Poranek 8 kwietnia 2008 roku był dla zdecydowanej większości mieszkańców Szczecina i najbliższych okolic wydarzeniem bez precedensu. Co prawda wiosenne opady śniegu w naszej strefie klimatycznej nie są wielkim zaskoczeniem, jeśli jednak prowadzą one do uszkodzenia czy zawalenia się kilkuset słupów wysokiego i średniego napięcia, doprowadzając do paraliżu w sektorze publicznym i prywatnym, jest to ewenementem nie tylko w skali kraju, ale i świata. Analiza sytuacji synoptycznej pokazuje, że główną przyczyną blockoutu był splot szczególnych warunków pogodowych i techniczno-inżynieryjnych.
AUTOR: Małgorzata Bachmatiuk IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Biuro Meteorologicznych Prognoz Morskich, Wydział w Szczecinie
Rozległa awaria zasilania zwana „blackoutem”[i] zdarza się rzadko, a wydarzenia, które miały miejsce na Pomorzu Zachodnim 15 lat temu okazały się być największą katastrofą energetyczną w powojennej Polsce. W jej następstwie ponad pół miliona osób było pozbawionych prądu przez kilkanaście lub kilkadziesiąt godzin (w skrajnych przypadkach awaria trwała aż 7 dni). 8 kwietnia w Szczecinie nie działała większość sklepów, urzędów publicznych, banków oraz zakładów pracy, w tym Stocznia Szczecińska czy Zakłady Chemiczne w Policach. Szpitale przeprowadzały jedynie operacje ratujące życie. Ograniczono działalność szkół i przedszkoli. Nie funkcjonowała komunikacja tramwajowa, nie kursowały pociągi. Pojawił się problem z dostawą ciepła i wody, a także z działaniem telefonów komórkowych. Utrudnienia dotknęły również oczyszczalnie ścieków, a w całym mieście funkcjonowała tylko jedna stacja paliw.
Słowa naocznego świadka oddają powagę sytuacji: ” (…) poczułem się jak na jakiejś wojnie. Nie mieliśmy pojęcia, co się dzieje. Na ulicach wokół mojego domu były zupełne pustki, nie działały lampy. Po prostu nie było niczego”.[ii]
Straty w regionie szczecińskim spowodowane awarią zasilania oszacowano na kwotę 55 mln zł, z czego 30 mln zł stanowiły straty operatorów sieciowych.
Warunki synoptyczne w Polsce i Europie oraz środkowej i górnej troposferze
W dniach 7-8 kwietnia 2008 roku w środkowej i górnej troposferze zaznaczał się wysoki niż z ośrodkiem nad Morzem Północnym, szczególnie wyraźnie widoczny na poziomie 500 hPa, wraz z rozległą zatoką w polu geopotencjału, obejmująca swym zasięgiem wschodnią część Oceanu Atlantyckiego, południe Europy, aż po Turcję i zachodnią Rosję. Ponadto po południowo-wschodnich peryferiach górnej zatoki, rozwijało się zaburzenie w postaci wtórnej zatoki niżowej, w obrębie której cyrkulacja dodatkowo potęgowała napływ ciepłego powietrza nad obszar wschodniej Polski, zaciągając je z południowego wschodu i wschodu. Z kolei w Basenie Morza Śródziemnego i dalej na wschód po Turcję i republiki kaukaskie zalegał klin wysokiego ciśnienia związany z Wyżem Azorskim, którego „jęzor” ciepła wdzierał się po wschodniej granicy górnej zatoki daleko na północ, zaznaczając swą obecność na terenie Ukrainy i zachodniej Rosji.
