Ce este magnetosfera și cât de puternice furtunile magnetice afectează tehnologia

Pământul nostru este magnet — acest lucru este cunoscut tuturor. Liniile de câmp magnetic părăsesc zona polului magnetic sud și intră în zona polului magnetic nord. Amintiți-vă că polii magnetici și geografici ai Pământului sunt ușor diferiți - în emisfera nordică, polul magnetic este deplasat cu aproximativ 13° spre Canada.

Setul de linii de forță ale câmpului magnetic al Pământului se numește magnetosferă… Magnetosfera Pământului nu este simetrică față de axa magnetică a planetei.

Pe partea Soarelui este atras, pe partea opusă este alungită. Această formă a magnetosferei reflectă influența constantă a vântului solar asupra acesteia. Particulele încărcate care zboară de la Soare par să „strângă” liniile de forță camp magnetic, apăsându-le pe partea de zi și trăgându-le pe partea de noapte.

Atâta timp cât situația Soarelui este calmă, toată această imagine rămâne destul de stabilă. Dar apoi a fost lumina soarelui.Vântul solar s-a schimbat – fluxul particulelor sale constitutive a devenit mai mare, iar energia lor mai mare.Presiunea asupra magnetosferei a început să crească rapid, liniile de forță din partea de zi au început să se apropie de suprafața Pământului, iar pe partea de noapte au fost atrase mai puternic în „coada” magnetosferei. Este furtuna magnetica (furtuna geomagnetica).

În timpul erupțiilor solare, pe suprafața Soarelui au loc explozii masive de plasmă fierbinte. În timpul erupției, se eliberează un flux puternic de particule, care se deplasează cu viteză mare de la Soare la Pământ și perturbă câmpul magnetic al planetei.

vântul solar

„Compresia” liniilor de forță înseamnă mișcarea polilor lor pe suprafața Pământului, ceea ce înseamnă - o schimbare a intensității câmpului magnetic în orice punct de pe glob... Și cu cât presiunea vântului solar este mai puternică, cu atât compresia liniilor de câmp este mai semnificativă, în mod corespunzător, cu atât este mai puternică modificarea intensității câmpului. Cu cât furtuna magnetică este mai puternică.

În același timp, cu cât este mai aproape de regiunea polului magnetic, cu atât mai multe linii de câmp extern se întâlnesc cu suprafața. Și pur și simplu experimentează cel mai mare impact al vântului solar perturbat și reacționează (deplasează) cel mai mult. Aceasta înseamnă că manifestările perturbațiilor magnetice ar trebui să fie cele mai mari la polii geomagnetici (adică la latitudini mari) și cele mai mici la ecuatorul geomagnetic.

Schimbarea polului nord magnetic din 1831 în 2007.

Ce altceva este modificarea descrisă în câmpul magnetic la latitudini înalte, plină pentru noi, care trăim pe suprafața Pământului?

În timpul unei furtuni magnetice, pot apărea întreruperi de curent, comunicații radio, întreruperea rețelelor operatorilor de telefonie mobilă și a sistemelor de control al navelor spațiale sau deteriorarea sateliților.

O furtună magnetică din 1989 în Quebec, Canada a provocat întreruperi grave de curent, inclusiv incendii de transformatoare (a se vedea mai jos pentru detalii despre acest incident). În 2012, o furtună magnetică puternică a întrerupt comunicațiile cu nava spațială europeană Venus Express care orbitează Venus.

Să ne amintim cum funcționează generatorul de curent electric… Într-un câmp magnetic staționar, un conductor (rotor) se mișcă (se rotește). Ca urmare, în cercetător Apare un EMF și începe să curgă electricitate… Același lucru se va întâmpla dacă firul este staționar și câmpul magnetic se va mișca (schimbarea în timp).

În timpul unei furtuni magnetice are loc o modificare a câmpului magnetic, iar cu cât este mai aproape de polul magnetic (cu cât latitudinea geomagnetică este mai mare), cu atât această schimbare este mai puternică.

Aceasta înseamnă că avem un câmp magnetic în schimbare. Ei bine, și firele fixe de orice lungime pe suprafața Pământului nu ocupă. Există linii electrice, căi ferate, conducte... Într-un cuvânt, alegerea este grozavă. Și în fiecare conductor, în virtutea legii fizice menționate mai sus, ia naștere un curent electric, cauzat de variațiile câmpului geomagnetic. Îl vom suna curent geomagnetic indus (IGT).

