Co je magnetosféra a jak silné magnetické bouře ovlivňují technologii

Naše Země je magnet — to je všem známo. Magnetické siločáry opouštějí oblast jižního magnetického pólu a vstupují do oblasti severního magnetického pólu. Připomeňme, že magnetický a geografický pól Země se mírně liší – na severní polokouli je magnetický pól posunut asi o 13° směrem ke Kanadě.

Soubor siločar magnetického pole Země se nazývá magnetosféra… Magnetosféra Země není symetrická k magnetické ose planety.

Na straně Slunce se přitahuje, na opačné straně se prodlužuje. Tento tvar magnetosféry odráží neustálý vliv slunečního větru na ni. Zdá se, že nabité částice letící od Slunce „stlačují“ siločáry magnetické pole, stiskněte je na denní straně a vytáhněte je na noční straně.

Dokud je situace na Slunci klidná, celý tento obraz zůstává poměrně stabilní. Ale pak se objevilo sluneční světlo.Sluneční vítr se změnil – proud částic, které ho tvoří, se zvětšil a jejich energie vzrostla.Tlak na magnetosféru začal rychle narůstat, siločáry na denní straně se začaly přibližovat k povrchu Země a na noční straně byly silněji taženy do „ocasu“ magnetosféry. to je magnetická bouře (geomagnetická bouře).

Během slunečních erupcí dochází na povrchu Slunce k masivním explozím horké plazmy. Při erupci se uvolňuje silný proud částic, které se vysokou rychlostí pohybují od Slunce k Zemi a narušují magnetické pole planety.

solární bouře

„Stlačení“ siločar znamená pohyb jejich pólů na povrchu Země, což znamená — změna síly magnetického pole v kterémkoli bodě zeměkoule... A čím silnější je tlak slunečního větru, tím významnější je komprese siločar, tím silnější je změna intenzity pole. Čím silnější je magnetická bouře.

Zároveň platí, že čím blíže k oblasti magnetického pólu, tím více vnějších siločar se setkává s povrchem. A prostě zažívají největší dopad rozrušeného slunečního větru a nejvíce reagují (vytlačují). To znamená, že projevy magnetických poruch by měly být největší na geomagnetických pólech (tedy ve vysokých zeměpisných šířkách) a nejmenší na geomagnetickém rovníku.

Posun severního magnetického pólu od roku 1831 do roku 2007.

Čím dalším je pro nás žijící na povrchu Země popsaná změna magnetického pole ve vysokých zeměpisných šířkách?

Během magnetické bouře může dojít k výpadkům proudu, rádiové komunikaci, narušení sítí mobilních operátorů a řídicích systémů kosmických lodí nebo poškození satelitů.

Magnetická bouře v Quebecu v Kanadě v roce 1989 způsobila vážné výpadky elektřiny, včetně požárů transformátorů (podrobnosti o tomto incidentu viz níže). V roce 2012 silná magnetická bouře přerušila komunikaci s evropskou sondou Venus Express obíhající kolem Venuše.

Pojďme si připomenout jak funguje generátor elektrického proudu… Ve stacionárním magnetickém poli se vodič (rotor) pohybuje (rotuje). V důsledku toho ve výzkumníku Objeví se EMF a začíná to proudit elektřina… Totéž se stane, pokud je drát nehybný a magnetické pole se bude pohybovat (změna v čase).

Během magnetické bouře dochází ke změně magnetického pole a čím blíže k magnetickému pólu (čím vyšší je geomagnetická šířka), tím je tato změna silnější.

To znamená, že máme měnící se magnetické pole. No a pevné dráty libovolné délky na povrchu Země nezabírají. Jsou tam elektrické vedení, železniční tratě, potrubí...Jedním slovem, výběr je velký. A v každém vodiči na základě výše uvedeného fyzikálního zákona vzniká elektrický proud, způsobený změnami geomagnetického pole. Zavoláme mu indukovaný geomagnetický proud (IGT).

Velikost indukovaných proudů závisí na mnoha podmínkách. Především samozřejmě z rychlosti a síly změny geomagnetického pole, tedy ze síly magnetické bouře.

