Наша Земля представляет собой магнит — это известно всем. Магнитные силовые линии выходят из области южного магнитного полюса и входят в область северного. Напомним, что магнитные и географические полюса Земли немного не совпадают — в северном полушарии магнитный полюс сдвинут примерно на 13° в сторону Канады.
Совокупность силовых линий магнитного поля Земли называют магнитосферой. Земная магнитосфера не симметрична относительно магнитной оси планеты.
Со стороны Солнца она поджата, с противоположной — вытянута. Такая форма магнитосферы отражает постоянное воздействие на нее солнечного ветра. Летящие от Солнца заряженные частицы как бы «давят» на силовые линии магнитного поля, сжимая их с дневной стороны и вытягивая с ночной.
Пока обстановка на Солнце спокойна, вся эта картина остается достаточно стабильной. Но вот на Солнце произошла вспышка. Солнечный ветер изменился — поток составляющих его частиц стал больше, а их энергия — выше. Давление на магнитосферу стало быстро возрастать, силовые линии с дневной стороны стали сильнее поджиматься к поверхности Земли, с ночной — сильнее вытягиваться в «хвост» магнитосферы. Это и есть магнитная буря (геомагнитная буря).
Во время солнечных вспышек на поверхности Солнца происходят массивные взрывы горячей плазмы. Во время извержения высвобождается сильный поток частиц, которые с большой скоростью движутся от Солнца к Земле и нарушают магнитное поле планеты.
Солнечный ветер
«Поджатие» силовых линий означает перемещение их полюсов по поверхности Земли, а значит — изменение напряженности магнитного поля в каждой данной точке земного шара. И чем сильнее давление солнечного ветра, чем значительнее поджатие силовых линий, тем, соответственно, сильнее изменение напряженности поля. Тем сильнее магнитная буря.
В то же время, чем ближе к области магнитного полюса, тем более внешние силовые линии встречаются с поверхностью. А они как раз испытывают наибольшее воздействие возмущенного солнечного ветра и реагируют (смещаются) наиболее сильно. Значит, проявления магнитных возмущений должны быть наибольшими у геомагнитных полюсов (то есть в высоких широтах) и наименьшими у геомагнитного экватора.
Сдвиг северного магнитного полюса с 1831 по 2007 год
Чем же еще чревато для нас, живущих на поверхности Земли, описанное изменение магнитного поля в высоких широтах?
Во время магнитной бури могут произойти перебои в подаче электроэнергии, радиосвязи, нарушение работы сетей операторов мобильной связи и систем управления космическими кораблями или повреждение спутников.
Магнитная буря в 1989 году в Квебеке, Канада, вызвала серьезное отключение электроэнергии, включая возгорание трансформаторов (об этом прошествиии подробно смотрите ниже). В 2012 году сильная магнитная буря прервала связь с европейским космическим кораблем Venus Express, вращающимся вокруг Венеры.
Вспомним, как устроен генератор электрического тока. В неподвижном магнитном поле движется (вращается) проводник (ротор). В результате в проводнике возникает ЭДС и по нему начинает течь электрический ток. То же самое произойдет, если проводник будет неподвижен, а двигаться (изменяться во времени) будет магнитное поле.
Во время магнитной бури как раз и происходит изменение магнитного поля, причем чем ближе к магнитному полюсу (чем выше геомагнитная широта), тем это изменение сильнее.
Значит, изменяющееся магнитное поле у нас есть. Ну, а неподвижных проводников любой длины на поверхности Земли не занимать. Тут и линии электропередачи, и железнодорожные рельсы, и трубопроводы... Словом — выбор велик. И в каждом проводнике в силу упомянутого физического закона возникает наведенный вариациями геомагнитного поля электрический ток. Мы будем называть его индуцированный геомагнитный ток (ИГТ).
Величина индуцированных токов зависит от многих условий. Прежде всего, конечно, от быстроты и силы изменения геомагнитного поля, то есть от силы магнитной бури.
