Cos'è la magnetosfera e in che modo le forti tempeste magnetiche influenzano la tecnologia

La nostra Terra lo è magnete - questo è noto a tutti. Le linee del campo magnetico lasciano l'area del polo magnetico sud ed entrano nell'area del polo magnetico nord. Ricordiamo che i poli magnetici e geografici della Terra sono leggermente diversi: nell'emisfero settentrionale, il polo magnetico è spostato di circa 13° verso il Canada.

Viene chiamato l'insieme delle linee di forza del campo magnetico terrestre magnetosfera… La magnetosfera terrestre non è simmetrica rispetto all'asse magnetico del pianeta.

Dalla parte del Sole è attratto, dalla parte opposta si allunga. Questa forma della magnetosfera riflette la costante influenza del vento solare su di essa. Le particelle cariche che volano dal Sole sembrano "schiacciare" le linee di forza campo magnetico, premendoli sul lato giorno e tirandoli sul lato notte.

Finché la situazione del Sole è calma, l'intero quadro rimane abbastanza stabile. Ma poi c'era la luce del sole, il vento solare è cambiato: il flusso delle sue particelle costituenti è diventato maggiore e la loro energia maggiore.La pressione sulla magnetosfera iniziò ad aumentare rapidamente, le linee di forza sul lato diurno iniziarono ad avvicinarsi alla superficie terrestre e sul lato notturno furono tirate più fortemente nella "coda" della magnetosfera. È tempesta magnetica (tempesta geomagnetica).

Durante i brillamenti solari, sulla superficie del Sole si verificano massicce esplosioni di plasma caldo. Durante l'eruzione viene rilasciato un forte flusso di particelle che si muovono ad alta velocità dal Sole alla Terra e interrompono il campo magnetico del pianeta.

vento solare

"Compressione" delle linee di forza significa il movimento dei loro poli sulla superficie della Terra, il che significa — un cambiamento nella forza del campo magnetico in qualsiasi punto del globo... E più forte è la pressione del vento solare, più significativa è la compressione delle linee di campo, corrispondentemente, più forte è il cambiamento nell'intensità del campo. Più forte è la tempesta magnetica.

Allo stesso tempo, più vicino alla regione del polo magnetico, più linee di campo esterne incontrano la superficie. E semplicemente sperimentano il massimo impatto del vento solare perturbato e reagiscono (spostano) di più. Ciò significa che le manifestazioni dei disturbi magnetici dovrebbero essere maggiori ai poli geomagnetici (cioè alle alte latitudini) e minori all'equatore geomagnetico.

Spostamento del polo nord magnetico dal 1831 al 2007.

Di cos'altro è irto il cambiamento descritto nel campo magnetico alle alte latitudini per noi che viviamo sulla superficie della Terra?

Durante una tempesta magnetica, possono verificarsi interruzioni di corrente, comunicazioni radio, interruzioni delle reti degli operatori mobili e dei sistemi di controllo dei veicoli spaziali o danni ai satelliti.

Una tempesta magnetica del 1989 in Quebec, in Canada, ha causato gravi interruzioni di corrente, inclusi incendi di trasformatori (vedi sotto per i dettagli su questo incidente). Nel 2012, una violenta tempesta magnetica ha interrotto le comunicazioni con la navicella spaziale europea Venus Express in orbita attorno a Venere.

Ricordiamo come funziona il generatore di corrente elettrica… In un campo magnetico stazionario, un conduttore (rotore) si muove (ruota). Di conseguenza, nel ricercatore Viene visualizzato un campo elettromagnetico e inizia a scorrere elettricità… Lo stesso accadrà se il filo è fermo e il campo magnetico si muoverà (cambia nel tempo).

Durante una tempesta magnetica c'è un cambiamento nel campo magnetico, e più ci si avvicina al polo magnetico (maggiore è la latitudine geomagnetica), più forte è questo cambiamento.

Ciò significa che abbiamo un campo magnetico variabile. Bene, e i fili fissi di qualsiasi lunghezza sulla superficie della Terra non occupano. Ci sono linee elettriche, binari ferroviari, oleodotti... In una parola, la scelta è grande. E in ogni conduttore, in virtù della suddetta legge fisica, si genera una corrente elettrica, causata dalle variazioni del campo geomagnetico. Lo chiameremo corrente geomagnetica indotta (IGT).

L'entità delle correnti indotte dipende da molte condizioni. Prima di tutto, ovviamente, dalla velocità e dalla forza del cambiamento del campo geomagnetico, cioè dalla forza della tempesta magnetica.

