Vad är magnetosfären och hur starka magnetiska stormar påverkar tekniken

Vår jord är magnet – Detta är känt för alla. De magnetiska fältlinjerna lämnar området för den sydmagnetiska polen och går in i området för den nordmagnetiska polen. Kom ihåg att jordens magnetiska och geografiska poler är något olika - på norra halvklotet är den magnetiska polen förskjuten cirka 13° mot Kanada.

Uppsättningen kraftlinjer för jordens magnetfält kallas magnetosfären… Jordens magnetosfär är inte symmetrisk kring planetens magnetiska axel.

På solens sida attraheras den, på motsatt sida förlängs den. Denna form av magnetosfären återspeglar solvindens konstanta inverkan på den. Laddade partiklar som flyger från solen verkar "klämma" kraftlinjerna magnetiskt fält, trycka på dem på dagsidan och dra dem på nattsidan.

Så länge solens situation är lugn förblir hela bilden ganska stabil. Men sedan fanns det solljus. Solvinden har förändrats - flödet av dess beståndsdelar har blivit större och deras energi större.Trycket på magnetosfären började öka snabbt, kraftlinjerna på dagsidan började röra sig närmare jordens yta och på nattsidan drogs de kraftigare in i magnetosfärens "svans". Det är magnetisk storm (geomagnetisk storm).

Under solutbrott sker massiva explosioner av het plasma på solens yta. Under utbrottet frigörs en stark ström av partiklar som rör sig i hög hastighet från solen till jorden och stör planetens magnetfält.

solvind

"Kompression" av kraftlinjerna betyder rörelsen av deras poler på jordens yta, vilket betyder - en förändring i styrkan på magnetfältet vid någon punkt på jordklotet... Och ju starkare solvindens tryck är, desto mer betydande är komprimeringen av fältlinjerna, på motsvarande sätt desto starkare är förändringen i fältstyrkan. Ju starkare den magnetiska stormen.

Samtidigt, ju närmare det magnetiska polområdet, desto fler yttre fältlinjer möter ytan. Och de upplever helt enkelt den största påverkan av den störda solvinden och reagerar (förskjuter) mest. Detta innebär att manifestationerna av magnetiska störningar bör vara störst vid de geomagnetiska polerna (det vill säga på höga breddgrader) och minst vid den geomagnetiska ekvatorn.

Förskjutning av den magnetiska nordpolen från 1831 till 2007.

Vad mer är den beskrivna förändringen i magnetfältet på höga breddgrader fylld av för oss som lever på jordens yta?

Under en magnetisk storm kan strömavbrott, radiokommunikation, avbrott i mobiloperatörsnät och rymdfarkoster eller skador på satelliter inträffa.

En magnetisk storm 1989 i Quebec, Kanada orsakade allvarliga strömavbrott, inklusive transformatorbränder (se nedan för detaljer om denna incident). 2012 störde en kraftig magnetisk storm kommunikationen med den europeiska rymdfarkosten Venus Express som kretsade runt Venus.

Låt oss komma ihåg hur den elektriska strömgeneratorn fungerar… I ett stationärt magnetfält rör sig en ledare (rotor) (roterar). Som ett resultat, i forskaren En EMF visas och det börjar rinna elektricitet… Samma sak kommer att hända om tråden är stationär och magnetfältet kommer att röra sig (förändring i tiden).

Under en magnetisk storm sker en förändring i magnetfältet, och ju närmare den magnetiska polen (ju högre geomagnetisk latitud, desto starkare är denna förändring.

Det betyder att vi har ett föränderligt magnetfält. Tja, och fasta ledningar av valfri längd på jordens yta upptar inte. Det finns kraftledningar, järnvägsspår, rörledningar...Med ett ord är valet stort. Och i varje ledare uppstår, i kraft av den ovan nämnda fysiska lagen, en elektrisk ström, orsakad av variationer i det geomagnetiska fältet. Vi ringer honom inducerad geomagnetisk ström (IGT).

Storleken på inducerade strömmar beror på många förhållanden. Först och främst, naturligtvis, från hastigheten och styrkan av förändringen i det geomagnetiska fältet, det vill säga från styrkan hos den magnetiska stormen.

