Τι είναι η μαγνητόσφαιρα και πώς οι ισχυρές μαγνητικές καταιγίδες επηρεάζουν την τεχνολογία

Η Γη μας είναι μαγνήτης — αυτό είναι γνωστό σε όλους. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου εγκαταλείπουν την περιοχή του νότιου μαγνητικού πόλου και εισέρχονται στην περιοχή του βόρειου μαγνητικού πόλου. Θυμηθείτε ότι οι μαγνητικός και γεωγραφικός πόλος της Γης είναι ελαφρώς διαφορετικοί—στο βόρειο ημισφαίριο, ο μαγνητικός πόλος μετατοπίζεται περίπου 13° προς τον Καναδά.

Το σύνολο των γραμμών δύναμης του μαγνητικού πεδίου της Γης ονομάζεται μαγνητόσφαιρα… Η μαγνητόσφαιρα της Γης δεν είναι συμμετρική ως προς τον μαγνητικό άξονα του πλανήτη.

Στην πλευρά του Ήλιου έλκεται, στην αντίθετη πλευρά επιμηκύνεται. Αυτό το σχήμα της μαγνητόσφαιρας αντανακλά τη συνεχή επίδραση του ηλιακού ανέμου σε αυτήν. Τα φορτισμένα σωματίδια που πετούν από τον Ήλιο φαίνεται να «συμπιέζουν» τις γραμμές δύναμης μαγνητικό πεδίο, πιέζοντάς τα από την πλευρά της ημέρας και τραβώντας τα από την πλευρά της νύχτας.

Όσο η κατάσταση του Ήλιου είναι ήρεμη, όλη αυτή η εικόνα παραμένει αρκετά σταθερή. Αλλά τότε υπήρχε το φως του ήλιου.Ο ηλιακός άνεμος έχει αλλάξει—η ροή των σωματιδίων που τον αποτελούν έχει γίνει μεγαλύτερη και η ενέργειά τους μεγαλύτερη.Η πίεση στη μαγνητόσφαιρα άρχισε να αυξάνεται γρήγορα, οι γραμμές δύναμης στην πλευρά της ημέρας άρχισαν να πλησιάζουν την επιφάνεια της Γης και στη νυχτερινή πλευρά τραβήχτηκαν πιο δυνατά στην «ουρά» της μαγνητόσφαιρας. είναι μαγνητική καταιγίδα (γεωμαγνητική καταιγίδα).

Κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλάμψεων, τεράστιες εκρήξεις θερμού πλάσματος συμβαίνουν στην επιφάνεια του Ήλιου. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης απελευθερώνεται ένα ισχυρό ρεύμα σωματιδίων, τα οποία κινούνται με μεγάλη ταχύτητα από τον Ήλιο στη Γη και διαταράσσουν το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη.

ηλιακός άνεμος

«Σπίεση» των γραμμών δύναμης σημαίνει την κίνηση των πόλων τους στην επιφάνεια της Γης, που σημαίνει — μια αλλαγή στην ισχύ του μαγνητικού πεδίου σε οποιοδήποτε σημείο της υδρογείου... Και όσο ισχυρότερη είναι η πίεση του ηλιακού ανέμου, τόσο πιο σημαντική είναι η συμπίεση των γραμμών πεδίου, αντίστοιχα, τόσο ισχυρότερη είναι η αλλαγή στην ένταση του πεδίου. Όσο ισχυρότερη είναι η μαγνητική καταιγίδα.

Ταυτόχρονα, όσο πιο κοντά στην περιοχή του μαγνητικού πόλου, τόσο περισσότερες γραμμές εξωτερικού πεδίου συναντούν την επιφάνεια. Και απλώς βιώνουν τη μεγαλύτερη επίδραση του διαταραγμένου ηλιακού ανέμου και αντιδρούν (εκτοπίζουν) περισσότερο. Αυτό σημαίνει ότι οι εκδηλώσεις μαγνητικών διαταραχών θα πρέπει να είναι μεγαλύτερες στους γεωμαγνητικούς πόλους (δηλαδή σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη) και μικρότερες στον γεωμαγνητικό ισημερινό.

Μετατόπιση του μαγνητικού βόρειου πόλου από το 1831 στο 2007.

