Što je magnetosfera i kako jake magnetske oluje utječu na tehnologiju
Naša Zemlja je magnet — to je svima poznato. Linije magnetskog polja izlaze iz područja južnog magnetskog pola i ulaze u područje sjevernog magnetskog pola. Podsjetimo se da su Zemljini magnetski i zemljopisni polovi malo drugačiji—na sjevernoj hemisferi, magnetski je pol pomaknut za oko 13° prema Kanadi.
Skup silnica Zemljinog magnetskog polja naziva se magnetosfera… Zemljina magnetosfera nije simetrična u odnosu na magnetsku os planeta.
Na strani Sunca se privlači, na suprotnoj strani se izdužuje. Ovakav oblik magnetosfere odražava stalni utjecaj sunčevog vjetra na nju. Čini se da nabijene čestice koje lete sa Sunca "stišću" linije sile magnetsko polje, pritiskajući ih na dnevnoj strani i povlačeći ih na noćnoj strani.
Sve dok je situacija na Suncu mirna, cijela slika ostaje prilično stabilna. Ali tada je bilo sunčeve svjetlosti. Sunčev vjetar se promijenio - protok njegovih sastavnih čestica postao je veći, a njihova energija veća.Pritisak na magnetosferu počeo je naglo rasti, linije sila s dnevne strane počele su se približavati Zemljinoj površini, a s noćne su se jače povlačile u “rep” magnetosfere. to je magnetska oluja (geomagnetska oluja).
Tijekom solarnih baklji dolazi do masivnih eksplozija vruće plazme na površini Sunca. Tijekom erupcije oslobađa se jak tok čestica koje se velikom brzinom kreću od Sunca prema Zemlji i remete magnetsko polje planeta.
solarni vjetar
"Kompresija" linija sile znači kretanje njihovih polova na površini Zemlje, što znači - promjena jakosti magnetskog polja na bilo kojoj točki na kugli zemaljskoj... A što je jači pritisak Sunčevog vjetra, to je značajnija kompresija linija polja, odnosno jača je promjena jakosti polja. Što je magnetska oluja jača.
U isto vrijeme, što je bliže području magnetskog pola, to se više linija vanjskog polja susreće s površinom. I jednostavno doživljavaju najveći utjecaj poremećenog sunčevog vjetra i najviše reagiraju (potiskuju). To znači da bi manifestacije magnetskih poremećaja trebale biti najveće na geomagnetskim polovima (odnosno na velikim geografskim širinama), a najmanje na geomagnetskom ekvatoru.
Pomak sjevernog magnetskog pola od 1831. do 2007.
Što još nosi opisana promjena magnetskog polja na visokim geografskim širinama za nas koji živimo na površini Zemlje?
Tijekom magnetske oluje može doći do nestanka struje, radiokomunikacija, poremećaja mreža mobilnih operatera i sustava upravljanja svemirskim letjelicama ili oštećenja satelita.
Magnetska oluja 1989. godine u Quebecu u Kanadi uzrokovala je ozbiljne nestanke struje, uključujući požare transformatora (pogledajte dolje za detalje o ovom incidentu). Godine 2012. jaka magnetska oluja prekinula je komunikaciju s europskom svemirskom letjelicom Venus Express koja je kružila oko Venere.
Podsjetimo se kako radi generator električne struje… U stacionarnom magnetskom polju, vodič (rotor) se kreće (rotira). Kao rezultat toga, u istraživaču Pojavljuje se EMF i počinje teći struja… Isto će se dogoditi ako žica miruje, a magnetsko polje će se kretati (promjena u vremenu).
Tijekom magnetske oluje dolazi do promjene magnetskog polja, a što je bliže magnetskom polu (što je veća geomagnetska širina), to je ta promjena jača.
To znači da imamo promjenjivo magnetsko polje. Pa, i fiksne žice bilo koje duljine na površini Zemlje ne zauzimaju. Tu su dalekovodi, željezničke pruge, cjevovodi... Jednom riječju, izbor je velik. A u svakom vodiču, na temelju gore spomenutog fizikalnog zakona, nastaje električna struja uzrokovana varijacijama u geomagnetskom polju. Nazvat ćemo ga inducirana geomagnetska struja (IGT).
Veličina induciranih struja ovisi o mnogim uvjetima. Prije svega, naravno, od brzine i jačine promjene geomagnetskog polja, odnosno od jačine magnetske oluje.
