Nel numero del mese scorso di EARTH, abbiamo esplorato ciò che si sa sull’attività solare, il sole e la sua interazione con la Terra. Questo mese, esaminiamo i possibili effetti dell’attività solare e la vulnerabilità delle reti elettriche e dei satelliti, così come quello che si sta facendo per ridurre tale vulnerabilità.
Se una massiccia tempesta solare dovesse colpire la Terra, l’impatto potrebbe rivaleggiare o superare i peggiori disastri naturali che gli esseri umani abbiano mai affrontato.
“Supponiamo per il momento di perdere l’energia in una vasta regione degli Stati Uniti per alcuni mesi o anni. Immediatamente, la maggior parte del commercio si chiude. Alcuni negozi potrebbero essere aperti e usare i contanti, ma come regola generale il commercio si ferma immediatamente”, dice Richard Andres, direttore del programma di politica di sicurezza energetica e ambientale alla National Defense University di Washington, D.C.
Alcuni stati hanno una legislazione che obbliga le stazioni di servizio a mantenere generatori di backup, ma la maggior parte delle pompe di benzina degli Stati Uniti si fermerebbe non appena si perde la corrente. Allo stesso modo, le condutture di carburante, per la maggior parte, smetterebbero di funzionare. I bancomat si fermerebbero. Poche ore dopo, sia le linee telefoniche terrestri che i telefoni cellulari fallirebbero. “La maggior parte delle città ora pompano l’acqua invece di usare il flusso per gravità, quindi in poche ore o più, l’acqua smetterebbe di pompare”. Anche il trattamento delle acque reflue si fermerebbe, e i liquami potrebbero traboccare nell’acqua potabile. Questo è solo l’inizio di uno scenario peggiore che Andres e altri prevedono, e che stanno cercando di prevenire.
Dopo circa tre giorni dal blackout, le dispense delle famiglie comincerebbero ad assottigliarsi, così come la pazienza della popolazione. La gente cercherebbe di lasciare le aree colpite, ma non sarebbe in grado di rifornire le proprie auto. Quelli con problemi di salute perderebbero presto l’accesso alle medicine. “Le strutture di emergenza hanno per lo più dei generatori, così gli ospedali hanno energia per qualche giorno”, dice Andres, ma alla fine perderebbero anche l’elettricità, quando le loro limitate scorte di carburante si esaurirebbero.
“Circa cinque giorni dopo la situazione, la polizia, i vigili del fuoco e altri soccorritori di emergenza iniziano a lasciare il loro lavoro per andare a casa e proteggere le loro famiglie – questo è ciò che ci hanno detto la guardia nazionale e le forze dell’ordine – e la gente cerca di trovare cibo e acqua ovunque possa nutrire le proprie famiglie, quindi pensiamo che ci sarebbe un crollo dell’ordine sociale”, dice Andres. Anche i lavoratori che gestiscono la rete elettrica potrebbero abbandonare il loro lavoro, rendendo il ripristino ancora più difficile.
E poi c’è la preoccupazione nucleare. “Centinaia di Fukushima”, dice John Kappenman, un ingegnere elettrico che ha passato decenni a studiare la vulnerabilità della rete elettrica statunitense all’attività geomagnetica. I reattori nucleari si spegnerebbero, e alla fine si fonderebbero, perché anche i loro sistemi di acqua di raffreddamento hanno bisogno di elettricità per continuare a far funzionare le grandi pompe necessarie al raffreddamento dei recipienti dei reattori e delle piscine di combustibile esaurito. “Vorrei poter dipingere un quadro più roseo, ma queste sono il tipo di conseguenze del disastro che dobbiamo essere onesti e cercare di fare il possibile per evitare”, dice Kappenman.
Nel corso della storia, l’umanità ha costantemente aumentato la sua dipendenza dalla tecnologia. Mentre la tecnologia ha migliorato enormemente la qualità della vita di miliardi di persone, ha anche aperto l’umanità a nuovi rischi e vulnerabilità.
Terrorismo e disastri naturali potrebbero essere in prima linea nella mente dei politici e della popolazione degli Stati Uniti, ma una minaccia significativa è in agguato sopra le nostre teste: il sole. Una massiccia tempesta solare, delle dimensioni dell’ultimo secolo e mezzo fa, potrebbe facilmente lasciare centinaia di milioni di persone al buio per giorni, settimane o addirittura mesi.
