Kaj je magnetosfera in kako močne magnetne nevihte vplivajo na tehnologijo

Naša Zemlja je magnet — to je vsem znano. Magnetne silnice zapustijo območje južnega magnetnega pola in vstopijo v območje severnega magnetnega pola. Spomnimo se, da se Zemljin magnetni in geografski pol nekoliko razlikujeta – na severni polobli je magnetni pol premaknjen za približno 13° proti Kanadi.

Množica silnic zemeljskega magnetnega polja se imenuje magnetosfera… Zemljina magnetosfera ni simetrična glede na magnetno os planeta.

Na strani Sonca se privlači, na nasprotni strani pa se podaljša. Ta oblika magnetosfere odraža stalni vpliv sončnega vetra nanjo. Zdi se, da nabiti delci, ki letijo od Sonca, "stisnejo" silnice magnetno polje, jih pritiskajte na dnevni strani in povlecite na nočni strani.

Dokler je situacija na Soncu mirna, ta celotna slika ostaja precej stabilna. Toda potem je bila sončna svetloba, sončni veter se je spremenil - tok njegovih sestavnih delcev je postal večji in njihova energija večja.Pritisk na magnetosfero je začel hitro naraščati, silnice na dnevni strani so se začele približevati Zemljinemu površju, na nočni strani pa jih je močneje vleklo v »rep« magnetosfere. je magnetna nevihta (geomagnetna nevihta).

Med sončnimi izbruhi pride do ogromnih eksplozij vroče plazme na površini Sonca. Med izbruhom se sprosti močan tok delcev, ki se z veliko hitrostjo premikajo od Sonca proti Zemlji in motijo ​​magnetno polje planeta.

sončni veter

"Stiskanje" silnic pomeni gibanje njihovih polov na površini Zemlje, kar pomeni - sprememba jakosti magnetnega polja na kateri koli točki sveta... In močnejši kot je pritisk sončnega vetra, pomembnejša je kompresija silnic polja, temu primerno močnejša je sprememba jakosti polja. Močnejša je magnetna nevihta.

Istočasno, bližje kot je območje magnetnega pola, več zunanjih silnic se sreča s površino. In preprosto doživljajo največji vpliv vznemirjenega sončnega vetra in najbolj reagirajo (izpodrivajo). To pomeni, da bi morale biti manifestacije magnetnih motenj največje na geomagnetnih polih (torej na visokih zemljepisnih širinah) in najmanjše na geomagnetnem ekvatorju.

Premik severnega magnetnega pola od 1831 do 2007.

Kaj nam, ki živimo na površju Zemlje, še prinaša opisana sprememba magnetnega polja na visokih zemljepisnih širinah?

Med magnetno nevihto lahko pride do izpadov elektrike, radijskih komunikacij, motenj v omrežjih mobilnih operaterjev in nadzornih sistemov vesoljskih plovil ali do poškodb satelitov.

Magnetna nevihta leta 1989 v Quebecu v Kanadi je povzročila hude izpade električne energije, vključno s požari na transformatorjih (za podrobnosti o tem incidentu glejte spodaj). Leta 2012 je močna magnetna nevihta prekinila komunikacijo z evropskim vesoljskim plovilom Venus Express, ki kroži okoli Venere.

Spomnimo se kako deluje generator električnega toka… V mirujočem magnetnem polju se prevodnik (rotor) premika (vrti). Posledično v raziskovalcu Pojavi se EMF in začne teči elektrika… Enako se bo zgodilo, če žica miruje in se bo magnetno polje premikalo (sprememba v času).

Med magnetno nevihto pride do spremembe magnetnega polja in čim bližje je magnetnemu polu (višja kot je geomagnetna širina), močnejša je ta sprememba.

To pomeni, da imamo spreminjajoče se magnetno polje. No, in fiksne žice katere koli dolžine na površini Zemlje ne zasedajo. Tu so daljnovodi, tiri, cevovodi... Skratka, izbira je velika. In v vsakem prevodniku na podlagi zgoraj omenjenega fizikalnega zakona nastane električni tok, ki ga povzročajo spremembe v geomagnetnem polju. Poklicali ga bomo inducirani geomagnetni tok (IGT).

Velikost induciranih tokov je odvisna od mnogih pogojev. Najprej seveda od hitrosti in jakosti spremembe geomagnetnega polja, torej od jakosti magnetne nevihte.

