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

Abstract

Strong electric currents that flow in the near-Earth space and close through the upper atmosphere can be generated during geospace magnetic storms. The magnetic field of these currents induces currents in the Earth's surface called Geomagnetically Induced Currents (GICs), the intensity of which depends on the distribution of the electrical properties in specific areas of the Earth's solid crust. GIC occurrence can potentially result in causing serious disrupts or damages to the electricity transmission and distribution network. GICs are the ground end of the space weather chain: Sun– solar wind – magnetosphere – ionosphere – Earth's surface. Hence, nowadays they constitute an integral part of the space weather research. Traditionally, it was thought that only electricity networks located in high latitudes (Northern America, Scandinavia) are affected by GICs. But this cannot explain the recently reported existence of electrical power issues in areas of low latitudes (e.g., Spain, South Africa, Italy, Japan, China),that is latitudes similar to those of Greece. Here, we primarily investigate the possibility of GIC development in Greece. We analyze magnetic field timeseries from ground-based magnetometers located mainly in Europe, focusing on the Mediterranean region, spaceborne magnetometers from the European Space Agency (ESA) Swarm satellites, as well as geomagnetic activity indices during magnetic storms and substorms. For the analysis, we use advanced signal processing methods based on wavelet transforms, Hurst exponent calculations, and entropy measures to capture the potential existence of characteristic signatures prior to the occurrence of magnetic storms. Since GICs are related to space weather events, indications of impending storms contribute to early warnings for the development of GICs in areas hosting critical technological infrastructure. Next, we calculate the GIC index for Greece and South Europe, in general, focusing on magnetic storms that occurred during the previous (24th) solar cycle. Furthermore, we calculate the intensity of the geoelectric field E, taking into account the electrical conductivity of the ground and, consequently, conducting an analytical assessment of the vulnerability of the electrical power system in our country as well as in southern Europe during the occurrence of extreme space weather events, such as magnetic storms. The question we are called upon to answer is whether Greece's electrical power grid, located in a middle geomagnetic latitude region, is at risk and to what extent from GICs that are expected to develop in the case of a strong magnetic storm. Calculating a GIC index can significantly contribute to the implementation of protective measures by electricity providers and distribution network operators in Greece, as well as in Europe, on a future basis. This also contributes to research towards space weather prediction. This is the first attempt to assess GIC development in the Greek territory, a study that aligns perfectly with similar research conducted worldwide. Therefore, this dissertation largely fills the existing gap in the literature by providing an estimation and model construction of GIC distribution patterns in Greece. In detail, after an introductory chapter dedicated to the necessary physical framework regarding the study of space weather phenomena and specifically geospace magnetic storms and GICs, we present the geomagnetic field timeseries (and geomagnetic activity indices) analysis methods used for this dissertation. In particular, we discuss the wavelet spectral analysis, the Hurst exponent, and the entropy measures of Shannon entropy, nonextensive Tsallis entropy, and Fisher information. In Chapter 3, we investigate the dynamical complexity of geomagnetic activity indices, using Information Theory. The methods described in Chapter 2 are applied to the SYM-H and AE indices of geomagnetic activity, as well as to the Swarm-derived SYM-H and Swarm-derived AE indices, two geomagnetic activity indices emanating from spaceborne data from the ESA Swarm constellation of satellites. Chapter 4 is dedicated to the GIC index calculation. The data and methodology are presented and the GIC index is calculated for the strongest magnetic storms (i.e., minimum Dst index -150 nT) of solar cycle 24 in magnetic stations / observatories of Greece and the wider Mediterranean area. Results are displayed in plots where a five-level color scale is used to match the five risk levels (very low to severe). Correlations with the Storm Sudden Commencement (SSC) of each storm are also presented. In Chapter 5 contour maps of activity are presented. They focus on the Mediterranean region during the strongest magnetic storm of solar cycle 24, that occurred on 17 March 2015 (St. Patrick's Day storm). Contour maps present either the GIC index along with the conductivity of the ground (1-D model) or the calculated geoelectric field E along with the electricity network (https://www.entsoe.eu/data/map/).The conclusions of this dissertation can be summarized in the following:1. Wavelet spectral analysis, Hurst exponent analysis and entropic analysis of spaceborne and ground-based Earth's magnetic field time series, as well as geomagnetic activity indices. The spectral analysis in terms of wavelet transforms revealed that concurrently with each storm there is intense spectral content, characteristic of these events. In the case of the geomagnetic activity indices SYM-H and Swarm-derived SYM-H, the Hurst exponent and the entropy measures of Shannon entropy, nonextensive Tsallis entropy, and Fisher information indicated the existence of two different patterns: • A pattern associated with strong magnetic storms, characterized by high values of the Hurst exponent, implying higher "organization" in the magnetosphere. • A pattern related to the quiet periods of the magnetosphere, characterized by lower values of the Hurst exponent, indicating less "organization" in the magnetosphere. In the case of AE and Swarm-derived AE indices the wavelet spectral analysis revealed similar underlying features in the power spectra for the three storms, despite the fact that we are dealing with substorm indices: the big picture of the preconditioned magnetosphere is still present. However, the Hurst exponent and entropic analyses did not result in a clear depiction of two distinct patterns. This finding is attributed to the fact that these indices are related to substorms, which are more transient and dynamic, occur more frequently than storms and have different characteristic time scales and generation mechanisms compared to magnetic storms.2. GIC index analysis of ground-based Earth's magnetic field time series. Regarding the GIC index, our results showed a good correlation between the SSC and the increase in the GIC index. Furthermore, the maximum values of the GICy and GICx indices occur within the first four minutes from the abrupt onset of each respective storm at all the magnetic stations / observatories under study. At first glance, based on the GIC index values calculated for the time periods of the four magnetic storms, it appears that despite the elevated GIC index values, the expected detrimental effects due to GICs remain at low levels for the areas covered by the specific magnetic stations / observatories. However, the GIC index provides us with an initial estimate of the level of risk posed by the development of such currents to critical technological infrastructure without taking into account the geoelectric structure of the broader region, i.e., the distribution of electrical conductivity with depth, which could contribute to the variation in GIC values during a magnetic storm.3. Comparisons between GIC index values and electrical conductivity of the Earth's crust. As for the contour maps, it is observed that the contour lines are relatively sparse before (March 16, 2015) and after (March 18, 2015) the storm. However, they tend to become more horizontal and graded in intensity (increasing from south to north) during the storm on March 17, 2015, confirming the presence of higher "organization" in the Earth's magnetosphere. Taking into account the values of ground resistance (conductivity) and the GIC index allows us, to some extent, to visualize the impact of GICs on southern Europe. In the contour maps, it is noticeable that the contour lines of the GIC index appear smooth but traverse areas with significantly different ground conductivities. Therefore, this may have varying consequences concerning the development of GICs in critical infrastructure located in these regions. Hence, this specific parameter should be considered in assessing the risk associated with GICs.4. Comparisons between GIC index values and geoelectric field EComparing the estimated E fields and GIC indices, using measurements from the magnetic stations Chambon la Forêt (CLF), Castello Tesino (CTS), Dionysos (DIO), Ebro (EBR), San Fernando (SFS), and Velies (VLI) over a period of three days covering the magnetic storm of March 17, 2015 we found that their correlation coefficients range between 0.54 and 0.65. This suggests that while there is a discernible positive linear relationship between E fields and GIC indices, other factors may also influence the geoelectric field, resulting in moderate variability. The large disparity of ground conductivity values of 1D (layer) ground models for Europe means that local conductances can vary by a factor of over 100 even on the scale of countries, such as Spain or Greece. The calculated E fields vary locally by at least as much. This variability is added to local variations by a factor of around 1.5 to 2 in the calculated GICx and GICy indices for those two countries during the height of St. Patrick's Day storm. This shows the inadequacy of using a single observatory for the calculation of a nationwide index. Therefore, it is suggested that multiple magnetometers per big European country are needed to capture the complexity of induced E fields.

