Čo je magnetosféra a ako silné magnetické búrky ovplyvňujú technológiu

Naša Zem je magnet — to je všetkým známe. Magnetické siločiary opúšťajú oblasť južného magnetického pólu a vstupujú do oblasti severného magnetického pólu. Pripomeňme, že magnetické a geografické póly Zeme sú mierne odlišné – na severnej pologuli je magnetický pól posunutý asi o 13° smerom ku Kanade.

Súbor siločiar magnetického poľa Zeme je tzv magnetosféra… Zemská magnetosféra nie je symetrická okolo magnetickej osi planéty.

Na strane Slnka sa priťahuje, na opačnej strane predlžuje. Tento tvar magnetosféry odráža neustály vplyv slnečného vetra na ňu. Zdá sa, že nabité častice letiace zo Slnka „stláčajú“ siločiary magnetické pole, stlačte ich na dennej strane a potiahnite na nočnej strane.

Pokiaľ je situácia na Slnku pokojná, celý tento obraz zostáva celkom stabilný. Ale potom tu bolo slnečné svetlo.Slnečný vietor sa zmenil – tok častíc, ktoré ho tvoria, sa zväčšil a ich energia sa zväčšila.Tlak na magnetosféru začal rýchlo narastať, siločiary na dennej strane sa začali približovať k povrchu Zeme a na nočnej strane boli silnejšie stiahnuté do „chvosta“ magnetosféry. to je magnetická búrka (geomagnetická búrka).

Počas slnečných erupcií dochádza na povrchu Slnka k mohutným výbuchom horúcej plazmy. Pri erupcii sa uvoľňuje silný prúd častíc, ktoré sa vysokou rýchlosťou pohybujú od Slnka k Zemi a narúšajú magnetické pole planéty.

slnečný vietor

„Stlačenie“ siločiar znamená pohyb ich pólov na povrchu Zeme, čo znamená — zmena sily magnetického poľa v ktoromkoľvek bode zemegule... A čím silnejší je tlak slnečného vetra, tým výraznejšia je kompresia siločiar, čím silnejšia je zmena intenzity poľa. Čím silnejšia je magnetická búrka.

Zároveň platí, že čím bližšie k oblasti magnetického pólu, tým viac vonkajších siločiar sa stretáva s povrchom. A jednoducho zažívajú najväčší vplyv rozrušeného slnečného vetra a najviac reagujú (vytláčajú). To znamená, že prejavy magnetických porúch by mali byť najväčšie na geomagnetických póloch (teda vo vysokých zemepisných šírkach) a najmenšie na geomagnetickom rovníku.

Posun severného magnetického pólu od roku 1831 do roku 2007.

Čo ešte znamená opísaná zmena magnetického poľa vo vysokých zemepisných šírkach pre nás žijúcich na povrchu Zeme?

Počas magnetickej búrky môže dôjsť k výpadkom elektriny, rádiovej komunikácii, narušeniu sietí mobilných operátorov a riadiacich systémov kozmických lodí alebo poškodeniu satelitov.

Magnetická búrka v Quebecu v Kanade v roku 1989 spôsobila vážne výpadky elektriny vrátane požiarov transformátora (podrobnosti o tomto incidente nájdete nižšie). V roku 2012 silná magnetická búrka prerušila komunikáciu s európskou kozmickou loďou Venus Express obiehajúcou okolo Venuše.

Pripomeňme si ako funguje generátor elektrického prúdu… V stacionárnom magnetickom poli sa vodič (rotor) pohybuje (rotuje). V dôsledku toho vo výskumníkovi Objaví sa EMF a začne prúdiť elektriny… To isté sa stane, ak je drôt nehybný a magnetické pole sa bude pohybovať (zmena v čase).

Počas magnetickej búrky dochádza k zmene magnetického poľa a čím bližšie k magnetickému pólu (čím vyššia je geomagnetická šírka), tým je táto zmena silnejšia.

To znamená, že máme meniace sa magnetické pole. No a pevné drôty akejkoľvek dĺžky na povrchu Zeme nezaberajú. Sú tam elektrické vedenia, železničné trate, potrubia...Jedným slovom, výber je veľký. A v každom vodiči na základe vyššie uvedeného fyzikálneho zákona vzniká elektrický prúd spôsobený zmenami geomagnetického poľa. Zavoláme mu indukovaný geomagnetický prúd (IGT).

Veľkosť indukovaných prúdov závisí od mnohých podmienok. V prvom rade, samozrejme, od rýchlosti a sily zmeny geomagnetického poľa, teda od sily magnetickej búrky.