Il sole segue un ciclo di attività di circa 11 anni, misurato dal numero di macchie solari sulla sua superficie. Il massimo solare – quando l’attività delle macchie solari raggiunge il suo picco, con un corrispondente aumento dei brillamenti solari e dei blob da miliardi di tonnellate di plasma solare che generano un campo magnetico, noti come espulsioni di massa coronale (CME) lanciati dalla superficie del sole – è previsto per la fine di quest’anno. Un aumento del tempo spaziale coincide tipicamente con il massimo solare, portando cambiamenti nella magnetosfera, ionosfera e termosfera della Terra a causa dell’attività solare.
Superstorm of Vulnerability
Quando Superstorm Sandy si è abbattuta sul New Jersey e New York lo scorso ottobre, ha conficcato un piede di porco nel delicato meccanismo ad alta velocità di una delle regioni urbane più densamente popolate della nazione. Durante la tempesta, le gallerie della metropolitana sono state allagate, incendi massicci hanno bruciato decine di case, e il vento, le onde e l’ondata di marea aiutata dalle maree hanno spazzato via le proprietà ed eroso le coste. Milioni di persone in diversi stati sono rimaste per giorni senza corrente o servizio di telefonia cellulare.
Sandy è un promemoria di come le massicce interruzioni di corrente limitino l’accesso alle risorse che di solito vengono date per scontate. Le stazioni di servizio, per esempio, potrebbero avere un sacco di carburante, ma non può essere pompato senza elettricità. Sulla scia di Sandy, gli automobilisti di New York e del New Jersey hanno passato ore in fila per fare il pieno nelle poche stazioni della zona che avevano l’elettricità. La pazienza si è assottigliata, gli animi sono esplosi e la polizia è stata chiamata per mantenere l’ordine. Nel frattempo, i negozi senza corrente sono stati chiusi, alcuni ospedali senza corrente hanno dovuto spostare i pazienti e i ripetitori dei cellulari erano inattivi senza elettricità. Una settimana dopo, l’elettricità è stata in gran parte ripristinata, e per coloro che non avevano subito danni alle loro case o perso membri della famiglia, la vita ha iniziato a zoppicare verso la normalità.
“L’uragano Sandy fornisce una dimostrazione di ciò che può andare storto”, dice Kappenman, che ha lavorato nell’industria energetica per 20 anni, poi per Metatech Corporation, una società di consulenza scientifica e di ingegneria, e ora è un consulente indipendente. Dopo un uragano, le persone nelle regioni colpite dipendono dall’assistenza delle regioni vicine non colpite. Nel caso di una grave tempesta geomagnetica, potrebbe non esserci una regione vicina non colpita, dice Kappenman. “Stiamo parlando di qualcosa che potrebbe attraversare l’intero continente, non di poche contee vicino al punto di atterraggio”, dice.
L’evento di riferimento con cui si misura il tempo spaziale grave si è verificato 150 anni fa. Nel 1859, l’evento Carrington ha illuminato i cieli tropicali con aurore, che normalmente si verificano solo nelle regioni di alta latitudine. Ha anche indotto correnti lungo i cavi del telegrafo, l’unica tecnologia elettrica a lunga distanza all’epoca, causando scintille, incendi e segnali confusi che hanno afflitto gli operatori del telegrafo.
L’evento Carrington è la singola tempesta geomagnetica più grave a colpire il pianeta nella storia registrata. Se un tale evento si verificasse oggi – con la rada rete di linee telegrafiche degli Stati Uniti ora cresciuta in una massiccia griglia di 160.000 chilometri di linee elettriche ad alta tensione – cosa potrebbe accadere?
Un costoso buco nei dati
Comprendere il tempo spaziale non è solo una ricerca di conoscenza, ma un desiderio di previsione, secondo Therese Moretto Jorgensen, un fisico magnetosferico e direttore del programma di ricerca e strumentazione del tempo spaziale della National Science Foundation (NSF). Per esempio, dice, “non vogliamo che gli scienziati atmosferici si limitino a capire i tornado, vogliamo che prevedano: Che strada prenderà? Quale sarà la velocità del vento?”. Abbiamo bisogno dello stesso tipo di informazioni per le tempeste solari, dice. Quelle informazioni possono poi essere usate per rinforzare i punti deboli delle infrastrutture vulnerabili.