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 και καταγραφή των μαγνητικών καταιγίδων που έλαβαν χώρα από τον Σεπτέμβριο του 2018 έως και τον Αύγουστο του 2022, προκειμένου να εμπλουτίσουμε τη μελέτη μας και με μαγνητικές καταιγίδες του 25ου ηλιακού κύκλου. Με βάση τη συνθήκη "Dst -150 nT" που υιοθετήσαμε για τον 24ο ηλιακό κύκλο δεν έχει καταγραφεί καμία καταιγίδα. Μικρότερης έντασης καταιγίδα έχει καταγραφεί στις 4/11/2021 (Dst = -105 nT). Επιπλέον, στο χρονικό διάστημα αυτό έχουν σημειωθεί άλλες έξι καταιγίδες ακόμη μικρότερης έντασης (Dst -80 nT).Τα συμπεράσματα αυτής της διατριβής συνοψίζονται στα παρακάτω: 1. Φασματική ανάλυση με όρους μετασχηματισμών wavelet, δείκτης Hurst και μέτρα εντροπίας σε χρονοσειρές μαγνητικού πεδίου της Γης (επίγεια και δορυφορικά δεδομένα) και σε δείκτες γεωμαγνητικής δραστηριότηταςΗ φασματική ανάλυση με όρους μετασχηματισμών wavelet έδειξε πως τόσο πριν όσο και μετά από κάθε καταιγίδα υπάρχει έντονο φασματικό περιεχόμενο, χαρακτηριστικό των επεισοδίων αυτών. Στην περίπτωση των δεικτών γεωμαγνητικής δραστηριότητας SYM-H και Swarm SYM-H ο εκθέτης Hurst και τα μέτρα εντροπίας Shannon entropy, nonextensive Tsallis entropy και Fisher information έδειξαν την ύπαρξη δύο διαφορετικών μοτίβων: (i) ένα μοτίβο που σχετίζεται με τις ισχυρές μαγνητικές καταιγίδες, χαρακτηριστικό του οποίου είναι οι υψηλές τιμές του εκθέτη Hurst, κι επομένως υπάρχει μεγαλύτερη «οργάνωση» στη μαγνητόσφαιρα, και (ii) ένα μοτίβο που σχετίζεται με τις ήσυχες περιόδους της μαγνητόσφαιρας, χαρακτηριστικό του οποίου είναι οι χαμηλότερες τιμές του εκθέτη Hurst, κι επομένως υπάρχει μικρότερη «οργάνωση» στη μαγνητόσφαιρα. Στην περίπτωση των δεικτών γεωμαγνητικής δραστηριότητας AE και Swarm AE, η φασματική ανάλυση με όρους μετασχηματισμών wavelet αποκάλυψε παρόμοια υποκείμενα χαρακτηριστικά στο φάσμα πριν και μετά από τις τρεις καταιγίδες, παρότι πρόκειται για δείκτες υποκαταιγίδων. Ωστόσο, ο εκθέτης Hurst και οι εντροπικές αναλύσεις δεν είχαν ως αποτέλεσμα την εικόνα δύο χαρακτηριστικών μοτίβων, καθώς πρόκειται για δείκτες που σχετίζονται με υποκαταιγίδες, οι οποίες είναι πιο βραχύβιες και λιγότερο δυναμικές, συμβαίνουν πιο συχνά από τις καταιγίδες κι έχουν διαφορετικές χαρακτηριστικές χρονικές κλίμακες καθώς και μηχανισμούς δημιουργίας απ' ότι οι καταιγίδες. 2. Ανάλυση δείκτη GIC σε χρονοσειρές μαγνητικού πεδίου της Γης (επίγεια δεδομένα) Σχετικά με το δείκτη GIC, τα αποτελέσματά μας έδειξαν μία καλή συσχέτιση μεταξύ της αιφνίδιας έναρξης καταιγίδας (storm sudden commencement - SSC) και της αύξησης του δείκτη GIC. Μάλιστα, οι μέγιστες τιμές των δεικτών GICy και GICx εμφανίζονται μέσα στα πρώτα 4 λεπτά από την αιφνίδια έναρξη της εκάστοτε καταιγίδας σε όλους τους μαγνητικούς σταθμούς/παρατηρητήρια που συμπεριλαμβάνει η μελέτη μας. Σε πρώτη ανάγνωση και σύμφωνα με τις τιμές του δείκτη GIC που υπολογίσαμε για τα χρονικά διαστήματα των 4 μαγνητικών καταιγίδων φαίνεται ότι παρά τις αυξημένες τιμές