Войти
Художественное изображение частиц солнечного ветра, взаимодействующих с магнитосферой Земли. Размеры не соответствуют масштабу. A геомагнитная буря (обычно называемая солнечная буря ) - это временное возмущение Земли магнитосферы вызвано солнечным ветром ударной волной и / или облаком магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем Земли.
Возмущение, вызывающее магнитную бурю, может быть солнечной корональной массой выброс (CME) или совместно вращающаяся область взаимодействия (CIR), высокоскоростной поток солнечного ветра, исходящий из корональной дыры. Частота геомагнитных бурь увеличивается и уменьшается с циклом солнечных пятен. Во время солнечного максимума геомагнитные бури случаются чаще, большинство из которых вызвано КВМ. Во время минимума солнечной активности бури в основном вызываются CIR (хотя бури CIR более часты при максимуме солнечной активности, чем при минимуме).
Увеличение давления солнечного ветра сначала сжимает магнитосферу. Магнитное поле солнечного ветра взаимодействует с магнитным полем Земли и передает увеличенную энергию в магнитосферу. Оба взаимодействия вызывают увеличение движения плазмы через магнитосферу (вызванное увеличением электрических полей внутри магнитосферы) и увеличение электрического тока в магнитосфере и ионосфере. Во время основной фазы геомагнитной бури электрический ток в магнитосфере создает магнитную силу, которая выталкивает границу между магнитосферой и солнечным ветром.
Некоторые явления космической погоды, как правило, связаны с геомагнитной бурей или вызваны ею. К ним относятся солнечные энергетические частицы (SEP), геомагнитно-индуцированные токи (GIC), ионосферные возмущения, вызывающие сцинтилляции радио и радаров, нарушение навигации по магнитному компасу и полярные сияния в гораздо меньшей степени. широты, чем обычно.
Крупнейшая зарегистрированная геомагнитная буря, Событие Кэррингтона в сентябре 1859 года, разрушило части недавно созданной телеграфной сети США, вызвав пожары и шокировав некоторых операторов телеграфа. В 1989 г. геомагнитная буря возбудила индуцированные землей токи, которые нарушили распределение электроэнергии по большей части Квебека и вызвали полярные сияния далеко на юг до Техас.
Геомагнитная буря определяется изменениями в Индекс Dst (возмущение - время шторма). Индекс Dst оценивает глобально усредненное изменение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли на магнитном экваторе на основе измерений с нескольких станций магнитометров. Dst вычисляется один раз в час и сообщается в режиме, близком к реальному времени. В спокойное время Dst составляет от +20 до -20 нано- тесла (нТл).
Геомагнитная буря имеет три фазы: начальную, основную и восстановительную. Начальная фаза характеризуется увеличением Dst (или его одноминутного компонента SYM-H) на 20-50 нТл за десятки минут. Начальная фаза также называется внезапным началом шторма (SSC). Однако не у всех геомагнитных бурь есть начальная фаза, и не все внезапные увеличения Dst или SYM-H сопровождаются геомагнитной бурей. Основная фаза геомагнитной бури определяется уменьшением Dst до менее -50 нТл. Выбор −50 нТл для определения шторма в некоторой степени произвольный. Минимальное значение во время шторма будет от -50 до примерно -600 нТл. Продолжительность основной фазы обычно составляет 2–8 часов. Фаза восстановления - это когда Dst изменяется с минимального значения на значение времени покоя. Фаза восстановления может длиться от 8 часов до 7 дней.
Aurora borealis Геомагнитная буря по размеру классифицируется как умеренная (-50 нТл>минимум Dst>-100 нТл), интенсивная (-100 нТл>минимум Dst>-250 нТл) или супер-шторм ( минимум Dst < −250 nT).
В 1931 году Сидней Чепмен и Винченцо К.А. Ферраро написали статью «Новая теория магнитных бурь», в которой стремились объяснить Они утверждали, что всякий раз, когда Солнце испускает солнечную вспышку, оно также испускает плазменное облако, известное теперь как выброс корональной массы. Они предположили, что это плазма движется с такой скоростью, что достигает Земли за 113 дней, хотя теперь мы знаем, что это путешествие занимает от 1 до 5 дней. Они писали, что затем облако сжимает магнитное поле Земли и, таким образом, увеличивает это поле на поверхности Земли. В своей работе Чепмен и Ферраро использовали, в частности, работу Кристиана Биркеланда, который использовал недавно обнаруженные электронно-лучевые трубки, чтобы показать, что лучи отклоняются к защищает полюса магнитной сферы. Он предположил, что подобное явление было ответственно за полярные сияния, объяснив, почему они более часты в полярных регионах.