Ma anche durante la stessa tempesta, si verificano effetti diversi su fili diversi.Dipendono dalla lunghezza del filo e dal suo orientamento sulla superficie terrestre.

Più lungo è il filo, più forte sarà corrente indotta… Inoltre, sarà più forte quanto più l'orientamento del filo è vicino alla direzione nord-sud. Infatti, in questo caso, le variazioni del campo magnetico ai suoi bordi saranno le maggiori e quindi la FEM sarà la massima.

Naturalmente, l'entità di questa corrente dipende da molti altri fattori, inclusa la conduttività del terreno sotto il filo. Se questa conducibilità è elevata, l'IHT sarà più debole perché la maggior parte della corrente passerà attraverso il terreno. Se è piccolo, è probabile l'insorgenza di grave IHT.

Senza addentrarci ulteriormente nella fisica del fenomeno, notiamo solo che gli IHT sono la principale causa dei disagi che le tempeste magnetiche provocano nella vita di tutti i giorni.

Un esempio di situazioni di emergenza causate da una forte tempesta magnetica e correnti indotte descritte in letteratura

Tempeste magnetiche del 13-14 marzo 1989 ed emergenza in Canada

I magnetologi usano diversi metodi (chiamati indici magnetici) per descrivere lo stato del campo magnetico terrestre. Senza entrare nei dettagli, notiamo solo che esistono cinque di questi indici (i più comuni).

Ciascuno di essi, ovviamente, ha i suoi vantaggi e svantaggi ed è più conveniente e preciso nel descrivere determinate situazioni, ad esempio condizioni agitate nella zona dell'aurora o, al contrario, un quadro globale in condizioni relativamente calme.

Naturalmente, nel sistema di ciascuno di questi indici, ogni fenomeno geomagnetico è caratterizzato da determinati numeri, i valori dell'indice stesso per il periodo del fenomeno, motivo per cui è possibile confrontare l'intensità dei disturbi geomagnetici avvenuti in diversi anni.

La tempesta magnetica del 13-14 marzo 1989 è stata un evento geomagnetico eccezionale secondo i calcoli basati su tutti i sistemi di indici magnetici.

Secondo le osservazioni di molte stazioni, durante una tempesta, l'entità della declinazione magnetica (deviazione dell'ago della bussola dalla direzione al polo magnetico) entro 6 giorni raggiunge i 10 gradi o più. Questo è molto, considerando che uno scostamento anche di mezzo grado è inaccettabile per il funzionamento di molti strumenti geofisici.

Questa tempesta magnetica è stata uno straordinario fenomeno geomagnetico. Tuttavia, l'interesse per esso difficilmente avrebbe superato una ristretta cerchia di specialisti, se non per i drammatici eventi nella vita di alcune regioni che lo hanno accompagnato.

Alle 07:45 UTC del 13 marzo 1989, le linee di trasmissione ad alta tensione da James Bay (Québec settentrionale, Canada) al Quebec meridionale e agli stati settentrionali degli Stati Uniti, nonché la rete Hydro-Québec, hanno subito forti correnti indotte.

Queste correnti creavano un carico aggiuntivo di 9.450 MW sul sistema, che era troppo da sommare al carico utile di allora di 21.350 MW. Il sistema è andato in tilt, lasciando 6 milioni di abitanti senza elettricità. Sono state necessarie 9 ore per ripristinare il normale funzionamento del sistema. I consumatori negli Stati Uniti settentrionali a quel tempo ricevevano meno di 1.325 MWh di elettricità.

Il 13-14 marzo sono stati osservati effetti spiacevoli associati a correnti geomagnetiche indotte anche sulle linee ad alta tensione di altri sistemi di alimentazione: relè di protezione funzionanti, trasformatori di potenza guasti, caduta di tensione, correnti parassite.

I maggiori valori di corrente indotta il 13 marzo sono stati registrati nei sistemi Hydro-Ontario (80 A) e Labrador-Hydro (150 A). Non è necessario essere esperti di energia per immaginare i danni che possono essere arrecati a qualsiasi sistema di alimentazione dalla comparsa di correnti vaganti di questa entità.

Tutto ciò ha interessato non solo il Nord America. Fenomeni simili sono stati osservati in un certo numero di paesi scandinavi. È vero che il loro effetto è stato molto più debole a causa del fatto che la parte settentrionale dell'Europa è più lontana dal polo geomagnetico rispetto alla parte settentrionale dell'America.