7 kwietnia 2008 roku nad Polską przebiegał główny front atmosferyczny rozciągający się od Skandynawii, przez Bałtyk, aż po północne Włochy. Jego położenie i południkowy układ były wynikiem blokady[iii] spowodowanej wyżem zalegającym nad północno-zachodnią Rosją oraz rozległym niżem znad Wielkiej Brytanii i Morza Północnego. Do zachodniej części naszego kraju napływało chłodne powietrze polarne morskie z domieszką arktycznego morskiego znad północnego Atlantyku. Tymczasem na wschodzie i w centrum zalegało ciepłe powietrze polarne morskie docierające z południowego wschodu i wschodu.
W nocy z 6 na 7 kwietnia, na tym właśnie froncie, utworzył się w rejonie północnej Austrii płytki niż, który rano dotarł nad Opolszczyznę, a o godz. 18.00 UTC nad Wielkopolską (z ciśnieniem w ośrodku wynoszącym 996 hPa). Przemieszczając się na północ, a następnie na północny wschód, niż pogłębiał się – 8 kwietnia o godz. 03.00 UTC ośrodek z ciśnieniem 993 hPa znajdował się już nad Mazurami i w kolejnych godzinach opuścił obszar Polski.
Warunki pogodowe
Położenie frontu, a następnie wędrówka niżu na północ i północny wschód, podzieliły Polskę na dwa regiony z całkowicie różną pogodą. Po wschodniej stronie frontu chłodnego rankiem 7 kwietnia wystąpiły liczne mgły, a w ciągu dnia przelotny deszcz z pojedynczymi wiosennymi burzami (Mława, Elbląg). Wartości temperatury maksymalnej – od 12 ºC do 16 ºC – były charakterystyczne dla tej pory roku. W nocy z 7 na 8 kwietnia pojawiły się przelotne opady deszczu i miejscami śniegu. Cieplejsze pozostawało jedynie Pomorze Środkowe, Kujawy i rejon Zatoki Gdańskiej, na którym to obszarze zaznaczał się wpływ frontu ciepłego. Z kolei na zachód od frontu poranne mgły dość szybko ustąpiły ze względu na nasuwającą się z zachodu rozległą strefą zachmurzenia z opadami deszczu, przechodzącymi następnie w deszcz ze śniegiem i śnieg. Potężne, grube optycznie chmury rozciągały się od wysokości kilkaset metrów nad poziomem gruntu (obniżając się okresami w czasie opadów śniegu i śniegu z deszczem do samej powierzchni ziemi) aż po górną granicę troposfery. Wierzchołki chmur dochodziły do 7 km, a miejscami nawet powyżej 8 km, co potwierdzają zdjęcia satelitarne cloud top height oraz w podczerwieni IR.
Opady deszczu docierają do północno-zachodniej Polski wczesnym popołudniem. W Szczecinie pada od godz. 15.00 UTC (17.00 czasu lokalnego), a o godz. 16.00 UTC (18.00 czasu lokalnego) notuje się szybki spadek temperatury przy powierzchni ziemi – z 4ºC do około 0ºC o godz. 19 UTC (21.00 czasu lokalnego). Takie wartości utrzymywać się będą przez całą noc z 7 na 8 kwietnia. Z powodu ochłodzenia od godz. 18.00 UTC (20 czasu lokalnego) opady deszczu przechodzą w śnieg z deszczem i mokry śnieg, miejscami o natężeniem umiarkowanym i silnym, które ograniczają widzialność do 1-3 km.
Śnieżyca przybiera na sile
Ważnym czynnikiem odpowiedzialnym za intensywne opady mokrego śniegu, które pojawiły się w godzinach popołudniowych 7 kwietnia 2008 roku, był napływ chłodnej masy powietrza przy powierzchni ziemi, a na wyższych poziomach relatywnie ciepłej masy powietrza z południowego wschodu i wschodu, a także mieszanie się tych mas na pewnej wysokości. O ile bowiem przy powierzchni ziemi zaznaczał się wyraźny strumień powietrza z północy, znad Bałtyku, o tyle już na wysokości około 2 km n.p.m. wiatr skręcał w prawo[iv] przyjmując kierunek południowo-wschodni i wschodni. Ponadto nisko zalegające masy powietrza charakteryzowały się dużą zawartością wilgoci po swojej wędrówce nad Bałtykiem i Zalewem Szczecińskim, podczas gdy powietrze, które napływało górą ze wschodu i południowego wschodu początkowo było dość suche, a następnie, wraz z wędrówką niżu na północ, stawało się coraz bardziej wilgotne.
