Hvad er magnetosfæren og hvordan stærke magnetiske storme påvirker teknologien

Vores jord er magnet - dette er kendt af alle. De magnetiske feltlinjer forlader området af den sydlige magnetiske pol og kommer ind i området af den nordlige magnetiske pol. Husk på, at Jordens magnetiske og geografiske poler er lidt forskellige - på den nordlige halvkugle er den magnetiske pol forskudt omkring 13° mod Canada.

Sættet af kraftlinjer for Jordens magnetfelt kaldes magnetosfære… Jordens magnetosfære er ikke symmetrisk om planetens magnetiske akse.

På siden af ​​Solen tiltrækkes den, på den modsatte side forlænges den. Denne form af magnetosfæren afspejler den konstante indflydelse af solvinden på den. Ladede partikler, der flyver fra Solen, ser ud til at "klemme" kraftlinjerne magnetfelt, ved at trykke dem på dagsiden og trække dem på natsiden.

Så længe Solens situation er rolig, forbliver hele dette billede ret stabilt. Men så var der sollys. Solvinden har ændret sig - strømmen af ​​dens partikler er blevet større og deres energi større.Trykket på magnetosfæren begyndte at stige hurtigt, kraftlinjerne på dagsiden begyndte at rykke tættere på Jordens overflade, og på natsiden blev de trukket stærkere ind i "halen" af magnetosfæren. det er magnetisk storm (geomagnetisk storm).

Under soludbrud opstår der massive eksplosioner af varmt plasma på Solens overflade. Under udbruddet frigives en kraftig strøm af partikler, som bevæger sig med høj hastighed fra Solen til Jorden og forstyrrer planetens magnetfelt.

solvind

"Kompression" af kraftlinjerne betyder bevægelsen af ​​deres poler på jordens overflade, hvilket betyder - en ændring i magnetfeltets styrke på ethvert punkt på kloden... Og jo stærkere solvindens tryk er, jo mere signifikant er komprimeringen af ​​feltlinjerne, tilsvarende jo stærkere er ændringen i feltstyrken. Jo stærkere den magnetiske storm.

På samme tid, jo tættere på det magnetiske polområde, jo flere eksterne feltlinjer møder overfladen. Og de oplever simpelthen den største påvirkning af den forstyrrede solvind og reagerer (fortrænger) mest. Det betyder, at manifestationerne af magnetiske forstyrrelser bør være størst ved de geomagnetiske poler (det vil sige på høje breddegrader) og mindst ved den geomagnetiske ækvator.

Forskydning af den magnetiske nordpol fra 1831 til 2007.

Hvad er ellers den beskrevne ændring i magnetfeltet på høje breddegrader fyldt med for os, der lever på Jordens overflade?

Under en magnetisk storm kan der opstå strømafbrydelser, radiokommunikation, afbrydelse af mobiloperatørnetværk og rumfartøjskontrolsystemer eller skade på satellitter.

En magnetisk storm i 1989 i Quebec, Canada forårsagede alvorlige strømafbrydelser, herunder transformatorbrande (se nedenfor for detaljer om denne hændelse). I 2012 forstyrrede en alvorlig magnetisk storm kommunikationen med det europæiske Venus Express-rumfartøj, der kredsede om Venus.

Lad os huske hvordan den elektriske strømgenerator fungerer… I et stationært magnetfelt bevæger en leder (rotor) sig (roterer). Som et resultat, i forskeren En EMF vises og det begynder at flyde elektricitet… Det samme vil ske, hvis ledningen er stationær, og magnetfeltet vil bevæge sig (ændring i tid).

Under en magnetisk storm sker der en ændring i magnetfeltet, og jo tættere på den magnetiske pol (jo højere den geomagnetiske breddegrad er), jo stærkere er denne ændring.

Det betyder, at vi har et skiftende magnetfelt. Nå, og faste ledninger af enhver længde på jordens overflade optager ikke. Der er elledninger, jernbanespor, rørledninger... Kort sagt, valget er stort. Og i hver leder opstår der i kraft af den ovennævnte fysiske lov en elektrisk strøm, forårsaget af variationer i det geomagnetiske felt. Vi ringer til ham induceret geomagnetisk strøm (IGT).

Størrelsen af ​​inducerede strømme afhænger af mange forhold. Først og fremmest, selvfølgelig fra hastigheden og styrken af ​​ændringen i det geomagnetiske felt, det vil sige fra styrken af ​​den magnetiske storm.