Ali čak i tijekom iste oluje, različiti učinci se javljaju u različitim žicama.Oni ovise o duljini žice i njezinoj orijentaciji na Zemljinoj površini.
Što je žica duža, to će biti jača inducirana struja… Također, to će biti jače što je orijentacija žice bliža smjeru sjever-jug. Zapravo, u ovom slučaju, varijacije magnetskog polja na njegovim rubovima će biti najveće, a samim tim i EMF će biti najveći.
Naravno, veličina ove struje ovisi o nekoliko drugih čimbenika, uključujući vodljivost tla ispod žice. Ako je ta vodljivost visoka, IHT će biti slabiji jer će većina struje prolaziti kroz zemlju. Ako je mali, vjerojatna je pojava teške IHT.
Ne ulazeći dalje u fiziku fenomena, napominjemo samo da su IHT glavni uzrok nevolja koje magnetske oluje uzrokuju u svakodnevnom životu.
Primjer izvanrednih situacija uzrokovanih jakom magnetskom olujom i induciranim strujama opisan u literaturi
Magnetske oluje od 13. do 14. ožujka 1989. i izvanredno stanje u Kanadi
Magnetolozi koriste nekoliko metoda (nazvanih magnetski indeksi) za opisivanje stanja Zemljinog magnetskog polja. Ne ulazeći u detalje, napominjemo samo da postoji pet takvih indeksa (najčešćih).
Svaki od njih, naravno, ima svoje prednosti i nedostatke i najprikladniji je i najtočniji u opisivanju određenih situacija - na primjer, uznemirenih uvjeta u zoni aurore ili, obrnuto, globalne slike u relativno mirnim uvjetima.
Naravno, u sustavu svakog od ovih indeksa svaki geomagnetski fenomen karakteriziraju određeni brojevi — vrijednosti samog indeksa za razdoblje pojave, zbog čega je moguće usporediti intenzitet geomagnetskih poremećaja koji su se dogodili. u različitim godinama.
Magnetska oluja od 13. do 14. ožujka 1989. bila je izuzetan geomagnetski događaj prema proračunima temeljenim na svim sustavima magnetskog indeksa.
Prema opažanjima mnogih postaja, tijekom oluje veličina magnetske deklinacije (odstupanja igle kompasa od smjera prema magnetskom polu) unutar 6 dana doseže 10 stupnjeva ili više. To je puno, s obzirom da je odstupanje od čak pola stupnja nedopustivo za rad mnogih geofizičkih instrumenata.
Ova magnetska oluja bila je izuzetan geomagnetski fenomen. No, zanimanje za nju teško da bi nadišlo uski krug stručnjaka da nije bilo dramatičnih događaja u životu niza krajeva koji su je pratili.
U 07:45 UTC 13. ožujka 1989. visokonaponski dalekovodi od James Baya (sjeverni Quebec, Kanada) do južnog Quebeca i sjevernih država Sjedinjenih Država, kao i mreža Hydro-Québec, doživjeli su jake inducirane struje.
Ove struje stvorile su dodatno opterećenje od 9.450 MW na sustavu, što je bilo previše za dodavanje korisnom opterećenju od 21.350 MW u to vrijeme. Sustav je pao, ostavivši 6 milijuna stanovnika bez struje. Bilo je potrebno 9 sati da se sustav vrati u normalan rad. Potrošači na sjeveru SAD-a u to su vrijeme primili manje od 1325 MWh električne energije.
Od 13. do 14. ožujka neugodni učinci povezani s induciranim geomagnetskim strujama primijećeni su i na visokonaponskim vodovima drugih elektroenergetskih sustava: radili su zaštitni releji, otkazali energetski transformatori, pao napon, zabilježene su parazitske struje.
Najveće vrijednosti inducirane struje 13. ožujka zabilježene su u sustavima Hydro-Ontario (80 A) i Labrador-Hydro (150 A). Ne morate biti energetski stručnjak da zamislite kakvu štetu može nanijeti bilo kojem elektroenergetskom sustavu pojava lutajućih struja ovolikih razmjera.
Sve je to utjecalo ne samo na Sjevernu Ameriku. Slični fenomeni uočeni su u nizu skandinavskih zemalja. Istina je da je njihov učinak bio znatno slabiji zbog činjenice da je sjeverni dio Europe udaljeniji od geomagnetskog pola nego sjeverni dio Amerike.