του δείκτη GIC, οι αναμενόμενες επιβλαβείς επιπτώσεις παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα για τις περιοχές που καλύπτονται από τους συγκεκριμένους μαγνητικούς σταθμούς/παρατηρητήρια. Ωστόσο, ο εν λόγω δείκτης μας δίνει μία πρώτη εκτίμηση του βαθμού επικινδυνότητας από την ανάπτυξη τέτοιων ρευμάτων μίας κρίσιμης τεχνολογικά υποδομής χωρίς να λαμβάνεται υπόψιν η γεωηλεκτρική δομή της ευρύτερης περιοχής, δηλ. η κατανομή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με το βάθος, η οποία μπορεί να συνεισφέρει στην αυξομοίωση των τιμών των GICs στη διάρκεια μίας μαγνητικής καταιγίδας. 3. Συγκρίσεις μεταξύ των τιμών του δείκτη GIC και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του φλοιού της Γης. Όσον αφορά τους χάρτες της μέγιστης ημερήσιας τιμής του δείκτη GIC, παρατηρούμε ότι οι γραμμές ίσης τιμής είναι σχετικά ακαθόριστες πριν (16/03/2015) και μετά (18/03/2015) από την καταιγίδα, όμως τείνουν να γίνονται πιο οριζόντιες και διαβαθμισμένης έντασης (αυξανόμενης από νότο προς βορρά) κατά τη διάρκεια της καταιγίδας (17/03/2015), επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη μεγαλύτερης «οργάνωσης» στη γήινη μαγνητόσφαιρα. Η συνεκτίμηση των τιμών της αντίστασης (αγωγιμότητας) του εδάφους και του δείκτη GIC μας επιτρέπει, σε ένα βαθμό, να οπτικοποιήσουμε την επίδραση των GICs στη νότια Ευρώπη. Στους χάρτες μας παρατηρούμε πως οι γραμμές ίσης τιμής του δείκτη GIC φαίνονται μεν ομαλές, όμως διατέμνουν περιοχές με πολύ διαφορετικές αγωγιμότητες εδάφους κι άρα αυτό μπορεί να έχει διαφορετικές συνέπειες όσον αφορά την ανάπτυξη των GICs σε κρίσιμες υποδομές που βρίσκονται στις περιοχές αυτές. Συνεπώς, η συγκεκριμένη παράμετρος θα πρέπει να συνεκτιμηθεί για την επικινδυνότητα λόγω GICs. 4. Συγκρίσεις μεταξύ των τιμών του δείκτη GIC και του γεωηλεκτικού πεδίου ΕΣυγκρίνοντας τα εκτιμώμενα γεωηλεκτρικά πεδία E με τους αντίστοιχους δείκτες GIC, για τους σταθμούς Chambon la Forêt (CLF), Castello Tesino (CTS), Dionysos (DIO), Ebro (EBR), San Fernando (SFS), και Velies (VLI) κατά τη διάρκεια 3 ημερών γύρω από τη μαγνητική καταιγίδα της 17ης Μαρτίου 2015 βρήκαμε ότι οι τιμές των συντελεστών συσχέτισης κυμαίνονται μεταξύ 0.54 και 0.65. Το αποτέλεσμα αυτό δείχνει την υπάρξη μιας διακριτής θετικής γραμμικής συσχέτισης μεταξύ των δύο μεταβλητών, όμως υπάρχουν κι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το γεωηλεκτρικό πεδίο. Η έντονη διακύμανση των τιμών αγωγιμότητας του εδάφους στα μονοδιάστατα μοντέλα εδάφους για την Ευρώπη έχει ως αποτέλεσμα οι αγωγιμότητες τοπικά να διαφέρουν κατά ένα παράγοντα 100 ή και περισσότερο, ακόμη και σε χώρες με έκταση όπως η Ισπανία ή η Ελλάδα. Και τα ηλεκτρικά πεδία που υπολογίζονται με τη χρήση των μοντέλων αυτών διαφέρουν τοπικά το ίδιο ή και περισσότερο. Αυτό προστίθεται στις διακυμάνσεις μεταξύ των δεικτών GICx και GICy που υπολογίζουμε γι' αυτές τις δύο χώρες κατά τη διάρκεια της κορύφωσης της καταιγίδας την ημέρα του St. Patrick's, που