Từ quyển là gì và bão từ mạnh ảnh hưởng đến công nghệ như thế nào

Trái đất của chúng ta là nam châm - điều này ai cũng biết. Các đường sức từ rời khỏi khu vực của cực từ nam và đi vào khu vực của cực từ bắc. Hãy nhớ lại rằng các cực địa lý và từ trường của Trái đất hơi khác nhau—ở bán cầu bắc, cực từ bị dịch chuyển khoảng 13° về phía Canada.

Tập hợp các đường sức từ của Trái đất được gọi là từ quyển… Từ quyển của Trái đất không đối xứng với trục từ của hành tinh.

Ở phía Mặt trời, nó bị thu hút, ở phía đối diện, nó bị kéo dài ra. Hình dạng này của từ quyển phản ánh ảnh hưởng liên tục của gió mặt trời lên nó. Các hạt tích điện bay từ Mặt trời dường như "bóp chặt" các đường sức từ trường, nhấn chúng vào phía ban ngày và kéo chúng vào phía ban đêm.

Miễn là tình hình của Mặt trời yên tĩnh, toàn bộ bức tranh này vẫn khá ổn định. Nhưng sau đó có ánh sáng mặt trời, gió mặt trời đã thay đổi – dòng chảy của các hạt cấu thành nó trở nên lớn hơn và năng lượng của chúng cũng lớn hơn.Áp suất lên từ quyển bắt đầu tăng lên nhanh chóng, các đường sức ở phía ngày bắt đầu tiến gần bề mặt Trái đất hơn, còn ở phía đêm, chúng bị kéo mạnh hơn vào "đuôi" của từ quyển. Nó là bão từ (cơn bão địa từ).

Trong các vụ nổ mặt trời, các vụ nổ lớn của plasma nóng xảy ra trên bề mặt Mặt trời. Trong quá trình phun trào, một dòng hạt mạnh được giải phóng, di chuyển với tốc độ cao từ Mặt trời đến Trái đất và phá vỡ từ trường của hành tinh.

gió trời

"Việc nén" các đường sức có nghĩa là chuyển động của các cực của chúng trên bề mặt Trái đất, có nghĩa là — sự thay đổi cường độ từ trường tại bất kỳ điểm nào trên quả địa cầu... Và áp suất của gió mặt trời càng mạnh thì sự nén của các đường trường càng đáng kể, tương ứng, sự thay đổi cường độ trường càng mạnh. Bão từ càng mạnh.

Đồng thời, càng gần vùng cực từ, càng có nhiều đường sức ngoài tiếp xúc với bề mặt. Và họ chỉ đơn giản là trải qua tác động lớn nhất của gió mặt trời bị nhiễu loạn và phản ứng (di dời) nhiều nhất. Điều này có nghĩa là các biểu hiện của nhiễu loạn từ trường phải lớn nhất ở các cực địa từ (nghĩa là ở vĩ độ cao) và nhỏ nhất ở xích đạo địa từ.

Sự dịch chuyển của cực bắc từ tính từ năm 1831 đến năm 2007.

Điều gì khác là sự thay đổi được mô tả trong từ trường ở vĩ độ cao đối với chúng ta sống trên bề mặt Trái đất?

Trong cơn bão từ, mất điện, liên lạc vô tuyến, gián đoạn mạng điều hành di động và hệ thống điều khiển tàu vũ trụ hoặc hư hỏng vệ tinh có thể xảy ra.

Một cơn bão từ năm 1989 ở Quebec, Canada đã gây ra sự cố mất điện nghiêm trọng, bao gồm cả cháy máy biến áp (xem bên dưới để biết chi tiết về sự cố này). Vào năm 2012, một cơn bão từ nghiêm trọng đã làm gián đoạn liên lạc với tàu vũ trụ Venus Express của châu Âu đang quay quanh sao Kim.

