Yhdysvaltojen avaruussäälait

...ja monihaarainen prosessi, jolla ne saatiin paikoilleen

Avaruussäällä tarkoitetaan auringosta tulevan materian vuorovaikutusta planeettojen magneetti- ja kaasukehien kanssa, sekä tämän vuorovaikutuksen vaikutuksia avaruudessa ja maan päällä oleviin teknologisiin systeemeihin. Avaruussääherkkiin systeemeihin kuuluvat globaalit navigaatiosignaalit, HF-radioliikenne, maapallon napojen yli lentävät lentokoneet, sähkönsiirtoverkot, satelliitit ja ihmiset avaruudessa. Avaruussäähäiriöiden määrä seuraa Auringon noin yhdentoista vuoden pituista auringonpilkkusykliä. Seuraava maksimi on odotettavissa vuosina 2024–2025.

Avaruussäähän varautuminen on muuttunut Yhdysvalloissa valtavasti viimeisen 15 vuoden aikana ja useammalla eri tasolla. Emme ole enää auringonpilkkusyklin armoilla erityisesti poliittisen ja liittovaltion päättäjien huomion suhteen, vaan meillä on saatu voimaan useita säännöksiä ja standardeja, jotka ovat varmistaneet, että aihe pysyy sekä ihmisten mielissä että työn alla myös auringonpilkkuminimin aikana. Kuvaan tässä kirjoituksessa kahta eri säädöstä ja standardia, joilla on vaikutusvaltainen rooli liittovaltion avaruussääkeskusteluissa. Kuvailen myös lyhyesti omaa osuuttani näiden luomisessa.

On vaikea antaa tarkkaa yksittäistä alkua liittovaltion kasvavalle avaruussääkiinostukselle. Kaksi erillistä tapahtumaa kuitenkin näyttelivät merkittävää osaa. Ensimmäinen tapahtuma oli niin kutsuttu ”Halloween-avaruusmyrsky” 28.–31.10.2003. Sattumalta myrskyn riehuessa Yhdysvaltain kongressin House Committee on Science, Subcommittee on Environment, Technology, and Standards piti kuulemisen avaruussäästä ja erinäisten liittovaltion organisaatioiden avaruussäärooleista. Kansallisen valtamerten ja ilmakehän tutkimuslaitoksen (NOAA), NASA:n ja Yhdysvaltojen ilmavoimien sekä avaruussääteollisuuden edustajia oli kongressin kuulemisessa mukana. Olin myös itse samaan aikaan Washington D.C.:ssä avaruussääkokouksessa, jossa seurasimme reaaliaikaisesti myrkyn kehittymistä ja havaintoja esimerkiksi Yhdysvaltain sähkönsiirtoverkosta. Myrsky aiheutti ongelmia myös Pohjois-Euroopassa ja muun muassa sähkökatkoksen Etelä-Ruotsissa.

Osittain Halloween-myrskyn motivoimana Kansallisen tutkimuskeskuksen (NRC) Committee on Solar and Space Physics alkoi systemaattisesti selvittää avaruussään sosioekonomisia vaikutuksia. Näiden selvittelyiden seurauksena Yhdysvaltain kansallinen tiedeakatemia sai tehtäväksi järjestää kokouksen, jossa kutsupuheet ja niitä seuraavat keskustelut auttaisivat selvittämään, kuinka suuri sosioekonominen ongelma avaruussää oikeastaan on. Tämä kokous pidettiin Washington D.C.:ssä 22.–23.5.2008. Olin itse jo tuolloin NASA:lla töissä ja mukana keskusteluissa.