Na diagramie z Greifswaldu[v] z dnia 8 kwietnia 2008 roku wilgotność względna[vi] przy powierzchni ziemi była bliska 100%, a do wysokości 5 km wynosiła co najmniej 90%. Na diagramie tym widać również warstwę izotermiczną[vii]z temperaturą oscylującą wokół 0ºC, zalegającą do wysokości około 600-700 m. Jest to o tyle istotne w przypadku wystąpienia opadów, że padające płatki śniegu, napotykając na swej drodze ku ziemi warstwę z temperaturą bliską 0ºC zaczynają topnieć i pokrywać się cienką warstwą wody. A ponieważ temperatura nie zmienia się, nadtopiony śnieg w takiej postaci dociera do powierzchni ziemi. To „przejście” opadów z chmur warstwowych przez izotermę 0ºC i topnienie kryształków lodu zobrazowane jest na obrazach radarowych PPI w postaci linii o zwiększonej odbiciowości (ok. 10 dBz większej niż warstwy sąsiednie) i nazwane jest „jasnym pasmem”.[viii]
8 kwietnia o godz. 19.00 UTC (21 czasu lokalnego) opady mokrego śniegu i śniegu z deszczem trwają miejscami na północnym-zachodzie dopiero 3-4 godziny, a suma opadów do godz. 18 UTC za 6 ostatnich godzin wynosi odpowiednio: Resko 13 mm, Szczecin 8 mm, Świnoujście 1 mm. Wartości te nie są wyjątkowe, a mimo to dochodzi do pierwszych uszkodzeń słupów energetycznych na linii Golczewo–Recław. Tuż po północy następuje awaria głównej linii zasilającej Szczecin, a braki prądu w lewobrzeżnej części miasta oraz w Policach notowane są od godziny 3.30 czasu lokalnego[ix].
Blackout – główne przyczyny
Na początek kilka faktów.
- W dniach 7-8 kwietnia 2008 roku opady deszczu ze śniegiem i mokrego śniegu trwały miejscami, np. w Szczecinie, około 16 godzin (od godz. 18.00 UTC, 7.04.2008 r. do godz. 10.00 UTC, 08.04.2008 r.).
- Zmierzona grubość pokrywy śnieżnej 8 kwietnia o godz. 6 UTC (8 czasu lokalnego) wyniosła: Goleniów 23 cm, Kartlewo 21 cm, Sierakowo 20 cm, Płoty 5 cm, Szczecin-Dąbie 4 cm. Pomiary ekspedycyjne wykonane na terenie gminy Szczecin wykazały grubość dochodzącą miejscami do 27 cm.
- Dobowe sumy opadów od godz. 06.00 UTC, 07.04.2008 r. do godz. 06.00 UTC, 08.04.2008 r.: Resko 49 mm, Świnoujście 38 mm, Szczecin 25,6 mm, Goleniów 28 mm.
- Suma opadów z godz. 06.00 UTC za ostatnie 12 godzin na podstawie danych z mapy synoptycznej: Resko 49 mm, Świnoujście 36 mm, Szczecin 18 mm.
Mimo, że w powyższych danych na próżno szukać ekstremalnych wartości, to warto zwrócić uwagę, że zanotowane sumy opadów świadczą o dużej wodności i ciężarze pokrywy śnieżnej. Ponadto obfite i długotrwałe opady, głównie deszczu, a następnie deszczu ze śniegiem w dniu 7 kwietnia 2008 roku, bezpośrednio poprzedzające opady mokrego śniegu, spowodowały podniesienie się poziomu wód gruntowych, co pociągnęło za sobą „rozmiękczenie” gruntu. Efektem tego mogło być obniżenie stabilności posadowienia zarówno słupów linii elektroenergetycznych, jak i rosnących w ich pobliżu drzew.
