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lunes, 26 de agosto de 2013

U.S. Electrical Grid on the Edge of Failure

ORIGINAL: Scientific American
By Jeff Tollefson and Nature magazine


Network analysis suggests geography makes the grid inherently unstable 
Orderly networks, like the US power grid, have more critical nodes that increase instability, compared to randomly structured networks Image: STEVE HOCKSTEIN/BLOOMBERG/GETTY

Facebook can lose a few users and remain a perfectly stable network, but where the national grid is concerned simple geography dictates that it is always just a few transmission lines from collapse.
That is according to a mathematical study of spatial networks by physicists in Israel and the U.S. Study co-author Shlomo Havlin of Bar-Ilan University in Ramat-Gan, Israel, says that the research builds on earlier work by incorporating a more explicit analysis of how the spatial nature of physical networks affects their fundamental stability. The upshot, published August 25 in Nature Physics, is that spatial networks are necessarily dependent on any number of critical nodes whose failure can lead to abrupt—and unpredictable—collapse.

The electric grid, which operates as a series of networks that are defined by geography, is a prime example, says Havlin. “Whenever you have such dependencies in the system, failure in one place leads to failure in another place, which cascades into collapse.”

“I suppose I should be open-minded to new research, but I'm not convinced,” says Jeff Dagle, an electrical engineer at the Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Wash., who served on the government task force that investigated the 2003 outage. “The problem is that this doesn’t reflect the physics of how the power grid operates.” The warning comes ten years after a blackout that crippled parts of the midwest and northeastern United States and parts of Canada. In that case, a series of errors resulted in the loss of three transmission lines in Ohio over the course of about an hour. Once the third line went down, the outage cascaded towards the coast, cutting power to some 50 million people. Havlin says that this outage is an example of the inherent instability his study describes, but others question whether the team’s conclusions can really be extrapolated to the real world.

Critical order

Havlin and his colleagues focused on idealized scenarios. They found that randomly structured networks—such as social networks—degrade slowly as nodes are removed, which in the real world might mean there is time to diagnose and address a problem before a system collapses. By contrast, the connections of orderly lattice structures have more critical nodes, which increase the instability. The problem is that such orderly networks are always operating near an indefinable edge, Havlin says. To reduce that risk, he recommends adding a small number of longer transmission lines that provide short cuts to different parts of the grid.

Benjamin Carreras, a physicist at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee who has conducted similar work, says that network theory can be useful for providing insight into electric grids but must be complemented with more complex models that attempt to represent both the physical realities and the responsiveness of the modern electric grid. Although in some cases adding long lines can benefit the overall stability of an electric system, Carreras’ work suggests that in certain circumstances such an approach allows problems to propagate even farther.

“More connections may stabilize some processes, by, for instance, increasing the number of paths to generators, but also may destabilize others,” Carreras says. “One cannot make generic statements on this topic.”

Although local outages caused by falling trees knocking down distribution lines are common, large-scale failures within the core transmission lines rarely occur on a modern electric grid. Before 2003, the last major blackout in the United States had been on the west coast in 1996, and more recently an outage has struck in the San Diego area.

Dagle says that the 2003 blackout stemmed from a combination of bad vegetation management—the first three lines tripped after sagging into trees but were all within their load rating—and a series of monitoring and communications breakdowns. Vegetation requirements have since been standardized, and a new generation of sensors is providing grid operators with more information about what is happening across the grid at any given moment.

“Many more utilities have much more data,” Dagle says. “The next phase of our voyage is to make better use of that data.”

This article is reproduced with permission from the magazine Nature. The article was first published on August 25, 2013.

miércoles, 1 de febrero de 2012

Las primeras plantas terrestres pueden haber sumido a la Tierra en una serie de las edades de hielo

ORIGINAL: TheGuardian
Ian Sample, corresponsal de ciencia
01 de febrero 2012

Científicos afirman que la difusión de las primeras plantas terrestres redujeron el carbono en la atmósfera y enfriaron el planeta

Plantas antiguas podrían haber disuelto rocas de silicatos liberando iones metálicos, que reaccionaron con carbono en la atmósfera. Foto: Reuters

Las primeras plantas en echar raíces en tierra firme pueden haber enfriado la Tierra lo suficiente como para provocar una serie de las edades de hielo, afirman los científicos.

Mientras que las plantas que se diseminaron en los continentes, extraían minerales de las rocas en las que se aferraban disminuían los niveles de carbono en la atmósfera, provocando que las temperaturas cayeran marcadamente, dicen los investigadores.

El escenario explica una glaciaciones desconcertantes que vieron adelantando que muestran capas de hielo previas al período Ordovíciano entre 488m y 444m años atrás. En ese momento, los continentes de la Tierra se agrupaban sobre el polo sur y se extendían hacia el norte hasta el Ecuador.

Escribiendo en la revista Nature Geoscience, un equipo dirigido por Timothy Lenton de la Universidad de Exeter describe experimentos para investigar el impacto ambiental de las primeras plantas terrestres de la Tierra. Tomaron piedras y cubrieron alguunas con musgo para imitar la vida de las plantas sencillas que florecieron en el Ordovícico, luego las incubaron durante tres meses.

Los experimentos en el Centro John Innes en Norwich revelan cómo la vida de las plantas podrían haber alterado la geoquímica lo suficiente para hacer descender la temperatura y dar paso a un período de glaciación del planeta.

A medida que las plantas crecieron, disolvieron las rocas de silicatos, como el granito, causando la liberación de iones de calcio y magnesio. Estos iones se combinan con el carbono atmosférico y cayeron en los océanos donde se precipitaron en forma de rocas carbonatadas. Este proceso sólo podría haber causado que la temperatura cayera alrededor de cinco grados centígrados.

En otro proceso, las plantas extraen el fósforo y el hierro de las rocas, pero a medida que las plantas murieron estos elementos han encontrado su camino hacia el mar. El aumento de nutrientes era probable que haya impulsado el crecimiento del plancton, criaturas microscópicas que secuestran carbono al crecer y al final lo llevan al fondo del mar cuando mueren, donde se forman la rocas.

Los científicos asumieron que el 15% de la superficie de la Tierra estaba cubierta de vida vegetal primitiva, pero incluso con una cobertura del 5% de la tierra, los efectos de enfriamiento que han sido sustanciales, dijo Lenton.

"Aunque las plantas están todavía enfriamiento el clima de la Tierra mediante la reducción de los niveles de carbono atmosférico, ésto no puede equipararse con la velocidad del cambio actual del clima inducido por el hombre", dijo Lenton. "Se necesitarían millones de años para que las plantas eliminaran las emisiones actuales de carbono de la atmósfera."

Liam Dolan, un científico en plantas de la Universidad de Oxford que trabajó con Lenton, dijo que la invasión de la tierra por las plantas fue un momento crucial en la historia del planeta que produjo enormes cambios climáticos. "Nuestro descubrimiento pone de relieve que las plantas tienen un papel central de regulación en el control del clima:. Lo hicieron ayer, que hoy en día, y seguramente en el futuro"