Investigating the possibility of the development of geomagnetically induced currents (GIC) in Greece

Η εμφάνιση Γεωμαγνητικώς Επαγομένων Ρευμάτων (Geomagnetically Induced Currents – GICs) στην επιφάνεια της Γης σχετίζεται με έντονες διακυμάνσεις του γεωμαγνητικού πεδίου των οποίων η πηγή βρίσκεται σε ισχυρές διαταραχές στο εγγύς γεωδιάστημα. Η ανάπτυξη GICs μπορεί να έχει ως πιθανό αποτέλεσμα την πρόκληση σοβαρών βλαβών στο δίκτυο μεταφοράς και παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια γεωδιαστημικών μαγνητικών καταιγίδων αναπτύσσονται ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα, που ρέουν στο εγγύς προς τη Γη διάστημα και "κλείνουν" μέσω της ανώτερης ατμόσφαιρας. Το μαγνητικό πεδίο που αναπτύσσεται σαν αποτέλεσμα αυτών των ρευμάτων με τη σειρά του επάγει ρεύματα στην επιφάνεια της Γης (GICs), η ένταση των οποίων εξαρτάται από την κατανομή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του στερεού φλοιού της Γης. Τα GICs είναι το τέλος της αλυσίδας του διαστημικού καιρού (space weather): Ήλιος – ηλιακός άνεμος – μαγνητόσφαιρα – ιονόσφαιρα – επιφάνεια της Γης. Ως εκ τούτου, σήμερα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της έρευνας του διαστημικού καιρού. Η παραδοσιακή άποψη ήταν ότι μόνο δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη (Βόρεια Αμερική, Σκανδιναβία) επηρεάζονται από GICs. Αυτό όμως δεν εξηγεί τα προβλήματα ηλεκτρικής ισχύος που έχουν πρόσφατα αναφερθεί σε χαμηλά πλάτη (π.χ. Ισπανία, Ν. Αφρική, Ιαπωνία, Κίνα), σε πλάτη δηλαδή παρόμοια με αυτά της Ελλάδας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει επικεντρωθεί στoυς ακόλουθους βασικούς άξονες έρευνας: •Ανάλυση χρονοσειρών μετρήσεων του γεωμαγνητικού πεδίου από επίγεια δίκτυα μαγνητομέτρων τα οποία βρίσκονται κυρίως στην Ευρώπη με έμφαση στην περιοχή της Μεσογείου, διαστημικών μαγνητομέτρων από τους δορυφόρους Swarm του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (European Space Agency - ESA) καθώς και δεικτών γεωμαγνητικής δραστηριότητας όσον αφορά μαγνητικές καταιγίδες και υποκαταιγίδες. H ανάλυση έγινε με χρήση προηγμένων μεθόδων επεξεργασίας σήματος, που εδράζονται σε μετασχηματισμούς wavelet, υπολογισμό εκθέτη Hurst, και μέτρων εντροπίας, προκειμένου να αποτυπώσουμε την τυχόν ύπαρξη χαρακτηριστικών υπογραφών πριν από την έναρξη μαγνητικών καταιγίδων. Εφόσον τα GICs σχετίζονται με επεισόδια του διαστημικού καιρού, οι ενδείξεις για επικείμενες καταιγίδες συνεισφέρουν στην έγκαιρη προειδοποίηση για ανάπτυξη των GICs σε περιοχές που φιλοξενούν κρίσιμες τεχνολογικά υποδομές. •Υπολογισμός ενός δείκτη δραστηριότητας GIC για την Ελλάδα και γενικότερα τη Νότια Ευρώπη, εστιάζοντας σε μαγνητικές καταιγίδες που συνέβησαν στη διάρκεια του προηγούμενου (24ου) ηλιακού κύκλου. •Υπολογισμός της έντασης του γεωηλεκτρικού πεδίου Ε, λαμβάνοντας υπόψιν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του υπεδάφους και, κατ' επέκταση αναλυτική εκτίμηση του βαθμού τρωτότητας των συστημάτων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας μας, καθώς και της νότιας Ευρώπης, κατά την εκδήλωση ακραίων φαινομένων του διαστημικού καιρού, όπως είναι οι μαγνητικές καταιγίδες.Η κατανόηση του βαθμού που τα GICs μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία των συστημάτων ηλεκτροδότησης βελτιώθηκε σημαντικά μετά από τα προβλήματα που δημιουργήθηκαν στη Β. Αμερική κατά τη διάρκεια της μαγνητικής καταιγίδας του Μαρτίου του 1989. Χαρακτηριστική συνέπεια ήταν το εκτεταμένο blackout διάρκειας 9 ωρών στο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο της Hydro-Québec. Προφανώς, ο επακόλουθος κοινωνικός/οικονομικός αντίκτυπος σχετίζεται με την ένταση του φαινομένου, όπως υποδεικνύεται και από την έκθεση του National Research Council.