Największym problemem było oblodzenie przewodów linii elektrycznych i tworzenie się na nich pokrywy śnieżnej. Tego rodzaju zjawisko możliwe jest to tylko przy odpowiednich warunkach atmosferycznych – głównie temperatury oraz prędkości wiatru wiejącego z określonego kierunku. Takie okoliczności wystąpiły w nocy z 7 na 8 kwietnia 2008 roku na Pomorzu Zachodnim. Ponieważ temperatura na poziomie kilkunastu metrów nad gruntem spadła poniżej 0ºC, wystąpił opad bardzo mokrego i lepkiego śniegu, który z łatwością przymarzał do linii elektroenergetycznych dodatkowo wychładzanych przez silny wiatr. Przy czym prędkość wiatru była na tyle duża, że sprzyjała osadzaniu się śniegu na przewodach, a równocześnie na tyle mała, że nie powodowała jego zdmuchiwania.
W efekcie doszło do kaskadowych zniszczeń słupów energetycznych pod ciężarem zalegającej zlodowaciałej pokrywy śnieżnej, zwanej w energetyce sadzią[x]. Zaczęła ona bardzo szybko narastać, co doprowadziło do kilkudziesięcioprocentowego przekroczenia maksymalnych obciążeń normowych sadzią dla przewodów linii elektroenergetycznych. Przyczyniło się to z kolei do zniszczeń dużej ilości słupów, zwłaszcza przelotowych[xi], które pod wpływem powstałych przeciążeń ulegały uszkodzeniu jeden po drugim na zasadzie domina.
Osobną kwestią jest też zalegająca miejscami woda gruntowa powstała w wyniku długotrwałych opadów deszczu i deszczu ze śniegiem. Co najmniej w jednym przypadku doprowadziło to do utraty stateczności fundamentów, na których posadowione są nogi słupów energetycznych i przewrócenia się słupa odporowo-narożnego[xii] na linii Morzyczyn-Police, którego zniszczenie spowodowało reakcję łańcuchową i zerwanie całych odcinków linii.
Komisja badająca przyczyny katastrofy energetycznej uznała, że głównym powodem znacznych obciążeń prowadzących do uszkodzenia i przewrócenia się słupów linii elektroenergetycznych na Pomorzu Zachodnim był ciężar sadzi, wynikający z wyjątkowej grubości warstwy mokrego i ciężkiego śniegu osadzonego na przewodach. Niewątpliwie skalę zniszczeń spotęgował fakt, że linie, na których nastąpiły liczne uszkodzenia słupów wzniesiono w latach 70., kiedy to normy obciążenia przewodów sadzią były zaniżane i nieadekwatne do zmieniających się warunków, a przy ich projektowaniu kierowano się głównie względami ekonomicznymi, poszukując możliwie największych oszczędności.
Podsumowanie
Występujące wczesną wiosną w Polsce opady deszczu ze śniegiem i śniegu, nie stanowią anomalii pogodowej. Warunki atmosferyczne w kwietniu 2008 roku nie były Pomorzu Zachodnim ekstremalne i wyjątkowe, ale z powodu nałożenia się na siebie uwarunkowań środowiskowych i technicznych doprowadziły do paraliżu w sektorze energetycznym na obszarze o długości 80 km, rozciągającym się na północy od Świnoujścia, Kamienia Pomorskiego, przez Golczewo, Nowogard, Goleniów, Szczecin, aż po Krajnik na południu. Obciążenia przewodów linii elektroenergetycznych sadzią przekroczyły co najmniej o kilkadziesiąt procent przyjęte w obliczeniach normowe wartości katastrofalne. Dodatkowym czynnikiem mającym wpływ na przebieg zdarzeń i rozległość uszkodzeń były obfite opady deszczu w okresie poprzedzającym awarię, które spowodowały podniesienie się poziomu wód gruntowych i rozmiękczenie gruntu, a w konsekwencji utratę stabilności zarówno słupów linii elektroenergetycznych jak i drzewostanu rosnącego w ich pobliżu. Pod wieloma względami kwietniowe wydarzenia na Pomorzu Zachodnim przypominają jednoczesne wystąpienie zagrożeń określanych mianem ryzyka kaskadowego.