Mărimea curenților induși depinde de multe condiții. În primul rând, desigur, din viteza și puterea schimbării câmpului geomagnetic, adică din puterea furtunii magnetice.

Dar chiar și în timpul aceleiași furtuni apar efecte diferite în fire diferite.Ele depind de lungimea firului și de orientarea acestuia pe suprafața Pământului.

Cu cât firul este mai lung, cu atât va fi mai puternic curent indus… De asemenea, va fi mai puternic cu cât orientarea firului este mai aproape de direcția nord-sud. De fapt, în acest caz, variațiile câmpului magnetic la marginile sale vor fi cele mai mari și, prin urmare, EMF va fi cea mai mare.

Desigur, amploarea acestui curent depinde de câțiva alți factori, inclusiv de conductivitatea solului de sub fir. Dacă această conductivitate este mare, IHT-ul va fi mai slab deoarece cea mai mare parte a curentului va trece prin pământ. Dacă este mică, este probabilă apariția IHT severă.

Fără a intra mai departe în fizica fenomenului, observăm doar că IHT-urile sunt cauza principală a necazurilor pe care le provoacă furtunile magnetice în viața de zi cu zi.

Un exemplu de situații de urgență cauzate de o furtună magnetică puternică și de curenți induși descrise în literatură

Furtunile magnetice din 13-14 martie 1989 și urgență în Canada

Magnetologii folosesc mai multe metode (numite indici magnetici) pentru a descrie starea câmpului magnetic al Pământului. Fără a intra în detalii, observăm doar că există cinci astfel de indici (cei mai des întâlniți).

Fiecare dintre ele, desigur, are avantajele și dezavantajele sale și este cel mai convenabil și mai precis în descrierea anumitor situații - de exemplu, condiții agitate în zona aurorei sau, dimpotrivă, imaginea globală în condiții relativ calme.

Desigur, în sistemul fiecăruia dintre acești indici, fiecare fenomen geomagnetic este caracterizat de anumite numere - valorile indicelui în sine pentru perioada fenomenului, motiv pentru care este posibil să se compare intensitatea perturbațiilor geomagnetice care au avut loc. in ani diferiti.

Furtuna magnetică din 13-14 martie 1989 a fost un eveniment geomagnetic excepțional conform calculelor bazate pe toate sistemele de indici magnetici.

Conform observațiilor multor stații, în timpul unei furtuni, magnitudinea declinației magnetice (deviația acului busolei de la direcția la polul magnetic) în 6 zile ajunge la 10 grade sau mai mult. Acest lucru este mult, având în vedere că o abatere chiar și de jumătate de grad este inacceptabilă pentru funcționarea multor instrumente geofizice.

Această furtună magnetică a fost un fenomen geomagnetic extraordinar. Cu toate acestea, interesul pentru acesta ar fi depășit cu greu un cerc restrâns de specialiști, dacă nu ar fi fost evenimentele dramatice din viața unui număr de regiuni care l-au însoțit.

La 07:45 UTC pe 13 martie 1989, liniile de transmisie de înaltă tensiune din Golful James (nordul Quebec, Canada) către sudul Quebec și statele nordice ale Statelor Unite, precum și rețeaua Hydro-Québec, au experimentat curenți induși puternici.

Acești curenți au creat o sarcină suplimentară de 9.450 MW pe sistem, ceea ce era prea mult pentru a fi adăugat la sarcina utilă de 21.350 MW la acea vreme. Sistemul a scăzut, lăsând 6 milioane de locuitori fără electricitate. A durat 9 ore pentru a restabili sistemul la funcționarea normală. Consumatorii din nordul SUA primeau la acea vreme mai puțin de 1.325 MWh de energie electrică.

În perioada 13-14 martie s-au observat efecte neplăcute asociate curenților geomagnetici induși și pe liniile de înaltă tensiune ale altor sisteme de alimentare: au funcționat relee de protecție, transformatoare de putere au defectat, scăderea tensiunii, s-au înregistrat curenți paraziți.

Cele mai mari valori de curent indus pe 13 martie au fost înregistrate în sistemele Hydro-Ontario (80 A) și Labrador-Hydro (150 A). Nu trebuie să fii un expert în energie pentru a-ți imagina daunele care pot fi cauzate oricărui sistem de alimentare prin apariția curenților vagabonzi de această magnitudine.

Toate acestea au afectat nu numai America de Nord. Fenomene similare au fost observate într-un număr de țări scandinave. Este adevărat că efectul lor a fost mult mai slab datorită faptului că partea de nord a Europei este mai departe de polul geomagnetic decât partea de nord a Americii.

