Czym jest magnetosfera i jak silne burze magnetyczne wpływają na technologię

Nasza Ziemia jest magnes — to wszystkim wiadomo. Linie pola magnetycznego opuszczają obszar południowego bieguna magnetycznego i wkraczają w obszar północnego bieguna magnetycznego. Przypomnijmy, że bieguny magnetyczne i geograficzne Ziemi są nieco inne — na półkuli północnej biegun magnetyczny jest przesunięty o około 13° w kierunku Kanady.

Nazywa się zbiór linii sił pola magnetycznego Ziemi magnetosfera… Ziemska magnetosfera nie jest symetryczna względem osi magnetycznej planety.

Po stronie Słońca jest przyciągany, po przeciwnej stronie jest wydłużany. Ten kształt magnetosfery odzwierciedla stały wpływ na nią wiatru słonecznego. Naładowane cząstki lecące ze Słońca wydają się „ściskać” linie sił pole magnetyczne, naciskając je po stronie dziennej i ciągnąc po stronie nocnej.

Dopóki sytuacja na Słońcu jest spokojna, cały ten obraz pozostaje dość stabilny. Ale potem pojawiło się światło słoneczne.Wiatr słoneczny zmienił się — przepływ jego cząstek składowych stał się większy, a ich energia większa.Ciśnienie na magnetosferę zaczęło gwałtownie rosnąć, linie sił po stronie dziennej zaczęły zbliżać się do powierzchni Ziemi, a po stronie nocnej były coraz silniej wciągane w „ogon” magnetosfery. To jest burza magnetyczna (burza geomagnetyczna).

Podczas rozbłysków słonecznych na powierzchni Słońca dochodzi do ogromnych eksplozji gorącej plazmy. Podczas erupcji uwalniany jest silny strumień cząstek, które przemieszczają się z dużą prędkością ze Słońca na Ziemię i zakłócają pole magnetyczne planety.

wiatr słoneczny

„Kompresja” linii sił oznacza ruch ich biegunów na powierzchni Ziemi, co oznacza — zmiana natężenia pola magnetycznego w dowolnym punkcie kuli ziemskiej... A im silniejsze ciśnienie wiatru słonecznego, tym bardziej znacząca jest kompresja linii pola, odpowiednio, tym silniejsza jest zmiana natężenia pola. Im silniejsza burza magnetyczna.

Jednocześnie im bliżej obszaru bieguna magnetycznego, tym więcej zewnętrznych linii pola styka się z powierzchnią. I po prostu doświadczają największego wpływu zaburzonego wiatru słonecznego i najbardziej reagują (wypierają). Oznacza to, że przejawy zaburzeń magnetycznych powinny być największe na biegunach geomagnetycznych (czyli na dużych szerokościach geograficznych), a najmniejsze na równiku geomagnetycznym.

Przesunięcie północnego bieguna magnetycznego od 1831 do 2007 roku.

Czym jeszcze obarczona jest opisana zmiana pola magnetycznego na dużych szerokościach geograficznych dla nas żyjących na powierzchni Ziemi?

Podczas burzy magnetycznej mogą wystąpić przerwy w dostawie prądu, komunikacji radiowej, zakłócenia w sieciach operatorów telefonii komórkowej i systemach sterowania statkiem kosmicznym lub uszkodzenie satelitów.

Burza magnetyczna z 1989 roku w Quebecu w Kanadzie spowodowała poważne przerwy w dostawie prądu, w tym pożary transformatorów (szczegóły dotyczące tego incydentu znajdują się poniżej). W 2012 roku potężna burza magnetyczna zakłóciła komunikację z europejską sondą kosmiczną Venus Express krążącą wokół Wenus.

Przypomnijmy jak działa generator prądu elektrycznego… W stacjonarnym polu magnetycznym przewodnik (wirnik) porusza się (obraca). W rezultacie w badaczu Pojawia się EMF i zaczyna płynąć Elektryczność… To samo stanie się, jeśli drut jest nieruchomy, a pole magnetyczne będzie się poruszać (zmiana w czasie).

Podczas burzy magnetycznej następuje zmiana pola magnetycznego, a im bliżej bieguna magnetycznego (im większa szerokość geomagnetyczna), tym silniejsza jest ta zmiana.

Oznacza to, że mamy do czynienia ze zmiennym polem magnetycznym. Cóż, i stałe przewody o dowolnej długości na powierzchni Ziemi nie zajmują. Są linie energetyczne, tory kolejowe, rurociągi... Jednym słowem wybór jest ogromny. A w każdym przewodniku, na mocy wyżej wspomnianego prawa fizycznego, powstaje prąd elektryczny, wywołany zmianami pola geomagnetycznego. Zadzwonimy do niego indukowany prąd geomagnetyczny (IGT).