Synoptycy ze szczecińskiego Biura Prognoz IMGW-PIB prognozowali opady śniegu zarówno na 7, jak i 8 kwietnia 2008 roku. Jednak skutki jakie one mogły spowodować, były trudne do przewidzenia. Opady mokrego śniegu, mimo że osiągnęły znaczne wartości dla regionu szczecińskiego, mieściły się w normie i nie stanowiły ekstremów. Stały się jednak bezpośrednią przyczyną prowadzącą do blackoutu. Niestety eksperci wskazują, że podobne katastrofy mogą zdarzyć się również w innych rejonach kraju, choćby na skutek zmiany klimatu oraz częstszego występowania coraz bardziej ekstremalnych zjawisk atmosferycznych.
Jedynym pozytywnym aspektem kwietniowej katastrofy było podjęcie szeroko zakrojonej modernizacji sieci elektrycznej w województwie zachodniopomorskim i zaopatrzenie ważniejszych urzędów miasta oraz zakładów przemysłowych w agregaty prądotwórcze. Ponadto wdrożono odpowiednie procedury postępowania na wypadek wystąpienia podobnej sytuacji w przyszłości.
[i] Blackout energetyczny to rozległa awaria zasilania; sytuacja, kiedy na skutek zaniku dostaw energii elektrycznej całkowitemu paraliżowi ulega życie na znacznym terenie zamieszkałym przez dużą liczbę ludności. Zjawiska takie występują co pewien czas, przy czym w wielu wypadkach ich przyczyną są zaburzenia w funkcjonowaniu systemu zasilania elektroenergetycznego bez jego istotnych uszkodzeń mechanicznych, w szczególności uszkodzeń konstrukcji wsporczych linii elektroenergetycznych. Blackout jest wynikiem nałożenia się na siebie szeregu czynników losowych, których splot w określonych okolicznościach prowadzi do przekroczenia krytycznych wartości podstawowych parametrów technicznych pracy systemu, a w efekcie utraty napięcia w całym obszarze objętym zakłóceniami.
[ii] https://www.money.pl/gospodarka/blackout-w-polsce-zdarzyl-sie-naprawde-dekade-temu-zgasl-caly-szczecin-nie-bylo-niczego-6396070270957185a.html.
[iii] Blokada wyżowa prowadzi do wyhamowania ruchu układów niżowych, sprzyjając długotrwałym opadom, a także do zmiany ich kierunku przemieszczania, często przeciwnie do typowej wędrówki niżów, czyli z zachodu na wschód.
[iv] Skręt wiatru w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) wraz z wysokością świadczy o adwekcji (napływie) ciepłego powietrza.
[v] Greifswald – miasto w północno-wschodnich Niemczech, w którym znajduje się stacja z pomiarami aerologicznymi. 7 kwietnia 2008 r. Greifswald znajdował się w zasięgu chłodnego powietrza napływającego z północy. Przebieg temperatury i zjawisk pogodowych w tym mieście w dużej mierze odzwierciedlał warunki panujące w Szczecinie i okolicach.
[vi] Wilgotność względna to stosunek aktualnej prężności (ciśnienia) pary wodnej do prężności maksymalnej w danej temperaturze i przy stałym ciśnieniu, wyrażana w procentach. Mówimy, że powietrze jest nasycone, gdy posiada 100% wilgotności względnej; kiedy wilgotność powietrza jest mniejsza od 100%, powietrze określa się mianem powietrza nienasyconego. (źródło: Szewczak P., 2014, Meteorologia dla pilota samolotowego, Poznań).
