ما هو الغلاف المغناطيسي وكيف تؤثر العواصف المغناطيسية القوية على التكنولوجيا

أرضنا مغناطيس - هذا معروف للجميع. تغادر خطوط المجال المغناطيسي منطقة القطب المغناطيسي الجنوبي وتدخل منطقة القطب المغناطيسي الشمالي. تذكر أن الأقطاب المغناطيسية والجغرافية للأرض مختلفة قليلاً - في نصف الكرة الشمالي ، يتحول القطب المغناطيسي بحوالي 13 درجة باتجاه كندا.

تسمى مجموعة خطوط القوة للمجال المغناطيسي للأرض الغلاف المغناطيسي... الغلاف المغناطيسي للأرض غير متماثل حول المحور المغناطيسي للكوكب.

على جانب الشمس ينجذب ، على الجانب الآخر يطول. يعكس شكل الغلاف المغناطيسي هذا التأثير المستمر للرياح الشمسية عليه. يبدو أن الجسيمات المشحونة التي تطير من الشمس "تضغط" على خطوط القوة حقل مغناطيسي، بالضغط عليهم في جانب النهار وسحبهم في الجانب الليلي.

طالما كان وضع الشمس هادئًا ، تظل هذه الصورة بأكملها مستقرة تمامًا. ولكن بعد ذلك كان هناك ضوء الشمس ، وتغيرت الرياح الشمسية ، وأصبح تدفق الجسيمات المكونة لها أكبر ، وزادت طاقتها.بدأ الضغط على الغلاف المغناطيسي في الزيادة بسرعة ، وبدأت خطوط القوة على جانب النهار في الاقتراب من سطح الأرض ، وفي الجانب الليلي تم سحبها بقوة أكبر في "ذيل" الغلاف المغناطيسي. إنها عاصفة مغناطيسية (عاصفة مغناطيسية أرضية).

أثناء التوهجات الشمسية ، تحدث انفجارات هائلة من البلازما الساخنة على سطح الشمس. أثناء الثوران ، يتم إطلاق تيار قوي من الجسيمات ، والتي تتحرك بسرعة عالية من الشمس إلى الأرض وتعطل المجال المغناطيسي للكوكب.

الرياح الشمسية

يعني "ضغط" خطوط القوة حركة أقطابها على سطح الأرض ، مما يعني - تغيير في قوة المجال المغناطيسي في أي نقطة على الكرة الأرضية... وكلما كان ضغط الرياح الشمسية أقوى ، كلما كان ضغط خطوط المجال أكثر أهمية ، وفي المقابل ، كان التغيير في شدة المجال أقوى. أقوى العاصفة المغناطيسية.

في الوقت نفسه ، كلما اقتربنا من منطقة القطب المغناطيسي ، زادت خطوط المجال الخارجية التي تلتقي بالسطح. وهم ببساطة يتعرضون لأكبر تأثير للرياح الشمسية المضطربة ويتفاعلون (يزيحون) أكثر من غيرهم. وهذا يعني أن مظاهر الاضطرابات المغناطيسية يجب أن تكون أكبر في الأقطاب المغناطيسية الأرضية (أي عند خطوط العرض العالية) وأصغرها عند خط الاستواء المغنطيسي الأرضي.

تحول القطب الشمالي المغناطيسي من عام 1831 إلى عام 2007.

ما هو التغيير الموصوف في المجال المغناطيسي عند خطوط العرض العالية المحفوف بالعيش على سطح الأرض؟

أثناء العاصفة المغناطيسية ، يمكن أن يحدث انقطاع للتيار الكهربائي أو الاتصالات اللاسلكية أو تعطيل شبكات مشغلي الهاتف المحمول وأنظمة التحكم في المركبات الفضائية أو تلف الأقمار الصناعية.

تسببت عاصفة مغناطيسية عام 1989 في كيبيك بكندا في انقطاعات شديدة في التيار الكهربائي ، بما في ذلك حرائق المحولات (انظر أدناه للحصول على تفاصيل حول هذا الحادث). في عام 2012 ، عطلت عاصفة مغناطيسية شديدة الاتصالات مع المركبة الفضائية الأوروبية فينوس إكسبريس التي تدور حول كوكب الزهرة.