Anche se la NSF e altri gruppi finanziano la ricerca sul meteo spaziale, c’è una trappola lungo il percorso verso il miglioramento: La scienza ha una sconcertante mancanza di dati sul peggio che il tempo spaziale può dare, dice Moretto Jorgensen. Lo studio dell’attività solare e del tempo spaziale non si è intensificato fino a circa 50 anni fa e il peggiore evento conosciuto è ancora il Carrington Event. Qual è il rischio che un altro evento Carrington – o una tempesta solare più intensa – colpisca? “Questa è la domanda da 100 milioni di dollari”, dice. “Abbiamo una gestione abbastanza buona su” piccoli brillamenti e CME, ma i modelli non rappresentano bene gli eventi estremi, dice.
L’evento Carrington era “preistorico, in un certo senso”, dice Karel Schrijver, un fisico solare ed eliosferico presso il Lockheed Martin’s Advanced Technology Center di Palo Alto, in California. Nei 154 anni dalla tempesta, la rete elettrica è cresciuta immensamente, così come la nostra dipendenza da essa, e non sappiamo come la rete sarebbe colpita da una tempesta solare estrema, dice Schrijver. Unendo le forze con l’ingegnere della Lockheed Martin Sarah D. Mitchell, Schrijver ha studiato il tempo spaziale di routine per avere un senso del suo impatto economico sulla rete elettrica degli Stati Uniti. Anche se il loro studio deve ancora essere pubblicato, i numeri preliminari del team suggeriscono che il tempo spaziale crea almeno 3 miliardi di dollari all’anno in costi di riparazione, solo per eventi di routine. “È un numero sostanziale – è più di quanto la nazione spende per capire il tempo spaziale”, dice Schrijver.
Il rapporto di Schrijver e Mitchell non ha affrontato il probabile impatto finanziario di un grave tempo spaziale, ma un rapporto del 2008 del National Research Council ha offerto alcuni numeri sconcertanti: costi da 1.000 a 2.000 miliardi di dollari solo nel primo anno, con un recupero che richiede da quattro a 10 anni, dopo una tempesta geomagnetica forte come l’evento Carrington.
Vulnerabile in casa
La preoccupazione per la rete elettrica statunitense si concentra in gran parte sui trasformatori ad altissima tensione (EHV). I trasformatori EHV pesano centinaia di tonnellate ciascuno. Le loro dimensioni e il loro peso li rendono difficili da trasportare, richiedendo a volte vagoni ferroviari fatti apposta. Molti trasformatori esistenti si stanno avvicinando alla fine della loro vita operativa di 30-40 anni. Complessivamente, la rete statunitense ha circa 2.000 trasformatori EHV.
Nel 2010, mentre era alla Metatech Corporation, Kappenman ha redatto un rapporto per l’Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, valutando la minaccia delle tempeste geomagnetiche sulla rete elettrica degli Stati Uniti. Le correnti elettriche indotte dall’attività geomagnetica nelle linee elettriche EHV potrebbero causare il surriscaldamento dei trasformatori EHV, fondendo le bobine di rame e i cavi.
Kappenman stima che una tempesta geomagnetica grave porterebbe fuori più di 350 trasformatori EHV – “un pezzo considerevole nel grande schema delle cose”, dice. “
I trasformatori avrebbero bisogno di essere sostituiti, ma il tempo necessario per costruire e testare un singolo trasformatore sostitutivo può essere da 12 a 15 mesi, o anche di più, a seconda delle dimensioni e del produttore, riferisce Kappenman. La maggior parte dei produttori sono all’estero, e il trasporto di questi enormi trasformatori richiede un viaggio oceanico e una logistica speciale per il trasporto via terra in treno o in camion. Inoltre, l’installazione del trasformatore EHV è complessa, e generalmente richiederebbe diversi giorni in più, “con un grande equipaggio addestrato, nel migliore dei casi”, ha scritto Kappenman.