Но даже во время одной и той же бури в разных проводниках возникают разные эффекты. Они зависят от длины проводника и его ориентации на поверхности Земли.
Чем длиннее проводник, тем сильнее будет индуцированный ток. Кроме того, он будет тем сильнее, чем ближе ориентация проводника к направлению север — юг. Ведь в этом случае вариации магнитного поля в его концах будут наибольшими, и, значит, наибольшей будет ЭДС.
Конечно, величина этого тока зависит еще от нескольких факторов, в том числе от проводимости почвы под проводником. Если эта проводимость велика, ИГТ будет слабее, так как большая часть тока пойдет по земле. Если мала — вероятно появление сильных ИГТ.
Не вдаваясь далее в физику явления, отметим только, что ИГТ являются основной причиной тех неприятностей, которые вызывают в повседневной жизни магнитные бури.
Пример чрезвычайных происшествий, вызванных сильной магнитной бурей и индуцированными токами, описанные в литературе
Магнитная буря 13—14 марта 1989 года и ЧП в Канаде
Специалисты-магнитологи используют несколько способов (так называемых магнитных индексов) для описания состояния магнитного поля Земли. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что таких индексов (наиболее распространенных) существует пять.
Каждый из них, конечно, обладает своими достоинствами и недостатками и наиболее удобен и точен при описании тех или иных ситуаций — например, возмущенных условии в зоне полярных сияний, или, наоборот, глобальной картины в относительно спокойных условиях.
Естественно, в системе каждого из этих индексов любое геомагнитное явление характеризуется некими числами — значениями самого индекса за период явления, поэтому можно сравнивать интенсивность геомагнитных возмущений, происходивших в разные годы.
Магнитная буря 13 — 14 марта 1989 года была выдающимся геомагнитным явлением по оценкам, основанным на всех системах магнитных индексов.
По наблюдению многих станций, во время бури величина магнитного склонения (отклонения стрелки компаса от направления на магнитный полюс) в течение 6 дней достигала 10 и более градусов. Это очень много, если учесть, что отклонение даже в полградуса неприемлемо для работы многих геофизических приборов.
Эта магнитная буря была выдающимся геомагнитным явлением. Однако, интерес к ней вряд ли вышел бы за пределы узкого круга специалистов, если бы не драматические события в жизни ряда регионов, которыми она сопровождалась.
В 7 ч 45 мин мирового времени 13 марта 1989 года на высоковольтных линиях электропередачи, ведущих из Джеймс Бей (север провинции Квебек, Канада) в южные районы провинции Квебек, а также северные области США, и входящих в энергосистему Гидро-Квебек, возникли сильные индуцированные токи.
Эти токи создали дополнительную нагрузку на систему в размере 9450 МВт, что стало слишком большой добавкой к полезной в тот момент нагрузке в 21350 МВт. Система вышла из строя, оставив 6 миллионов жителей без электроэнергии. На восстановление нормальной работы системы потребовалось 9 часов. Потребители в северных районах США в это время недополучили 1325 МВт*ч электроэнергии.
На высоковольтных линиях других энергосистем 13 — 14 марта также наблюдались неприятные эффекты, связанные с индуцированными геомагнитными токами: срабатывали защитные реле, выходили из строя силовые трансформаторы, падало напряжение, регистрировались паразитные токи.
Наибольшие величины индуцированного тока 13 марта были зарегистрированы в системе Гидро-Онтарио (80 А) и Лабрадор-Гидро (150 А). Не нужно быть специалистом-энергетиком, чтобы представить себе, какой вред может нанести любой энергосистеме появление паразитных токов такой силы.
Все это затронуло не только Северную Америку. В ряде стран Северной Европы наблюдались аналогичные явления. Правда, их эффект был значительно слабее из-за того, что север Европы находится дальше от геомагнитного полюса, чем север Америки.