[vii] Warstwa izotermiczna – warstwa, w której temperatura wraz ze wzrostem wysokości nie zmienia się.
[viii] W warstwie położonej poniżej izotermy zero, czyli w warstwie z temperaturami dodatnimi, śnieżynki topniejąc pokrywają się cienką warstwą wody i zaczynają odbijać tak jak woda. Tworzą się jakby nadmuchane kropelki (śnieżynki mają znacznie większe rozmiary niż kropelki wody). W efekcie odbicie w warstwie topnienia jest większe niż od śniegu (powyżej) i od deszczu (poniżej). W momencie gdy wiązka radarowa przechodzi przez tą warstwę, na określonej wysokości objawia się to w postaci pierścienia o wyższej odbiciowości. (oprac. na podstawie prezentacji Pani I. Tuszyńskiej).
[ix] https://portalkomunalny.pl/szczecin-blackout-10-lat-372790/.
[x] Sadź w sektorze energetycznym oznacza osad śniegu, szronu lub lodu występujący na przewodach napowietrznych linii elektroenergetycznych.
[xi] Słupy przelotowe służą do podtrzymania przewodów, czyli przejęcia zewnętrznych oddziaływań pionowych oraz poziomych prostopadłych do kierunku linii. Słupy te mają za zadanie podtrzymywać przewody elektryczne, ale nie są zaprojektowane by przejąć napięcia, na jakie narażone są przewody w przypadku ich zbyt dużych obciążeń, tu sadzią. W efekcie prowadzi to do tego, że słup przelotowy przy silnie niezrównoważonym naciągu przewodów nie tylko sam ulega zniszczeniu, ale dodatkowo na prostych odcinkach linii, gdzie kolejno ustawionych jest kilka słupów przelotowych, ulegają one zniszczeniu na zasadzie domina. Ten typ zniszczeń nazwany jest kaskadowym.
[xii] Słupy odporowo-narożne – wzmocniony typ słupów narożnych, które służą do podtrzymania przewodów na załomach linii. Słupy narożne obliczane są na działanie obciążeń pionowych, oddziaływań poziomych od wiatru i wypadkowej naciągu, wynikającej z załomu, na którym dany słup jest ustawiony.
W opracowaniu wykorzystano następujące publikacje:
1. Bartodziej G., Tomaszewski M., 2008, Blackout w rejonie Szczecina. Uwagi i wnioski, Energetyka.
2. Biernacik D., Jakusik E., Kowalska B., 2008, Charakterystyka warunków meteorologicznych w rejonie Pomorza Zachodniego w dniach 7-8 kwietnia 2008 r., ekspertyza Oddziału Morskiego IMGW w Gdyni.
3. Paczkowska T., Paczkowski W., 2009, Aspekty budowlane katastrofy energetycznej w rejonie szczecińskim, XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna, Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009 r. Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny.
4. PSE-Operator S.A, Enea Operator, 2008, Protokół komisji badania awarii sieci elektroenergetycznej w aglomeracji szczecińskiej w dniach 7-8 kwietnia 2008 r., Warszawa.
5. Raport Zespołu ds. Zbadania Przyczyn i skutków katastrofy energetycznej powołanego zarządzeniem Wojewody Zachodniopomorskiego nr 1542008 z dnia 22 kwietnia 2008 roku, Zachodniopomorski Urząd Wojewódzki w Szczecinie.
Wszystkie grafiki w opracowaniu, o ile nie wskazano inaczej, pochodzą z Archiwum IMGW-PIB. Zdjęcia satelitarne i radarowe otrzymałam dzięki uprzejmości Pani Ireny Tuszyńskiej.
Oprac. Małgorzata Bachmatiuk | Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Biuro Meteorologicznych Prognoz Morskich, Wydział w Szczecinie, IMGW-PIB.
Zdjęcie główne: Aaron Burden | Unsplash.
