Какво е магнитосферата и как силните магнитни бури влияят на технологиите
Нашата Земя е магнит — това е известно на всички. Магнитните силови линии напускат зоната на южния магнитен полюс и навлизат в района на северния. Припомнете си, че магнитният и географският полюс на Земята са малко по -различни — в северното полукълбо магнитният полюс е изместен с около 13 ° към Канада.
Наборът от силови линии на магнитното поле на Земята се нарича магнитосфера… Магнитосферата на Земята не е симетрична спрямо магнитната ос на планетата.
От страната на Слънцето се привлича, от противоположната страна се удължава. Тази форма на магнитосферата отразява постоянното въздействие на слънчевия вятър върху нея. Заредените частици, летящи от Слънцето, изглежда „притискат“ силовите линии магнитно поле, притискайки ги от дневната страна и ги издърпайте от нощната страна.
Докато ситуацията на Слънцето е спокойна, цялата тази картина остава доста стабилна. Но тогава имаше слънчева светлина.Слънчевият вятър се е променил — потокът от съставните му частици е станал по -голям, а енергията им — по -голяма. Натискът върху магнитосферата започна бързо да се увеличава, силовите линии от дневната страна започнаха да се приближават по -близо до земната повърхност, а от нощната страна те бяха придърпани по -силно в „опашката“ на магнитосферата. Това е магнитна буря (геомагнитна буря).
По време на слънчеви изригвания на повърхността на Слънцето се случват масивни експлозии на гореща плазма. По време на изригването се отделя силен поток от частици, които се движат с висока скорост от Слънцето към Земята и нарушават магнитното поле на планетата.
слънчев вятър
«Компресиране» на силовите линии означава движението на техните полюси по повърхността на Земята, което означава — промяна в силата на магнитното поле във всяка точка на земното кълбо… И колкото по -силно е налягането на слънчевия вятър, толкова по -значително е компресирането на полевите линии, съответно по -силна е промяната в силата на полето. Колкото по -силна е магнитната буря.
В същото време, колкото по -близо до областта на магнитния полюс, толкова повече външните силови линии се срещат с повърхността. И те просто изпитват най -голямото въздействие на смущения слънчев вятър и реагират (изместват) най -силно. Това означава, че проявите на магнитни смущения трябва да са най -големи при геомагнитните полюси (тоест на високи географски ширини) и най -малките при геомагнитния екватор.
Преместване на магнитния северен полюс от 1831 до 2007 г.
С какво друго е изпълнено за нас, живеещите на повърхността на Земята, описаната промяна в магнитното поле на високи географски ширини?
По време на магнитна буря могат да възникнат прекъсвания на електрозахранването, радиокомуникации, прекъсване на мрежите на мобилните оператори и системите за управление на космически кораби или повреда на спътници.
Магнитна буря от 1989 г. в Квебек, Канада, причини тежки прекъсвания на електрозахранването, включително пожари на трансформатори (вижте по -долу за подробности относно този инцидент). През 2012 г. силна магнитна буря прекъсна комуникациите с европейския космически кораб Venus Express, който обикаля около Венера.
Нека си припомним как работи генераторът на електрически ток… В неподвижно магнитно поле проводник (ротор) се движи (върти). В резултат на това в изследователя Появява се ЕМП и започва да тече електричество… Същото ще се случи, ако проводникът е неподвижен и магнитното поле ще се движи (промяна във времето).
VПо време на магнитна буря настъпва промяна в магнитното поле и колкото по -близо до магнитния полюс (колкото по -висока е геомагнитната ширина), толкова по -силна е тази промяна.
Това означава, че имаме променящо се магнитно поле. Е, и неподвижните проводници с всякаква дължина на повърхността на Земята не заемат. Има електропроводи, железопътни релси, тръбопроводи …С една дума, изборът е голям. И във всеки проводник, по силата на гореспоменатия физически закон, възниква електрически ток, предизвикан от вариации в геомагнитното поле. Ще му се обадим индуциран геомагнитен ток (IGT).