Τι άλλο είναι γεμάτη η περιγραφόμενη αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη για εμάς που ζούμε στην επιφάνεια της Γης;

Κατά τη διάρκεια μιας μαγνητικής καταιγίδας, μπορεί να προκύψουν διακοπές ρεύματος, ραδιοεπικοινωνίες, διακοπή των δικτύων χειριστή κινητής τηλεφωνίας και των συστημάτων ελέγχου διαστημικών σκαφών ή ζημιές σε δορυφόρους.

Μια μαγνητική καταιγίδα του 1989 στο Κεμπέκ του Καναδά προκάλεσε σοβαρές διακοπές ρεύματος, συμπεριλαμβανομένων πυρκαγιών μετασχηματιστών (δείτε παρακάτω για λεπτομέρειες σχετικά με αυτό το περιστατικό). Το 2012, μια σφοδρή μαγνητική καταιγίδα διέκοψε τις επικοινωνίες με το ευρωπαϊκό διαστημόπλοιο Venus Express σε τροχιά γύρω από την Αφροδίτη.

Ας θυμηθούμε πώς λειτουργεί η γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος… Σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, ένας αγωγός (ρότορας) κινείται (περιστρέφεται). Ως αποτέλεσμα, στον ερευνητή Εμφανίζεται ένα EMF και αρχίζει να ρέει ηλεκτρική ενέργεια… Το ίδιο θα συμβεί αν το καλώδιο είναι ακίνητο και το μαγνητικό πεδίο κινηθεί (μεταβάλλεται στο χρόνο).

Κατά τη διάρκεια μιας μαγνητικής καταιγίδας υπάρχει μια αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο και όσο πιο κοντά στον μαγνητικό πόλο (όσο μεγαλύτερο είναι το γεωμαγνητικό γεωγραφικό πλάτος), τόσο ισχυρότερη είναι αυτή η αλλαγή.

Αυτό σημαίνει ότι έχουμε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Λοιπόν, και τα σταθερά καλώδια οποιουδήποτε μήκους στην επιφάνεια της Γης δεν καταλαμβάνουν. Υπάρχουν καλώδια ρεύματος, σιδηροδρομικές γραμμές, αγωγοί...Με μια λέξη, η επιλογή είναι μεγάλη. Και σε κάθε αγωγό, δυνάμει του προαναφερθέντος φυσικού νόμου, προκύπτει ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που προκαλείται από διακυμάνσεις στο γεωμαγνητικό πεδίο. Θα του τηλεφωνήσουμε επαγόμενο γεωμαγνητικό ρεύμα (IGT).

Το μέγεθος των επαγόμενων ρευμάτων εξαρτάται από πολλές συνθήκες. Πρώτα από όλα βέβαια από την ταχύτητα και την ισχύ της μεταβολής του γεωμαγνητικού πεδίου, δηλαδή από τη δύναμη της μαγνητικής καταιγίδας.

Αλλά ακόμη και κατά τη διάρκεια της ίδιας καταιγίδας, συμβαίνουν διαφορετικά φαινόμενα σε διαφορετικά καλώδια.Εξαρτώνται από το μήκος του σύρματος και τον προσανατολισμό του στην επιφάνεια της Γης.

Όσο πιο μακρύ είναι το καλώδιο, τόσο πιο δυνατό θα είναι επαγόμενο ρεύμα… Επίσης, θα είναι ισχυρότερο όσο πιο κοντά είναι ο προσανατολισμός του σύρματος προς την κατεύθυνση βορρά-νότου. Μάλιστα, σε αυτή την περίπτωση, οι διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου στις άκρες του θα είναι οι μεγαλύτερες και επομένως το EMF θα είναι το μεγαλύτερο.

Φυσικά, το μέγεθος αυτού του ρεύματος εξαρτάται από πολλούς άλλους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της αγωγιμότητας του εδάφους κάτω από το σύρμα. Εάν αυτή η αγωγιμότητα είναι υψηλή, το IHT θα είναι πιο αδύναμο επειδή το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος θα περάσει από το έδαφος. Εάν είναι μικρή, είναι πιθανή η εμφάνιση σοβαρής IHT.

