Hva er magnetosfæren og hvordan sterke magnetiske stormer påvirker teknologien

Jorden vår er magnet – Dette er kjent for alle. De magnetiske feltlinjene forlater området til den sørmagnetiske polen og går inn i området til den nordmagnetiske polen. Husk at jordens magnetiske og geografiske poler er litt forskjellige - på den nordlige halvkule er den magnetiske polen forskjøvet omtrent 13° mot Canada.

Settet med kraftlinjer til jordens magnetfelt kalles magnetosfære… Jordens magnetosfære er ikke symmetrisk om planetens magnetiske akse.

På siden av solen tiltrekkes den, på motsatt side er den forlenget. Denne formen på magnetosfæren gjenspeiler den konstante påvirkningen fra solvinden på den. Ladede partikler som flyr fra solen ser ut til å "klemme" kraftlinjene magnetfelt, trykk dem på dagsiden og dra dem på nattsiden.

Så lenge solens situasjon er rolig, forblir hele dette bildet ganske stabilt. Men så var det sollys. Solvinden har endret seg – strømmen av partikler som består av den har blitt større og energien deres større.Trykket på magnetosfæren begynte å øke raskt, kraftlinjene på dagsiden begynte å bevege seg nærmere jordoverflaten, og på nattsiden ble de trukket sterkere inn i "halen" av magnetosfæren. Det er magnetisk storm (geomagnetisk storm).

Under solutbrudd skjer det massive eksplosjoner av varmt plasma på solens overflate. Under utbruddet frigjøres en sterk strøm av partikler, som beveger seg i høy hastighet fra solen til jorden og forstyrrer planetens magnetfelt.

sol-vind

"Kompresjon" av kraftlinjene betyr bevegelsen av polene deres på jordoverflaten, som betyr - en endring i styrken til magnetfeltet når som helst på kloden... Og jo sterkere solvindens trykk er, jo mer signifikant er komprimeringen av feltlinjene, tilsvarende, jo sterkere er endringen i feltstyrken. Jo sterkere magnetisk storm.

Samtidig, jo nærmere det magnetiske polområdet, jo flere eksterne feltlinjer møter overflaten. Og de opplever rett og slett den største påvirkningen av den forstyrrede solvinden og reagerer (fortrenger) mest. Dette betyr at manifestasjonene av magnetiske forstyrrelser bør være størst ved de geomagnetiske polene (det vil si på høye breddegrader) og minst ved den geomagnetiske ekvator.

Forskyvning av den magnetiske nordpolen fra 1831 til 2007.

Hva annet er den beskrevne endringen i magnetfeltet på høye breddegrader full av for oss som bor på jordoverflaten?

Under en magnetisk storm kan det oppstå strømbrudd, radiokommunikasjon, forstyrrelse av mobiloperatørnettverk og romfartøykontrollsystemer eller skade på satellitter.

En magnetisk storm i 1989 i Quebec, Canada forårsaket alvorlige strømbrudd, inkludert transformatorbranner (se nedenfor for detaljer om denne hendelsen). I 2012 forstyrret en kraftig magnetisk storm kommunikasjonen med det europeiske romfartøyet Venus Express i bane rundt Venus.

La oss huske hvordan den elektriske strømgeneratoren fungerer… I et stasjonært magnetfelt beveger (roterer) en leder (rotor). Som et resultat, i forskeren En EMF vises og det begynner å flyte elektrisitet… Det samme vil skje hvis ledningen er stasjonær og magnetfeltet vil bevege seg (endring i tid).

Under en magnetisk storm skjer det en endring i magnetfeltet, og jo nærmere den magnetiske polen (jo høyere geomagnetisk breddegrad), jo sterkere er denne endringen.

Dette betyr at vi har et skiftende magnetfelt. Vel, og faste ledninger av hvilken som helst lengde på jordens overflate okkuperer ikke. Det er kraftlinjer, jernbanespor, rørledninger...Med et ord er valget stort. Og i hver leder, i kraft av den ovennevnte fysiske loven, oppstår en elektrisk strøm, forårsaket av variasjoner i det geomagnetiske feltet. Vi ringer ham indusert geomagnetisk strøm (IGT).

Størrelsen på induserte strømmer avhenger av mange forhold. Først av alt, selvfølgelig, fra hastigheten og styrken til endringen i det geomagnetiske feltet, det vil si fra styrken til den magnetiske stormen.