Ale i během stejné bouře se v různých drátech vyskytují různé efekty.Závisí na délce drátu a jeho orientaci na povrchu Země.

Čím delší je drát, tím silnější bude indukovaný proud… Také bude tím silnější, čím blíže je orientace drátu ve směru sever-jih. Ve skutečnosti v tomto případě budou změny magnetického pole na jeho okrajích největší, a proto bude EMF největší.

Velikost tohoto proudu samozřejmě závisí na několika dalších faktorech, včetně vodivosti půdy pod drátem. Pokud je tato vodivost vysoká, IHT bude slabší, protože většina proudu půjde přes zem. Pokud je malá, je pravděpodobný výskyt těžkého IHT.

Aniž bychom zacházeli dále do fyziky jevu, poznamenáváme pouze, že IHT jsou hlavní příčinou potíží, které magnetické bouře způsobují v každodenním životě.

V literatuře popsaný příklad havarijních situací způsobených silnou magnetickou bouří a indukovanými proudy

Magnetické bouře 13.-14. března 1989 a mimořádná situace v Kanadě

Magnetologové používají několik metod (nazývaných magnetické indexy) k popisu stavu magnetického pole Země. Aniž bychom zacházeli do podrobností, poznamenáváme pouze, že existuje pět takových indexů (nejběžnější).

Každý z nich má samozřejmě své výhody a nevýhody a je nejpohodlnější a nejpřesnější při popisu určitých situací — například neklidných podmínek v zóně polární záře nebo naopak globálního obrazu v relativně klidných podmínkách.

V systému každého z těchto indexů je přirozeně každý geomagnetický jev charakterizován určitými čísly — hodnotami samotného indexu za období jevu, proto je možné porovnávat intenzitu geomagnetických poruch, ke kterým došlo. v různých letech.

Magnetická bouře z 13. až 14. března 1989 byla podle výpočtů založených na všech magnetických indexových systémech výjimečnou geomagnetickou událostí.

Podle pozorování mnoha stanic dosahuje během bouřky velikost magnetické deklinace (odchylka střelky kompasu ze směru k magnetickému pólu) během 6 dnů 10 stupňů i více. To je hodně, vezmeme-li v úvahu, že odchylka byť jen půl stupně je pro provoz mnoha geofyzikálních přístrojů nepřijatelná.

Tato magnetická bouře byla mimořádným geomagnetickým jevem. Zájem o ni by však stěží přesáhl úzký okruh odborníků, nebýt dramatických událostí v životě řady regionů, které ji provázely.

V 07:45 UTC dne 13. března 1989 vysokonapěťová přenosová vedení z James Bay (severní Quebec, Kanada) do jižního Quebecu a severních států Spojených států, stejně jako síť Hydro-Québec, zaznamenala silné indukované proudy.

Tyto proudy vytvořily dodatečné zatížení systému 9 450 MW, což bylo příliš mnoho na to, aby se přidalo k užitečnému zatížení 21 350 MW v té době. Systém selhal a 6 milionů obyvatel zůstalo bez elektřiny. Obnovení normálního provozu systému trvalo 9 hodin. Spotřebitelé na severu USA v té době obdrželi méně než 1 325 MWh elektřiny.

Ve dnech 13. až 14. března byly také na vysokonapěťových vedeních jiných energetických soustav pozorovány nepříjemné jevy spojené s indukovanými geomagnetickými proudy: fungovala ochranná relé, selhaly výkonové transformátory, pokleslo napětí, byly zaznamenány parazitní proudy.

Největší hodnoty indukovaného proudu 13. března byly zaznamenány v systémech Hydro-Ontario (80 A) a Labrador-Hydro (150 A). Nemusíte být energetickým expertem, abyste si představili škody, které mohou způsobit jakékoli energetické soustavě výskyt bludných proudů této velikosti.

To vše ovlivnilo nejen Severní Ameriku. Podobné jevy byly pozorovány v řadě skandinávských zemí. Je pravda, že jejich účinek byl mnohem slabší kvůli tomu, že severní část Evropy je od geomagnetického pólu dále než severní část Ameriky.