Тем не менее, в 8 ч 24 мин среднеевропейского времени на шести 130-киловольтных линиях в средней и южной Швеции был одновременно зарегистрирован вызванный с индуцированным током скачок напряжения, однако до аварии дело не дошло.
Всем ясно, что значит оставить на 9 часов без электроэнергии 6 миллионов жителей. Одного этого было бы достаточно, чтобы привлечь внимание специалистов и общественности к магнитной буре 13—14 марта. Но ее эффекты не ограничились только энергетическими системами.
Также в службу охраны почв США, ежедневно по радио на частоте 41,5 МГц поступали сигналы от многочисленных, автоматических датчиков, расположенных в горах и контролирующих состояние почвы, снежного покрова и т. д.
13 и 14 марта (как выяснилось позже, из-за наложения излучения других источников) эти сигналы носили странный характер и либо вовсе не поддавались расшифровке, либо свидетельствовали о наличии лавин, наводнений, селей и заморозков на почве одновременно...
В США и Канаде зарегистрированы случаи самопроизвольного открывания и закрывания дверей частных гаражей, замки которых были настроены на определенную частоту («ключ»), но срабатывали из-за хаотического наложения пришедших издалека сигналов.
Возникновение индуцированных токов в трубопроводах
Известно, какую большую роль в современном индустриальном хозяйстве играют трубопроводы. Сотни и тысячи километров металлических труб пересекают различные страны. А ведь это тоже проводники, и в них тоже могут возникать индуцированные токи. Конечно, сжечь трансформатор или реле в этом случае они не могут, но нанести урон — несомненно.
Дело в том, что для защиты от электролитической коррозии все трубопроводы имеют отрицательный потенциал относительно земли около 850 мВ. Величина этого потенциала в каждой системе поддерживается постоянной и контролируется. Считается, что значительная электролитическая коррозия начинается при уменьшении указанной величины до 650 мВ.
По данным канадских нефтяных компаний, 13 марта 1989 года вместе с началом магнитной бури начались резкие скачки потенциала, которые продолжались и 14 марта. При этом величина отрицательного потенциала в течение многих часов была меньше критического значения, а иногда опускалась даже до 100—200 мВ.
Еще в 1958 и 1972 гг. во время сильных магнитных бурь из-за индуцированных токов возникли серьезные нарушения в работе трансатлантического телекоммуникационного кабеля. Во время бури 1989 года уже действовал новый кабель, в котором информация передавалась по фибер-оптическому каналу (смотрите - Волоконно-оптические системы связи), поэтому нарушений в передаче информации отмечено не было.
Однако были зарегистрированы три сильные скачка напряжения (в 300, 450 и 700 В) в системе энергообеспечения кабеля, которые совпадали по времени с сильными изменениями магнитного поля. Хотя эти скачки и не вызвали выхода системы из строя, они были достаточно велики, чтобы представлять собой серьезную угрозу ее нормальному функционированию.
Геомагнитное поле Земли меняется и ослабевает. Что это значит?
Магнитное поле Земли не только движется по поверхности планеты, но также изменяется по интенсивности. За последние 150 лет оно ослабло примерно на 10%. Исследователи обнаружили, что примерно раз в 500000 лет полярность магнитных полюсов меняется — северный и южный полюса меняются местами. В последний раз это случилось около миллиона лет назад.
Наши потомки могут стать свидетелями этой неразберихи и возможных катастроф, связанных с изменением полярности. Если в момент разворота магнитных полюсов на Солнце произойдет извержение, магнитный экран не сможет защитить Землю и произойдет отключение электроэнергии и навигационных систем по всей планете.
Примеры, приведенные выше, заставляют задуматься о том, насколько серьезным и разносторонним может быть влияние сильных магнитных бурь на повседневную жизнь человечества.
Все сказанное есть пример гораздо более впечатляющего влияния космической погоды (включая солнечные вспышки и магнитные бури), чем не слишком достоверные корреляции солнечной и магнитной активности со здоровьем людей.