מהי המגנטוספרה וכיצד סופות מגנטיות חזקות משפיעות על הטכנולוגיה
כדור הארץ שלנו הוא מַגנֵט - זה ידוע לכל. קווי השדה המגנטי יוצאים מאזור הקוטב המגנטי הדרומי ונכנסים לאזור הקוטב המגנטי הצפוני. נזכיר כי הקטבים המגנטיים והגיאוגרפיים של כדור הארץ שונים במקצת - בחצי הכדור הצפוני, הקוטב המגנטי מוסט בערך 13° לכיוון קנדה.
קבוצת קווי הכוח של השדה המגנטי של כדור הארץ נקראת מגנטוספירה… המגנטוספירה של כדור הארץ אינה סימטרית לגבי הציר המגנטי של כוכב הלכת.
בצד השמש הוא נמשך, בצד הנגדי הוא מתארך. צורה זו של המגנטוספרה משקפת את ההשפעה המתמדת של רוח השמש עליה. נראה שחלקיקים טעונים שעפים מהשמש "לוחצים" את קווי הכוח שדה מגנטי, לחיצה עליהם בצד היום ומושכת אותם בצד הלילה.
כל עוד מצבה של השמש רגוע, כל התמונה הזו נשארת די יציבה. אבל אז היה אור שמש.רוח השמש השתנתה - זרימת החלקיקים המרכיבים אותה הפכה גדולה יותר, והאנרגיה שלהם גדולה יותר.הלחץ על המגנטוספרה החל לעלות במהירות, קווי הכוח בצד היום החלו להתקרב אל פני כדור הארץ, ובצד הלילה הם נמשכו חזק יותר אל ה"זנב" של המגנטוספרה. זה סערה מגנטית (סערה גיאומגנטית).
במהלך התלקחויות שמש, מתרחשים התפוצצויות מסיביות של פלזמה חמה על פני השמש. במהלך ההתפרצות משתחרר זרם חזק של חלקיקים, הנעים במהירות גבוהה מהשמש לכדור הארץ ומשבשים את השדה המגנטי של כוכב הלכת.
רוח סולארית
"דחיסה" של קווי הכוח פירושה תנועת הקטבים שלהם על פני כדור הארץ, כלומר - שינוי בעוצמת השדה המגנטי בכל נקודה על פני הגלובוס... וככל שהלחץ של רוח השמש חזק יותר, כך הדחיסה של קווי השדה משמעותית יותר, בהתאם, השינוי בעוצמת השדה חזק יותר. ככל שהסערה המגנטית חזקה יותר.
יחד עם זאת, ככל שקרוב יותר לאזור הקוטב המגנטי, כך נפגשים יותר קווי שדה חיצוניים על פני השטח. והם פשוט חווים את ההשפעה הגדולה ביותר של רוח השמש המופרעת ומגיבים (עקירים) הכי הרבה. המשמעות היא שהביטויים של הפרעות מגנטיות צריכים להיות הגדולים ביותר בקטבים הגיאומגנטיים (כלומר בקווי רוחב גבוהים) והקטנים ביותר בקו המשווה הגיאומגנטי.
תזוזה של הקוטב הצפוני המגנטי מ-1831 ל-2007.
מה עוד השינוי המתואר בשדה המגנטי בקווי רוחב גבוהים טומן בחובו עבורנו החיים על פני כדור הארץ?
במהלך סערה מגנטית, עלולות להתרחש הפסקות חשמל, תקשורת רדיו, הפרעה לרשתות של מפעילים ניידים ומערכות בקרת חלליות, או נזק ללוויינים.
סערה מגנטית משנת 1989 בקוויבק, קנדה גרמה להפסקות חשמל קשות, כולל שריפות שנאים (ראה להלן לפרטים על תקרית זו). ב-2012, סערה מגנטית קשה שיבשה את התקשורת עם חללית ונוס אקספרס האירופית המקיפה את נוגה.
בואו ניזכר כיצד פועל מחולל הזרם החשמלי… בשדה מגנטי נייח, מוליך (רוטור) נע (מסתובב). כתוצאה מכך, בחוקר מופיע EMF וזה מתחיל לזרום חַשְׁמַל... אותו הדבר יקרה אם החוט יהיה נייח והשדה המגנטי יזוז (שינוי בזמן).
במהלך סערה מגנטית חל שינוי בשדה המגנטי, וככל שהקוטב המגנטי קרוב יותר (ככל שהרוחב הגיאומגנטי גבוה יותר), כך השינוי הזה חזק יותר.
זה אומר שיש לנו שדה מגנטי משתנה. ובכן, וחוטים קבועים בכל אורך על פני כדור הארץ אינם תופסים. יש קווי חשמל, פסי רכבת, צינורות...במילה אחת, המבחר גדול. ובכל מוליך, מכוח החוק הפיזיקלי הנ"ל, נוצר זרם חשמלי, הנגרם על ידי שינויים בשדה הגיאומגנטי. אנחנו נתקשר אליו זרם גיאומגנטי מושרה (IGT).