Χωρίς να προχωρήσουμε περαιτέρω στη φυσική του φαινομένου, σημειώνουμε μόνο ότι τα IHT είναι η κύρια αιτία των προβλημάτων που προκαλούν οι μαγνητικές καταιγίδες στην καθημερινή ζωή.

Ένα παράδειγμα καταστάσεων έκτακτης ανάγκης που προκαλούνται από ισχυρή μαγνητική καταιγίδα και επαγόμενα ρεύματα που περιγράφονται στη βιβλιογραφία

Μαγνητικές καταιγίδες 13-14 Μαρτίου 1989 και έκτακτη ανάγκη στον Καναδά

Οι μαγνητολόγοι χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους (που ονομάζονται μαγνητικοί δείκτες) για να περιγράψουν την κατάσταση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Χωρίς να μπούμε σε λεπτομέρειες, σημειώνουμε μόνο ότι υπάρχουν πέντε τέτοιοι δείκτες (οι πιο συνηθισμένοι).

Καθένα από αυτά, φυσικά, έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του και είναι πιο βολικό και ακριβές στην περιγραφή ορισμένων καταστάσεων - για παράδειγμα, ταραγμένες συνθήκες στη ζώνη του σέλας ή, αντίθετα, η παγκόσμια εικόνα σε σχετικά ήρεμες συνθήκες.

Φυσικά, στο σύστημα καθενός από αυτούς τους δείκτες, κάθε γεωμαγνητικό φαινόμενο χαρακτηρίζεται από ορισμένους αριθμούς - τις τιμές του ίδιου του δείκτη για την περίοδο του φαινομένου, γι 'αυτό είναι δυνατό να συγκριθεί η ένταση των γεωμαγνητικών διαταραχών που συνέβησαν σε διαφορετικά χρόνια.

Η μαγνητική καταιγίδα της 13ης-14ης Μαρτίου 1989 ήταν ένα εξαιρετικό γεωμαγνητικό γεγονός σύμφωνα με υπολογισμούς που βασίστηκαν σε όλα τα συστήματα μαγνητικών δεικτών.

Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις πολλών σταθμών, κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, το μέγεθος της μαγνητικής απόκλισης (απόκλιση της βελόνας της πυξίδας από την κατεύθυνση προς τον μαγνητικό πόλο) μέσα σε 6 ημέρες φτάνει τις 10 μοίρες ή περισσότερο. Αυτό είναι πολύ, αν σκεφτεί κανείς ότι μια απόκλιση έστω και μισού βαθμού είναι απαράδεκτη για τη λειτουργία πολλών γεωφυσικών οργάνων.

Αυτή η μαγνητική καταιγίδα ήταν ένα εξαιρετικό γεωμαγνητικό φαινόμενο. Ωστόσο, το ενδιαφέρον για αυτό δύσκολα θα ξεπερνούσε έναν στενό κύκλο ειδικών, αν δεν υπήρχαν τα δραματικά γεγονότα στη ζωή μιας σειράς περιοχών που το συνόδευαν.

Στις 07:45 UTC στις 13 Μαρτίου 1989, οι γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης από το James Bay (βόρειο Κεμπέκ, Καναδάς) προς το νότιο Κεμπέκ και τις βόρειες πολιτείες των Ηνωμένων Πολιτειών, καθώς και το δίκτυο Hydro-Québec, παρουσίασαν ισχυρά επαγόμενα ρεύματα.

Αυτά τα ρεύματα δημιούργησαν ένα επιπλέον φορτίο 9.450 MW στο σύστημα, το οποίο ήταν πάρα πολύ για να προστεθεί στο χρήσιμο φορτίο των 21.350 MW εκείνη την εποχή. Το σύστημα κατέρρευσε, αφήνοντας 6 εκατομμύρια κατοίκους χωρίς ρεύμα. Χρειάστηκαν 9 ώρες για να επανέλθει το σύστημα στην κανονική λειτουργία. Οι καταναλωτές στις βόρειες ΗΠΑ έλαβαν τότε λιγότερα από 1.325 MWh ηλεκτρικής ενέργειας.