Ale aj počas tej istej búrky sa v rôznych drôtoch vyskytujú rôzne efekty.Závisia od dĺžky drôtu a jeho orientácie na zemskom povrchu.

Čím dlhší je drôt, tým silnejší bude indukovaný prúd… Tiež bude tým silnejší, čím bližšie bude orientácia drôtu v smere sever-juh. V skutočnosti v tomto prípade budú variácie magnetického poľa na jeho okrajoch najväčšie, a preto EMF bude najväčšie.

Samozrejme, veľkosť tohto prúdu závisí od niekoľkých ďalších faktorov, vrátane vodivosti pôdy pod drôtom. Ak je táto vodivosť vysoká, IHT bude slabšia, pretože väčšina prúdu pôjde cez zem. Ak je malá, je pravdepodobný výskyt závažnej IHT.

Bez toho, aby sme zachádzali ďalej do fyziky tohto javu, len konštatujeme, že IHT sú hlavnou príčinou problémov, ktoré magnetické búrky spôsobujú v každodennom živote.

Príklad núdzových situácií spôsobených silnou magnetickou búrkou a indukovanými prúdmi opísaný v literatúre

Magnetické búrky z 13. – 14. marca 1989 a núdzová situácia v Kanade

Magnetológovia používajú niekoľko metód (nazývaných magnetické indexy) na opis stavu magnetického poľa Zeme. Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností, poznamenávame len, že existuje päť takýchto indexov (najbežnejšie).

Každá z nich má, samozrejme, svoje výhody a nevýhody a je najpohodlnejšia a najpresnejšia pri opise určitých situácií - napríklad nepokojných podmienok v zóne polárnej žiary alebo naopak, globálneho obrazu v relatívne pokojných podmienkach.

Prirodzene, v systéme každého z týchto indexov je každý geomagnetický jav charakterizovaný určitými číslami — hodnotami samotného indexu za obdobie javu, a preto je možné porovnávať intenzitu geomagnetických porúch, ktoré sa vyskytli. v rôznych rokoch.

Magnetická búrka z 13. – 14. marca 1989 bola podľa výpočtov založených na všetkých systémoch magnetických indexov výnimočnou geomagnetickou udalosťou.

Podľa pozorovaní mnohých staníc počas búrky veľkosť magnetickej deklinácie (odchýlka strelky kompasu od smeru k magnetickému pólu) v priebehu 6 dní dosiahne 10 stupňov a viac. To je veľa, ak vezmeme do úvahy, že odchýlka čo i len pol stupňa je pre činnosť mnohých geofyzikálnych prístrojov neprijateľná.

Táto magnetická búrka bola mimoriadnym geomagnetickým javom. Záujem o ňu by však sotva presiahol úzky okruh odborníkov, nebyť dramatických udalostí v živote množstva regiónov, ktoré ju sprevádzali.

13. marca 1989 o 07:45 UTC zažili vysokonapäťové prenosové vedenia z James Bay (severný Quebec, Kanada) do južného Quebecu a severných štátov Spojených štátov amerických, ako aj sieť Hydro-Québec silné indukované prúdy.

Tieto prúdy vytvorili dodatočné zaťaženie systému 9 450 MW, čo bolo príliš veľa na to, aby sa pridalo k užitočnému zaťaženiu 21 350 MW v tom čase. Systém vypadol a 6 miliónov obyvateľov zostalo bez elektriny. Obnovenie normálnej prevádzky systému trvalo 9 hodín. Spotrebitelia na severe USA v tom čase dostali menej ako 1 325 MWh elektriny.

V dňoch 13. – 14. marca boli pozorované nepríjemné efekty spojené s indukovanými geomagnetickými prúdmi aj na vysokonapäťových vedeniach iných energetických systémov: fungovali ochranné relé, zlyhali výkonové transformátory, kleslo napätie, boli zaznamenané parazitné prúdy.

Najväčšie hodnoty indukovaného prúdu 13. marca boli zaznamenané v systémoch Hydro-Ontario (80 A) a Labrador-Hydro (150 A). Nemusíte byť odborníkom na energetiku, aby ste si predstavili škody, ktoré môže spôsobiť akýkoľvek energetický systém objavením sa bludných prúdov takejto veľkosti.

To všetko ovplyvnilo nielen Severnú Ameriku. Podobné javy boli pozorované v mnohých škandinávskych krajinách. Je pravda, že ich účinok bol oveľa slabší kvôli tomu, že severná časť Európy je od geomagnetického pólu ďalej ako severná časť Ameriky.

