Was ist die Magnetosphäre und wie stark magnetische Stürme die Technologie beeinflussen?
Unsere Erde ist Magnet – das ist allen bekannt. Die magnetischen Feldlinien verlassen den Bereich des magnetischen Südpols und treten in den Bereich des magnetischen Nordpols ein. Denken Sie daran, dass die magnetischen und geografischen Pole der Erde leicht unterschiedlich sind – auf der Nordhalbkugel ist der magnetische Pol um etwa 13° in Richtung Kanada verschoben.
Die Menge der Kraftlinien des Erdmagnetfeldes wird genannt Magnetosphäre… Die Magnetosphäre der Erde ist nicht symmetrisch zur magnetischen Achse des Planeten.
Auf der Seite der Sonne wird es angezogen, auf der gegenüberliegenden Seite verlängert es sich. Diese Form der Magnetosphäre spiegelt den ständigen Einfluss des Sonnenwinds auf sie wider. Geladene Teilchen, die von der Sonne fliegen, scheinen die Kraftlinien zu „quetschen“. Magnetfeld, indem man sie auf der Tagseite drückt und auf der Nachtseite zieht.
Solange die Sonnenlage ruhig ist, bleibt das Gesamtbild recht stabil. Aber dann gab es Sonnenlicht. Der Sonnenwind hat sich verändert – der Fluss seiner Teilchen ist größer und ihre Energie größer.Der Druck auf die Magnetosphäre begann schnell zuzunehmen, die Kraftlinien auf der Tagseite begannen sich der Erdoberfläche zu nähern und auf der Nachtseite wurden sie stärker in den „Schwanz“ der Magnetosphäre gezogen. Es ist magnetischer Sturm (geomagnetischer Sturm).
Bei Sonneneruptionen kommt es auf der Sonnenoberfläche zu massiven Explosionen heißen Plasmas. Bei der Eruption wird ein starker Teilchenstrom freigesetzt, der sich mit hoher Geschwindigkeit von der Sonne zur Erde bewegt und das Magnetfeld des Planeten stört.
Sonnenwind
„Komprimierung“ der Kraftlinien bedeutet die Bewegung ihrer Pole auf der Erdoberfläche, was bedeutet – eine Änderung der Stärke des Magnetfelds an jedem Punkt der Erde... Und je stärker der Druck des Sonnenwinds ist, desto stärker ist die Kompression der Feldlinien, entsprechend stärker ist die Änderung der Feldstärke. Je stärker der magnetische Sturm.
Gleichzeitig gilt: Je näher am magnetischen Polbereich, desto mehr äußere Feldlinien treffen auf die Oberfläche. Und sie erfahren einfach den größten Einfluss des gestörten Sonnenwinds und reagieren (verdrängen) am stärksten. Dies bedeutet, dass die Manifestationen magnetischer Störungen an den geomagnetischen Polen (also in hohen Breiten) am größten und am geomagnetischen Äquator am kleinsten sein sollten.
Verschiebung des magnetischen Nordpols von 1831 bis 2007.
Womit ist die beschriebene Veränderung des Magnetfelds in hohen Breiten noch für uns auf der Erdoberfläche behaftet?
Während eines magnetischen Sturms kann es zu Stromausfällen, Funkkommunikationsausfällen, Störungen von Mobilfunknetzen und Kontrollsystemen von Raumfahrzeugen oder Schäden an Satelliten kommen.
Ein magnetischer Sturm im Jahr 1989 in Quebec, Kanada, verursachte schwere Stromausfälle, darunter Transformatorbrände (Einzelheiten zu diesem Vorfall siehe unten). Im Jahr 2012 unterbrach ein schwerer magnetischer Sturm die Kommunikation mit der europäischen Raumsonde Venus Express, die die Venus umkreist.
Erinnern wir uns wie der Stromgenerator funktioniert… In einem stationären Magnetfeld bewegt (dreht) sich ein Leiter (Rotor). Als Ergebnis im Forscher Ein EMF erscheint und es beginnt zu fließen Elektrizität… Das Gleiche passiert, wenn der Draht stationär ist und sich das Magnetfeld bewegt (zeitliche Änderung).
Während eines Magnetsturms kommt es zu einer Änderung des Magnetfeldes, und je näher am Magnetpol (je höher der geomagnetische Breitengrad), desto stärker ist diese Änderung.
Das bedeutet, dass wir ein sich änderndes Magnetfeld haben. Nun, und feste Drähte beliebiger Länge belegen die Erdoberfläche nicht. Es gibt Stromleitungen, Eisenbahnschienen, Pipelines ... Kurz gesagt, die Auswahl ist großartig. Und in jedem Leiter entsteht aufgrund des oben genannten physikalischen Gesetzes ein elektrischer Strom, der durch Schwankungen im Erdmagnetfeld verursacht wird. Wir rufen ihn an induzierter geomagnetischer Strom (IGT).
Die Größe der induzierten Ströme hängt von vielen Bedingungen ab. Zunächst einmal natürlich von der Geschwindigkeit und Stärke der Änderung des Erdmagnetfeldes, also von der Stärke des Magnetsturms.