Yksi kokouksen merkittävimmistä puheista tuli sisäisen turvallisuuden ministeriöstä (DHS) ja viesti oli: käytännössä kaikki moderni infrastruktuuri on riippuvainen luotettavasta sähkönsiirrosta. Laajat sähkökatkokset voivat ajaa Yhdysvallat kaaokseen hyvin lyhyessä ajassa. DHS:n viesti siitä, että voimakas avaruussäämyrsky voi tuhota suuren määrän korkeajännitemuuntajia ja johtaa kuukausia tai jopa vuosia kestäviin sähkönsiirto-ongelmiin, piirsi erittäin uhkaavan kuvan. Tämä uhkakuva varmisti liittovaltion päättäjien huomion. Vaikka olemmekin keventäneet näitä uhkakuvia viimeisimpien tutkimusten myötä, laajat joskin lyhyempikestoiset sähkökatkokset ovat yhä mahdollisia.

Vuoden 2008 tiedeakatemian avaruussääkokous ja sitä seurannut raportti (Severe Space Weather Events – Understanding Societal and Economic Impacts: Workshop Report) olivat merkittävä voima kahdelle jossain määrin erillisille toimille. Ensimmäinen näistä oli energiaministeriön (DOE) ja North American Electric Reliability Corporationin (NERC) toteuttama. NERC on sähkönsiirtoteollisuuden perustama ei-kaupallinen organisaatio, jonka tarkoituksena on edistää Pohjois-Amerikan sähkönsiirtoverkon luotettavuutta ja riittävyyttä. Tähän DOE–NERC-työhön liittyi myös NERC:in organisoima niin kutsuttu geomagneettisten häiriöiden työryhmä, joka oli avoin kaikille kiinnostuneille. Työryhmä muodostui nopeasti keskeiseksi foorumiksi, missä insinöörit ja avaruussäätutkijat keskustelivat ja tekivät monitieteellisiä myrskyanalyysejä. Olin itse aktiivinen työryhmässä ja meidän analyysimme insinöörien kanssa eivät ainoastaan näyttäneet kuinka ”end-to-end”-uhkamallinukset voidaan toteuttaa, vaan myös loivat luottamusta johtamani NASA:n ryhmän ja Yhdysvaltain sähkönsiirtoteollisuuden välille. Tämä luottamus on ollut kriittinen osa tutkimustyötämme ja myös mahdollisti lainsäädännön toteutuksen.

Kuvassa näkyy useampi iso musta auringonpilkku Auringon pinnalla
Nopeasti yli kuusi kertaa Maan kokoisiksi kasvaneet auringonpilkut Auringon pinnalla helmikuussa 2013.
Kuva: NASA / SDO / HMI / Goddard Space Flight Center

DOE–NERC-yhteistyö johti sarjaan julkaisuja (mm. High-Impact, Low-Frequency Event Risk to the North American Bulk Power System ja Effects of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System), joissa geomagneettisten häiriöiden työryhmä oli keskeisessä roolissa. Uhkakuvan laajuus muuttui maailmanlopun tilanteesta sellaiseksi, jota vastaan voidaan varautua. Työryhmämme työ kulminoitui Federal Energy Regulatory Commissionin (FERC) vuoden 2013 käskyyn kehittää geomagneettisten häiriöiden standardi. Käytännössä tämä tarkoitti uutta liittovaltion tasoista määräystä sähkönsiirtoteollisuudelle (Reliability Standards for Geomagnetic Disturbances). FERC:in käsky oli käänteentekevä. Kaikkien Yhdysvaltain sähkönsiirtoyhtiöiden, jotka operoivat 200 kV tai suurempijännitteisiä verkkoja täytyi varautua uusiin avaruussäähän liittyviin määräyksiin. Olin keskeisessä asemassa FERC:in standardien valmistelussa ja itse asiassa ainoa tiedeyhteisön edustaja noin 10 hengen ryhmässä. Tässä oli kyse luottamuksesta: FERC, NERC ja teollisuus arvostivat sitä, että olin puolueeton liittovaltion edustaja, jonka ainoa tavoite oli tuoda uusin ja luotettavin tieteellinen avaruussään ymmärrys standardien valmisteluryhmälle. Monivuotinen standardien valmistelutyö huipentui vuonna 2018, jolloin standardin viimeinen, paikallisiin geomagneettisiin häiriöihin liittyvä osa saatiin valmiiksi.