Men selv under samme storm opstår forskellige effekter i forskellige ledninger.De afhænger af ledningens længde og dens orientering på jordens overflade.

Jo længere ledningen er, jo stærkere vil den være induceret strøm… Den vil også være stærkere, jo tættere ledningen er i retningen nord-syd. Faktisk i dette tilfælde vil variationerne af magnetfeltet ved dets kanter være størst, og derfor vil EMF være størst.

Selvfølgelig afhænger størrelsen af ​​denne strøm af flere andre faktorer, herunder ledningsevnen af ​​jorden under ledningen. Hvis denne ledningsevne er høj, vil IHT være svagere, fordi det meste af strømmen vil gå gennem jorden. Hvis den er lille, er forekomsten af ​​svær IHT sandsynlig.

Uden at gå længere ind i fænomenets fysik, bemærker vi kun, at IHT'er er hovedårsagen til de problemer, som magnetiske storme forårsager i hverdagen.

Et eksempel på nødsituationer forårsaget af en stærk magnetisk storm og inducerede strømme beskrevet i litteraturen

Magnetiske storme 13.-14. marts 1989 og nødsituation i Canada

Magnetologer bruger flere metoder (kaldet magnetiske indekser) til at beskrive tilstanden af ​​Jordens magnetfelt. Uden at gå i detaljer, bemærker vi kun, at der er fem sådanne indekser (de mest almindelige).

Hver af dem har selvfølgelig sine fordele og ulemper og er mest bekvemme og nøjagtige til at beskrive visse situationer - for eksempel ophidsede forhold i nordlyszonen eller omvendt det globale billede under relativt rolige forhold.

Naturligvis i systemet for hvert af disse indekser er hvert geomagnetisk fænomen karakteriseret ved visse tal - værdierne af selve indekset for fænomenets periode, hvorfor det er muligt at sammenligne intensiteten af ​​geomagnetiske forstyrrelser, der opstod i forskellige år.

Den magnetiske storm den 13.-14. marts 1989 var en exceptionel geomagnetisk begivenhed ifølge beregninger baseret på alle magnetiske indekssystemer.

Ifølge observationerne fra mange stationer, under en storm, når størrelsen af ​​den magnetiske deklination (afvigelse af kompasnålen fra retningen til den magnetiske pol) inden for 6 dage 10 grader eller mere. Dette er meget, i betragtning af at en afvigelse på selv en halv grad er uacceptabel for driften af ​​mange geofysiske instrumenter.

Denne magnetiske storm var et ekstraordinært geomagnetisk fænomen. Interessen for det ville dog næppe have overskredet en snæver kreds af specialister, hvis ikke for de dramatiske begivenheder i livet i en række regioner, der fulgte med det.

07:45 UTC den 13. marts 1989 oplevede højspændingstransmissionsledninger fra James Bay (det nordlige Quebec, Canada) til det sydlige Quebec og de nordlige stater i USA, samt Hydro-Québec-netværket, kraftige inducerede strømme.

Disse strømme skabte en ekstra belastning på 9.450 MW på systemet, hvilket var for meget at tilføje til den nyttige belastning på 21.350 MW på det tidspunkt. Systemet gik ned og efterlod 6 millioner indbyggere uden elektricitet. Det tog 9 timer at gendanne systemet til normal drift. Forbrugere i det nordlige USA modtog på det tidspunkt mindre end 1.325 MWh elektricitet.

Den 13.-14. marts blev der også observeret ubehagelige effekter forbundet med inducerede geomagnetiske strømme på højspændingslinjerne i andre strømsystemer: beskyttelsesrelæer fungerede, strømtransformatorer svigtede, spænding faldt, parasitære strømme blev registreret.

De største inducerede strømværdier den 13. marts blev registreret i systemerne Hydro-Ontario (80 A) og Labrador-Hydro (150 A). Du behøver ikke at være en energiekspert for at forestille dig den skade, der kan gøres på ethvert strømsystem ved tilsynekomsten af ​​vildfarne strømme af denne størrelsesorden.

Alt dette påvirkede ikke kun Nordamerika. Lignende fænomener er blevet observeret i en række skandinaviske lande. Det er rigtigt, at deres effekt var meget svagere på grund af det faktum, at den nordlige del af Europa er længere fra den geomagnetiske pol end den nordlige del af Amerika.