Aber selbst während desselben Sturms treten in unterschiedlichen Leitungen unterschiedliche Auswirkungen auf.Sie hängen von der Länge des Drahtes und seiner Ausrichtung auf der Erdoberfläche ab.
Je länger der Draht ist, desto stärker ist er induzierter Strom… Außerdem wird es umso stärker, je näher die Drahtausrichtung an der Nord-Süd-Richtung liegt. Tatsächlich sind in diesem Fall die Schwankungen des Magnetfelds an seinen Rändern am größten und daher auch die EMF am größten.
Natürlich hängt die Stärke dieses Stroms von mehreren anderen Faktoren ab, einschließlich der Leitfähigkeit des Bodens unter dem Draht. Wenn diese Leitfähigkeit hoch ist, ist die IHT schwächer, da der größte Teil des Stroms durch den Boden fließt. Wenn es klein ist, ist das Auftreten einer schweren IHT wahrscheinlich.
Ohne weiter auf die Physik des Phänomens einzugehen, stellen wir nur fest, dass IHTs die Hauptursache für die Probleme sind, die Magnetstürme im Alltag verursachen.
Ein Beispiel für in der Literatur beschriebene Notfallsituationen, die durch einen starken magnetischen Sturm und induzierte Ströme verursacht werden
Magnetische Stürme vom 13.-14. März 1989 und Notfall in Kanada
Magnetologen verwenden verschiedene Methoden (sogenannte magnetische Indizes), um den Zustand des Erdmagnetfelds zu beschreiben. Ohne auf Details einzugehen, stellen wir nur fest, dass es fünf solcher Indizes gibt (die häufigsten).
Jeder von ihnen hat natürlich seine Vor- und Nachteile und ist für die Beschreibung bestimmter Situationen am bequemsten und genauesten – zum Beispiel unruhige Bedingungen in der Polarlichtzone oder umgekehrt das globale Bild bei relativ ruhigen Bedingungen.
Natürlich ist im System jedes dieser Indizes jedes geomagnetische Phänomen durch bestimmte Zahlen gekennzeichnet – die Werte des Index selbst für den Zeitraum des Phänomens, weshalb es möglich ist, die Intensität der aufgetretenen geomagnetischen Störungen zu vergleichen in verschiedenen Jahren.
Der magnetische Sturm vom 13.-14. März 1989 war nach Berechnungen, die auf allen magnetischen Indexsystemen basieren, ein außergewöhnliches geomagnetisches Ereignis.
Den Beobachtungen vieler Stationen zufolge erreicht die Stärke der magnetischen Deklination (Abweichung der Kompassnadel von der Richtung zum Magnetpol) während eines Sturms innerhalb von 6 Tagen 10 Grad oder mehr. Das ist viel, wenn man bedenkt, dass eine Abweichung von nur einem halben Grad für den Betrieb vieler geophysikalischer Instrumente inakzeptabel ist.
Dieser magnetische Sturm war ein außergewöhnliches geomagnetisches Phänomen. Das Interesse daran wäre jedoch kaum über einen engen Kreis von Fachleuten hinausgegangen, wenn es nicht die dramatischen Ereignisse im Leben einer Reihe von Regionen gegeben hätte, die damit einhergingen.
Am 13. März 1989 um 07:45 UTC kam es auf Hochspannungsleitungen von James Bay (Nord-Quebec, Kanada) nach Süd-Quebec und in die nördlichen Bundesstaaten der Vereinigten Staaten sowie im Hydro-Québec-Netz zu starken induzierten Strömungen.
Diese Ströme führten zu einer zusätzlichen Belastung des Systems von 9.450 MW, was zu viel war, um die damalige Nutzlast von 21.350 MW zu erhöhen. Das System fiel aus und 6 Millionen Einwohner waren ohne Strom. Es dauerte 9 Stunden, das System wieder in den Normalbetrieb zu versetzen. Verbraucher im Norden der USA erhielten damals weniger als 1.325 MWh Strom.
Am 13. und 14. März wurden auch auf den Hochspannungsleitungen anderer Stromnetze unangenehme Auswirkungen im Zusammenhang mit induzierten geomagnetischen Strömen beobachtet: Schutzrelais funktionierten, Leistungstransformatoren fielen aus, Spannung fiel ab, parasitäre Ströme wurden registriert.
Die größten induzierten Stromwerte wurden am 13. März in den Systemen Hydro-Ontario (80 A) und Labrador-Hydro (150 A) gemessen. Man muss kein Energieexperte sein, um sich den Schaden vorzustellen, der einem Energiesystem durch das Auftreten von Streuströmen dieser Größenordnung zugefügt werden kann.
All dies betraf nicht nur Nordamerika. Ähnliche Phänomene wurden in einer Reihe skandinavischer Länder beobachtet. Zwar war ihre Wirkung viel schwächer, da der nördliche Teil Europas weiter vom geomagnetischen Pol entfernt ist als der nördliche Teil Amerikas.