Στις 13-14 Μαρτίου, δυσάρεστες επιδράσεις που σχετίζονται με επαγόμενα γεωμαγνητικά ρεύματα παρατηρήθηκαν επίσης στις γραμμές υψηλής τάσης άλλων συστημάτων ισχύος: λειτούργησαν προστατευτικά ρελέ, απέτυχαν οι μετασχηματιστές ισχύος, πτώση τάσης, καταγράφηκαν παρασιτικά ρεύματα.

Οι μεγαλύτερες επαγόμενες τιμές ρεύματος στις 13 Μαρτίου καταγράφηκαν στα συστήματα Hydro-Ontario (80 A) και Labrador-Hydro (150 A). Δεν χρειάζεται να είστε ειδικός σε θέματα ενέργειας για να φανταστείτε τη ζημιά που μπορεί να προκληθεί σε οποιοδήποτε σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας από την εμφάνιση αδέσποτων ρευμάτων αυτού του μεγέθους.

Όλα αυτά επηρέασαν όχι μόνο τη Βόρεια Αμερική. Παρόμοια φαινόμενα έχουν παρατηρηθεί σε μια σειρά από Σκανδιναβικές χώρες. Είναι αλήθεια ότι η επίδρασή τους ήταν πολύ πιο αδύναμη λόγω του γεγονότος ότι το βόρειο τμήμα της Ευρώπης είναι πιο μακριά από τον γεωμαγνητικό πόλο από το βόρειο τμήμα της Αμερικής.

Ωστόσο, στις 08:24 CET, έξι γραμμές 130 kV στην κεντρική και νότια Σουηδία κατέγραψαν ταυτόχρονη απότομη αύξηση της τάσης που προκαλείται από το ρεύμα, αλλά δεν έφτασαν σε ατύχημα.

Όλοι ξέρουν τι σημαίνει να αφήνεις 6 εκατομμύρια κατοίκους χωρίς ρεύμα για 9 ώρες. Αυτό και μόνο θα ήταν αρκετό για να επιστήσει την προσοχή των ειδικών και του κοινού στη μαγνητική καταιγίδα της 13ης-14ης Μαρτίου. Όμως τα αποτελέσματά του δεν περιορίστηκαν στα ενεργειακά συστήματα.

Επίσης, η Υπηρεσία Προστασίας Εδάφους των ΗΠΑ λαμβάνει σήματα από πολυάριθμους αυτόματους αισθητήρες που βρίσκονται στα βουνά και παρακολουθούν τις συνθήκες του εδάφους, την κάλυψη χιονιού κ.λπ. στο ραδιόφωνο σε συχνότητα 41,5 MHz κάθε μέρα.

Στις 13 και 14 Μαρτίου (όπως αποδείχθηκε αργότερα, λόγω της υπέρθεσης ακτινοβολίας από άλλες πηγές), αυτά τα σήματα ήταν περίεργης φύσης και είτε δεν μπορούσαν να αποκρυπτογραφηθούν καθόλου, είτε έδειχναν την παρουσία χιονοστιβάδων, πλημμυρών, λασποροών και παγετός στο έδαφος ταυτόχρονα...

Στις ΗΠΑ και τον Καναδά, υπήρξαν περιπτώσεις αυθόρμητου ανοίγματος και κλεισίματος ιδιωτικών γκαραζόπορτων των οποίων οι κλειδαριές ήταν ρυθμισμένες σε μια συγκεκριμένη συχνότητα («κλειδί») αλλά πυροδοτήθηκαν από τη χαοτική επικάλυψη σημάτων που έρχονται από μακριά.

Παραγωγή επαγόμενων ρευμάτων σε αγωγούς

Είναι γνωστό τι μεγάλο ρόλο παίζουν οι αγωγοί στη σύγχρονη βιομηχανική οικονομία. Εκατοντάδες και χιλιάδες χιλιόμετρα μεταλλικών σωλήνων περνούν από διάφορες χώρες. Αλλά αυτοί είναι επίσης αγωγοί και μπορεί να προκύψουν επαγόμενα ρεύματα και σε αυτούς. Φυσικά, σε αυτή την περίπτωση, δεν μπορούν να κάψουν μετασχηματιστή ή ρελέ, αλλά αναμφίβολα προκαλούν ζημιά.