Toda tudi med isto nevihto se v različnih žicah pojavijo različni učinki.Odvisne so od dolžine žice in njene orientacije na zemeljski površini.

Daljša kot je žica, močnejša bo inducirani tok… Poleg tega bo močnejša, čim bližje je usmeritev žice v smeri sever-jug. Dejansko bodo v tem primeru variacije magnetnega polja na njegovih robovih največje in zato bo EMF največji.

Seveda je velikost tega toka odvisna od številnih drugih dejavnikov, vključno s prevodnostjo zemlje pod žico. Če je ta prevodnost visoka, bo IHT šibkejši, ker bo večina toka šla skozi zemljo. Če je majhen, je verjeten pojav hude IHT.

Ne da bi se spuščali dlje v fiziko pojava, ugotavljamo le, da so IHT glavni vzrok težav, ki jih magnetne nevihte povzročajo v vsakdanjem življenju.

Primer izrednih situacij, ki jih povzroči močna magnetna nevihta in inducirani tokovi, opisan v literaturi

Magnetne nevihte 13. in 14. marca 1989 in izredne razmere v Kanadi

Magnetologi uporabljajo več metod (imenovanih magnetni indeksi) za opisovanje stanja zemeljskega magnetnega polja. Ne da bi se spuščali v podrobnosti, ugotavljamo le, da je takih indeksov pet (najpogostejši).

Vsak od njih ima seveda svoje prednosti in slabosti in je najbolj priročen in natančen pri opisovanju določenih situacij - na primer vznemirjenih razmer v območju aurore ali, nasprotno, globalne slike v razmeroma mirnih razmerah.

Seveda je v sistemu vsakega od teh indeksov vsak geomagnetni pojav označen z določenimi številkami - vrednostmi samega indeksa za obdobje pojava, zaradi česar je mogoče primerjati intenzivnost geomagnetnih motenj, ki so se pojavile. v različnih letih.

Magnetna nevihta 13. in 14. marca 1989 je bila po izračunih na podlagi vseh sistemov magnetnega indeksa izjemen geomagnetni dogodek.

Po opazovanjih številnih postaj med nevihto magnituda magnetne deklinacije (odklon igle kompasa od smeri proti magnetnemu polu) v 6 dneh doseže 10 stopinj ali več. To je veliko, če upoštevamo, da je za delovanje številnih geofizikalnih instrumentov nesprejemljivo odstopanje tudi za pol stopinje.

Ta magnetna nevihta je bila izjemen geomagnetni pojav. Vendar bi zanimanje zanj težko preseglo ozek krog strokovnjakov, če ne bi bilo dramatičnih dogodkov v življenju številnih regij, ki so ga spremljali.

Ob 07:45 UTC 13. marca 1989 so visokonapetostni daljnovodi od zaliva James Bay (severni Quebec, Kanada) do južnega Quebeca in severnih zveznih držav Združenih držav ter omrežje Hydro-Québec doživeli močne inducirane tokove.

Ti tokovi so ustvarili dodatno obremenitev sistema 9.450 MW, kar je bilo preveč, da bi dodali takratni uporabni obremenitvi 21.350 MW. Sistem je izpadel, kar 6 milijonov prebivalcev je ostalo brez elektrike. Trajalo je 9 ur, da se je sistem obnovil v normalno delovanje. Potrošniki na severu ZDA so takrat prejeli manj kot 1325 MWh električne energije.

13. in 14. marca so bili neprijetni učinki, povezani z induciranimi geomagnetnimi tokovi, opaženi tudi na visokonapetostnih vodih drugih elektroenergetskih sistemov: delovali so zaščitni releji, odpovedali energetski transformatorji, padla napetost, zabeležili so parazitske tokove.

Največje vrednosti induciranega toka 13. marca so bile zabeležene v sistemih Hydro-Ontario (80 A) in Labrador-Hydro (150 A). Ni vam treba biti strokovnjak za energetiko, da bi si predstavljali, kakšno škodo lahko povzroči kateremu koli elektroenergetskemu sistemu pojav blodečih tokov takšnega obsega.

Vse to ni vplivalo le na Severno Ameriko. Podobne pojave so opazili v številnih skandinavskih državah. Res je, da je bil njihov učinek precej šibkejši zaradi dejstva, da je severni del Evrope dlje od geomagnetnega pola kot severni del Amerike.