Men även under samma storm uppstår olika effekter i olika trådar.De beror på längden på tråden och dess orientering på jordens yta.

Ju längre tråd, desto starkare blir den inducerad ström… Den blir också starkare ju närmare trådorienteringen är nord-sydlig riktning. Faktum är att i detta fall kommer variationerna av magnetfältet vid dess kanter att vara störst och därför kommer EMF att vara störst.

Naturligtvis beror storleken på denna ström på flera andra faktorer, inklusive ledningsförmågan hos jorden under tråden. Om denna konduktivitet är hög blir IHT svagare eftersom det mesta av strömmen kommer att gå genom marken. Om den är liten är förekomsten av allvarlig IHT sannolikt.

Utan att gå närmare in på fenomenets fysik, noterar vi bara att IHT är huvudorsaken till de problem som magnetiska stormar orsakar i vardagen.

Ett exempel på nödsituationer orsakade av en stark magnetisk storm och inducerade strömmar som beskrivs i litteraturen

Magnetiska stormar 13-14 mars 1989 och nödsituation i Kanada

Magnetologer använder flera metoder (kallade magnetiska index) för att beskriva tillståndet för jordens magnetfält. Utan att gå in på detaljer noterar vi bara att det finns fem sådana index (de vanligaste).

Var och en av dem har naturligtvis sina fördelar och nackdelar och är mest bekväma och exakta för att beskriva vissa situationer - till exempel upprörda förhållanden i norrskenszonen eller omvänt den globala bilden under relativt lugna förhållanden.

Naturligtvis, i systemet för vart och ett av dessa index, kännetecknas varje geomagnetiskt fenomen av vissa siffror - värdena för själva indexet för perioden av fenomenet, varför det är möjligt att jämföra intensiteten av geomagnetiska störningar som inträffade under olika år.

Den magnetiska stormen 13-14 mars 1989 var en exceptionell geomagnetisk händelse enligt beräkningar baserade på alla magnetiska indexsystem.

Enligt observationer från många stationer, under en storm, når magnituden av den magnetiska deklinationen (kompassnålens avvikelse från riktningen till den magnetiska polen) inom 6 dagar 10 grader eller mer. Detta är mycket, med tanke på att en avvikelse på till och med en halv grad är oacceptabel för driften av många geofysiska instrument.

Denna magnetiska storm var ett extraordinärt geomagnetiskt fenomen. Intresset för det skulle dock knappast ha överskridit en snäv krets av specialister, om inte för de dramatiska händelserna i livet i ett antal regioner som åtföljde det.

Klockan 07:45 UTC den 13 mars 1989 upplevde högspänningsledningar från James Bay (norra Quebec, Kanada) till södra Quebec och de norra delstaterna i USA, samt Hydro-Québec-nätverket, starka inducerade strömmar.

Dessa strömmar skapade en extra belastning på 9 450 MW på systemet, vilket var för mycket för att lägga till den användbara belastningen på 21 350 MW vid den tiden. Systemet gick ner och lämnade 6 miljoner invånare utan elektricitet. Det tog 9 timmar att återställa systemet till normal drift. Konsumenter i norra USA fick vid den tiden mindre än 1 325 MWh el.

Den 13-14 mars observerades även obehagliga effekter förknippade med inducerade geomagnetiska strömmar på högspänningsledningarna i andra kraftsystem: skyddsreläer fungerade, krafttransformatorer misslyckades, spänningsfall, parasitströmmar registrerades.

De största inducerade strömvärdena den 13 mars registrerades i systemen Hydro-Ontario (80 A) och Labrador-Hydro (150 A). Du behöver inte vara en energiexpert för att föreställa dig vilken skada som kan göras på vilket kraftsystem som helst genom uppkomsten av herrelösa strömmar av denna storlek.

Allt detta påverkade inte bara Nordamerika. Liknande fenomen har observerats i ett antal skandinaviska länder. Det är sant att deras effekt var mycket svagare på grund av att den norra delen av Europa ligger längre från den geomagnetiska polen än den norra delen av Amerika.