αντιστοιχούν σε έναν παράγοντα μεταξύ 1.5 και 2. Το παραπάνω δείχνει την ανεπάρκεια της χρήσης ενός μόνο παρατηρητηρίου μαγνητικού πεδίου για τον προσδιορισμό ενός δείκτη εθνικής εμβέλειας. Συνεπώς, προτείνεται η χρήση πολλών μαγνητόμετρων ανά μεγάλη ευρωπαϊκή χώρα, προκειμένου να αποτυπωθεί η πολυπλοκότητα των επαγόμενων ηλεκτρικών πεδίων Ε. H διδακτορική διατριβή είναι χωρισμένη σε επιμέρους κεφάλαια των οποίων η περίληψη ακολουθεί: Στο 1ο Κεφ. παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο το οποίο είναι απαραίτητο για τη μελέτη των φαινομένων διαστημικού καιρού που μας ενδιαφέρουν – δίνεται έμφαση στις γεωμαγνητικές καταιγίδες καθώς και στα GICs. Παράλληλα, παρατίθεται και ένα πλήθος αποτελεσμάτων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία τα οποία αποτελούν τη βάση και το έναυσμα για τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε και παρουσιάζεται σε αυτήν τη διατριβή. Στο 2ο Κεφ. παρουσιάζονται οι μέθοδοι ανάλυσης χρονοσειρών γεωμαγνητικού πεδίου (και των δεικτών γεωμαγνητικής δραστηριότητας) που χρησιμοποιήθηκαν στη διατριβή. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται η φασματική ανάλυση με όρους wavelet, o εκθέτης Hurst και τα μέτρα εντροπίας Shannon entropy, nonextensive Tsallis entropy και Fisher information. Στο 3ο Κεφ. διερευνάται η δυναμική πολυπλοκότητα των δεικτών γεωμαγνητικής δραστηριότητας, με χρήση της θεωρίας πληροφορίας (Information Theory). Οι μέθοδοι που παρουσιάστηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο εφαρμόστηκαν στους δείκτες γεωμαγνητικής δραστηριότητας SYM-H και ΑΕ, καθώς και στους δείκτες Swarm SYM-H και Swarm AE, δύο αντίστοιχους δείκτες που προκύπτουν από δορυφορικά δεδομένα της συστοιχίας δορυφόρων Swarm της ESA. Στο 4ο Κεφ. παρουσιάζονται τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν και η μεθοδολογία υπολογισμού του δείκτη GIC (GIC index). Ο δείκτης υπολογίζεται για τις ισχυρότερες μαγνητικές καταιγίδες (δηλ., ελάχιστη τιμή του δείκτη Dst -150 nT) που συνέβησαν κατά τη διάρκεια του 24ου ηλιακού κύκλου σε σταθμούς της Ελλάδας και της ευρύτερης περιοχής της Μεσογείου. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε γραφήματα με χρήση χρωματικής κλίμακας πέντε επιπέδων, που αντιστοιχούν στους βαθμούς επικινδυνότητας (πολύ χαμηλός έως ακραίος κίνδυνος). Γίνεται συσχέτιση με το SSC της κάθε καταιγίδας. Στο 5ο Κεφ. παρουσιάζονται χάρτες μέγιστης τιμής του δείκτη GIC στην περιοχή της Μεσογείου για την περίπτωση της ισχυρότερης μαγνητικής καταιγίδας του 24ου ηλιακού κύκλου, η οποία έλαβε χώρα στις 17 Μαρτίου 2015 (St. Patrick's Day storm). Οι χάρτες παρουσιάζoυν είτε το δείκτη GIC σε συνδυασμό με την αγωγιμότητα του εδάφους (1-D model) είτε το υπολογισμένο γεωηλεκτρικό πεδίο Ε σε συνδυασμό με το δίκτυο ηλεκτροδότησης (https://www.entsoe.eu/data/map/). Στο 6ο Κεφ. παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και προτείνονται μελλοντικά βήματα για τη συνέχεια της εν λόγω έρευνας.