دعنا نتذكر كيف يعمل مولد التيار الكهربائي... في مجال مغناطيسي ثابت ، يتحرك موصل (دوار) (يدور). نتيجة ذلك في الباحث يظهر EMF ويبدأ في التدفق كهرباء... سيحدث نفس الشيء إذا كان السلك ثابتًا وسيتحرك المجال المغناطيسي (يتغير بمرور الوقت).

خلال العاصفة المغناطيسية هناك تغيير في المجال المغناطيسي ، وكلما اقتربنا من القطب المغناطيسي (كلما زاد خط العرض المغنطيسي الأرضي) ، كان هذا التغيير أقوى.

هذا يعني أن لدينا مجال مغناطيسي متغير. حسنًا ، والأسلاك الثابتة بأي طول على سطح الأرض لا تشغلها. هناك خطوط كهرباء وخطوط سكك حديدية وخطوط أنابيب ... باختصار ، الخيار رائع. وفي كل موصل ، بحكم القانون الفيزيائي المذكور أعلاه ، ينشأ تيار كهربائي ناتج عن اختلافات في المجال المغنطيسي الأرضي. سوف نتصل به التيار المغنطيسي الأرضي المستحث (IGT).

يعتمد حجم التيارات المستحثة على العديد من الظروف. بادئ ذي بدء ، بالطبع ، من سرعة وقوة التغيير في المجال المغنطيسي الأرضي ، أي من قوة العاصفة المغناطيسية.

ولكن حتى أثناء العاصفة نفسها ، تحدث تأثيرات مختلفة في أسلاك مختلفة.تعتمد على طول السلك واتجاهه على سطح الأرض.

كلما زاد طول السلك ، كان أقوى الحالية التي يسببها... أيضًا ، سيكون أقوى كلما اقترب اتجاه السلك من اتجاه الشمال والجنوب. في الواقع ، في هذه الحالة ، ستكون الاختلافات في المجال المغناطيسي عند حوافه هي الأكبر ، وبالتالي فإن المجال الكهرومغناطيسي سيكون الأكبر.

بالطبع ، يعتمد حجم هذا التيار على عدة عوامل أخرى ، بما في ذلك موصلية التربة تحت السلك. إذا كانت هذه الموصلية عالية ، فسيكون IHT أضعف لأن معظم التيار يمر عبر الأرض. إذا كانت صغيرة ، فمن المحتمل حدوث IHT شديد.

دون الخوض في فيزياء الظاهرة ، نلاحظ فقط أن IHTs هي السبب الرئيسي للمشاكل التي تسببها العواصف المغناطيسية في الحياة اليومية.

مثال على حالات الطوارئ الناجمة عن عاصفة مغناطيسية قوية والتيارات المستحثة الموصوفة في الأدبيات

العواصف المغناطيسية في 13-14 مارس 1989 والطوارئ في كندا

يستخدم علماء المغناطيس عدة طرق (تسمى المؤشرات المغناطيسية) لوصف حالة المجال المغناطيسي للأرض. دون الخوض في التفاصيل ، نلاحظ فقط أن هناك خمسة فهارس (أكثرها شيوعًا).

كل واحد منهم ، بالطبع ، له مزايا وعيوب وهو الأكثر ملاءمة ودقة في وصف مواقف معينة - على سبيل المثال ، الظروف الهياج في منطقة الشفق أو ، على العكس ، الصورة العالمية في ظروف هادئة نسبيًا.

بطبيعة الحال ، في نظام كل من هذه المؤشرات ، تتميز كل ظاهرة مغنطيسية أرضية بأرقام معينة - قيم الفهرس نفسه لفترة الظاهرة ، وهذا هو السبب في أنه من الممكن مقارنة شدة الاضطرابات المغناطيسية الأرضية التي حدثت في سنوات مختلفة.

كانت العاصفة المغناطيسية في الفترة من 13 إلى 14 مارس 1989 حدثًا مغناطيسيًا أرضيًا استثنائيًا وفقًا للحسابات القائمة على جميع أنظمة المؤشرات المغناطيسية.

