Apa itu magnetosfer dan seberapa kuat badai magnet memengaruhi teknologi

Bumi kita magnet — ini diketahui semua orang. Garis-garis medan magnet meninggalkan daerah kutub magnet selatan dan masuk ke daerah kutub magnet utara. Ingatlah bahwa kutub magnet dan geografis Bumi sedikit berbeda—di belahan bumi utara, kutub magnet bergeser sekitar 13° ke arah Kanada.

Himpunan garis gaya medan magnet bumi disebut magnetosfer… Magnetosfer bumi tidak simetris dengan sumbu magnet planet.

Di sisi Matahari tertarik, di sisi berlawanan memanjang. Bentuk magnetosfer ini mencerminkan pengaruh konstan angin matahari terhadapnya. Partikel bermuatan yang terbang dari Matahari tampak "memeras" garis gaya Medan gaya, menekannya di sisi siang dan menariknya di sisi malam.

Selama situasi Matahari tenang, gambaran keseluruhan ini tetap cukup stabil. Tapi kemudian ada sinar matahari, angin matahari telah berubah—aliran partikel penyusunnya menjadi lebih besar, dan energinya lebih besar.Tekanan pada magnetosfer mulai meningkat dengan cepat, garis gaya pada sisi siang hari mulai bergerak mendekati permukaan bumi, dan pada sisi malam mereka ditarik lebih kuat ke "ekor" magnetosfer. Dia badai magnet (badai geomagnetik).

Selama jilatan api matahari, ledakan besar plasma panas terjadi di permukaan Matahari. Selama letusan, aliran partikel yang kuat dilepaskan, yang bergerak dengan kecepatan tinggi dari Matahari ke Bumi dan mengganggu medan magnet planet.

angin surya

"Kompresi" garis gaya berarti pergerakan kutubnya di permukaan bumi, yang berarti — perubahan kekuatan medan magnet di setiap titik di dunia... Dan semakin kuat tekanan angin matahari, semakin signifikan kompresi garis medan, dengan demikian, semakin kuat perubahan kekuatan medan. Semakin kuat badai magnet.

Pada saat yang sama, semakin dekat ke daerah kutub magnet, semakin banyak garis medan luar yang bertemu dengan permukaan. Dan mereka hanya mengalami dampak terbesar dari gangguan angin matahari dan paling banyak bereaksi (menggeser). Ini berarti bahwa manifestasi gangguan magnet harus terbesar di kutub geomagnetik (yaitu, di lintang tinggi) dan terkecil di ekuator geomagnetik.

Pergeseran kutub utara magnet dari tahun 1831 hingga 2007.

Apa lagi perubahan yang dijelaskan dalam medan magnet di lintang tinggi yang penuh dengan kita yang hidup di permukaan bumi?

Selama badai magnetik, pemadaman listrik, komunikasi radio, gangguan jaringan operator seluler dan sistem kontrol pesawat ruang angkasa, atau kerusakan satelit dapat terjadi.

Badai magnet tahun 1989 di Quebec, Kanada menyebabkan pemadaman listrik yang parah, termasuk kebakaran trafo (lihat di bawah untuk perincian tentang insiden ini). Pada tahun 2012, badai magnet yang parah mengganggu komunikasi dengan pesawat luar angkasa European Venus Express yang mengorbit Venus.

Mari kita ingat cara kerja generator arus listrik… Dalam medan magnet stasioner, konduktor (rotor) bergerak (berputar). Akibatnya, di peneliti EMF muncul dan mulai mengalir listrik… Hal yang sama akan terjadi jika kabel tidak bergerak dan medan magnet akan bergerak (berubah waktu).

Selama badai magnet terjadi perubahan medan magnet, dan semakin dekat ke kutub magnet (semakin tinggi garis lintang geomagnetik), semakin kuat perubahan ini.

Ini berarti kita memiliki medan magnet yang berubah. Nah, dan kabel tetap dengan panjang berapa pun di permukaan bumi tidak menempati. Ada saluran listrik, rel kereta api, jaringan pipa...Singkatnya, pilihannya bagus. Dan di setiap konduktor, berdasarkan hukum fisika yang disebutkan di atas, timbul arus listrik yang disebabkan oleh variasi medan geomagnetik. Kami akan memanggilnya arus geomagnetik terinduksi (IGT).

Besarnya arus induksi tergantung pada banyak kondisi. Pertama-tama tentunya dari kecepatan dan kekuatan perubahan medan geomagnetik, yaitu dari kekuatan badai magnet.