Wielkość prądów indukowanych zależy od wielu warunków. Przede wszystkim oczywiście od szybkości i siły zmiany pola geomagnetycznego, czyli od siły burzy magnetycznej.

Ale nawet podczas tej samej burzy w różnych drutach występują różne efekty.Zależą one od długości drutu i jego orientacji na powierzchni Ziemi.

Im dłuższy drut, tym silniejszy będzie prąd indukowany… Ponadto będzie silniejszy, im bliżej kierunku północ-południe jest ułożony przewód. W rzeczywistości w tym przypadku zmiany pola magnetycznego na jego krawędziach będą największe, a zatem pole elektromagnetyczne będzie największe.

Oczywiście wielkość tego prądu zależy od kilku innych czynników, w tym przewodności gleby pod drutem. Jeśli ta przewodność jest wysoka, IHT będzie słabszy, ponieważ większość prądu będzie przechodzić przez ziemię. Jeśli jest mały, prawdopodobne jest wystąpienie ciężkiego IHT.

Nie zagłębiając się w fizykę tego zjawiska, zauważamy jedynie, że IHT są główną przyczyną problemów, jakie burze magnetyczne powodują w życiu codziennym.

Przykład sytuacji awaryjnych spowodowanych silną burzą magnetyczną i prądami indukowanymi opisanymi w literaturze

Burze magnetyczne z 13-14 marca 1989 i stan wyjątkowy w Kanadzie

Magnetolodzy używają kilku metod (zwanych wskaźnikami magnetycznymi), aby opisać stan ziemskiego pola magnetycznego. Nie wchodząc w szczegóły, zauważamy tylko, że takich indeksów (najczęściej spotykanych) jest pięć.

Każdy z nich ma oczywiście swoje zalety i wady i jest najwygodniejszy i najdokładniejszy w opisywaniu pewnych sytuacji — na przykład wzburzonych warunków w strefie zorzy polarnej lub odwrotnie, globalnego obrazu we względnie spokojnych warunkach.

Naturalnie w układzie każdego z tych wskaźników każde zjawisko geomagnetyczne charakteryzuje się pewnymi liczbami — wartościami samego wskaźnika dla okresu trwania zjawiska, dlatego możliwe jest porównanie intensywności zaburzeń geomagnetycznych, które wystąpiły w różnych latach.

Burza magnetyczna z 13-14 marca 1989 r. była wyjątkowym zdarzeniem geomagnetycznym według obliczeń opartych na wszystkich układach indeksów magnetycznych.

Według obserwacji wielu stacji podczas burzy wielkość deklinacji magnetycznej (odchylenie igły kompasu od kierunku do bieguna magnetycznego) w ciągu 6 dni osiąga 10 stopni lub więcej. To dużo, biorąc pod uwagę, że odchylenie nawet o pół stopnia jest niedopuszczalne dla działania wielu instrumentów geofizycznych.

Ta burza magnetyczna była niezwykłym zjawiskiem geomagnetycznym. Zainteresowanie nią nie przekroczyłoby jednak wąskiego kręgu specjalistów, gdyby nie towarzyszące jej dramatyczne wydarzenia z życia wielu regionów.

O godzinie 07:45 UTC w dniu 13 marca 1989 r. Linie przesyłowe wysokiego napięcia z James Bay (północny Quebec, Kanada) do południowego Quebecu i północnych stanów Stanów Zjednoczonych, a także sieć Hydro-Québec, doświadczyły silnych indukowanych prądów.

Prądy te spowodowały dodatkowe obciążenie systemu 9450 MW, co było zbyt dużym obciążeniem użytkowym wynoszącym 21 350 MW w tamtym czasie. System padł, pozostawiając 6 milionów mieszkańców bez prądu. Przywrócenie systemu do normalnego działania zajęło 9 godzin. Konsumenci w północnych Stanach Zjednoczonych otrzymali wówczas mniej niż 1325 MWh energii elektrycznej.

W dniach 13-14 marca nieprzyjemne skutki związane z indukowanymi prądami geomagnetycznymi zaobserwowano również na liniach wysokiego napięcia innych systemów elektroenergetycznych: zadziałały przekaźniki zabezpieczające, awarie transformatorów mocy, spadki napięcia, zarejestrowano prądy pasożytnicze.

Największe wartości prądu indukowanego 13 marca zarejestrowano w układach Hydro-Ontario (80 A) i Labrador-Hydro (150 A). Nie trzeba być ekspertem w dziedzinie energii, aby wyobrazić sobie szkody, jakie mogą wyrządzić dowolnemu systemowi zasilania pojawienie się prądów błądzących tej wielkości.

Wszystko to dotknęło nie tylko Amerykę Północną. Podobne zjawiska zaobserwowano w wielu krajach skandynawskich. Co prawda ich wpływ był znacznie słabszy ze względu na fakt, że północna część Europy jest dalej od bieguna geomagnetycznego niż północna część Ameryki.

