Qué es la magnetosfera y cómo afectan las fuertes tormentas magnéticas a la tecnología
Nuestra Tierra es imán — esto es conocido por todos. Las líneas de campo magnético salen de la zona del polo magnético sur y entran en la zona del polo magnético norte. Recuerde que los polos magnético y geográfico de la Tierra son ligeramente diferentes: en el hemisferio norte, el polo magnético se desplaza unos 13° hacia Canadá.
El conjunto de líneas de fuerza del campo magnético terrestre se denomina magnetosfera… La magnetosfera de la Tierra no es simétrica con respecto al eje magnético del planeta.
Por el lado del Sol se atrae, por el lado opuesto se alarga. Esta forma de la magnetosfera refleja la influencia constante del viento solar sobre ella. Partículas cargadas que vuelan desde el Sol parecen "apretar" las líneas de fuerza campo magnéticopresionándolos por el lado de día y tirando de ellos por el lado de noche.
Mientras la situación del Sol esté en calma, toda esta imagen permanecerá bastante estable. Pero luego apareció la luz del Sol. El viento solar ha cambiado: el flujo de sus partículas constituyentes se ha vuelto mayor, y su energía mayor.La presión sobre la magnetosfera comenzó a aumentar rápidamente, las líneas de fuerza en el lado diurno comenzaron a moverse más cerca de la superficie de la Tierra, y en el lado nocturno fueron atraídas con más fuerza hacia la "cola" de la magnetosfera. Es tormenta magnética (tormenta geomagnética).
Durante las erupciones solares, se producen explosiones masivas de plasma caliente en la superficie del Sol. Durante la erupción, se libera una fuerte corriente de partículas, que se desplazan a gran velocidad desde el Sol hasta la Tierra y perturban el campo magnético del planeta.
viento solar
"Compresión" de las líneas de fuerza significa el movimiento de sus polos sobre la superficie de la Tierra, lo que significa: un cambio en la fuerza del campo magnético en cualquier punto del globo... Y cuanto más fuerte es la presión del viento solar, más significativa es la compresión de las líneas de campo, en consecuencia, más fuerte es el cambio en la intensidad del campo. Cuanto más fuerte es la tormenta magnética.
Al mismo tiempo, cuanto más cerca de la región del polo magnético, más líneas de campo externo se encuentran con la superficie. Y simplemente experimentan el mayor impacto del viento solar perturbado y reaccionan (desplazan) más. Esto significa que las manifestaciones de perturbaciones magnéticas deberían ser mayores en los polos geomagnéticos (es decir, en latitudes altas) y menores en el ecuador geomagnético.
Cambio del polo norte magnético de 1831 a 2007.
¿De qué otra cosa está cargado el cambio descrito en el campo magnético en latitudes altas para nosotros que vivimos en la superficie de la Tierra?
Durante una tormenta magnética, pueden ocurrir cortes de energía, comunicaciones por radio, interrupción de las redes de operadores móviles y sistemas de control de naves espaciales, o daños a los satélites.
Una tormenta magnética de 1989 en Quebec, Canadá, provocó graves cortes de energía, incluidos incendios de transformadores (ver más abajo para obtener detalles sobre este incidente). En 2012, una fuerte tormenta magnética interrumpió las comunicaciones con la nave espacial europea Venus Express que orbitaba Venus.
recordemos como funciona el generador de corriente electrica… En un campo magnético estacionario, un conductor (rotor) se mueve (gira). En consecuencia, en el investigador Aparece un EMF y comienza a fluir electricidad… Lo mismo sucederá si el cable está estacionario y el campo magnético se moverá (cambio en el tiempo).
Durante una tormenta magnética hay un cambio en el campo magnético, y cuanto más cerca del polo magnético (cuanto mayor es la latitud geomagnética), más fuerte es este cambio.
Esto significa que tenemos un campo magnético cambiante. Bueno, y los cables fijos de cualquier longitud en la superficie de la Tierra no ocupan. Hay líneas eléctricas, vías férreas, oleoductos... En una palabra, la elección es excelente. Y en cada conductor, en virtud de la ley física antes mencionada, surge una corriente eléctrica, provocada por variaciones en el campo geomagnético. lo llamaremos corriente geomagnética inducida (IGT).