גודל הזרמים המושרים תלוי בתנאים רבים. קודם כל, כמובן, ממהירות וחוזק השינוי בשדה הגיאומגנטי, כלומר מעוצמת הסערה המגנטית.
אבל גם במהלך אותה סערה מתרחשות השפעות שונות בחוטים שונים.הם תלויים באורך החוט ובכיוון שלו על פני כדור הארץ.
ככל שהחוט ארוך יותר, כך הוא יהיה חזק יותר זרם מושרה... כמו כן, הוא יהיה חזק יותר ככל שכיוון החוט יהיה קרוב יותר לכיוון צפון-דרום. למעשה, במקרה זה, הווריאציות של השדה המגנטי בקצוותיו יהיו הגדולות ביותר ולכן ה-EMF יהיה הגדול ביותר.
כמובן, גודל הזרם הזה תלוי במספר גורמים אחרים, כולל מוליכות האדמה שמתחת לחוט. אם מוליכות זו גבוהה, ה-IHT יהיה חלש יותר מכיוון שרוב הזרם יעבור דרך האדמה. אם הוא קטן, סביר להניח שהתרחשות של IHT חמור.
מבלי להיכנס יותר לפיזיקה של התופעה, נציין רק ש-IHTs הם הגורם העיקרי לצרות שגורמות סערות מגנטיות בחיי היומיום.
דוגמה למצבי חירום הנגרמים על ידי סערה מגנטית חזקה וזרמים המושרים המתוארים בספרות
סערות מגנטיות של 13-14 במרץ 1989 וחירום בקנדה
מגנטולוגים משתמשים במספר שיטות (הנקראות מדדים מגנטיים) כדי לתאר את מצב השדה המגנטי של כדור הארץ. מבלי להיכנס לפרטים, נציין רק שיש חמישה אינדקסים כאלה (הנפוצים שבהם).
לכל אחד מהם, כמובן, יש את היתרונות והחסרונות שלו והוא הכי נוח ומדויק בתיאור מצבים מסוימים - למשל, תנאים נסערים באזור הזוהר או להיפך, התמונה הגלובלית בתנאים רגועים יחסית.
מטבע הדברים, במערכת של כל אחד מהמדדים הללו, כל תופעה גיאומגנטית מאופיינת במספרים מסוימים - ערכי המדד עצמו לתקופת התופעה, ולכן ניתן להשוות את עוצמת ההפרעות הגיאומגנטיות שהתרחשו. בשנים שונות.
הסופה המגנטית של 13-14 במרץ 1989 הייתה אירוע גאומגנטי יוצא דופן על פי חישובים המבוססים על כל מערכות האינדקס המגנטי.
על פי תצפיות של תחנות רבות, בזמן סערה, עוצמת הסטייה המגנטית (סטיית מחט המצפן מהכיוון לקוטב המגנטי) תוך 6 ימים מגיעה ל-10 מעלות או יותר. זה הרבה, בהתחשב בכך שסטייה של אפילו חצי מעלה אינה מקובלת לפעולתם של מכשירים גיאופיזיים רבים.
סערה מגנטית זו הייתה תופעה גיאומגנטית יוצאת דופן. עם זאת, העניין בו בקושי היה חורג ממעגל מצומצם של מומחים, אלמלא האירועים הדרמטיים בחיי מספר אזורים שליוו אותו.
בשעה 07:45 UTC ב-13 במרץ 1989, קווי תמסורת במתח גבוה מג'יימס ביי (צפון קוויבק, קנדה) לדרום קוויבק ומדינות צפון ארצות הברית, כמו גם רשת הידרו-קוויבק, חוו זרמים חזקים.
זרמים אלו יצרו עומס נוסף של 9,450 מגה-ואט על המערכת, שהיה גדול מכדי להוסיף לעומס השימושי של 21,350 מגה-ואט באותה תקופה. המערכת נפלה והותירה 6 מיליון תושבים ללא חשמל. לקח 9 שעות להחזיר את המערכת לפעולה רגילה. צרכנים בצפון ארה"ב קיבלו באותה תקופה פחות מ-1,325 MWh של חשמל.
בתאריכים 13-14 במרץ נצפו גם השפעות לא נעימות הקשורות לזרמים גיאומגנטיים המושרים על קווי המתח הגבוה של מערכות חשמל אחרות: ממסרי הגנה פעלו, שנאי כוח נכשלו, ירד מתח, נרשמו זרמים טפיליים.
ערכי הזרם המושרה הגדולים ביותר ב-13 במרץ נרשמו במערכות Hydro-Ontario (80 A) ולברדור-Hydro (150 A). אתה לא צריך להיות מומחה אנרגיה כדי לדמיין את הנזק שיכול להיגרם לכל מערכת חשמל על ידי הופעת זרמים תועים בסדר גודל כזה.
כל זה השפיע לא רק על צפון אמריקה. תופעות דומות נצפו במספר מדינות סקנדינביה. נכון שהשפעתם הייתה חלשה הרבה יותר בשל העובדה שחלקה הצפוני של אירופה רחוק יותר מהקוטב הגיאומגנטי מאשר החלק הצפוני של אמריקה.