Величината на индуцираните токове зависи от много условия. На първо място, разбира се, от скоростта и силата на промяната в геомагнитното поле, тоест от силата на магнитната буря.
Но дори по време на една и съща буря се появяват различни ефекти в различни проводници. Те зависят от дължината на проводника и неговата ориентация върху повърхността на Земята.
Колкото по -дълъг е проводникът, толкова по -силен ще бъде той индуциран ток… Освен това той ще бъде толкова по-силен, колкото по-близо е ориентацията на проводника към посоката север-юг. Всъщност в този случай вариациите на магнитното поле в краищата му ще бъдат най -големи и следователно ЕМП ще бъде най -голямо.
Разбира се, големината на този ток зависи от няколко други фактора, включително проводимостта на почвата под проводника. Ако тази проводимост е висока, IHT ще бъде по -слаб, тъй като по -голямата част от тока ще мине по земята. Ако е малък, е вероятно появата на силен IHT.
Без да навлизаме повече във физиката на явлението, ние само отбелязваме, че IHT са основната причина за неприятностите, които магнитните бури причиняват в ежедневието..
Пример за извънредни ситуации, причинени от силна магнитна буря и индуцирани токове, описани в литературата
Магнитни буря от 13 до 14 март 1989 г. и извънредна ситуация в Канада
Магнитолозите използват няколко метода (наречени магнитни индекси), за да опишат състоянието на земното магнитно поле. Без да навлизаме в подробности, ние само отбелязваме, че има пет такива индекса (най -често срещаните).
Всеки от тях, разбира се, има своите предимства и недостатъци и е най -удобен и точен при описването на определени ситуации — например възмутени условия в зоната на полярното сияние или, обратно, глобалната картина в относително спокойни условия.
Естествено, в системата на всеки от тези индекси, всяко геомагнитно явление се характеризира с определени числа — стойностите на самия индекс за периода на явлението, поради което е възможно да се сравни интензивността на геомагнитните смущения, възникнали при различни години.
Магнитната буря на 13-14 март 1989 г. е изключително геомагнитно събитие според изчисленията въз основа на всички системи с магнитен индекс.
Според наблюденията на много станции, по време на буря, величината на магнитното отклонение (отклонение на иглата на компаса от посоката към магнитния полюс) в рамките на 6 дни достига 10 градуса или повече. Това е много, като се има предвид, че отклонение от дори половин градус е неприемливо за работата на много геофизични инструменти.
Тази магнитна буря беше изключителен геомагнитен феномен. Интересът към него обаче едва ли би надхвърлил тесен кръг специалисти, ако не и драматичните събития от живота на редица региони, които го съпътстваха.
В 07:45 UTC на 13 март 1989 година Преносните линии с високо напрежение от Джеймс Бей (северен Квебек, Канада) до южния Квебек и северните щати на САЩ, както и мрежата на Хидро-Квебек, са преживели силни индуцирани течения.
Тези течения създадоха допълнителен товар от 9 450 MW на системата, което беше твърде много, за да се добави към полезния товар от 21 350 MW по това време. Системата падна, оставяйки 6 милиона жители без електричество. Възстановяването на нормалната работа на системата отне 9 часа. Потребителите в северните райони на САЩ по това време са получавали по -малко от 1325 MWh електроенергия.
На високоволтовите линии на други електроенергийни системи на 13-14 март също се наблюдават неприятни ефекти, свързани с индуцирани геомагнитни токове: работеха защитни релета, отпаднаха силови трансформатори, падна напрежение, бяха записани паразитни токове.
Най-големите стойности на индуцирания ток на 13 март са регистрирани в системите Hydro-Ontario (80 A) и Labrador-Hydro (150 A). Не е нужно да сте енергиен специалист, за да си представите каква вреда може да бъде нанесена на която и да е електроенергийна система от появата на паразитни течения с такава сила.
Всичко това засегна не само Северна Америка. В редица скандинавски страни са наблюдавани подобни явления. Вярно е, че ефектът им беше много по -слаб поради факта, че северната част на Европа е по -далеч от геомагнитния полюс, отколкото северната част на Америка.