Klokken 08:24 CET registrerede seks 130 kV-ledninger i det centrale og sydlige Sverige en samtidig strøminduceret spændingsstigning, men nåede ikke frem til en ulykke.

Alle ved, hvad det vil sige at efterlade 6 millioner indbyggere uden elektricitet i 9 timer. Det alene ville være nok til at henlede specialisters og offentlighedens opmærksomhed på den magnetiske storm den 13.-14. marts. Men dens virkninger var ikke begrænset til energisystemer.

Også US Soil Conservation Service modtager signaler fra adskillige automatiske sensorer placeret i bjergene og overvåger jordbundsforhold, snedække osv. på radioen på frekvens 41,5 MHz hver dag.

Den 13. og 14. marts (som det viste sig senere, på grund af overlejring af stråling fra andre kilder), var disse signaler af mærkelig karakter og kunne enten slet ikke tydes eller indikerede tilstedeværelsen af ​​laviner, oversvømmelser, mudderstrømme og frost på jorden på samme tid...

I USA og Canada har der været tilfælde af spontan åbning og lukning af private garageporte, hvis låse var indstillet til en bestemt frekvens ("nøgle"), men blev udløst af den kaotiske overlapning af signaler, der kom langvejs fra.

Generering af inducerede strømme i rørledninger

Det er velkendt, hvilken stor rolle rørledninger spiller i den moderne industrielle økonomi. Hundrede og tusinder af kilometer af metalrør passerer gennem forskellige lande. Men disse er også ledere, og der kan også forekomme inducerede strømme i dem. Selvfølgelig kan de i dette tilfælde ikke brænde en transformer eller relæ ud, men de forårsager uden tvivl skade.

Faktum er, at for at beskytte mod elektrolytisk korrosion har alle rørledninger et negativt potentiale til jord på omkring 850 mV. Værdien af ​​dette potentiale i hvert system holdes konstant og kontrolleret. Betydelig elektrolytisk korrosion anses for at begynde, når denne værdi falder til 650 mV.

Ifølge de canadiske olieselskaber begyndte den 13. marts 1989, sammen med begyndelsen af ​​den magnetiske storm, skarpe stigninger i potentialet og fortsatte den 14. marts. I dette tilfælde er størrelsen af ​​det negative potentiale i mange timer mindre end den kritiske værdi, og nogle gange falder det endda til 100-200 mV.

Allerede i 1958 og 1972, under stærke magnetiske storme, på grund af inducerede strømme, opstod der alvorlige forstyrrelser i driften af ​​det transatlantiske telekommunikationskabel. Under stormen i 1989et nyt kabel var allerede i drift, hvor information blev transmitteret over en optisk kanal (se — Optiske kommunikationssystemer), så der er ingen overtrædelser i transmissionen af ​​oplysninger.

Der blev dog registreret tre store spændingsspidser (300, 450 og 700 V) i kabelstrømsystemet, hvilket tidsmæssigt faldt sammen med kraftige ændringer i magnetfeltet. Selvom disse spidser ikke fik systemet til at fungere fejl, var de store nok til at udgøre en alvorlig trussel mod dets normale drift.

Jordens geomagnetiske felt er under forandring og svækkelse. Hvad betyder det?

Jordens magnetfelt bevæger sig ikke kun langs planetens overflade, men ændrer også dens intensitet. I løbet af de seneste 150 år er den svækket med omkring 10 %. Forskerne fandt ud af, at cirka en gang hvert 500.000 år ændrer polariteten af ​​de magnetiske poler sig - nord- og sydpolen skifter plads. Sidst det skete var omkring en million år siden.

Vores efterkommere kan være vidne til denne forvirring og mulige katastrofer forbundet med polaritetsvending. Hvis der er et udbrud på tidspunktet for vendingen af ​​Solens magnetiske poler, vil det magnetiske skjold ikke være i stand til at beskytte Jorden, og der vil være en strømafbrydelse og en afbrydelse af navigationssystemer over hele planeten.

Eksemplerne ovenfor får en til at tænke over, hvor alvorlig og mangefacetteret virkningen af ​​stærke magnetiske storme kan være på menneskehedens dagligdag.

Alt ovenstående er et eksempel på en meget mere imponerende effekt af rumvejr (inklusive soludbrud og magnetiske storme) end ikke særlig pålidelige korrelationer af sol- og magnetisk aktivitet med menneskers sundhed.