وفقًا لملاحظات العديد من المحطات ، أثناء العاصفة ، يصل حجم الانحراف المغناطيسي (انحراف إبرة البوصلة من الاتجاه إلى القطب المغناطيسي) خلال 6 أيام إلى 10 درجات أو أكثر. هذا كثير ، مع الأخذ في الاعتبار أن الانحراف حتى نصف درجة غير مقبول لتشغيل العديد من الأدوات الجيوفيزيائية.

كانت هذه العاصفة المغناطيسية ظاهرة مغنطيسية أرضية غير عادية. ومع ذلك ، فإن الاهتمام به ما كان ليتجاوز دائرة ضيقة من المتخصصين ، لولا الأحداث الدرامية في حياة عدد من المناطق التي رافقته.

في الساعة 07:45 بالتوقيت العالمي المنسق في 13 مارس 1989 ، شهدت خطوط النقل عالية الجهد من خليج جيمس (شمال كيبيك ، كندا) إلى جنوب كيبيك والولايات الشمالية للولايات المتحدة ، وكذلك شبكة Hydro-Québec ، تيارات مستحثة قوية.

خلقت هذه التيارات حمولة إضافية قدرها 9450 ميجاوات على النظام ، والتي كانت أكثر من اللازم لإضافتها إلى الحمل المفيد البالغ 21350 ميجاوات في ذلك الوقت. تعطل النظام وترك 6 ملايين ساكن بدون كهرباء. استغرق الأمر 9 ساعات لإعادة النظام إلى العمل الطبيعي. تلقى المستهلكون في شمال الولايات المتحدة في ذلك الوقت أقل من 1325 ميجاوات ساعة من الكهرباء.

في الفترة من 13 إلى 14 مارس ، لوحظت أيضًا تأثيرات غير سارة مرتبطة بالتيارات المغنطيسية الأرضية المستحثة على خطوط الجهد العالي لأنظمة الطاقة الأخرى: عملت المرحلات الواقية ، وفشلت محولات الطاقة ، وانخفض الجهد ، وسجلت التيارات الطفيلية.

تم تسجيل أكبر القيم الحالية المستحثة في 13 مارس في Hydro-Ontario (80 A) و Labrador-Hydro (150 A). لست بحاجة إلى أن تكون خبيرًا في الطاقة لتتخيل الضرر الذي يمكن أن يحدث لأي نظام طاقة من خلال ظهور تيارات شاردة بهذا الحجم.

كل هذا لم يؤثر فقط على أمريكا الشمالية. وقد لوحظت ظواهر مماثلة في عدد من الدول الاسكندنافية. صحيح أن تأثيرها كان أضعف بكثير بسبب حقيقة أن الجزء الشمالي من أوروبا هو أبعد من القطب المغنطيسي الأرضي من الجزء الشمالي من أمريكا.

ومع ذلك ، في الساعة 08:24 بتوقيت وسط أوروبا ، سجلت ستة خطوط بقدرة 130 كيلوفولت في وسط وجنوب السويد ارتفاعًا متزامنًا في الجهد الناجم عن التيار ولكنها لم تصل إلى حادث.

يعلم الجميع ما يعنيه ترك 6 ملايين ساكن بدون كهرباء لمدة 9 ساعات. سيكون هذا وحده كافياً لجذب انتباه المتخصصين والجمهور إلى العاصفة المغناطيسية في 13-14 مارس. لكن آثاره لم تقتصر على أنظمة الطاقة.

تستقبل خدمة الحفاظ على التربة الأمريكية أيضًا إشارات من العديد من أجهزة الاستشعار التلقائية الموجودة في الجبال ومراقبة ظروف التربة والغطاء الثلجي وما إلى ذلك. على الراديو على تردد 41.5 ميجا هرتز كل يوم.

في 13 و 14 مارس (كما اتضح لاحقًا ، بسبب تراكب الإشعاع من مصادر أخرى) ، كانت هذه الإشارات ذات طبيعة غريبة ولا يمكن فك تشفيرها على الإطلاق ، أو تشير إلى وجود الانهيارات الجليدية والفيضانات والتدفقات الطينية الصقيع على الأرض في نفس الوقت ...