עם זאת, בשעה 08:24 CET, שישה קווים של 130 קילו וולט במרכז ובדרום שבדיה תיעדו עליית מתח בו-זמנית המושרה בזרם אך לא הגיעו לתאונה.
כולם יודעים מה זה אומר להשאיר 6 מיליון תושבים ללא חשמל למשך 9 שעות. זה לבדו יספיק כדי למשוך את תשומת לב המומחים והציבור לסופה המגנטית של 13-14 במרץ. אבל השפעותיו לא היו מוגבלות למערכות אנרגיה.
כמו כן, שירות שימור הקרקע האמריקאי מקבל אותות מחיישנים אוטומטיים רבים הממוקמים בהרים ומנטר את תנאי הקרקע, כיסוי השלג וכו'. ברדיו בתדר 41.5 מגה-הרץ בכל יום.
ב-13 וב-14 במרץ (כפי שהתברר מאוחר יותר, עקב סופרפוזיציה של קרינה ממקורות אחרים), האותות הללו היו בעלי אופי מוזר או שלא ניתן היה לפענח כלל, או שהצביעו על נוכחות של מפולות שלגים, שיטפונות, זרימות בוץ כפור על הקרקע באותו זמן...
בארה"ב ובקנדה, היו מקרים של פתיחה וסגירה ספונטנית של דלתות מוסך פרטיות שמנעוליהן היו מכוונים לתדר מסוים ("מפתח") אך הופעלו על ידי חפיפה כאוטית של אותות המגיעים מרחוק.
יצירת זרמים מושרים בצינורות
זה ידוע איזה תפקיד גדול ממלאים צינורות בכלכלה התעשייתית המודרנית. מאות ואלפי קילומטרים של צינורות מתכת עוברים במדינות שונות. אבל אלה גם מוליכים וזרמים מושרים יכולים להתרחש גם בהם. כמובן, במקרה זה, הם לא יכולים לשרוף שנאי או ממסר, אבל הם ללא ספק גורמים נזק.
העובדה היא שכדי להגן מפני קורוזיה אלקטרוליטית, לכל הצינורות יש פוטנציאל שלילי לאדמה של כ-850 mV. ערכו של פוטנציאל זה בכל מערכת נשמר קבוע ומבוקר. קורוזיה אלקטרוליטית משמעותית נחשבת להתחיל כאשר ערך זה יורד ל-650 mV.
לפי חברות הנפט הקנדיות, ב-13 במרץ 1989, יחד עם תחילתה של הסופה המגנטית, החלו עליות חדות בפוטנציאל והמשיכו ב-14 במרץ. במקרה זה, גודל הפוטנציאל השלילי למשך שעות רבות קטן מהערך הקריטי, ולעיתים אף יורד ל-100-200 mV.
כבר ב-1958 וב-1972, במהלך סערות מגנטיות חזקות, עקב זרמים מושרים, התרחשו הפרעות חמורות בהפעלת כבל התקשורת הטרנס-אטלנטי. במהלך הסערה של 1989כבל חדש כבר היה בפעולה, שבו מידע הועבר בערוץ אופטי (ראה - מערכות תקשורת אופטיות), כך שאין הפרות בהעברת המידע.
עם זאת, במערכת החשמל של הכבלים נרשמו שלושה קוצים גדולים במתח (300, 450 ו-700 וולט), שחפפו בזמן לשינויים חזקים בשדה המגנטי. למרות שהקוצים הללו לא גרמו לתקלה במערכת, הם היו גדולים מספיק כדי להוות איום רציני על פעולתה הרגילה.
השדה הגאומגנטי של כדור הארץ משתנה ונחלש. מה זה אומר?
השדה המגנטי של כדור הארץ לא רק נע לאורך פני כדור הארץ, אלא גם משנה את עוצמתו. במהלך 150 השנים האחרונות הוא נחלש בכ-10%. החוקרים גילו שבערך אחת ל-500,000 שנים, הקוטביות של הקטבים המגנטיים משתנה - הקוטב הצפוני והדרומי מחליפים מקומות. הפעם האחרונה שזה קרה הייתה לפני כמיליון שנים.
צאצאינו עשויים להיות עדים לבלבול הזה ולאסונות אפשריים הקשורים להיפוך קוטביות. אם תהיה התפרצות בזמן היפוך הקטבים המגנטיים של השמש, המגן המגנטי לא יוכל להגן על כדור הארץ ותהיה הפסקת חשמל והפרעה למערכות ניווט בכל רחבי כדור הארץ.
הדוגמאות שניתנו לעיל גורמות לחשוב עד כמה רצינית ורב-גונית יכולה להיות ההשפעה של סופות מגנטיות חזקות על חיי היומיום של האנושות.
כל האמור לעיל הוא דוגמה להשפעה הרבה יותר מרשימה של מזג אוויר בחלל (כולל התלקחויות שמש וסופות מגנטיות) מאשר מתאמים לא אמינים במיוחד של פעילות שמש ומגנטית עם בריאות האדם.