Οι δυσμενείς επιπτώσεις των GICs αρχικά αποτέλεσαν πεδίο μελέτης στα υψηλά γεωμαγνητικά πλάτη, όπου κυριαρχούν τα σελαϊκά ιονοσφαιρικά ρεύματα, οδηγώντας τις επίγειες διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου σε υψηλές τιμές. Όμως, μεγάλες τιμές GICs έχουν πλέον παρατηρηθεί σε κάθε γεωγραφικό πλάτος. Στην Ευρώπη, μάλιστα, αυτό ενισχύεται και από το μοντέλο εμφάνισης των GICs σε όλη την έκταση της ηπείρου. Σύμφωνα με τον Kappenman η πηγή των διατηρούμενων GICs στα χαμηλά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη σχετίζεται με υψηλές τιμές διακύμανσης, που οφείλονται στις αυθόρμητες εξάρσεις της δυναμικής πίεσης του ηλιακού ανέμου ή στην ισχυροποίηση του δακτυλιοειδούς ρεύματος. Στις περιοχές αυτές, οι μέγιστες τιμές της χρονικής μεταβολής της οριζόντιας συνιστώσας του μαγνητικού πεδίου (dBH/dt) συνήθως συμπίπτουν με την απότομη έναρξη της καταιγίδας και όχι κατά τη διάρκεια της κύριας φάσης της, άρα η επικινδυνότητα είναι μεγαλύτερη τότε. Η εκτίμηση των GICs στα χαμηλά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη λαμβάνει ολοένα και περισσότερη προσοχή από την επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια, με μελέτες να έχουν ήδη γίνει στην Ισπανία, την Ιταλία, την Αυστρία, την Ιαπωνία, την Κίνα, τη Ν. Ζηλανδία, την Αυστραλία, τη Ν. Αφρική κ.ά. Λαμβάνοντας υπόψη τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, το ερώτημα που καλούμαστε να απαντήσουμε είναι το κατά πόσον το δίκτυο ηλεκτροδότησης της Ελλάδας, μιας περιοχής που βρίσκεται σε μεσαία γεωγραφικά πλάτη, κινδυνεύει και σε τι βαθμό από GICs που αναμένεται να αναπτυχθούν στην περίπτωση μιας ισχυρής μαγνητικής καταιγίδας. Ο υπολογισμός ενός δείκτη GIC μπορεί να συμβάλλει καθοριστικά στη λήψη μέτρων προστασίας από τους παρόχους ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τους χειριστές των δικτύων διανομής ηλεκτρισμού στην Ελλάδα, αλλά και στην Ευρώπη γενικότερα, σε μελλοντική βάση, ενώ συνεισφέρει και στην έρευνα για την πρόγνωση του διαστημικού καιρού.Είναι η πρώτη φορά που επιχειρείται η εκτίμηση των GICs στον Ελλαδικό χώρο, μελέτη που εναρμονίζεται απόλυτα με αντίστοιχες έρευνες ανά τον κόσμο. Επομένως, η διατριβή αυτή καλύπτει σε σημαντικό βαθμό το υπάρχον κενό στη βιβλιογραφία, πραγματοποιώντας κατ' αντιστοιχία μια εκτίμηση και δόμηση προτύπου κατανομής των GICs στην Ελλάδα.Για την επεξεργασία των χρονοσειρών (δεδομένων γεωμαγνητικού πεδίου) εφαρμόστηκαν μέθοδοι φασματικής ανάλυσης, με όρους μετασχηματισμών wavelet σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB. Προκειμένου να γίνουν συγκρίσεις και να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα, συνεπικουρικά αναλύθηκαν δείκτες γεωμαγνητικής δραστηριότητας, συμπεριλαμβανομένων δεικτών που προέκυψαν από δορυφορικά δεδομένα της αποστολής Swarm πέραν των κλασσικών επίγειων δεικτών SYM-H (για καταιγίδες) και ΑΕ (για υποκαταιγίδες). Ακόμη, πραγματοποιήθηκε υπολογισμός του εκθέτη Hurst και των μέτρων εντροπίας: Shannon entropy, Tsallis entropy και Fisher information. Οι συγκεκριμένες στατιστικές μέθοδοι με βάση τη θεωρία της πληροφορίας (Information Theory) χρησιμοποιούνται ευρέως μαζί με διάφορες άλλες μεθόδους, προκειμένου να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα από μελέτες πολύπλοκων συστημάτων, όπως για παράδειγμα το συζευγμένο σύστημα ηλιακός άνεμος-μαγνητόσφαιρα-ιονόσφαιρα. Συγκεκριμένα, ο εκθέτης Hurst είναι ένα στατιστικό μέτρο που χαρακτηρίζει τις επίμονες ή μη-επίμονες (persistent/non-persistent) ιδιότητες ενός σήματος. Η εντροπία Shannon είναι μία έννοια που χρησιμοποιείται για να διερευνηθεί το μέγεθος της πληροφορίας ενός μεταδιδόμενου μηνύματος, ενώ η εντροπία Tsallis αποτελεί μια γενίκευση της εντροπίας Boltzmann-Gibbs και χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλά πεδία έρευνας. Τέλος, το στατιστικό μέτρο Fisher information αποτελεί μία ισχυρή μέθοδο μελέτης μη-στάσιμων και μη-γραμμικών χρονοσειρών.