La magnitud de las corrientes inducidas depende de muchas condiciones. En primer lugar, por supuesto, de la velocidad y la fuerza del cambio en el campo geomagnético, es decir, de la fuerza de la tormenta magnética.
Pero incluso durante la misma tormenta, ocurren diferentes efectos en diferentes cables.Dependen de la longitud del cable y su orientación en la superficie de la Tierra.
Cuanto más largo sea el cable, más fuerte será corriente inducida… Además, será más fuerte cuanto más cerca esté la orientación del cable de la dirección norte-sur. De hecho, en este caso, las variaciones del campo magnético en sus bordes serán las mayores y por lo tanto la EMF será la mayor.
Por supuesto, la magnitud de esta corriente depende de varios otros factores, incluida la conductividad del suelo debajo del cable. Si esta conductividad es alta, el IHT será más débil porque la mayor parte de la corriente pasará por el suelo. Si es pequeño, es probable que ocurra un IHT grave.
Sin profundizar más en la física del fenómeno, sólo apuntamos que los IHT son la principal causa de los problemas que provocan las tormentas magnéticas en la vida cotidiana.
Un ejemplo de situaciones de emergencia provocadas por una fuerte tormenta magnética y corrientes inducidas descritas en la literatura
Tormentas magnéticas del 13 al 14 de marzo de 1989 y emergencia en Canadá
Los magnetólogos utilizan varios métodos (llamados índices magnéticos) para describir el estado del campo magnético de la Tierra. Sin entrar en detalles, solo notamos que hay cinco índices de este tipo (los más comunes).
Cada uno de ellos, por supuesto, tiene sus ventajas y desventajas y es más conveniente y preciso para describir ciertas situaciones, por ejemplo, condiciones agitadas en la zona de la aurora o, por el contrario, la imagen global en condiciones relativamente tranquilas.
Naturalmente, en el sistema de cada uno de estos índices, cada fenómeno geomagnético se caracteriza por ciertos números, los valores del propio índice para el período del fenómeno, por lo que es posible comparar la intensidad de las perturbaciones geomagnéticas que ocurrieron. en diferentes años.
La tormenta magnética del 13 y 14 de marzo de 1989 fue un evento geomagnético excepcional según los cálculos basados en todos los sistemas de índices magnéticos.
Según las observaciones de muchas estaciones, durante una tormenta, la magnitud de la declinación magnética (desviación de la aguja de la brújula de la dirección del polo magnético) en 6 días alcanza los 10 grados o más. Esto es mucho, considerando que una desviación de incluso medio grado es inaceptable para el funcionamiento de muchos instrumentos geofísicos.
Esta tormenta magnética fue un fenómeno geomagnético extraordinario. Sin embargo, el interés por él difícilmente habría excedido un estrecho círculo de especialistas, si no fuera por los dramáticos acontecimientos en la vida de una serie de regiones que lo acompañaron.
A las 07:45 UTC del 13 de marzo de 1989, las líneas de transmisión de alto voltaje desde James Bay (norte de Quebec, Canadá) hasta el sur de Quebec y los estados del norte de los Estados Unidos, así como la red Hydro-Québec, experimentaron fuertes corrientes inducidas.
Estas corrientes crearon una carga adicional de 9.450 MW en el sistema, que era demasiado para agregar a la carga útil de 21.350 MW en ese momento. El sistema se cayó, dejando a 6 millones de habitantes sin electricidad. Se necesitaron 9 horas para restaurar el sistema a su funcionamiento normal. Los consumidores del norte de EE. UU. en ese momento recibían menos de 1325 MWh de electricidad.
El 13 y 14 de marzo, también se observaron efectos desagradables asociados con las corrientes geomagnéticas inducidas en las líneas de alto voltaje de otros sistemas de energía: relés de protección funcionando, transformadores de energía fallados, caída de voltaje, se registraron corrientes parásitas.
Los mayores valores de corriente inducida el 13 de marzo se registraron en los sistemas Hydro-Ontario (80 A) y Labrador-Hydro (150 A). No hace falta ser un experto en energía para imaginar el daño que puede causar a cualquier sistema eléctrico la aparición de corrientes parásitas de esta magnitud.
Todo esto afectó no solo a América del Norte. Se han observado fenómenos similares en varios países escandinavos. Es cierto que su efecto fue mucho más débil debido a que la parte norte de Europa está más alejada del polo geomagnético que la parte norte de América.
