotar jorden

Det här är en artikel från 2020.

Solstormar är fenomen som börjar på solens yta, men har effekter långt utanför solen. I värsta fall kan de slå ut tekniska system på jorden och orsaka stora problem i samhället.

Den 13 maj 1921 syntes ovanligt kraftiga norrsken över Sverige, och som vanligt följdes himlafenomenet av störningar i telefon- och telegrafkommunikationerna. I Karlstad gick det riktigt illa: telefonstationen började brinna, och växelbordet och de flesta telefonledningarna förstördes.

I dag har vi bättre skydd mot störningar, och en ganska liten del av våra kommunikationer går genom telefonledningar. Samtidigt har vi byggt upp ett högteknologiskt samhälle där allt mer av vardagen är beroende av elektricitet och av andra tjänster som kan vara känsliga för stora solstormar. Därför är det viktigt att förstå solstormarna och vilka åtgärder som kan minska riskerna.

Forskning & Framsteg reder här ut vad solstormar är, vilka problem de kan orsaka, och vad vi kan göra för att skydda oss.

Solstorm är ett vardagligt namn för flera typer av ovanligt eller extremt rymdväder, då utbrott på solens yta sänder ut strålning och partiklar. Rymdväder kallar man i sin tur förändringar i partikelströmmarna och magnetfälten som kopplar ihop solens och jordens omgivningar, och som kan påverka jorden eller mänsklig teknik.

Norrskenet hänger ihop med samma processer som rymdvädret.

Solens atmosfär består av joniserad gas, ett materiatillstånd som kallas för plasma. Den slungar hela tiden iväg en ström av laddade partiklar i alla riktningar som bildar den så kallade solvinden som sveper ut genom solsystemet. Ibland sker utbrott på solens yta, och då kan den kasta ut ovanligt kraftiga strömmar av partiklar. Partikelströmmarna för också med sig inflätade magnetfält. Både magnetfälten och partiklarna kan skada teknik på jorden och i rymden.

En solstorm är solens sätt att göra sig av med magnetisk överskottsenergi. Solens magnetfält bildar komplicerade strukturer, som drivs av att solen roterar fortare vid ekvatorn än vid polerna.

Hoptrasslade magnetfältlinjer kring solfläckar kan orsaka ett plötsligt utbrott, en flare, som avger mycket röntgen- och UV-strålning och protoner med hög energi som kan röra sig nära ljusets hastighet. Ibland följs en flare av att solen slungar ut en del av sin atmosfär, typiskt ungefär en miljard ton materia, i en så kallad koronamassutkastning (på engelska: coronal mass ejection, CME).

När den utslungade bubblan av plasma (elektriskt laddad gas) från en koronamassutkastning rör sig med hög hastighet genom den omgivande solvinden bildas en chockfront, där laddade partiklar kan accelereras till hög energi.

Om en stor solstorm med en CME sker i riktning mot jorden når den oss i tre omgångar:

Solstormar kan alltså yttra sig på olika sätt. Kraftiga skurar av protoner från en flare kan drabba jorden även utan en åtföljande geomagnetisk storm. Omvänt kan också en geomagnetisk storm inträffa utan att det först kommer någon kraftigare skur av laddade partiklar.

Nej, inte riktigt. En geomagnetisk storm är en av de möjliga effekterna av en solstorm – en störning av jordens magnetfält som kan orsakas av plasma som slungas ut från solen.

Jorden har ett eget magnetfält som bildar en skyddande bubbla, hoptryckt av solvinden på den sida som vetter mot solen, och utsträckt på läsidan. Området som präglas av jordens magnetfält kallas för magnetosfären. Magnetosfären innehåller också partiklar och strålningsbälten. Den yttersta delen av atmosfären kallas för jonosfären, eftersom atomer och molekyler där har joniserats av strålning utifrån.

En geomagnetisk storm uppstår när plasma och magnetfältsstörningar från ett utbrott på solen ruskar om magnetosfären. Ändringar i ett magnetfält ger upphov till elektriska strömmar, enligt samma princip som vi använder i en vanlig cykeldynamo. När jordens magnetfält förändras uppstår strömmar i plasmat ute i rymden och i jonosfären, men även i jordytan. Strömmar och elektriska fält i jordytan kan orsaka problem för teknik och infrastruktur.