Klockan 08:24 CET registrerade dock sex 130 kV-ledningar i mellersta och södra Sverige en samtidig ströminducerad spänningshöjning men nådde ingen olycka.

Alla vet vad det innebär att lämna 6 miljoner invånare utan el i 9 timmar. Bara det skulle vara tillräckligt för att uppmärksamma specialister och allmänheten på den magnetiska stormen den 13-14 mars. Men dess effekter var inte begränsade till energisystem.

Dessutom tar US Soil Conservation Service emot signaler från många automatiska sensorer som finns i bergen och övervakar markförhållanden, snötäcke, etc. på radion på frekvensen 41,5 MHz varje dag.

Den 13 och 14 mars (som det visade sig senare, på grund av överlagringen av strålning från andra källor), var dessa signaler av märklig karaktär och kunde antingen inte tydas alls, eller indikerade förekomsten av laviner, översvämningar, lerflöden och frost på marken samtidigt...

I USA och Kanada har det förekommit fall av spontan öppning och stängning av privata garageportar vars lås var inställda på en viss frekvens ("nyckel") men triggades av den kaotiska överlappningen av signaler som kom från fjärran.

Generering av inducerade strömmar i rörledningar

Det är välkänt vilken stor roll pipelines spelar i den moderna industriella ekonomin. Hundra och tusentals kilometer av metallrör passerar genom olika länder. Men dessa är också ledare och inducerade strömmar kan också förekomma i dem. Naturligtvis, i det här fallet kan de inte bränna ut en transformator eller relä, men de orsakar utan tvekan skada.

Faktum är att för att skydda mot elektrolytisk korrosion har alla rörledningar en negativ potential till jord på cirka 850 mV. Värdet på denna potential i varje system hålls konstant och kontrolleras. Betydande elektrolytisk korrosion anses börja när detta värde sjunker till 650 mV.

Enligt de kanadensiska oljebolagen började den 13 mars 1989, tillsammans med starten av den magnetiska stormen, kraftiga toppar i potential och fortsatte den 14 mars. I det här fallet är storleken på den negativa potentialen under många timmar mindre än det kritiska värdet, och ibland till och med sjunker till 100-200 mV.

Redan 1958 och 1972, under kraftiga magnetiska stormar, på grund av inducerade strömmar, inträffade allvarliga störningar i driften av den transatlantiska telekommunikationskabeln. Under stormen 1989en ny kabel var redan i drift, där information överfördes över en optisk kanal (se — Optiska kommunikationssystem), så det finns inga överträdelser i överföringen av information.

Tre stora spänningsspikar (300, 450 och 700 V) registrerades dock i kabelkraftsystemet, vilket tidsmässigt sammanföll med kraftiga förändringar i magnetfältet. Även om dessa spikar inte fick systemet att fungera, var de tillräckligt stora för att utgöra ett allvarligt hot mot dess normala drift.

Jordens geomagnetiska fält förändras och försvagas. Vad betyder det?

Jordens magnetfält rör sig inte bara längs planetens yta, utan ändrar också dess intensitet. Under de senaste 150 åren har den försvagats med cirka 10 %. Forskarna fann att ungefär en gång vart 500 000 år ändras polariteten hos de magnetiska polerna - nord- och sydpolerna byter plats. Senast detta hände var för ungefär en miljon år sedan.

Våra ättlingar kan bevittna denna förvirring och möjliga katastrofer i samband med polaritetsomkastning. Om det sker ett utbrott vid tidpunkten för omkastningen av solens magnetiska poler, kommer den magnetiska skölden inte att kunna skydda jorden och det kommer att bli ett strömavbrott och ett avbrott i navigationssystem över hela planeten.

Exemplen som ges ovan får en att tänka på hur allvarlig och mångfacetterad påverkan av starka magnetiska stormar kan vara på mänsklighetens dagliga liv.

Allt ovanstående är ett exempel på en mycket mer imponerande effekt av rymdväder (inklusive solutbrott och magnetiska stormar) än inte särskilt tillförlitliga korrelationer mellan sol- och magnetisk aktivitet med människors hälsa.