Το γεγονός είναι ότι για την προστασία από την ηλεκτρολυτική διάβρωση, όλοι οι αγωγοί έχουν αρνητικό δυναμικό προς τη γείωση περίπου 850 mV. Η τιμή αυτού του δυναμικού σε κάθε σύστημα διατηρείται σταθερή και ελεγχόμενη.Σημαντική ηλεκτρολυτική διάβρωση θεωρείται ότι ξεκινά όταν αυτή η τιμή πέσει στα 650 mV.

Σύμφωνα με τις καναδικές εταιρείες πετρελαίου, στις 13 Μαρτίου 1989, μαζί με την έναρξη της μαγνητικής καταιγίδας, άρχισαν απότομες αιχμές στο δυναμικό και συνεχίστηκαν στις 14 Μαρτίου. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος του αρνητικού δυναμικού για πολλές ώρες είναι μικρότερο από την κρίσιμη τιμή και μερικές φορές πέφτει ακόμη και στα 100-200 mV.

Ήδη το 1958 και το 1972, κατά τη διάρκεια ισχυρών μαγνητικών καταιγίδων, λόγω επαγόμενων ρευμάτων, σημειώθηκαν σοβαρές διαταραχές στη λειτουργία του υπερατλαντικού καλωδίου τηλεπικοινωνιών. Κατά τη διάρκεια της καταιγίδας του 1989ένα νέο καλώδιο ήταν ήδη σε λειτουργία, στο οποίο οι πληροφορίες μεταδίδονταν μέσω ενός οπτικού καναλιού (βλ. Συστήματα οπτικών επικοινωνιών), επομένως δεν υπάρχουν παραβάσεις στη μετάδοση πληροφοριών.

Ωστόσο, τρεις μεγάλες αιχμές τάσης (300, 450 και 700 V) καταγράφηκαν στο καλωδιακό σύστημα ισχύος, οι οποίες συνέπεσαν χρονικά με έντονες αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο. Αν και αυτές οι αιχμές δεν προκάλεσαν δυσλειτουργία του συστήματος, ήταν αρκετά μεγάλες ώστε να αποτελούν σοβαρή απειλή για την κανονική λειτουργία του.

Το γεωμαγνητικό πεδίο της Γης αλλάζει και εξασθενεί. Τι σημαίνει?

Το μαγνητικό πεδίο της Γης όχι μόνο κινείται κατά μήκος της επιφάνειας του πλανήτη, αλλά αλλάζει και την έντασή του. Τα τελευταία 150 χρόνια, έχει αποδυναμωθεί κατά περίπου 10%. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι περίπου μία φορά κάθε 500.000 χρόνια, η πολικότητα των μαγνητικών πόλων αλλάζει - ο βόρειος και ο νότιος πόλος αλλάζουν θέσεις. Η τελευταία φορά που συνέβη αυτό ήταν περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια πριν.

Οι απόγονοί μας μπορεί να γίνουν μάρτυρες αυτής της σύγχυσης και πιθανών καταστροφών που σχετίζονται με την αντιστροφή της πολικότητας. Εάν υπάρξει έκρηξη τη στιγμή της αντιστροφής των μαγνητικών πόλων του Ήλιου, η μαγνητική ασπίδα δεν θα μπορέσει να προστατεύσει τη Γη και θα υπάρξει διακοπή ρεύματος και διακοπή των συστημάτων πλοήγησης σε όλο τον πλανήτη.

Τα παραδείγματα που δίνονται παραπάνω κάνουν κάποιον να σκεφτεί πόσο σοβαρή και πολύπλευρη μπορεί να είναι η επίδραση των ισχυρών μαγνητικών καταιγίδων στην καθημερινή ζωή της ανθρωπότητας.

Όλα τα παραπάνω είναι ένα παράδειγμα μιας πολύ πιο εντυπωσιακής επίδρασης του διαστημικού καιρού (συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών εκλάμψεων και των μαγνητικών καταιγίδων) παρά όχι πολύ αξιόπιστες συσχετίσεις της ηλιακής και μαγνητικής δραστηριότητας με την ανθρώπινη υγεία.