Hãy nhớ lại máy phát điện hoạt động như thế nào… Trong từ trường đứng yên, một dây dẫn (rôto) chuyển động (quay). Kết quả là, trong nhà nghiên cứu EMF xuất hiện và nó bắt đầu chảy điện… Điều tương tự cũng xảy ra nếu dây dẫn đứng yên và từ trường sẽ chuyển động (thay đổi theo thời gian).

Trong cơn bão từ có sự thay đổi từ trường và càng gần cực từ (vĩ độ địa từ càng cao) thì sự thay đổi này càng mạnh.

Điều này có nghĩa là chúng ta có một từ trường thay đổi. Chà, và các dây cố định có độ dài bất kỳ trên bề mặt Trái đất không chiếm. Có đường dây điện, đường ray xe lửa, đường ống dẫn... Nói một cách dễ hiểu, sự lựa chọn là tuyệt vời. Và trong mỗi dây dẫn, theo định luật vật lý nói trên, một dòng điện phát sinh, gây ra bởi sự biến thiên của trường địa từ. Chúng tôi sẽ gọi cho anh ấy dòng địa từ cảm ứng (IGT).

Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào nhiều điều kiện. Tất nhiên, trước hết là từ tốc độ và sức mạnh của sự thay đổi trong địa từ trường, tức là từ sức mạnh của bão từ.

Nhưng ngay cả trong cùng một cơn bão, các hiệu ứng khác nhau xảy ra ở các dây khác nhau.Chúng phụ thuộc vào chiều dài của dây và hướng của nó trên bề mặt Trái đất.

Dây càng dài thì càng mạnh dòng điện cảm ứng… Ngoài ra, nó sẽ mạnh hơn khi hướng dây càng gần hướng bắc nam. Trên thực tế, trong trường hợp này, các biến thể của từ trường ở các cạnh của nó sẽ là lớn nhất và do đó EMF sẽ là lớn nhất.

Tất nhiên, độ lớn của dòng điện này phụ thuộc vào một số yếu tố khác, bao gồm cả độ dẫn điện của đất bên dưới dây dẫn. Nếu độ dẫn điện này cao thì IHT sẽ yếu hơn vì phần lớn dòng điện sẽ đi qua đất. Nếu nó nhỏ, có khả năng xảy ra IHT nghiêm trọng.

Không đi sâu hơn vào vật lý của hiện tượng, chúng tôi chỉ lưu ý rằng IHT là nguyên nhân chính gây ra những rắc rối mà bão từ gây ra trong cuộc sống hàng ngày.

Một ví dụ về các tình huống khẩn cấp do bão từ mạnh và dòng điện cảm ứng được mô tả trong tài liệu

Bão từ ngày 13-14 tháng 3 năm 1989 và tình trạng khẩn cấp ở Canada

Các nhà từ học sử dụng một số phương pháp (được gọi là chỉ số từ tính) để mô tả trạng thái của từ trường Trái đất. Không đi sâu vào chi tiết, chúng tôi chỉ lưu ý rằng có năm chỉ số như vậy (những chỉ số phổ biến nhất).

Tất nhiên, mỗi người trong số họ đều có ưu điểm và nhược điểm, đồng thời thuận tiện và chính xác nhất trong việc mô tả các tình huống nhất định — ví dụ: điều kiện hỗn loạn trong vùng cực quang hoặc ngược lại, bức tranh toàn cầu trong điều kiện tương đối yên tĩnh.

Đương nhiên, trong hệ thống của từng chỉ số này, mỗi hiện tượng địa từ được đặc trưng bởi các số nhất định - giá trị của chính chỉ số trong khoảng thời gian xảy ra hiện tượng, đó là lý do tại sao có thể so sánh cường độ nhiễu loạn địa từ xảy ra trong những năm khác nhau.

Cơn bão từ ngày 13-14 tháng 3 năm 1989 là một sự kiện địa từ ngoại lệ theo tính toán dựa trên tất cả các hệ thống chỉ số từ tính.