Oltre alle sfide logistiche che potrebbero sorgere, non è oltre l’immaginazione, dice, che le poche nazioni che producono grandi trasformatori EHV potrebbero averne bisogno per il proprio ripristino di potenza se una tale tempesta mettesse fuori uso i trasformatori in tutto il pianeta. Se un intero continente o emisfero fosse ostacolato da una tempesta geomagnetica, la domanda di sostituzioni potrebbe essere travolgente. “La capacità di adattarsi, di portare pezzi di ricambio, di risolvere i problemi, sarebbe assolutamente annegata”, dice Andres.
Vulnerabile in orbita
Gli uomini hanno anche un’altra grande debolezza tecnologica: i satelliti. I satelliti in orbita terrestre bassa sono ancora nell’atmosfera terrestre, e il tempo spaziale può causare l’espansione dell’atmosfera. Questo significa che l’atmosfera più bassa e densa può gonfiarsi fino a dove orbitano i satelliti, aumentando così la resistenza atmosferica e facendo ricadere i veicoli spaziali sulla Terra, dice Antti Pulkkinen, un modellatore di meteo spaziale al Goddard Space Flight Center della NASA. Inoltre, un pericolo più frequente, dice Pulkkinen, è la radiazione elettromagnetica dai brillamenti solari; i raggi X e le radiazioni ultraviolette estreme dei grandi brillamenti aumentano la ionizzazione nella ionosfera terrestre, impedendo la trasmissione dei segnali radio tra i satelliti e le stazioni di terra. Tali brillamenti potrebbero anche interrompere o danneggiare l’elettronica nei veicoli spaziali.
Alcuni satelliti hanno una forma di protezione. I veicoli spaziali della NASA osservano il sole in tempo reale, e il centro di previsione meteorologica spaziale della NOAA, i militari statunitensi e altre agenzie governative osservano il sole. Quando questi osservatori vedono un’attività solare che sembra una minaccia per i satelliti, avvertono gli operatori satellitari. “Possono usare queste informazioni per spegnere alcuni dei loro strumenti ad alta tensione”, dice Pulkkinen.
I satelliti del Global Positioning System (GPS) sono in orbita medio-terrestre in parte per minimizzare il rischio di resistenza atmosferica. Infatti, sono meno vulnerabili di altri satelliti in generale, dice Tony Russo, direttore del National Coordination Office for Space-based Positioning, Navigation and Timing, un ufficio interagenzia finanziato attraverso il Dipartimento dei Trasporti. Ma i satelliti GPS sono ancora vulnerabili agli altri pericoli del tempo spaziale.
Per far funzionare efficacemente il sistema sono necessari ventiquattro satelliti, ma 35 sono in orbita (31 satelliti attivi e quattro di riserva). “Il GPS è quello che chiamiamo una costellazione robusta”, dice Russo. Il problema è che l’estrema precisione del GPS dipende dalle comunicazioni radio, che possono essere interrotte da un disturbo nella ionosfera. “L’ora esatta di arrivo del segnale è ciò che ti dà la precisione”, dice. “Questo è uno dei motivi per cui il GPS è sensibile ai cambiamenti nella ionosfera”. Di solito, tali interruzioni durano solo per una questione di minuti, dice.
Molto più preoccupante sarebbe se i satelliti GPS fossero danneggiati e la costellazione diventasse inutilizzabile. Le radiazioni e le particelle cariche dai brillamenti e dalle CME possono corrompere la memoria del satellite o danneggiare i pannelli solari, gli strumenti e altri dispositivi elettronici. Il GPS è immensamente importante: la rete energetica, i trasporti e i settori commerciali dipendono tutti da esso, dice Russo. “Anche l’agricoltura lo sta usando per l’agricoltura 24 ore su 24”, dice. “Abbiamo volato con gli aerei prima del GPS, e potremmo farlo domani, ma non in modo così efficiente”, dice Russo. I viaggiatori aerei probabilmente sperimenterebbero più ritardi e cancellazioni, dice.
Nel commercio, il GPS è usato come un sincronizzatore temporale per i sistemi automatizzati, dice Russo. “Se fai passare la tua carta bancomat attraverso la pompa della stazione di servizio, stai usando il GPS per sincronizzarti – è un modo economico ed efficiente di farlo”, dice. Il GPS aiuta anche le navi a evitare le acque pericolose, le locomotive ad evitare le collisioni e gli elicotteri ad evitare il terreno, dice.