V 08:24 SEČ však šest vedení 130 kV ve středním a jižním Švédsku zaznamenalo simultánní proudem indukovaný ráz napětí, ale nedošlo k havárii.

Každý ví, co to znamená nechat 6 milionů obyvatel bez elektřiny na 9 hodin. To samo o sobě by stačilo k tomu, aby na magnetickou bouři z 13. až 14. března upozornili specialisté i veřejnost. Ale jeho účinky nebyly omezeny na energetické systémy.

US Soil Conservation Service také přijímá signály z mnoha automatických senzorů umístěných v horách a monitorujících půdní podmínky, sněhovou pokrývku atd. v rádiu na frekvenci 41,5 MHz každý den.

Ve dnech 13. a 14. března (jak se později ukázalo, kvůli superpozici záření z jiných zdrojů) byly tyto signály zvláštního charakteru a buď se nedaly vůbec rozluštit, nebo naznačovaly přítomnost lavin, záplav, bahna a zároveň mráz na zemi...

V USA a Kanadě se vyskytly případy samovolného otevírání a zavírání soukromých garážových vrat, jejichž zámky byly naladěny na určitou frekvenci („klíč“), ale byly spuštěny chaotickým překrýváním signálů přicházejících z dálky.

Generování indukovaných proudů v potrubí

Je dobře známo, jakou velkou roli hrají potrubí v moderní průmyslové ekonomice. Různými zeměmi procházejí stovky a tisíce kilometrů kovových trubek. Jsou to ale také vodiče a mohou se v nich vyskytovat i indukované proudy. V tomto případě samozřejmě nemohou spálit transformátor nebo relé, ale nepochybně způsobují škody.

Faktem je, že pro ochranu proti elektrolytické korozi mají všechna potrubí záporný potenciál vůči zemi asi 850 mV. Hodnota tohoto potenciálu v každém systému je udržována konstantní a řízena.Za významnou elektrolytickou korozi se považuje začátek, když tato hodnota klesne na 650 mV.

Podle kanadských ropných společností 13. března 1989 spolu s nástupem magnetické bouře začaly prudké skoky potenciálu a pokračovaly 14. března. V tomto případě je velikost záporného potenciálu po mnoho hodin menší než kritická hodnota a někdy dokonce klesne na 100-200 mV.

Již v letech 1958 a 1972 došlo při silných magnetických bouřích vlivem indukovaných proudů k vážným poruchám v provozu transatlantického telekomunikačního kabelu. Během bouře roku 1989již byl v provozu nový kabel, ve kterém byly informace přenášeny optickým kanálem (viz — Optické komunikační systémy), takže nedochází k žádným porušením při přenosu informací.

V kabelovém napájecím systému však byly zaznamenány tři velké napěťové špičky (300, 450 a 700 V), které se časově shodovaly se silnými změnami magnetického pole. Přestože tyto špičky nezpůsobily poruchu systému, byly dostatečně velké, aby představovaly vážnou hrozbu pro jeho normální provoz.

Geomagnetické pole Země se mění a slábne. Co to znamená?

Magnetické pole Země se nejen pohybuje po povrchu planety, ale mění i svou intenzitu. Za posledních 150 let se oslabila asi o 10 %. Vědci zjistili, že přibližně jednou za 500 000 let se změní polarita magnetických pólů – severní a jižní póly si vymění místa. Naposledy se to stalo asi před milionem let.

Naši potomci mohou být svědky tohoto zmatku a možných katastrof spojených s přepólováním. Pokud dojde k erupci v době převrácení magnetických pólů Slunce, magnetický štít nebude schopen ochránit Zemi a dojde k výpadku proudu a přerušení navigačních systémů po celé planetě.

Výše uvedené příklady nutí přemýšlet o tom, jak vážný a mnohostranný může být dopad silných magnetických bouří na každodenní život lidstva.

Vše výše uvedené je příkladem mnohem působivějšího vlivu kosmického počasí (včetně slunečních erupcí a magnetických bouří), než jsou nepříliš spolehlivé korelace sluneční a magnetické aktivity s lidským zdravím.