Theo quan sát của nhiều trạm, trong cơn bão, độ lớn của từ trường (độ lệch của kim la bàn so với hướng đến cực từ) trong vòng 6 ngày lên tới 10 độ trở lên. Điều này là rất nhiều, vì độ lệch thậm chí nửa độ là không thể chấp nhận được đối với hoạt động của nhiều thiết bị địa vật lý.

Cơn bão từ này là một hiện tượng địa từ bất thường. Tuy nhiên, sự quan tâm đến nó khó có thể vượt quá giới hạn hẹp của các chuyên gia, nếu không phải vì những sự kiện kịch tính trong cuộc sống của một số khu vực đi kèm với nó.

Vào lúc 07:45 UTC ngày 13 tháng 3 năm 1989, các đường dây truyền tải điện cao thế từ Vịnh James (phía bắc Quebec, Canada) đến miền nam Quebec và các bang phía bắc của Hoa Kỳ, cũng như mạng lưới Hydro-Québec, đã trải qua dòng điện cảm ứng mạnh.

Những dòng điện này đã tạo ra một phụ tải 9.450 MW trên hệ thống, quá nhiều so với phụ tải hữu ích là 21.350 MW vào thời điểm đó. Hệ thống bị hỏng, khiến 6 triệu cư dân không có điện. Phải mất 9 giờ để khôi phục hệ thống hoạt động bình thường. Người tiêu dùng ở miền bắc nước Mỹ vào thời điểm đó nhận được ít hơn 1.325 MWh điện.

Vào ngày 13-14 tháng 3, các hiệu ứng khó chịu liên quan đến dòng địa từ cảm ứng cũng được quan sát thấy trên đường dây cao áp của các hệ thống điện khác: rơle bảo vệ hoạt động, máy biến áp bị hỏng, sụt áp, dòng điện ký sinh được ghi lại.

Các giá trị dòng điện cảm ứng lớn nhất vào ngày 13 tháng 3 được ghi nhận trong hệ thống Hydro-Ontario (80 A) và Labrador-Hydro (150 A). Bạn không cần phải là một chuyên gia về năng lượng để tưởng tượng ra thiệt hại có thể gây ra cho bất kỳ hệ thống điện nào do sự xuất hiện của dòng điện lạc ở cường độ này.

Tất cả điều này không chỉ ảnh hưởng đến Bắc Mỹ. Hiện tượng tương tự đã được quan sát thấy ở một số quốc gia Scandinavi. Đúng là hiệu ứng của chúng yếu hơn nhiều do thực tế là phần phía bắc của Châu Âu nằm xa cực địa từ hơn phần phía bắc của Châu Mỹ.

Tuy nhiên, vào lúc 08:24 CET, sáu đường dây 130 kV ở miền trung và miền nam Thụy Điển đã ghi nhận một đợt tăng điện áp đồng thời do dòng điện gây ra nhưng không gây ra tai nạn.

Mọi người đều biết việc để 6 triệu cư dân không có điện trong 9 giờ có ý nghĩa như thế nào. Chỉ riêng điều đó thôi cũng đủ để thu hút sự chú ý của các chuyên gia và công chúng tới cơn bão từ ngày 13-14 tháng Ba. Nhưng ảnh hưởng của nó không chỉ giới hạn trong các hệ thống năng lượng.

Ngoài ra, Dịch vụ bảo tồn đất của Hoa Kỳ nhận tín hiệu từ nhiều cảm biến tự động đặt ở vùng núi và theo dõi điều kiện đất, tuyết phủ, v.v. trên đài phát thanh ở tần số 41,5 MHz mỗi ngày.

Vào ngày 13 và 14 tháng 3 (hóa ra sau đó, do sự chồng chất của bức xạ từ các nguồn khác), những tín hiệu này có bản chất kỳ lạ và không thể giải mã được hoặc chỉ ra sự hiện diện của tuyết lở, lũ lụt, dòng chảy bùn và sương giá trên mặt đất cùng một lúc ...