La perdita del GPS, sia a breve che a lungo termine, avrebbe impatti sulla sicurezza, la convenienza e l’economia. Ma la rete elettrica rimane l’infrastruttura più vulnerabile a causa di come è integrata in quasi ogni aspetto della società moderna.
Prepararsi per un evento a bassa probabilità, ad alto impatto
Le regioni più a rischio negli Stati Uniti sono l’Alaska, il nord-ovest del Pacifico e il nord-est perché sono le più a nord, dove è probabile che le tempeste solari siano più gravi, dice Andres. “Ha anche a che fare con la geologia – come l’energia viene trasmessa attraverso il suolo”, dice. La roccia ignea in particolare è altamente resistente all’elettricità, il che significa che il percorso di minor resistenza per le correnti indotte geomagneticamente è in qualsiasi infrastruttura elettrica vicina piuttosto che la roccia stessa.
Le probabilità di un altro evento Carrington non sono alte, dice Andres. “In qualsiasi anno, forse il 2 o 3 per cento”, dice. L’impatto, tuttavia, potrebbe essere spaventoso. È possibile, dice Andres, che tutto il Nord America potrebbe perdere la capacità di trasmettere elettricità. O, come minimo, è possibile che una tale tempesta lascerebbe “più di 100 milioni di persone tagliate fuori dalla corrente elettrica forse per settimane, mesi, fino ad anni”, dice Kappenman. “Non siamo preparati ad affrontare questo, e … non vogliamo davvero scoprire queste cose in prima persona”, aggiunge.
Una delle prime cose che dovrebbero essere fatte è costruire la resilienza della comunità, dice Andres. A livello locale, è necessario agire per trovare fonti di energia alternative per mantenere gli ospedali e le stazioni dei pompieri e della polizia in funzione in caso di una grave tempesta geomagnetica, dice Andres. Dove possibile, i generatori diesel in loco dovrebbero essere forniti di carburante che potrebbe durare settimane o mesi, aggiunge Kappenman. I governi locali hanno anche bisogno di trovare un posto dove le famiglie del personale di emergenza possono essere tenute al sicuro, dice, mantenendo così i soccorritori sul posto di lavoro e mantenendo l’ordine e la sicurezza. La gente ha poi bisogno di agire in prima persona: Per quanto riguarda le scorte domestiche di cibo, acqua e medicine, “tre giorni probabilmente non sono sufficienti”, dice Andres. Una scorta di tre settimane sarebbe meglio, dice. L’unica cosa da tenere a mente è che “la paura e il panico non sono mai produttivi”, dice Andres. La preparazione è la chiave.
Sciabola contro lo Space Weather
Alcune regioni hanno procedure in atto per prevenire il collasso della rete o per riportare le reti online rapidamente, dice Kappenman. Per esempio, la PJM Interconnection è un’organizzazione di trasmissione regionale che coordina il movimento di elettricità e le attività all’ingrosso in 13 stati e il distretto di Columbia. PJM ha una procedura per prevenire il collasso della rete, così come le organizzazioni di trasmissione di New York e New England, dice Kappenman. I piani comportano la riduzione del trasferimento a lunga distanza attraverso la rete e la cancellazione delle interruzioni programmate per la manutenzione dei trasformatori, dice. “Cose molto minime”, dice Kappenman. Nessuna di queste procedure è stata testata per eventi tipo Carrington o peggio, aggiunge.
Teoricamente, parti della rete elettrica potrebbero essere scollegate in modo che la corrente indotta non raggiunga alcuni trasformatori EHV. Ma i produttori di energia e gli operatori di rete sono “contrattualmente proibiti” dall’interrompere la distribuzione dell’elettricità, dice Andres. Inoltre, ci sono problemi di responsabilità. Se una società elettrica ha chiuso o scollegato segmenti della rete, anche per proteggere i trasformatori, la società elettrica sarebbe legalmente responsabile se, diciamo, le persone negli ospedali o nelle case di cura sono morte, dice. Se, d’altra parte, la compagnia elettrica dovesse rimanere in funzione e perdere i trasformatori, almeno non potrebbe essere citata in giudizio, aggiunge. Naturalmente, la perdita dei trasformatori potrebbe significare che un’enorme regione degli Stati Uniti (o del mondo) potrebbe rimanere senza energia per mesi o più. Andres suggerisce che tali politiche devono essere cambiate, probabilmente a livello federale. “È una responsabilità primaria del governo federale aiutare a prepararsi per un evento come questo e mitigarlo se si verifica”, dice.