Tuttavia, alle 08:24 CET, sei linee da 130 kV nella Svezia centrale e meridionale hanno registrato un picco di tensione simultaneo indotto dalla corrente ma non hanno provocato un incidente.

Tutti sanno cosa significa lasciare 6 milioni di abitanti senza elettricità per 9 ore. Già questo basterebbe ad attirare l'attenzione degli specialisti e del pubblico sulla tempesta magnetica del 13-14 marzo. Ma i suoi effetti non erano limitati ai sistemi energetici.

Inoltre, il servizio di conservazione del suolo degli Stati Uniti riceve segnali da numerosi sensori automatici situati in montagna e che monitorano le condizioni del suolo, il manto nevoso, ecc. alla radio sulla frequenza 41,5 MHz tutti i giorni.

Il 13 e 14 marzo (come si è scoperto in seguito, a causa della sovrapposizione di radiazioni provenienti da altre fonti), questi segnali erano di natura strana e non potevano essere affatto decifrati, oppure indicavano la presenza di valanghe, inondazioni, colate di fango e gelo sul terreno allo stesso tempo...

Negli Stati Uniti e in Canada si sono verificati casi di apertura e chiusura spontanee di porte di garage privati ​​i cui blocchi erano sintonizzati su una certa frequenza ("chiave") ma sono stati attivati ​​dalla caotica sovrapposizione di segnali provenienti da lontano.

Generazione di correnti indotte nelle condotte

È ben noto quale ruolo importante svolgano gli oleodotti nella moderna economia industriale. Centinaia e migliaia di chilometri di tubi metallici attraversano diversi paesi. Ma questi sono anche conduttori e anche in essi possono verificarsi correnti indotte. Naturalmente, in questo caso, non possono bruciare un trasformatore o un relè, ma indubbiamente causano danni.

Il fatto è che per proteggersi dalla corrosione elettrolitica, tutte le tubazioni hanno un potenziale negativo verso terra di circa 850 mV. Il valore di questo potenziale in ogni sistema è mantenuto costante e controllato, quando questo valore scende a 650 mV si considera che inizi una corrosione elettrolitica significativa.

Secondo le compagnie petrolifere canadesi, il 13 marzo 1989, insieme all'inizio della tempesta magnetica, sono iniziati forti picchi di potenziale che sono continuati il ​​14 marzo. In questo caso, l'entità del potenziale negativo per molte ore è inferiore al valore critico e talvolta scende anche a 100-200 mV.

Già nel 1958 e nel 1972, durante forti tempeste magnetiche, dovute a correnti indotte, si verificarono gravi perturbazioni nel funzionamento del cavo transatlantico per le telecomunicazioni. Durante la tempesta del 1989era già in funzione un nuovo cavo, in cui le informazioni venivano trasmesse su un canale ottico (vedi — Sistemi di comunicazione ottica), quindi non vi sono violazioni nella trasmissione delle informazioni.

Tuttavia, nel sistema di alimentazione via cavo sono stati registrati tre grandi picchi di tensione (300, 450 e 700 V), che hanno coinciso nel tempo con forti variazioni del campo magnetico. Sebbene questi picchi non abbiano causato il malfunzionamento del sistema, erano abbastanza grandi da rappresentare una seria minaccia al suo normale funzionamento.

Il campo geomagnetico della Terra sta cambiando e si sta indebolendo. Cosa significa?

Il campo magnetico terrestre non solo si muove lungo la superficie del pianeta, ma cambia anche la sua intensità. Negli ultimi 150 anni si è indebolito di circa il 10%. I ricercatori hanno scoperto che circa una volta ogni 500.000 anni la polarità dei poli magnetici cambia: i poli nord e sud si scambiano di posto. L'ultima volta che è successo è stato circa un milione di anni fa.

I nostri discendenti possono assistere a questa confusione ea possibili disastri associati all'inversione di polarità. Se ci sarà un'eruzione al momento dell'inversione dei poli magnetici del Sole, lo scudo magnetico non sarà in grado di proteggere la Terra e ci sarà un'interruzione di corrente e un'interruzione dei sistemi di navigazione in tutto il pianeta.

Gli esempi sopra riportati fanno pensare a quanto grave e sfaccettato possa essere l'impatto di forti tempeste magnetiche sulla vita quotidiana dell'umanità.

Tutto quanto sopra è un esempio di un effetto molto più impressionante della meteorologia spaziale (compresi i brillamenti solari e le tempeste magnetiche) rispetto alle correlazioni poco affidabili dell'attività solare e magnetica con la salute umana.