في الولايات المتحدة وكندا ، كانت هناك حالات فتح وإغلاق تلقائي لأبواب المرآب الخاصة التي تم ضبط أقفالها على تردد معين ("مفتاح") ولكن تم تشغيلها بسبب التداخل الفوضوي للإشارات القادمة من بعيد.

توليد التيارات المستحثة في خطوط الأنابيب

من المعروف جيدًا الدور الكبير الذي تلعبه خطوط الأنابيب في الاقتصاد الصناعي الحديث. مئات وآلاف الكيلومترات من الأنابيب المعدنية تمر عبر بلدان مختلفة. ولكن هذه أيضًا موصلات ويمكن أن تحدث التيارات المستحثة فيها أيضًا. بالطبع ، في هذه الحالة ، لا يمكنهم حرق محول أو مرحل ، لكنهم بلا شك يسببون ضررًا.

الحقيقة هي أنه للحماية من التآكل الإلكتروليتي ، فإن جميع خطوط الأنابيب لديها إمكانية سلبية على الأرض تبلغ حوالي 850 مللي فولت. يتم الحفاظ على قيمة هذه القدرة في كل نظام ثابتة ومضبوطة.يعتبر أن التآكل الإلكتروليتي الكبير يبدأ عندما تنخفض هذه القيمة إلى 650 مللي فولت.

وفقًا لشركات النفط الكندية ، في 13 مارس 1989 ، إلى جانب بداية العاصفة المغناطيسية ، بدأت طفرات حادة في الإمكانات واستمرت في 14 مارس. في هذه الحالة ، يكون حجم الإمكانات السلبية لعدة ساعات أقل من القيمة الحرجة ، بل وتنخفض أحيانًا إلى 100-200 مللي فولت.

بالفعل في عامي 1958 و 1972 ، أثناء العواصف المغناطيسية القوية ، بسبب التيارات المستحثة ، حدثت اضطرابات خطيرة في تشغيل كابل الاتصالات عبر المحيط الأطلسي. خلال عاصفة عام 1989كبل جديد قيد التشغيل بالفعل ، حيث تم نقل المعلومات عبر قناة بصرية (انظر - أنظمة الاتصال البصري) ، لذلك لا توجد مخالفات في نقل المعلومات.

ومع ذلك ، تم تسجيل ثلاثة ارتفاعات كبيرة في الجهد (300 و 450 و 700 فولت) في نظام طاقة الكابل ، والتي تزامنت مع تغيرات قوية في المجال المغناطيسي. على الرغم من أن هذه المسامير لم تتسبب في تعطل النظام ، إلا أنها كانت كبيرة بما يكفي لتشكل تهديدًا خطيرًا لعمله العادي.

يتغير المجال المغنطيسي الأرضي للأرض ويضعف. ماذا يعني ذلك؟

لا يتحرك المجال المغناطيسي للأرض على طول سطح الكوكب فحسب ، بل يغير أيضًا شدته. على مدى السنوات الـ 150 الماضية ، ضعفت بنحو 10٪. وجد الباحثون أن قطبية الأقطاب المغناطيسية تتغير مرة كل 500000 سنة تقريبًا - فالقطب الشمالي والقطب الجنوبي يتبادلان الأماكن. كانت آخر مرة حدث فيها هذا منذ حوالي مليون سنة.

قد يشهد أحفادنا هذا الارتباك والكوارث المحتملة المرتبطة بانعكاس القطبية. إذا كان هناك ثوران في وقت انعكاس الأقطاب المغناطيسية للشمس ، فلن يتمكن الدرع المغناطيسي من حماية الأرض وسيكون هناك انقطاع في التيار الكهربائي وانقطاع في أنظمة الملاحة في جميع أنحاء الكوكب.

الأمثلة المذكورة أعلاه تجعل المرء يفكر في مدى خطورة وتعدد الأوجه تأثير العواصف المغناطيسية القوية على الحياة اليومية للبشرية.

كل ما سبق هو مثال على التأثير الأكثر إثارة للإعجاب لطقس الفضاء (بما في ذلك التوهجات الشمسية والعواصف المغناطيسية) من العلاقات غير الموثوقة للغاية بين النشاط الشمسي والمغناطيسي وصحة الإنسان.