Federalmente, l’azione più significativa per ridurre la vulnerabilità degli Stati Uniti allo space weather è avvenuta nell’ottobre 2012, quando la Federal Energy Regulatory Commission (FERC) ha proposto un processo in due fasi. In primo luogo, la FERC vuole che la North American Electric Reliability Corporation (NERC) crei degli standard che richiedano ai proprietari e agli operatori della rete di sviluppare procedure per mitigare l’impatto delle tempeste geomagnetiche. In secondo luogo, la FERC propone che la NERC richieda ai proprietari e agli operatori di valutare quali impatti l’attività geomagnetica può avere sui loro sistemi, e poi di agire per proteggere la rete attraverso il blocco automatico delle correnti geomagnetiche indotte, l’isolamento dell’hardware difficile da sostituire, e altre azioni.
Il periodo di commenti per la proposta si è concluso a dicembre, e se la proposta è approvata dalla FERC, la NERC avrà 90 giorni per attuare il primo passo, e sei mesi per attuare il secondo passo. Anche se non c’è una scadenza per l’azione da parte di FERC, Kappenman vede un’urgenza insolita nella proposta della commissione, e sospetta che FERC approverà l’ordine all’inizio del 2013. “La buona notizia è che c’è un cambiamento nella politica”, dice Kappenman. “Detto questo, ci sono voluti 50 anni per entrare in questo problema”, dice. “Non possiamo uscirne da un giorno all’altro.”
Che altro potrebbe fare il governo federale in uno scenario peggiore? Il Dipartimento della Sicurezza Nazionale degli Stati Uniti (DHS) ha un piano per le interruzioni delle tempeste geomagnetiche, dice Andres. Il piano varia in base alla situazione specifica, ma il quadro del piano è il seguente: Il DHS segnala l’incidente al presidente, che poi sviluppa un piano d’azione. “Questo di solito comporta il coordinamento con l’industria attraverso NERC e con varie agenzie federali e governative per rispondere”, dice. “Il DHS svolge principalmente un ruolo di coordinamento, la FEMA e le unità della Guardia Nazionale forniscono servizi di emergenza, e l’industria privata è responsabile di far funzionare l’energia”. Un tale piano, tuttavia, è per qualsiasi interruzione di corrente causata da una tempesta geomagnetica, ma non esiste un piano per una massiccia interruzione regionale, dice Andres.
Per essere giusti con Homeland Security, Kappenman dice, “non c’è davvero nulla che possiamo fare se un evento a livello continentale dovesse verificarsi. Non c’è uno scenario di risposta ai disastri che possiamo mettere in atto che possa risolvere qualcosa di così grande”. Quindi, l’importanza dell’azione FERC – la prevenzione di un guasto massiccio della rete – sarebbe molto meglio che cercare di recuperare da uno, dice Kappenman.
Finalmente, a livello internazionale, la vulnerabilità delle infrastrutture al tempo spaziale non viene ignorata. Il presidente degli Stati Uniti Barack Obama e il primo ministro britannico David Cameron hanno coltivato quella che è stata annunciata come una “partnership per lo space weather” attraverso incontri tra i due leader nel maggio 2011 e marzo 2012. Nel giugno 2012, la NOAA e l’ufficio governativo britannico per la scienza hanno annunciato congiuntamente un accordo per rafforzare la collaborazione tra le comunità scientifiche delle due nazioni nel tentativo di proteggere ulteriormente le loro infrastrutture dai danni dello space weather.
Nigh è un termine relativo
Quello che rimane è una corsa in salita contro l’ignoto. Anche se scienziati, ingegneri e funzionari governativi parlano della minaccia del tempo spaziale e alcune azioni vengono intraprese, il pericolo di una tempesta geomagnetica estrema è immenso e la capacità scientifica di prevedere il tempo spaziale è decisamente limitata. I modelli individuali e la ricerca possono non prevedere perfettamente i dettagli specifici di ciò che accadrà esattamente e quando, ma il consenso scientifico è che la minaccia è reale e che dobbiamo agire immediatamente perché non abbiamo idea di quando la prossima grande tempesta potrebbe colpire.