Allerdings verzeichneten sechs 130-kV-Leitungen in Mittel- und Südschweden um 08:24 Uhr MEZ einen gleichzeitigen strombedingten Spannungsstoß, der jedoch nicht zu einem Unfall führte.
Jeder weiß, was es bedeutet, 6 Millionen Einwohner neun Stunden lang ohne Strom zu lassen. Das allein würde ausreichen, um die Aufmerksamkeit von Fachleuten und der Öffentlichkeit auf den magnetischen Sturm vom 13. bis 14. März zu lenken. Seine Auswirkungen beschränkten sich jedoch nicht nur auf Energiesysteme.
Außerdem empfängt der US-Bodenschutzdienst Signale von zahlreichen automatischen Sensoren in den Bergen, die den Bodenzustand, die Schneedecke usw. überwachen. täglich im Radio auf der Frequenz 41,5 MHz.
Am 13. und 14. März (wie sich später herausstellte, aufgrund der Überlagerung von Strahlung aus anderen Quellen) waren diese Signale seltsamer Natur und konnten entweder überhaupt nicht entschlüsselt werden oder deuteten auf das Vorhandensein von Lawinen, Überschwemmungen, Murgängen usw. hin gleichzeitig Frost auf dem Boden...
In den USA und Kanada gab es Fälle von spontanem Öffnen und Schließen privater Garagentore, deren Schlösser auf eine bestimmte Frequenz („Schlüssel“) eingestellt waren, die jedoch durch die chaotische Überlagerung von Signalen aus der Ferne ausgelöst wurden.
Erzeugung induzierter Ströme in Rohrleitungen
Es ist bekannt, welche große Rolle Pipelines in der modernen Industriewirtschaft spielen. Hunderte und Tausende Kilometer Metallrohre verlaufen durch verschiedene Länder. Aber auch diese sind Leiter und auch in ihnen können induzierte Ströme auftreten. Natürlich können sie in diesem Fall keinen Transformator oder ein Relais durchbrennen, aber sie verursachen zweifellos Schäden.
Tatsache ist, dass zum Schutz vor elektrolytischer Korrosion alle Rohrleitungen ein negatives Potenzial zur Erde von etwa 850 mV haben. Der Wert dieses Potentials wird in jedem System konstant gehalten und kontrolliert. Es wird davon ausgegangen, dass eine erhebliche elektrolytische Korrosion beginnt, wenn dieser Wert auf 650 mV abfällt.
Nach Angaben der kanadischen Ölgesellschaften begannen am 13. März 1989, zusammen mit dem Einsetzen des magnetischen Sturms, starke Potenzialspitzen, die sich am 14. März fortsetzten. In diesem Fall liegt die Größe des negativen Potentials für viele Stunden unter dem kritischen Wert und sinkt manchmal sogar auf 100-200 mV.
Bereits 1958 und 1972 kam es bei starken magnetischen Stürmen aufgrund induzierter Ströme zu schwerwiegenden Störungen im Betrieb des transatlantischen Fernmeldekabels. Während des Sturms von 1989Es war bereits ein neues Kabel in Betrieb, bei dem Informationen über einen optischen Kanal übertragen wurden (siehe — Optische Kommunikationssysteme), so dass keine Verstöße bei der Informationsübermittlung vorliegen.
Allerdings wurden im Kabelstromnetz drei große Spannungsspitzen (300, 450 und 700 V) registriert, die zeitlich mit starken Änderungen im Magnetfeld zusammenfielen. Obwohl diese Spitzen nicht zu einer Fehlfunktion des Systems führten, waren sie groß genug, um eine ernsthafte Bedrohung für den normalen Betrieb darzustellen.
Das Erdmagnetfeld der Erde verändert sich und wird schwächer. Was bedeutet das?
Das Erdmagnetfeld bewegt sich nicht nur entlang der Planetenoberfläche, sondern verändert auch seine Intensität. In den letzten 150 Jahren hat es sich um etwa 10 % abgeschwächt. Die Forscher fanden heraus, dass sich etwa alle 500.000 Jahre die Polarität der Magnetpole ändert – der Nord- und der Südpol tauschen ihre Plätze. Das letzte Mal geschah dies vor etwa einer Million Jahren.
Unsere Nachkommen könnten Zeuge dieser Verwirrung und möglicher Katastrophen im Zusammenhang mit der Polaritätsumkehr sein. Wenn es zum Zeitpunkt der Umkehrung der magnetischen Pole der Sonne zu einer Eruption kommt, kann der magnetische Schild die Erde nicht schützen und es kommt zu einem Stromausfall und einer Unterbrechung der Navigationssysteme auf dem ganzen Planeten.
Die oben genannten Beispiele lassen darüber nachdenken, wie schwerwiegend und vielfältig die Auswirkungen starker magnetischer Stürme auf das tägliche Leben der Menschheit sein können.
All dies ist ein Beispiel für einen viel beeindruckenderen Effekt des Weltraumwetters (einschließlich Sonneneruptionen und magnetischer Stürme) als nicht sehr zuverlässige Korrelationen der Sonnen- und Magnetaktivität mit der menschlichen Gesundheit.