Sin embargo, a las 08:24 CET, seis líneas de 130 kV en el centro y sur de Suecia registraron un pico de voltaje inducido por corriente simultánea pero no llegaron a un accidente.
Todo el mundo sabe lo que significa dejar a 6 millones de habitantes sin electricidad durante 9 horas. Eso solo sería suficiente para llamar la atención de los especialistas y el público sobre la tormenta magnética del 13 y 14 de marzo. Pero sus efectos no se limitaron a los sistemas energéticos.
Además, el Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU. recibe señales de numerosos sensores automáticos ubicados en las montañas y monitorean las condiciones del suelo, la capa de nieve, etc. en la radio en la frecuencia 41,5 MHz todos los días.
Los días 13 y 14 de marzo (como se supo más tarde, debido a la superposición de radiación de otras fuentes), estas señales eran de naturaleza extraña y no podían ser descifradas en absoluto, o indicaban la presencia de avalanchas, inundaciones, flujos de lodo y escarcha en el suelo al mismo tiempo...
En los EE. UU. y Canadá, ha habido casos de apertura y cierre espontáneos de puertas de garajes privados cuyas cerraduras estaban sintonizadas a una determinada frecuencia ("llave") pero que se activaron por la caótica superposición de señales que venían de lejos.
Generación de corrientes inducidas en tuberías
Es bien sabido el gran papel que juegan las tuberías en la economía industrial moderna. Cientos y miles de kilómetros de tuberías metálicas recorren diferentes países. Pero estos también son conductores y en ellos también pueden producirse corrientes inducidas. Por supuesto, en este caso, no pueden quemar un transformador o relé, pero sin duda causan daños.
El hecho es que para protegerse contra la corrosión electrolítica, todas las tuberías tienen un potencial negativo a tierra de unos 850 mV. El valor de este potencial en cada sistema se mantiene constante y controlado, se considera que comienza una corrosión electrolítica importante cuando este valor desciende a 650 mV.
Según las compañías petroleras canadienses, el 13 de marzo de 1989, junto con el inicio de la tormenta magnética, comenzaron fuertes picos de potencial que continuaron el 14 de marzo. En este caso, la magnitud del potencial negativo durante muchas horas es menor que el valor crítico y, a veces, incluso cae a 100-200 mV.
Ya en 1958 y 1972, durante fuertes tormentas magnéticas, debido a corrientes inducidas, se produjeron graves perturbaciones en el funcionamiento del cable de telecomunicaciones transatlántico. Durante la tormenta de 1989ya estaba en funcionamiento un nuevo cable, en el que la información se transmitía a través de un canal óptico (ver — Sistemas de comunicación óptica), por lo que no existen violaciones en la transmisión de información.
Sin embargo, se registraron tres grandes picos de tensión (300, 450 y 700 V) en el sistema de cable de alimentación, que coincidieron en el tiempo con fuertes cambios en el campo magnético. Aunque estos picos no provocaron el mal funcionamiento del sistema, fueron lo suficientemente grandes como para representar una seria amenaza para su funcionamiento normal.
El campo geomagnético de la Tierra está cambiando y debilitándose. ¿Qué significa?
El campo magnético de la Tierra no solo se mueve a lo largo de la superficie del planeta, sino que también cambia su intensidad. En los últimos 150 años, se ha debilitado en un 10%. Los investigadores encontraron que aproximadamente una vez cada 500.000 años, la polaridad de los polos magnéticos cambia: los polos norte y sur cambian de lugar. La última vez que esto sucedió fue hace aproximadamente un millón de años.
Nuestros descendientes pueden presenciar esta confusión y posibles desastres asociados con la inversión de polaridad. Si hay una erupción en el momento de la inversión de los polos magnéticos del Sol, el escudo magnético no podrá proteger a la Tierra y habrá un corte de energía y una interrupción de los sistemas de navegación en todo el planeta.
Los ejemplos dados arriba hacen pensar en cuán serio y multifacético puede ser el impacto de fuertes tormentas magnéticas en la vida diaria de la humanidad.
Todo lo anterior es un ejemplo de un efecto mucho más impresionante del clima espacial (incluidas las erupciones solares y las tormentas magnéticas) que las correlaciones no muy confiables de la actividad solar y magnética con la salud humana.