Mindre, snabba störningar i magnetfältet kallas för magnetiska substormar och är mycket vanliga. En substorm varar kanske tio minuter till ett par timmar, ofta åtföljd av spektakulära norrsken. Eftersom det är förändringar i magnetfältet som skapar strömmar är det ofta substormarna med deras snabba förlopp som orsakar störst problem – även under en kraftig geomagnetisk storm.

Variationer i jordens magnetfält ger upphov till elektriska strömmar, och de gör att det uppstår elektriska fält i marken. På platser där marken är elektriskt ledande kommer elektronerna att flytta på sig och neutralisera fältet. Men på platser där marken är sämre ledare kan det uppstå större elektriska fält. På sådana platser kommer strömmen att leta sig fram i ledande strukturer som vi människor byggt upp, till exempel i elnätet. De inducerade strömmarna nöter på bland annat transformatorer och förkortar deras livslängd. I värsta fall kan elnätet bli överbelastat, med strömavbrott som följd.

Om transformatorer i elnätet skulle slås ut kan det ta flera veckor att reparera. Blir många transformatorer så skadade att de måste byggas från grunden är vissa experter oroliga för att det skulle kunna ta flera år innan alla är återställda. I Sverige används transformatorer som ska vara tåliga mot inducerade strömmar.

Ström kan också gå i järnvägsräls och rörledningar. Det finns farhågor om att pipelines för olja och gas kan korrodera och få förkortad livslängd på grund av sådana strömmar. Järnvägstrafiken kan störas av att signalsystemet påverkas av inducerade strömmar.

Vid en solstorm kan också högenergetiska partiklar komma från solen. De flesta av dem stoppas dock av atmosfären, så för oss här på jordytan anses de inte vara någon direkt fara.

Din egen dator och annan elektronik i hemmet kommer att drabbas först i andra hand, och då genom att de är beroende av infrastrukturen. Stora solstormar kan tillfälligt störa radiotrafik och satellitnavigeringssystem (som GPS och Galileo), som också påverkar hur din mobiltelefon fungerar. Mobilnätet ska gå på reservkraft under strömavbrott, men om strömmen är borta länge kan även mobiltelefonin falla bort.

Satellitnavigeringssystem ger inte bara platsinformation utan också tid. Tidssignalerna används i oöverskådligt många tillämpningar, vilket betyder att det kan finnas sårbarheter på oväntade ställen. Höghastighetshandel med värdepapper är ett exempel – och det finns redan säkerhetsåtgärder för att skydda börshandeln om klockinformationen faller bort.

Teknik och människor i rymden drabbas av andra typer av problem än här nere på jorden, inte minst för att de har mindre skydd mot partiklar.

En kraftig solstorm kan trycka ihop den del av jordens magnetfält som vetter mot solen, så mycket att den skyddande bubblan ligger innanför den geostationära satellitbanan – där satelliter kretsar som ska befinna sig konstant ovanför samma del av jorden. Typiskt handlar det om väder- eller tv-satelliter. Om satelliter hamnar utanför magnetosfären kan mycket större mängd laddade partiklar nå fram till dem.

Högenergetiska partiklar kan också vara farliga för astronauter, och i viss utsträckning för människor ombord på flygplan som befinner sig högre upp och därför får mindre skydd av atmosfären. Solstormar är ett stort orosmoment för rymdfärder utanför jordens magnetosfär – till exempel till månen och Mars. Om det kommer en riktigt kraftig skur av partiklar med hög energi skulle en oskyddad astronaut kunna dö av akut strålsjuka.

När partiklar med hög energi når en rymdfarkost kan de gå rakt igenom den och orsaka skador. Laddade partiklar kan skifta ettor och nollor i datorminnen, eller orsaka kortslutningar och andra elektriska fel. I värsta fall slås kommunikationen ut helt. Men även om satelliten inte drabbas av akuta fel sliter de laddade partiklarna på den, försämrar solpanelernas funktion och förkortar livslängden på de olika systemen.

Störningar i jordens magnetfält kan hetta upp den övre delen av atmosfären, så att den expanderar. Det medför större friktion för de satelliter som går i låga banor kring jorden. De behöver då justera sina banor, annars kan de inte hålla sig i bana kring jorden lika länge innan de faller ner i atmosfären och brinner upp.