Međutim, u 08:24 CET, šest 130-kV vodova u središnjoj i južnoj Švedskoj zabilježilo je istovremeni udar napona izazvan strujom, ali nije došlo do nesreće.
Svi znaju što znači ostaviti 6 milijuna stanovnika bez struje 9 sati. Samo to bi bilo dovoljno da skrene pozornost stručnjaka i javnosti na magnetsku oluju od 13. do 14. ožujka. Ali njegovi učinci nisu bili ograničeni na energetske sustave.
Također, US Soil Conservation Service prima signale brojnih automatskih senzora koji se nalaze u planinama i prate stanje tla, snježni pokrivač itd. na radiju na frekvenciji 41,5 MHz svaki dan.
Dana 13. i 14. ožujka (kako se kasnije pokazalo, zbog superpozicije zračenja iz drugih izvora), ti su signali bili čudne prirode i ili se uopće nisu mogli dešifrirati, ili su upućivali na prisutnost lavina, poplava, mulja i mraz na zemlji u isto vrijeme...
U SAD-u i Kanadi zabilježeni su slučajevi spontanog otvaranja i zatvaranja privatnih garažnih vrata čije su brave bile podešene na određenu frekvenciju ("ključ"), ali su bile potaknute kaotičnim preklapanjem signala koji su dolazili izdaleka.
Generiranje induciranih struja u cjevovodima
Dobro je poznato kakvu veliku ulogu imaju cjevovodi u modernom industrijskom gospodarstvu. Stotine i tisuće kilometara metalnih cijevi prolaze kroz različite zemlje. Ali to su također vodiči i u njima se također mogu pojaviti inducirane struje. Naravno, u ovom slučaju ne mogu izgorjeti transformator ili relej, ali nedvojbeno uzrokuju štetu.
Činjenica je da za zaštitu od elektrolitičke korozije svi cjevovodi imaju negativan potencijal prema zemlji od oko 850 mV. Vrijednost ovog potencijala u svakom sustavu održava se konstantnom i kontroliranom. Smatra se da značajna elektrolitička korozija počinje kada ta vrijednost padne na 650 mV.
Prema kanadskim naftnim kompanijama, 13. ožujka 1989., zajedno s početkom magnetske oluje, započeli su oštri skokovi potencijala koji su se nastavili 14. ožujka. U ovom slučaju, veličina negativnog potencijala tijekom mnogo sati manja je od kritične vrijednosti, a ponekad čak padne na 100-200 mV.
Već 1958. i 1972. godine, tijekom jakih magnetskih oluja, uslijed induciranih struja, dolazi do ozbiljnih poremećaja u radu transatlantskog telekomunikacijskog kabela. Tijekom oluje 1989novi kabel je već bio u funkciji, u kojem su se informacije prenosile preko optičkog kanala (vidi - Optički komunikacijski sustavi), tako da nema prekršaja u prijenosu informacija.
No, u kabelskom elektroenergetskom sustavu zabilježena su tri velika skoka napona (300, 450 i 700 V), koji su vremenski koincidirali s jakim promjenama magnetskog polja. Iako ti skokovi nisu uzrokovali kvar sustava, bili su dovoljno veliki da predstavljaju ozbiljnu prijetnju njegovom normalnom radu.
Geomagnetsko polje Zemlje se mijenja i slabi. Što to znači?
Zemljino magnetsko polje ne samo da se kreće po površini planeta, već mijenja i svoj intenzitet. U proteklih 150 godina oslabio je za oko 10%. Istraživači su otkrili da se otprilike jednom svakih 500 000 godina mijenja polaritet magnetskih polova — sjeverni i južni pol mijenjaju mjesta. Zadnji put se to dogodilo prije otprilike milijun godina.
Naši potomci mogu svjedočiti ovoj zbrci i mogućim katastrofama povezanim s preokretom polariteta. Ako dođe do erupcije u vrijeme zamjene magnetskih polova Sunca, magnetski štit neće moći zaštititi Zemlju te će doći do nestanka struje i prekida navigacijskih sustava diljem planeta.
Gore navedeni primjeri navode na razmišljanje koliko ozbiljan i višestruk može biti utjecaj jakih magnetskih oluja na svakodnevni život čovječanstva.
Sve gore navedeno primjer je mnogo impresivnijeg učinka svemirskog vremena (uključujući solarne baklje i magnetske oluje) od ne baš pouzdanih korelacija sunčeve i magnetske aktivnosti s ljudskim zdravljem.