Cu toate acestea, la 08:24 CET, șase linii de 130 kV din centrul și sudul Suediei au înregistrat o creștere simultană a tensiunii induse de curent, dar nu au ajuns la un accident.

Toată lumea știe ce înseamnă să lași 6 milioane de locuitori fără curent electric timp de 9 ore. Numai asta ar fi suficient pentru a atrage atenția specialiștilor și a publicului asupra furtunii magnetice din 13-14 martie. Dar efectele sale nu s-au limitat la sistemele energetice.

De asemenea, US Soil Conservation Service primește semnale de la numeroși senzori automati aflați în munți și monitorizează condițiile solului, stratul de zăpadă etc. la radio pe frecvența de 41,5 MHz în fiecare zi.

Pe 13 și 14 martie (după cum s-a dovedit mai târziu, din cauza suprapunerii radiațiilor din alte surse), aceste semnale erau de natură ciudată și fie nu puteau fi deloc descifrate, fie indicau prezența avalanșelor, inundațiilor, curgerii de noroi și îngheț pe pământ în același timp...

În SUA și Canada au existat cazuri de deschidere și închidere spontană a ușilor de garaj private ale căror încuietori au fost reglate la o anumită frecvență („cheie”), dar au fost declanșate de suprapunerea haotică a semnalelor venite de la distanță.

Generarea de curenți induși în conducte

Este bine cunoscut ce rol important joacă conductele în economia industrială modernă. Sute și mii de kilometri de țevi metalice trec prin diferite țări. Dar aceștia sunt și conductori și în ei pot apărea și curenți induși. Desigur, în acest caz, nu pot arde un transformator sau un releu, dar fără îndoială provoacă daune.

Faptul este că, pentru a proteja împotriva coroziunii electrolitice, toate conductele au un potențial negativ la masă de aproximativ 850 mV. Valoarea acestui potențial în fiecare sistem este menținută constantă și controlată.Coroziunea electrolitică semnificativă se consideră că începe atunci când această valoare scade la 650 mV.

Potrivit companiilor petroliere canadiene, pe 13 martie 1989, odată cu declanșarea furtunii magnetice, au început și au continuat creșteri puternice de potențial pe 14 martie. În acest caz, mărimea potențialului negativ pentru multe ore este mai mică decât valoarea critică și uneori chiar scade la 100-200 mV.

Deja în 1958 și 1972, în timpul furtunilor magnetice puternice, din cauza curenților induși, s-au produs perturbări grave în funcționarea cablului transatlantic de telecomunicații. În timpul furtunii din 1989un cablu nou era deja în funcțiune, în care informațiile erau transmise pe un canal optic (vezi — Sisteme de comunicații optice), deci nu există încălcări în transmiterea informațiilor.

Cu toate acestea, trei vârfuri mari de tensiune (300, 450 și 700 V) au fost înregistrate în sistemul de alimentare prin cablu, care au coincis în timp cu schimbări puternice ale câmpului magnetic. Deși aceste vârfuri nu au cauzat funcționarea defectuoasă a sistemului, au fost suficient de mari pentru a reprezenta o amenințare serioasă pentru funcționarea normală a acestuia.

Câmpul geomagnetic al Pământului se schimbă și slăbește. Ce înseamnă?

Câmpul magnetic al Pământului nu numai că se mișcă de-a lungul suprafeței planetei, dar își schimbă și intensitatea. În ultimii 150 de ani, aceasta a slăbit cu aproximativ 10%. Cercetătorii au descoperit că aproximativ o dată la 500.000 de ani, polaritatea polilor magnetici se schimbă – polii nord și sud își schimbă locurile. Ultima dată când s-a întâmplat asta a fost acum aproximativ un milion de ani.

Descendenții noștri pot fi martori la această confuzie și la posibile dezastre asociate cu inversarea polarității. Dacă are loc o erupție în momentul inversării polilor magnetici ai Soarelui, scutul magnetic nu va putea proteja Pământul și va avea loc o întrerupere a curentului și o întrerupere a sistemelor de navigație pe toată planeta.

Exemplele date mai sus ne fac să ne gândim la cât de grav și multifațet poate fi impactul furtunilor magnetice puternice asupra vieții de zi cu zi a umanității.

Toate cele de mai sus sunt un exemplu de efect mult mai impresionant al vremii spațiale (inclusiv erupțiile solare și furtunile magnetice) decât corelațiile nu foarte fiabile ale activității solare și magnetice cu sănătatea umană.