Ett annat problem är att röntgen-, UV-, och partikelstrålning från ett solutbrott kan jonisera atmosfären så att kommunikationen med satelliterna fungerar sämre eller i värsta fall inte alls. Det är bland annat ett problem för alla karttjänster och navigationshjälpmedel som behöver satellitinformation.

Utbrotten på solen är oregelbundna, men små utbrott kommer oftare än stora.

Solens magnetfält går genom variationer med en cykel på 11 år, den så kallade solfläckscykeln. Vi befinner oss nu (i slutet av 2019) precis i skarven mellan två cykler, och antalet solfläckar är mycket lågt. Det tycks vara större risk för solstormar under de perioder då solen är mer magnetiskt aktiv – det vill säga när det finns många solfläckar. Men solstormar kan uppkomma när som helst, utom under de korta perioder då det inte finns några solfläckar alls.

När det finns många solfläckar kan det komma flares ofta, ibland bara med minuters mellanrum. Små flares är vanligare än stora och brukar inte orsaka några problem. Även om en flare flammar upp vid solens kant, sett från oss, sprids elektromagnetisk strålning (synligt ljus, UV-, och röntgenstrålning) i alla riktningar och når oss här. Partikelskuren från en flare är däremot mer riktad och träffar bara jorden om den rör sig i vår riktning.

Koronamassutkastningar, då solen kastar ut en bubbla av plasma, är också riktade och missar ofta jorden. När solen är mycket aktiv kan den åstadkomma flera koronamassutkastningar per dag.

Nej, det finns ännu inga tillförlitliga sätt att förutsäga när det kommer att bli ett utbrott på solens yta eller hur kraftiga de kommer att bli. Fysiken på solen är inte tillräckligt väl förstådd.

Däremot går det att göra prognoser av hur rymdvädret nära jorden kan påverkas med utgångspunkt från observationer av solens yta och av partiklar och fält i rymden. Rymdväderprognoserna bygger på data från ett antal olika satelliter i olika typer av omloppsbanor. De flesta är forskningsatelliter, och mycket data från dem är helt öppet tillgängliga och kan användas av olika tjänster. Dessutom finns det markbundna observationer, bland annat i form av nätverk som observerar variationer i jordens magnetfält på jordytan.

Det svenska Institutet för rymdfysik gör egna rymdväderprognoser, och ansvarar också för ett regionalt varningscentrum inom en internationell organisation för rymdväder.

Dessutom har SMHI fått ett uppdrag att bevaka rymdvädret, och tar emot prognoser från brittiska Met Office. De i sin tur får data från amerikanska NOAA (National oceanic and atmospheric administration). Med utgångspunkt från prognoserna kan SMHI varna de olika myndigheter som riskerar att påverkas om en solstorm är på gång.

28 augusti – 2 september 1859 träffades jorden av vad som egentligen var två kraftiga solutbrott strax efter varandra. Det hela brukar kallas för Carringtonhändelsen, efter en av de två amatörastronomer som observerade en intensiv soleruption den 1 september och förknippade den med den efterföljande magnetiska stormen.

Den mest synliga effekten var de dramatiska polarskenen, som bredde ut sig långt närmare ekvatorn än normalt. I Washington rapporterade en tidning att norrskenet var så starkt att det gick att läsa av visarna på en klocka i dess ljus. Norrskenet syntes så långt söderut som Kuba, Hawaii, och södra Japan. I Australien kunde invånarna i nuvarande Brisbane se ett ovanligt nordligt sydsken tre nätter i rad.

Elnätet var ännu inte utbyggt, men telegrafledningar spelade en viktig roll i samhället. På många ställen rapporterades avbrott i telegrafkommunikationerna. I Frankrike slog det gnistor kring ledningarna på flera telegrafkontor. På så skilda platser som Australien och USA rapporterades ojämn ström i ledningarna som gjorde det svårt att alls sända några meddelanden. Vid en telegraflinje i Boston förekom i stället en ganska stadig störning – operatörerna kopplade bort batterierna under två timmar, och hade under den tiden bättre överföring genom att enbart använda den ström som inducerades i ledningen.

Ingen lika stark solstorm har nått jorden senare, men händelser i samma nivå beräknas inträffa med 100–250 års mellanrum.