Men selv under samme storm oppstår forskjellige effekter i forskjellige ledninger.De avhenger av lengden på ledningen og dens orientering på jordens overflate.

Jo lengre ledningen er, jo sterkere blir den indusert strøm… Den vil også være sterkere jo nærmere ledningen er retning nord-sør. Faktisk, i dette tilfellet vil variasjonene av magnetfeltet ved kantene være størst, og derfor vil EMF være størst.

Selvfølgelig avhenger størrelsen på denne strømmen av flere andre faktorer, inkludert ledningsevnen til jorda under ledningen. Hvis denne ledningsevnen er høy, vil IHT være svakere fordi mesteparten av strømmen vil gå gjennom bakken. Hvis den er liten, er forekomsten av alvorlig IHT sannsynlig.

Uten å gå nærmere inn på fenomenets fysikk, merker vi bare at IHT-er er hovedårsaken til problemene som magnetiske stormer forårsaker i hverdagen.

Et eksempel på nødsituasjoner forårsaket av en sterk magnetisk storm og induserte strømmer beskrevet i litteraturen

Magnetiske stormer 13.–14. mars 1989 og nødsituasjon i Canada

Magnetologer bruker flere metoder (kalt magnetiske indekser) for å beskrive tilstanden til jordens magnetfelt. Uten å gå i detaljer, merker vi bare at det er fem slike indekser (de vanligste).

Hver av dem har selvfølgelig sine fordeler og ulemper og er mest praktisk og nøyaktig når det gjelder å beskrive visse situasjoner - for eksempel agiterte forhold i nordlyssonen eller omvendt det globale bildet under relativt rolige forhold.

Naturligvis, i systemet til hver av disse indeksene, er hvert geomagnetisk fenomen preget av visse tall - verdiene til selve indeksen for perioden av fenomenet, og det er derfor det er mulig å sammenligne intensiteten av geomagnetiske forstyrrelser som oppsto i forskjellige år.

Den magnetiske stormen 13.-14. mars 1989 var en eksepsjonell geomagnetisk hendelse i henhold til beregninger basert på alle magnetiske indekssystemer.

I følge observasjonene fra mange stasjoner, under en storm, når størrelsen på den magnetiske deklinasjonen (avvik av kompassnålen fra retningen til den magnetiske polen) innen 6 dager 10 grader eller mer. Dette er mye, tatt i betraktning at et avvik på til og med en halv grad er uakseptabelt for driften av mange geofysiske instrumenter.

Denne magnetiske stormen var et ekstraordinært geomagnetisk fenomen. Interessen for det ville imidlertid neppe ha overskredet en smal krets av spesialister, hvis ikke for de dramatiske hendelsene i livet til en rekke regioner som fulgte med det.

Klokken 07:45 UTC den 13. mars 1989 opplevde høyspentoverføringslinjer fra James Bay (nordlige Quebec, Canada) til det sørlige Quebec og de nordlige delstatene i USA, samt Hydro-Québec-nettverket, sterke induserte strømmer.

Disse strømmene skapte en ekstra belastning på 9 450 MW på systemet, noe som var for mye til å legge til den nyttige belastningen på 21 350 MW på den tiden. Systemet gikk ned, og etterlot 6 millioner innbyggere uten strøm. Det tok 9 timer å gjenopprette systemet til normal drift. Forbrukere i Nord-USA på den tiden mottok mindre enn 1325 MWh elektrisitet.

Den 13.-14. mars ble det også observert ubehagelige effekter forbundet med induserte geomagnetiske strømmer på høyspentlinjene til andre kraftsystemer: beskyttelsesreléer fungerte, krafttransformatorer sviktet, spenningsfall, parasittiske strømmer ble registrert.

De største induserte strømverdiene 13. mars ble registrert i systemene Hydro-Ontario (80 A) og Labrador-Hydro (150 A). Du trenger ikke å være en energiekspert for å forestille deg skaden som kan gjøres på ethvert kraftsystem ved tilsynekomsten av herreløse strømmer av denne størrelsesorden.

Alt dette påvirket ikke bare Nord-Amerika. Lignende fenomener er observert i en rekke skandinaviske land. Det er sant at deres effekt var mye svakere på grunn av det faktum at den nordlige delen av Europa er lenger fra den geomagnetiske polen enn den nordlige delen av Amerika.