Standardien valmisteluprosessi oli mielenkiintoinen ja myrskyisä kokemus, jossa monet eri tahot kuten sähkönsiirtoyhtiöt, korkeajännitemuuntajien valmistajat, avaruussääpalvelujen tuottajat ja moninaiset tutkimuslaitokset yrittivät vetää prosessia haluamaansa suuntaan. Prosessiin liittyvät kokoukset olivat räjähdysherkkiä ja myös henkilökohtaiset sanalliset hyökkäykset standardin valmisteluryhmää kohtaan olivat osa tarinaa. Mutta tämän tarinan täydellisempi käsittely vaatii erillistä kirjoitusta. Pääasia on, että standardit ovat voimassa ja Yhdysvaltain sähkönsiirtoteollisuus on viimeistelemässä mallinnuksia, jotka selvittävät kuinka alttiita heidän systeeminsä ovat voimakkaille avaruussäämyrskyille. Standardiin liittyy myös määräys, että kaikilla sähkönsiirtosysteemin operoijilla täytyy olla operatiivinen suunnitelma voimakkaiden myrskyjen varalta.

Toinen keskeinen hanke, joka oli osittain erillinen FERC-NERC standardityöstä, lähti liikkeelle Valkoisen talon niin kutsutun Office of Space and Technology Policyn (OSTP) kautta. Tässä prosessissa oli merkittävässä osassa yksittäinen avaruussääekspertti, joka teki OSTP:lla useamman vuoden komennuksen omasta kotiorganisaatioista NOAA:sta. On epätodennäköistä, että OSTP:n hanke olisi ollut lähimainkaan yhtä menestyksekäs ilman tämän yksittäisen henkilön valtavaa panostusta ja vaikutusvaltaa. On ollut mielenkiintoista havaita, kuinka myös Yhdysvaltain valtavassa liittovaltion koneistossa yksittäisten ja ei suorassa päätösvallassa olevien henkilöiden aktiivisuus voi olla kriittisen tärkeä asioiden eteenpäin puskemiselle.

OSTP:n työhön liittyi myös liittovaltiotasoisen niin kutsutun Space Weather Operations, Research, and Mitigation (SWORM) -työryhmän perustaminen 2014. SWORM-työ, jossa olin itse mukana NASA:n jäsenenä johti lopulta kansallisen avaruussäästrategian julkaisemiseen vuonna 2015 (National Space Weather Strategy). Avaruussäästrategia kuvaa liittovaltion eri organisaatioiden roolia muun muassa avaruussään tutkimuksessa, operatiivisessa ennustamisessa ja havaintoinstrumenttien kehittelyssä. Tärkeänä osana strategiaa oli toteutussuunnitelma, jossa oli yksityiskohtaisia tehtäviä strategiassa mukana oleville organisaatioille. Toteutussuunnitelman ansioista strategiasta on tullut merkittävä liittovaltion avaruussääaktiviteetteja ohjaava voima. Avaruussäästrategian laatua kuvaa se, että se on yksi harvoista strategioista, jotka eivät oleellisesti muuttuneet Obaman ja Trumpin hallitusten välillä. Trumpin hallituksen versio avaruussäästrategiasta julkaistiin 2019 (National Space Weather Strategy and Action Plan) ilman suuria muutoksia alkuperäisestä 2015 versiosta. Strategia kytkettiin varsinaiseen liittovaltion lakiin vuonna 2020 niin kutsutun Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow -asetuksella (PROSWIFT Act). PROSWIFT:in kautta kansallinen avaruussäästrategia on nyt osa Yhdysvaltain lainsäädäntöjä, joka antaa lisämotivaatiota strategian toteuttamiselle. Itse olen NASA:n virkamiehenä vastuussa siitä, että meidän Goddardin organisaatio toteuttaa oman PROSWIFT-osansa.