Tetapi bahkan selama badai yang sama, efek yang berbeda terjadi pada kabel yang berbeda.Mereka bergantung pada panjang kawat dan orientasinya di permukaan bumi.

Semakin panjang kabelnya, semakin kuat jadinya arus induksi… Juga, akan semakin kuat semakin dekat orientasi kawat ke arah utara-selatan. Faktanya, dalam hal ini, variasi medan magnet di tepinya akan menjadi yang terbesar dan oleh karena itu EMF akan menjadi yang terbesar.

Tentu saja, besarnya arus ini bergantung pada beberapa faktor lain, termasuk konduktivitas tanah di bawah kawat. Jika konduktivitas ini tinggi, IHT akan lebih lemah karena sebagian besar arus akan melewati tanah. Jika kecil, kemungkinan terjadinya IHT parah.

Tanpa masuk lebih jauh ke fisika fenomena tersebut, kami hanya mencatat bahwa IHT adalah penyebab utama masalah yang disebabkan oleh badai magnet dalam kehidupan sehari-hari.

Contoh situasi darurat yang disebabkan oleh badai magnet yang kuat dan arus induksi dijelaskan dalam literatur

Badai magnetik 13-14 Maret 1989 dan keadaan darurat di Kanada

Ahli magnet menggunakan beberapa metode (disebut indeks magnetik) untuk menggambarkan keadaan medan magnet bumi. Tanpa merinci, kami hanya mencatat bahwa ada lima indeks seperti itu (yang paling umum).

Masing-masing, tentu saja, memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri dan paling nyaman dan akurat dalam menggambarkan situasi tertentu - misalnya, kondisi gelisah di zona aurora atau, sebaliknya, gambaran global dalam kondisi yang relatif tenang.

Secara alami, dalam sistem masing-masing indeks ini, setiap fenomena geomagnetik dicirikan oleh angka-angka tertentu - nilai indeks itu sendiri untuk periode fenomena tersebut, oleh karena itu dimungkinkan untuk membandingkan intensitas gangguan geomagnetik yang terjadi. di tahun yang berbeda.

Badai magnet 13-14 Maret 1989 adalah peristiwa geomagnetik yang luar biasa menurut perhitungan berdasarkan semua sistem indeks magnetik.

Menurut pengamatan banyak stasiun, saat badai, besarnya deklinasi magnet (penyimpangan jarum kompas dari arah ke kutub magnet) dalam 6 hari mencapai 10 derajat atau lebih. Ini banyak, mengingat penyimpangan bahkan setengah derajat tidak dapat diterima untuk pengoperasian banyak instrumen geofisika.

Badai magnet ini merupakan fenomena geomagnetik yang luar biasa. Namun, minat terhadapnya hampir tidak akan melebihi lingkaran sempit spesialis, jika bukan karena peristiwa dramatis dalam kehidupan sejumlah daerah yang menyertainya.

Pada pukul 07:45 UTC tanggal 13 Maret 1989, jalur transmisi tegangan tinggi dari James Bay (quebec utara, Kanada) ke Quebec selatan dan negara bagian utara Amerika Serikat, serta jaringan Hydro-Québec, mengalami arus induksi yang kuat.

Arus ini menciptakan beban tambahan sebesar 9.450 MW pada sistem, yang terlalu banyak untuk ditambahkan ke beban berguna sebesar 21.350 MW pada saat itu. Sistem mati, meninggalkan 6 juta penduduk tanpa listrik. Butuh 9 jam untuk memulihkan sistem ke operasi normal. Konsumen di AS bagian utara saat itu menerima listrik kurang dari 1.325 MWh.

Pada 13-14 Maret, efek tidak menyenangkan yang terkait dengan arus geomagnetik induksi juga diamati pada saluran tegangan tinggi sistem tenaga lain: relai pelindung bekerja, transformator daya gagal, tegangan turun, arus parasit dicatat.

Nilai arus induksi terbesar pada 13 Maret dicatat dalam sistem Hydro-Ontario (80 A) dan Labrador-Hydro (150 A). Anda tidak perlu menjadi ahli energi untuk membayangkan kerusakan yang dapat terjadi pada sistem tenaga apa pun dengan munculnya arus liar sebesar ini.

Semua ini tidak hanya memengaruhi Amerika Utara. Fenomena serupa telah diamati di sejumlah negara Skandinavia. Benar bahwa efeknya jauh lebih lemah karena fakta bahwa bagian utara Eropa lebih jauh dari kutub geomagnetik daripada bagian utara Amerika.