Ο δείκτης GIC αποτελεί μία ένδειξη (proxy) του γεωηλεκτρικού πεδίου και υπολογίζεται αποκλειστικά από δεδομένα μαγνητικού πεδίου. Έχει δύο εκδοχές (GICx-GICy) και υπολογίστηκε για τις ισχυρότερες γεωμαγνητικές καταιγίδες (δηλ., δείκτης Dst -150 nT) που συνέβησαν κατά τη διάρκεια του 24ου ηλιακού κύκλου (δηλ., Μάρτιος, Ιούνιος και Δεκέμβριος 2015, και Αύγουστος 2018), χρησιμοποιώντας δεδομένα από το δίκτυο μαγνητομέτρων ENIGMA (http://enigma.space.noa.gr/). Στη συνέχεια, η έρευνα επεκτάθηκε στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου. Ο δείκτης GIC υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από τα γεωμαγνητικά παρατηρητήρια Castello Tesino (CTS) στην Ιταλία, Chambon la Forêt (CLF) στη Γαλλία, Ebro (EBR) και San Fernando (SFS) στην Ισπανία, Tamanrasset (TAM) στην Αλγερία και Iznik (IZN) στην Τουρκία. Στόχος ήταν να πραγματοποιηθεί μία πρώτη εκτίμηση του γεωηλεκτρικού πεδίου και κατ' επέκταση της έντασης των GICs στην περιοχή γύρω από τον εκάστοτε μαγνητικό σταθμό/ παρατηρητήριο, καθώς και να μελετήσουμε τη συμπεριφορά του δείκτη κατά την αιφνίδια έναρξη της εκάστοτε καταιγίδας (sudden storm commencement – SSC). Στην περίπτωση της καταιγίδας στις 17 Μαρτίου 2015 έγινε μία προσπάθεια εξαγωγής χαρτών μέγιστης ημερήσιας τιμής του δείκτη GIC, καθώς και της τιμής του δείκτη κατά το SSC.Στη συνέχεια, η έρευνα στράφηκε στην ενσωμάτωση μονοδιάστατων (1-D) μοντέλων αγωγιμότητας του εδάφους στους χάρτες της μέγιστης ημερήσιας τιμής του δείκτη GIC με στόχο την καλύτερη εκτίμηση του γεωηλεκτρικού πεδίου σε κάθε τοποθεσία. Συγκεκριμένα, προκειμένου να γίνει μια συσχέτιση με υπάρχοντα μοντέλα ηλεκτρικής αγωγιμότητας, ενσωματώσαμε έναν χάρτη αγωγιμότητας του εδάφους της Ευρώπης σε μορφή πλέγματος, κάθε κελί του οποίου αντιστοιχεί σε ένα 1-D μοντέλο, δηλ. η αγωγιμότητα μεταβάλλεται μόνο με το βάθος, χαρακτηριζόμενο από τις αντίστοιχες αγωγιμότητες σε βάθος 80 km. Χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές από το ευρωπαϊκό πρόγραμμα EURISGIC (https://cordis.europa.eu/project/id/260330), μιας «συλλογής» μονοδιάστατων μοντέλων που καλύπτει σχεδόν ολόκληρη την Ευρώπη. Στην περίπτωσή μας, καλύπτονται κυρίως σταθμοί στις ηπειρωτικές περιοχές βόρεια της Μεσογείου θάλασσας, καθώς αντίστοιχη συλλογή για τις περιοχές νότια της Μεσογείου θάλασσας δεν υπάρχει, τουλάχιστον εν γνώσει μας. Η συνεκτίμηση των τιμών του δείκτη GIC και των τιμών του 1-D μοντέλου μας δίνουν μια καλύτερη εικόνα της επικινδυνότητας των GICs στις περιοχές γύρω από κάθε μαγνητικό σταθμό/παρατηρητήριο. Επιπροσθέτως, η μελέτη επεκτάθηκε όσον αφορά τον υπολογισμό της έντασης του γεωηλεκτρικού πεδίου Ε, λαμβάνοντας υπόψιν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του υπεδάφους, η οποία καθορίζει την τιμή της έντασης στη διάρκεια μίας καταιγίδας. Με βάση το 1-D μοντέλο έγινε υπολογισμός του γεωηλεκτρικού πεδίου Ε, κι επομένως συσχετίσαμε τις τιμές του δείκτη GIC με τις τιμές του γεωηλεκτρικού πεδίου Ε, που αναπτύσσεται στη διάρκεια μιας καταιγίδας. Τέλος, έγινε διερεύνηση κ

Fetched live from OpenAlex and de-inverted. Abstracts are not stored in this database: the inverted indexes are 8.6 GB of the frame’s 9.3 GB of text, and the host has 13 GB free.