Jednak o godzinie 08:24 czasu środkowoeuropejskiego sześć linii 130 kV w środkowej i południowej Szwecji zarejestrowało równoczesny skok napięcia wywołany prądem, ale nie doszło do wypadku.

Każdy wie, co to znaczy pozostawić 6 milionów mieszkańców bez prądu na 9 godzin. Już samo to wystarczyłoby, aby zwrócić uwagę specjalistów i opinii publicznej na burzę magnetyczną z 13-14 marca. Ale jego skutki nie ograniczały się do systemów energetycznych.

Również US Soil Conservation Service odbiera sygnały z wielu automatycznych czujników rozmieszczonych w górach i monitorujących warunki glebowe, pokrywę śnieżną itp. codziennie w radiu na częstotliwości 41,5 MHz.

13 i 14 marca (jak się później okazało, ze względu na nakładanie się promieniowania z innych źródeł) sygnały te miały dziwny charakter i albo w ogóle nie dawały się rozszyfrować, albo wskazywały na obecność lawin, powodzi, wezbrań błotnych i szron na ziemi w tym samym czasie...

W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie zdarzały się przypadki spontanicznego otwierania i zamykania prywatnych drzwi garażowych, których zamki były dostrojone do określonej częstotliwości („klucza”), ale były wyzwalane przez chaotyczne nakładanie się sygnałów dochodzących z daleka.

Wytwarzanie prądów indukcyjnych w rurociągach

Powszechnie wiadomo, jak dużą rolę odgrywają rurociągi we współczesnej gospodarce przemysłowej. Przez różne kraje przechodzą setki i tysiące kilometrów metalowych rur. Ale to też są przewodniki i w nich też mogą występować prądy indukowane. Oczywiście w tym przypadku nie mogą spalić transformatora czy przekaźnika, ale bez wątpienia powodują uszkodzenia.

Faktem jest, że w celu ochrony przed korozją elektrolityczną wszystkie rurociągi mają ujemny potencjał do ziemi około 850 mV. Wartość tego potencjału w każdym układzie jest utrzymywana na stałym poziomie i kontrolowana.Za początek poważnej korozji elektrolitycznej uważa się spadek tej wartości do 650 mV.

Według kanadyjskich koncernów naftowych, 13 marca 1989 roku, wraz z nadejściem burzy magnetycznej, rozpoczęły się ostre skoki potencjału, które trwały 14 marca. W tym przypadku wielkość ujemnego potencjału przez wiele godzin jest mniejsza niż wartość krytyczna, a czasem nawet spada do 100-200 mV.

Już w 1958 i 1972 r., podczas silnych burz magnetycznych, na skutek indukowanych prądów dochodziło do poważnych zakłóceń w pracy transatlantyckiego kabla telekomunikacyjnego. Podczas burzy 1989 rfunkcjonował już nowy kabel, w którym informacje przesyłano kanałem optycznym (zob. Systemy komunikacji optycznej), więc nie ma żadnych naruszeń w przekazywaniu informacji.

Jednak w sieci kablowej zarejestrowano trzy duże skoki napięcia (300, 450 i 700 V), które zbiegły się w czasie z silnymi zmianami pola magnetycznego. Chociaż skoki te nie spowodowały awarii systemu, były na tyle duże, że stanowiły poważne zagrożenie dla jego normalnej pracy.

Pole geomagnetyczne Ziemi zmienia się i słabnie. Co to znaczy?

Ziemskie pole magnetyczne nie tylko porusza się po powierzchni planety, ale także zmienia swoje natężenie. W ciągu ostatnich 150 lat osłabił się o około 10%. Naukowcy odkryli, że mniej więcej raz na 500 000 lat zmienia się biegunowość biegunów magnetycznych – bieguny północne i południowe zamieniają się miejscami. Ostatni raz zdarzyło się to około miliona lat temu.

Nasi potomkowie mogą być świadkami tego zamieszania i możliwych katastrof związanych z odwróceniem biegunów. Jeśli nastąpi erupcja w momencie odwrócenia biegunów magnetycznych Słońca, tarcza magnetyczna nie będzie w stanie ochronić Ziemi i nastąpi przerwa w dostawie prądu i przerwanie systemów nawigacyjnych na całej planecie.

Powyższe przykłady skłaniają do zastanowienia się, jak poważny i wieloaspektowy może być wpływ silnych burz magnetycznych na codzienne życie ludzkości.

Wszystko to jest przykładem znacznie bardziej imponującego wpływu pogody kosmicznej (w tym rozbłysków słonecznych i burz magnetycznych) niż niezbyt miarodajne korelacje aktywności słonecznej i magnetycznej ze zdrowiem człowieka.