Šesť 130 kV vedení v strednom a južnom Švédsku však o 08:24 SEČ zaznamenalo simultánne prúdom vyvolané napäťové rázy, ktoré však nedosiahli haváriu.

Každý vie, čo to znamená nechať 6 miliónov obyvateľov bez elektriny na 9 hodín. To by samo o sebe stačilo na to, aby upriamila pozornosť špecialistov a verejnosti na magnetickú búrku z 13. až 14. marca. Jeho účinky sa však neobmedzovali len na energetické systémy.

US Soil Conservation Service tiež prijíma signály z mnohých automatických senzorov umiestnených v horách a monitorujúcich pôdne podmienky, snehovú pokrývku atď. v rádiu na frekvencii 41,5 MHz každý deň.

V dňoch 13. a 14. marca (ako sa neskôr ukázalo, kvôli superpozícii žiarenia z iných zdrojov) boli tieto signály zvláštneho charakteru a buď sa nedali vôbec dešifrovať, alebo naznačovali prítomnosť lavín, záplav, bahnotok a zároveň mráz na zemi...

V USA a Kanade sa vyskytli prípady spontánneho otvárania a zatvárania súkromných garážových brán, ktorých zámky boli naladené na určitú frekvenciu („kľúč“), no boli spustené chaotickým prekrývaním signálov prichádzajúcich z diaľky.

Generovanie indukovaných prúdov v potrubiach

Je dobre známe, akú veľkú úlohu zohrávajú potrubia v modernej priemyselnej ekonomike. Stovky a tisíce kilometrov kovových rúr prechádzajú rôznymi krajinami. Ale sú to tiež vodiče a môžu sa v nich vyskytnúť indukované prúdy. Samozrejme, v tomto prípade nemôžu spáliť transformátor alebo relé, ale nepochybne spôsobujú škody.

Faktom je, že na ochranu pred elektrolytickou koróziou majú všetky potrubia negatívny potenciál voči zemi asi 850 mV. Hodnota tohto potenciálu v každom systéme je udržiavaná konštantná a kontrolovaná.Za výraznú elektrolytickú koróziu sa považuje začiatok, keď táto hodnota klesne na 650 mV.

Podľa kanadských ropných spoločností sa 13. marca 1989 spolu s nástupom magnetickej búrky začali prudké skoky potenciálu a pokračovali aj 14. marca. V tomto prípade je veľkosť negatívneho potenciálu po mnoho hodín menšia ako kritická hodnota a niekedy dokonca klesne na 100-200 mV.

Už v rokoch 1958 a 1972 počas silných magnetických búrok v dôsledku indukovaných prúdov došlo k vážnym poruchám v prevádzke transatlantického telekomunikačného kábla. Počas búrky v roku 1989už bol v prevádzke nový kábel, v ktorom sa informácie prenášali cez optický kanál (pozri — Optické komunikačné systémy), takže pri prenose informácií nedochádza k žiadnym porušeniam.

V káblovom napájacom systéme však boli zaznamenané tri veľké napäťové špičky (300, 450 a 700 V), ktoré sa časovo zhodovali so silnými zmenami v magnetickom poli. Hoci tieto špičky nespôsobili poruchu systému, boli dostatočne veľké na to, aby predstavovali vážnu hrozbu pre jeho normálnu prevádzku.

Geomagnetické pole Zeme sa mení a oslabuje. Čo to znamená?

Magnetické pole Zeme sa nielen pohybuje po povrchu planéty, ale mení aj svoju intenzitu. Za posledných 150 rokov sa oslabila približne o 10 %. Výskumníci zistili, že približne raz za 500 000 rokov sa polarita magnetických pólov zmení – severný a južný pól si vymenia miesta. Naposledy sa to stalo asi pred miliónom rokov.

Naši potomkovia môžu byť svedkami tohto zmätku a možných katastrof spojených s prepólovaním. Ak dôjde k erupcii v čase obrátenia magnetických pólov Slnka, magnetický štít nebude schopný ochrániť Zem a dôjde k výpadku prúdu a prerušeniu navigačných systémov na celej planéte.

Vyššie uvedené príklady nútia človeka zamyslieť sa nad tým, aký vážny a mnohostranný môže byť dopad silných magnetických búrok na každodenný život ľudstva.

Všetko spomenuté je príkladom oveľa pôsobivejšieho vplyvu kozmického počasia (vrátane slnečných erupcií a magnetických búrok) ako nie príliš spoľahlivé korelácie slnečnej a magnetickej aktivity so zdravím človeka.