Ở Hoa Kỳ và Canada, đã có trường hợp tự động mở và đóng cửa nhà để xe tư nhân có ổ khóa được điều chỉnh theo một tần số nhất định ("chìa khóa") nhưng được kích hoạt bởi sự chồng chéo hỗn loạn của các tín hiệu đến từ xa.

Tạo ra dòng điện cảm ứng trong đường ống

Ai cũng biết vai trò to lớn của đường ống trong nền kinh tế công nghiệp hiện đại. Hàng trăm, hàng nghìn km đường ống kim loại đi qua các quốc gia khác nhau. Nhưng đây cũng là những chất dẫn điện và dòng điện cảm ứng cũng có thể xuất hiện trong chúng. Tất nhiên, trong trường hợp này, chúng không thể đốt cháy máy biến áp hoặc rơle, nhưng chắc chắn chúng sẽ gây ra hư hỏng.

Thực tế là để bảo vệ chống ăn mòn điện phân, tất cả các đường ống đều có điện thế âm so với mặt đất khoảng 850 mV. Giá trị của điện thế này trong mỗi hệ thống được giữ cố định và được kiểm soát.Sự ăn mòn điện phân đáng kể được coi là bắt đầu khi giá trị này giảm xuống 650 mV.

Theo các công ty dầu mỏ của Canada, vào ngày 13 tháng 3 năm 1989, cùng với sự khởi đầu của cơn bão từ, tiềm năng tăng đột biến và tiếp tục vào ngày 14 tháng 3. Trong trường hợp này, cường độ của điện thế âm trong nhiều giờ nhỏ hơn giá trị tới hạn, thậm chí đôi khi giảm xuống 100-200 mV.

Ngay trong năm 1958 và 1972, trong các cơn bão từ mạnh, do dòng điện cảm ứng, hoạt động của cáp viễn thông xuyên Đại Tây Dương đã xảy ra những xáo trộn nghiêm trọng. Trong cơn bão năm 1989một cáp mới đã hoạt động, trong đó thông tin được truyền qua kênh quang (xem — Hệ thống thông tin quang học) nên không có vi phạm trong việc truyền tải thông tin.

Tuy nhiên, ba xung điện áp lớn (300, 450 và 700 V) đã được ghi nhận trong hệ thống cáp điện, trùng khớp với thời điểm có sự thay đổi mạnh mẽ của từ trường. Mặc dù những xung đột biến này không khiến hệ thống gặp trục trặc, nhưng chúng đủ lớn để gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với hoạt động bình thường của hệ thống.

Địa từ trường của Trái đất đang thay đổi và suy yếu. Nó có nghĩa là gì?

Từ trường của Trái đất không chỉ di chuyển dọc theo bề mặt hành tinh mà còn thay đổi cường độ. Trong 150 năm qua, nó đã suy yếu khoảng 10%. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cứ khoảng 500.000 năm một lần, cực của các cực từ thay đổi—cực bắc và cực nam đổi chỗ cho nhau. Lần cuối cùng điều này xảy ra là khoảng một triệu năm trước.

Con cháu của chúng ta có thể chứng kiến ​​sự nhầm lẫn này và những thảm họa có thể xảy ra liên quan đến đảo cực. Nếu có một vụ phun trào xảy ra vào thời điểm các cực từ của Mặt trời đảo ngược, lá chắn từ trường sẽ không thể bảo vệ Trái đất và sẽ xảy ra tình trạng mất điện, gián đoạn hệ thống định vị trên toàn hành tinh.

Những ví dụ đưa ra ở trên khiến người ta phải suy nghĩ về tác động nghiêm trọng và nhiều mặt của những cơn bão từ mạnh đối với cuộc sống hàng ngày của nhân loại.

Tất cả những điều trên là một ví dụ về tác động ấn tượng hơn nhiều của thời tiết không gian (bao gồm cả các cơn bão mặt trời và bão từ) so với mối tương quan không đáng tin cậy của hoạt động từ trường và mặt trời với sức khỏe con người.