Vendar pa je ob 08:24 po srednjeevropskem času šest 130-kV daljnovodov v osrednji in južni Švedski zabeležilo hkraten s tokom povzročen napetostni sunek, vendar ni prišlo do nesreče.

Vsi vedo, kaj pomeni pustiti 6 milijonov prebivalcev 9 ur brez elektrike. Že to bi bilo dovolj, da bi strokovnjake in javnost opozorili na magnetno nevihto 13. in 14. marca. Toda njeni učinki niso bili omejeni na energetske sisteme.

Tudi ameriška služba za ohranjanje tal sprejema signale številnih avtomatskih senzorjev, ki se nahajajo v gorah in spremljajo stanje tal, snežno odejo itd. na radiu na frekvenci 41,5 MHz vsak dan.

13. in 14. marca (kot se je kasneje izkazalo, zaradi superpozicije sevanja iz drugih virov) so bili ti signali nenavadne narave in jih bodisi sploh ni bilo mogoče dešifrirati ali pa so kazali na prisotnost snežnih plazov, poplav, blatnih tokov in mraz na tleh hkrati...

V ZDA in Kanadi so bili primeri spontanega odpiranja in zapiranja zasebnih garažnih vrat, katerih ključavnice so bile nastavljene na določeno frekvenco (»ključ«), vendar so se sprožile zaradi kaotičnega prekrivanja signalov, ki so prihajali od daleč.

Generiranje induciranih tokov v cevovodih

Dobro je znano, kako pomembno vlogo imajo cevovodi v sodobnem industrijskem gospodarstvu. Na stotine in tisoče kilometrov kovinskih cevi poteka skozi različne države. Vendar so tudi ti prevodniki in tudi v njih se lahko pojavijo inducirani tokovi. Seveda v tem primeru ne morejo prežgati transformatorja ali releja, vendar nedvomno povzročijo škodo.

Dejstvo je, da imajo vsi cevovodi za zaščito pred elektrolitsko korozijo negativni potencial glede na zemljo okoli 850 mV. Vrednost tega potenciala v vsakem sistemu se ohranja konstantna in nadzorovana.Za znatno elektrolitsko korozijo velja, da se začne, ko ta vrednost pade na 650 mV.

Po podatkih kanadskih naftnih družb so se 13. marca 1989, skupaj z začetkom magnetne nevihte, začeli ostri skoki potenciala in nadaljevali 14. marca. V tem primeru je velikost negativnega potenciala več ur manjša od kritične vrednosti in včasih celo pade na 100-200 mV.

Že leta 1958 in 1972 je ob močnih magnetnih nevihtah zaradi induciranih tokov prišlo do resnih motenj v delovanju čezatlantskega telekomunikacijskega kabla. Med nevihto leta 1989nov kabel je že deloval, v katerem so se informacije prenašale po optičnem kanalu (glej — Optični komunikacijski sistemi), tako da ni nobenih kršitev pri posredovanju informacij.

Vendar so bili v kabelskem napajalnem sistemu zabeleženi trije veliki napetostni skoki (300, 450 in 700 V), ki so časovno sovpadali z močnimi spremembami magnetnega polja. Čeprav ti skoki niso povzročili okvare sistema, so bili dovolj veliki, da so resno ogrozili njegovo normalno delovanje.

Geomagnetno polje Zemlje se spreminja in slabi. Kaj to pomeni?

Zemljino magnetno polje se ne premika le po površini planeta, ampak tudi spreminja svojo intenziteto. V zadnjih 150 letih je oslabel za približno 10 %. Raziskovalci so ugotovili, da se približno enkrat na 500.000 let polarnost magnetnih polov spremeni – severni in južni pol zamenjata mesti. Nazadnje se je to zgodilo pred približno milijoni let.

Naši potomci so lahko priča tej zmedi in morebitnim nesrečam, povezanim z zamenjavo polarnosti. Če pride do izbruha v času obrata magnetnih polov Sonca, magnetni ščit ne bo mogel zaščititi Zemlje in bo prišlo do izpada elektrike in prekinitve navigacijskih sistemov po celem planetu.

Zgoraj navedeni primeri dajo misliti, kako resen in večplasten je lahko vpliv močnih magnetnih neviht na vsakdanje življenje človeštva.

Vse našteto je primer veliko bolj impresivnega vpliva vesoljskega vremena (vključno s sončnimi izbruhi in magnetnimi nevihtami) kot ne preveč zanesljive korelacije sončne in magnetne aktivnosti z zdravjem ljudi.