Въпреки това, в 08:24 ч. CET, шест 130-kV линии в централна и южна Швеция записаха едновременно индуциран от ток скок на напрежението, но не стигнаха до авария.
На всички е ясно какво означава да оставиш 6 милиона жители за 9 часа без електричество. Само това би било достатъчно, за да привлече вниманието на специалистите и обществеността към магнитната буря на 13-14 март. Но неговите ефекти не се ограничаваха само до енергийните системи.
Също така Службата за опазване на почвата на САЩ приема сигнали от множество автоматични сензори, разположени в планините и наблюдаващи състоянието на почвата, снежната покривка и т.н. по радиото на честота 41,5 MHz всеки ден.
На 13 и 14 март (както се оказа по -късно, поради суперпозицията на радиация от други източници) тези сигнали бяха със странен характер и или изобщо не можеха да бъдат дешифрирани, или показват наличието на лавини, наводнения, кални потоци и студове по земята едновременно …
В САЩ и Канада е имало случаи на спонтанно отваряне и затваряне на врати за частни гаражи, чиито брави са били настроени на определена честота („ключ“), но са се задействали поради хаотичното припокриване на сигналите, идващи отдалеч.
Генериране на индуцирани токове в тръбопроводи
Известно е каква голяма роля играят тръбопроводите в съвременната индустриална икономика. Стотици и хиляди километри метални тръби преминават през различни страни. Но това също са проводници и в тях също могат да възникнат индуцирани токове. Разбира се, в този случай те не могат да изгорят трансформатор или реле, но несъмнено причиняват щети.
Факт е, че за защита от електролитна корозия всички тръбопроводи имат отрицателен потенциал спрямо земята около 850 mV. Стойността на този потенциал във всяка система се поддържа постоянна и контролирана.Смята се, че значителна електролитна корозия започва, когато тази стойност се намали до 650 mV.
Според канадските петролни компании, на 13 март 1989 г., заедно с настъпването на магнитната буря, започват резки скокове в потенциала, които продължават и на 14 март. В този случай величината на отрицателния потенциал в продължение на много часове е по-малка от критичната стойност, а понякога дори пада до 100-200 mV.
Още през 1958 и 1972 г. по време на силни магнитни бури, поради индуцирани токове, са възникнали сериозни смущения в работата на трансатлантическия телекомуникационен кабел. По време на бурята през 1989 г. вече беше в експлоатация нов кабел, в който информацията се предаваше по оптичен канал (виж — Оптични комуникационни системи), така че няма нарушения при предаването на информация.
В кабелната система за захранване обаче бяха записани три големи скока на напрежението (300, 450 и 700 V), които съвпаднаха във времето със силни промени в магнитното поле. Въпреки че тези скокове не доведоха до неизправност на системата, те бяха достатъчно големи, за да представляват сериозна заплаха за нормалното й функциониране.
Геомагнитното поле на Земята се променя и отслабва. Какво означава?
Магнитното поле на Земята не само се движи по повърхността на планетата, но и променя интензитета си. През последните 150 години тя отслабна с около 10%. Изследователите установяват, че приблизително веднъж на всеки 500 000 години полярността на магнитните полюси се променя — северният и южният полюс сменят местата си. За последно това се случи преди около милион години.
Нашите потомци могат да станат свидетели на това объркване и възможни бедствия, свързани с обръщане на полярността. Ако в момента на обръщане на магнитните полюси на Слънцето има изригване, магнитният щит няма да може да защити Земята и ще има прекъсване на електрозахранването и прекъсване на навигационните системи по цялата планета.
Примерите, дадени по -горе, карат човек да се замисли колко сериозно и многостранно може да бъде въздействието на силните магнитни бури върху ежедневието на човечеството.
Всичко по -горе е пример за много по -впечатляващ ефект от космическото време (включително слънчеви изригвания и магнитни бури), отколкото не много надеждни корелации на слънчевата и магнитната активност с човешкото здраве.