Namun, pada 08:24 CET, enam jalur 130-kV di Swedia tengah dan selatan mencatat lonjakan tegangan yang diinduksi arus secara bersamaan tetapi tidak mencapai kecelakaan.

Semua orang tahu apa artinya meninggalkan 6 juta penduduk tanpa listrik selama 9 jam. Itu saja sudah cukup untuk menarik perhatian para spesialis dan publik terhadap badai magnet 13-14 Maret. Tetapi pengaruhnya tidak terbatas pada sistem energi.

Juga, Layanan Konservasi Tanah AS menerima sinyal dari berbagai sensor otomatis yang terletak di pegunungan dan memantau kondisi tanah, tutupan salju, dll. di radio pada frekuensi 41,5 MHz setiap hari.

Pada tanggal 13 dan 14 Maret (ternyata kemudian, karena superposisi radiasi dari sumber lain), sinyal-sinyal ini bersifat aneh dan tidak dapat diuraikan sama sekali, atau menunjukkan adanya longsoran salju, banjir, semburan lumpur, dan embun beku di tanah pada saat yang sama ...

Di AS dan Kanada, ada kasus pembukaan dan penutupan spontan pintu garasi pribadi yang kuncinya disetel ke frekuensi tertentu ("kunci") tetapi dipicu oleh tumpang tindih sinyal yang datang dari jauh.

Pembangkitan arus induksi dalam saluran pipa

Diketahui dengan baik betapa besar peran jaringan pipa dalam ekonomi industri modern. Ratusan dan ribuan kilometer pipa logam melewati berbagai negara. Tetapi ini juga merupakan konduktor dan arus induksi dapat terjadi di dalamnya juga. Tentu saja, dalam hal ini, mereka tidak dapat membakar trafo atau relai, tetapi tidak diragukan lagi menyebabkan kerusakan.

Faktanya adalah bahwa untuk melindungi dari korosi elektrolitik, semua saluran pipa memiliki potensi negatif ke ground sekitar 850 mV. Nilai potensial ini di setiap sistem dijaga konstan dan terkontrol Korosi elektrolitik yang signifikan dianggap dimulai ketika nilai ini turun menjadi 650 mV.

Menurut perusahaan minyak Kanada, pada 13 Maret 1989, bersamaan dengan permulaan badai magnet, potensi lonjakan tajam dimulai dan berlanjut pada 14 Maret. Dalam hal ini, besarnya potensial negatif selama berjam-jam kurang dari nilai kritisnya, bahkan terkadang turun menjadi 100-200 mV.

Sudah pada tahun 1958 dan 1972, selama badai magnet yang kuat, akibat arus induksi, gangguan serius terjadi pada pengoperasian kabel telekomunikasi transatlantik. Selama badai tahun 1989kabel baru sudah beroperasi, di mana informasi ditransmisikan melalui saluran optik (lihat — Sistem komunikasi optik), sehingga tidak terjadi pelanggaran dalam penyampaian informasi.

Namun, tiga lonjakan tegangan besar (300, 450 dan 700 V) dicatat dalam sistem daya kabel, yang bertepatan dengan perubahan kuat pada medan magnet. Meskipun lonjakan ini tidak menyebabkan kegagalan fungsi sistem, lonjakan tersebut cukup besar untuk menimbulkan ancaman serius bagi pengoperasian normalnya.

Medan geomagnetik bumi sedang berubah dan melemah. Apa artinya?

Medan magnet bumi tidak hanya bergerak di sepanjang permukaan planet, tetapi juga mengubah intensitasnya. Selama 150 tahun terakhir, telah melemah sekitar 10%. Para peneliti menemukan bahwa kira-kira setiap 500.000 tahun sekali, polaritas kutub magnet berubah—kutub utara dan selatan bertukar tempat. Terakhir kali ini terjadi sekitar satu juta tahun yang lalu.

Keturunan kita mungkin menyaksikan kebingungan ini dan kemungkinan bencana yang terkait dengan pembalikan polaritas. Jika terjadi letusan pada saat pembalikan kutub magnet Matahari, perisai magnet tidak akan mampu melindungi Bumi dan akan terjadi pemadaman listrik dan gangguan sistem navigasi di seluruh planet.

Contoh-contoh yang diberikan di atas membuat orang berpikir tentang betapa serius dan beragamnya dampak badai magnet yang kuat terhadap kehidupan sehari-hari umat manusia.

Semua hal di atas adalah contoh efek cuaca luar angkasa yang jauh lebih mengesankan (termasuk suar matahari dan badai magnet) daripada korelasi aktivitas matahari dan magnet yang tidak terlalu andal dengan kesehatan manusia.