FERC-NERC-standardien ja PROSWIFT:in kautta Yhdysvalloista on tullut liittovaltion ja päättäjien tasolla yksi parhaiten avaruussäästä valistuneista ja varautuneista maista. NASA:n puolella käynnistimme viime vuoden aikana uuden avaruussääohjelman, joka tukee muun muassa avaruussääsovellusten tuottamista. Geomagneettisten häiriöiden standardit ovat varmistaneet, että Yhdysvaltain sähkönsiirtoteollisuus ei ole ainoastaan tietoinen avaruussäästä vaan myös tekee analyysit, jotka selvittävät kuinka alttiita erinäiset systeemit ja alueet ovat häiriöille.

Kaikki ei tietenkään ole pelkkää ruusuilla tanssimista, ja avaruussään tulevaisuudella on suuria haasteita myös Yhdysvalloissa. Yksi päähaasteista on kasvattaa merkittävästi liittovaltion avaruussääsijoituksia. PROSWIFT on tärkeä askel eteenpäin, mutta ei varsinaisesti määrännyt uusia mittavia rahallisia sijoituksia avaruussäähän. NASA:n uuden avaruussääohjelman koko on noin 20–30 miljoonaa dollaria vuodessa mikä on suhteellisen pieni verrattuna koko NASA:n heliofysiikan (Yhdysvalloissa avaruussää on yksi heliofysiikan osa-alue) budjettiin, joka on suuruusluokkaa 750 miljoonaa dollaria vuodessa (Fiscal Year 2023 Presidents’s Budget Request, NASA, 2022). Yksi haasteistamme on kasvattaa avaruussääohjelmaa noin kertaluokalla seuraavan kymmenen vuoden aikana.

Henkilökohtaisella tasolla viimeiset 15 vuotta ovat olleet erikoinen kokemus. Moninaisten sattumusten kautta ujo kajaanilaispoika on takertunut erinäisissä rooleissa Yhdysvaltain liittovaltion avaruussääpeleihin. Vaikka tämä on suurelta osin onnekas sattuma, on tässä ollut myös merkittävässä roolissa Suomessa saamani korkealuokkainen kansainvälisesti tunnustettu koulutus ja avaruussääkokemus. Suomi on merkittävä tekijä avaruussäätyössä ja voin vain toivoa, että tämä asema säilyy ja mahdollisesti jopa voimistuu tulevaisuudessa.

Kirjoittaja

FT Antti Pulkkinen on väitellyt tohtoriksi Helsingin yliopiston Fysiikan laitokselta vuonna 2003. Hänen Ilmatieteen laitoksen sarjassa ilmestynyt väitöskirjansa käsitteli avaruushäiriöitä sähkönsiirtoverkoissa ja kaasuputkissa. Pian väittelynsä jälkeen Pulkkinen siirtyi NASA:an kohoten viimein avaruussäätutkimuksen johtamisen kautta NASA Goddard Space Flight Centerin Heliophysics Science Divisioonan (HSD) johtoon (Director). HSD on n. 380 hengen tutkimusorganisaatio, joka on keskeinen toimija Yhdysvaltain ja kansainvälisessä avaruussäätutkimuksessa. Pulkkinen on kansainvälisesti arvostettu ja tunnettu erityisesti avaruussään vaikutusten alalla. Pulkkinen pitää säännöllisesti yhteyttä myös Suomen avaruussääkollegoihin.

Lisää artikkeleita:

Former Vice President Dr. Riek Machar and President Salva Kiir of South Sudan shake hands after signing the Arusha Reconciliation Agreement, as President Jakaya Kikwete of Tanzania (left) and Mr. Deng Alor Kuol, former Foreign Minister of South Sudan, look on. Photo by Tanzania State House, Arusha, 21 January 2015.

From War to Peace in Africa

While there is no easy fix to prevent and resolve violent conflict, there is growing consensus that the best long-term solution to conflict is improved governance at the national level, in the sense of effective and legitimate institutions, norms and processes for the delivery of services to the population. Much internal conflict is fuelled by a sense of exclusion or lack of access to resources, opportunities, security or justice. Sufficiently functional and inclusive systems of governance effectively prevent conflict.

Lue artikkeli »