Carringtonhändelsen tas ofta som mått på den värsta möjliga solstormen, men det finns tecken på att den inte har rekordet. I juli 2012 observerade satelliter i rymden en stor koronamassutkastning, som missade jorden med god marginal. Utifrån de mätningar som gjordes finns beräkningar som tyder på att den skulle ha orsakat en kraftigare geomagnetisk storm än Carringtonhändelsen om den hade kommit i jordens riktning.

Spår av partikelutbrott har hittats i djupa borrkärnor av is från Grönland. Det ser ut som om mycket stora flöden av protoner med hög energi har träffat jorden vid flera tillfällen – det tolkas som att det kan komma mycket starkare partikelutbrott än de som har uppmätts i modern tid. Under Carringtonhändelsen kom det däremot inte något stort flöde av partiklar.

Ett av de mer omtalade exemplen är den solstorm som drabbade Nordamerika 13–14 mars 1989, och orsakade ungefär 200 olika mindre fel i elnäten. Det största problemet uppstod i den kanadensiska provinsen Quebec, och ledde till att flera miljoner personer blev utan el i upp till nio timmar.

En av de mer drastiska effekterna av en geomagnetisk storm i månadsskiftet oktober–november 2003 var att Malmö blev strömlöst i en timme den 30 oktober. Strömavbrottet berodde delvis på otur och på den mänskliga faktorn – flera ledningar var vid tillfället bortkopplade för underhåll, så att all belastning kom på en ledning när solstormen slog till.

Samma solstorm medförde också andra problem. Astronauterna på den internationella rymdstationen ISS fick ta skydd för att inte drabbas lika mycket av förhöjd strålning. Vissa flygbolag lät sina plan ta rutter på lägre breddgrader, till kostnad av högre bränsleförbrukning, för att komma bort från områdena vid polen där mer strålning når jorden. Det finns också en misstanke om att solstormen var orsaken till att den amerikanska forskningssatelliten Adeos-2 havererade vid den här tiden.

Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) informerar om riskerna med solstormar, så att till exempel elbolag och blåljusmyndigheter kan förebygga störningar.

En vanlig typ av problem, även vid beskedligare rymdväder, är störningar i radiotrafiken. Radiokommunikation på långa avstånd utnyttjar nämligen reflektion mot jonosfären – ett elektriskt ledande yttre skikt av atmosfären – för att leda signalerna förbi horisonten. Problemen blir mest märkbara nära de magnetiska polerna och vid ekvatorn.

Störningar i radiokommunikationerna är bland annat ett problem för flyget, som behöver ha tillförlitliga radiokontakter. Långa flygningar går ofta nära polen, och för att parera för kommunikationsproblem vid solstormar kan de styras om till lägre breddgrader – men då till kostnad av att de får flyga längre väg.

Andra instanser, till exempel försvaret, kan parera för problem genom att ha tillgång till flera kommunikationskanaler. Den första åtgärden vid störningar är att byta kommunikationsfrekvens, för störningarna kan vara olika starka på olika frekvenser. Om det blir helt omöjligt att få tillförlitlig kontakt kan det gå att byta till satellitkommunikation. De kontakterna kan också störas, men inte lika mycket.

Från och med hösten 2019 ska alla internationella flygningar få rymdväderinformation. Det finns tre internationella centraler som tar det globala ansvaret för flygets behov.

Satellitnavigering har blivit allt viktigare, både för att hitta fram till nödställda och för att styra och övervaka räddningsresurser som ambulanser och brandbilar. SOS alarm har alternativa rutiner och system att ta till om satellitkommunikationen skulle slås ut. De kommer inte att vara lika effektiva, men utryckningarna kommer att fortsätta fungera.

När en solstorm är i annalkande går det att parera på flera sätt för att minska risken för skador. En åtgärd är att sänka effekten i elledningarna för att minska risken för överbelastning. När det finns risk för störningar ska eventuella underhållsarbeten ställas in, så att inte delar av elnätet kopplas bort precis under ett utbrott. Med fler ledningar inkopplade kan belastningen fördelas bättre.

För att bättre förstå hur magnetfältet i Sverige varierar som följd av rymdväder har Esa finansierat ett nytt projekt med instrument som ska placeras ut på olika platser och mäta magnetfältet kontinuerligt.

Artikeln bygger på en rad tryckta källor, samt på intervjuer med bland annat följande personer.