Klokken 08:24 CET registrerte imidlertid seks 130 kV-linjer i Midt- og Sør-Sverige en samtidig strømindusert spenningsstigning, men nådde ikke en ulykke.

Alle vet hva det vil si å la 6 millioner innbyggere være uten strøm i 9 timer. Det alene ville være nok til å trekke oppmerksomheten til spesialister og publikum til den magnetiske stormen 13.-14. mars. Men effektene var ikke begrenset til energisystemer.

I tillegg mottar US Soil Conservation Service signaler fra en rekke automatiske sensorer plassert i fjellet og overvåker jordforhold, snødekke osv. på radio på frekvens 41,5 MHz hver dag.

Den 13. og 14. mars (som det viste seg senere, på grunn av overlagring av stråling fra andre kilder), var disse signalene av en merkelig karakter og kunne enten ikke tydes i det hele tatt, eller indikerte tilstedeværelsen av snøskred, flom, gjørmestrømmer og frost på bakken samtidig...

I USA og Canada har det vært tilfeller av spontan åpning og lukking av private garasjeporter hvis låser var innstilt til en viss frekvens ("nøkkel"), men ble utløst av den kaotiske overlappingen av signaler som kom langveisfra.

Generering av induserte strømmer i rørledninger

Det er velkjent hvilken stor rolle rørledninger spiller i den moderne industrielle økonomien. Hundrevis og tusenvis av kilometer med metallrør passerer gjennom forskjellige land. Men disse er også ledere og induserte strømmer kan også forekomme i dem. Selvfølgelig, i dette tilfellet, kan de ikke brenne ut en transformator eller relé, men de forårsaker utvilsomt skade.

Faktum er at for å beskytte mot elektrolytisk korrosjon, har alle rørledninger et negativt potensial til jord på ca. 850 mV. Verdien av dette potensialet i hvert system holdes konstant og kontrollert. Betydelig elektrolytisk korrosjon anses å begynne når denne verdien synker til 650 mV.

I følge de kanadiske oljeselskapene begynte den 13. mars 1989, sammen med utbruddet av den magnetiske stormen, skarpe topper i potensialet og fortsatte den 14. mars. I dette tilfellet er størrelsen på det negative potensialet i mange timer mindre enn den kritiske verdien, og noen ganger faller til og med til 100-200 mV.

Allerede i 1958 og 1972, under sterke magnetiske stormer, på grunn av induserte strømmer, oppsto det alvorlige forstyrrelser i driften av den transatlantiske telekommunikasjonskabelen. Under stormen i 1989en ny kabel var allerede i drift, hvor informasjon ble overført over en optisk kanal (se - Optiske kommunikasjonssystemer), så det er ingen brudd i overføringen av informasjon.

Det ble imidlertid registrert tre store spenningsspiker (300, 450 og 700 V) i kabelkraftsystemet, som tidsmessig falt sammen med sterke endringer i magnetfeltet. Selv om disse piggene ikke førte til at systemet sviktet, var de store nok til å utgjøre en alvorlig trussel mot normal drift.

Jordens geomagnetiske felt er i endring og svekkelse. Hva betyr det?

Jordens magnetfelt beveger seg ikke bare langs planetens overflate, men endrer også intensiteten. I løpet av de siste 150 årene har den svekket seg med rundt 10 %. Forskerne fant at omtrent en gang hvert 500 000 år endres polariteten til de magnetiske polene - nord- og sørpolene bytter plass. Sist gang dette skjedde var for omtrent en million år siden.

Våre etterkommere kan være vitne til denne forvirringen og mulige katastrofer forbundet med polaritetsreversering. Hvis det er et utbrudd på tidspunktet for reversering av solens magnetiske poler, vil det magnetiske skjoldet ikke være i stand til å beskytte jorden, og det vil være et strømbrudd og et avbrudd i navigasjonssystemer over hele planeten.

Eksemplene gitt ovenfor får en til å tenke på hvor alvorlig og mangefasettert virkningen av sterke magnetiske stormer kan være på menneskehetens daglige liv.

Alt det ovennevnte er et eksempel på en mye mer imponerende effekt av romvær (inkludert solutbrudd og magnetiske stormer) enn ikke veldig pålitelige korrelasjoner av solenergi og magnetisk aktivitet med menneskers helse.