Первое научное наблюдение эффектов геомагнитной бури произошло в начале XIX века: с мая 1806 года по июнь 1807 года Александр фон Гумбольдт зафиксировал азимут магнитного компаса в Берлине. 21 декабря 1806 года он заметил, что его компас стал нестабильным во время яркого полярного сияния.
1–2 сентября 1859 года произошла самая большая зарегистрированная геомагнитная буря. С 28 августа по 2 сентября 1859 года на Солнце наблюдались многочисленные солнечные пятна и солнечные вспышки, самая большая из которых - 1 сентября. Это явление называется солнечной бурей 1859 года или Кэррингтоном. Событие. Можно предположить, что массивный выброс корональной массы (CME) был запущен с Солнца и достиг Земли в течение восемнадцати часов - путешествие, которое обычно занимает от трех до четырех дней. Горизонтальное поле было уменьшено на 1600 нТл, как зарегистрировано обсерваторией Колаба. Подсчитано, что Dst составлял приблизительно -1760 нТл. Телеграфные провода как в Соединенных Штатах, так и в Европе испытывали наведенное напряжение (ЭДС ), в некоторых случаях даже передавая удары на телеграф. операторов и розжига костров. Полярные сияния наблюдались далеко на юге, вплоть до Гавайев, Мексики, Кубы и Италии - явления, которые обычно наблюдаются только в полярных регионах. Ледяные керны свидетельствуют о том, что события подобной интенсивности повторяются в среднем примерно раз в 500 лет.
С 1859 г. происходили менее сильные штормы, в частности полярное сияние 17 ноября 1882 г. и геомагнитная буря в мае 1921 г., как с нарушением телеграфной службы, так и с началом пожаров и в 1960 г., когда сообщалось о широкомасштабном нарушении радиосвязи.
GOES-7 отслеживает условия космической погоды во время Великой геомагнитной бури в марте 1989 г., московский нейтронный монитор зафиксировал прохождение КВМ как падение уровней, известное как a Форбуш-понижение.В начале августа 1972 года серия вспышек и солнечных бурь достигла пика со вспышкой примерно в 20 раз, что привело к самому быстрому прохождению КВМ из когда-либо зарегистрированных, а также сильной геомагнитной и протонной бури, которая разрушила наземные электрические сети и сети связи, а также спутники (по крайней мере, один из них был временно выведен из строя) и непреднамеренно взорвали многочисленные морские мины ВМС США с магнитным воздействием в Северном Вьетнаме.
Геомагнитная буря в марте 1989 г. вызвал крах Гидро- Электросеть Квебека за секунды, поскольку реле защиты оборудования срабатывают в каскадной последовательности. Шесть миллионов человек остались без электричества на девять часов. Шторм вызвал полярные сияния на юге до Техаса. Шторм, вызвавший это событие, был результатом выброса корональной массы из Солнца 9 марта 1989 г. Минимальное значение Dst составило -589 нТл.
14 июля 2000 года произошла вспышка класса X5 (известная как День взятия Бастилии ), и корональная масса была запущена прямо на Землю. 15–17 июля произошла геомагнитная супербури; минимум индекса Dst составил -301 нТл. Несмотря на силу шторма, отказов в системе распределения электроэнергии не было. Событие Дня взятия Бастилии наблюдали аппараты "Вояджер-1 " и "Вояджер-2 ", таким образом, это самая дальняя точка в Солнечной системе, где наблюдалась солнечная буря.
Семнадцать крупных вспышек на Солнце с 19 октября по 5 ноября 2003 г., включая, пожалуй, самую интенсивную вспышку, когда-либо измеренную датчиком GOES XRS - огромную вспышку X28, которая привела к экстремальной отключение радио, 4 ноября. Эти вспышки были связаны с событиями CME, которые вызвали три геомагнитных бури в период с 29 октября по 2 ноября, во время которых вторая и третья бури были инициированы до полного восстановления предыдущего периода бури. Минимальные значения Dst составляли -151, -353 и -383 нТл. Другой шторм в этой последовательности произошел 4–5 ноября с минимальным значением Dst -69 нТл. Последняя геомагнитная буря была слабее предыдущих, потому что активная область на Солнце повернулась за меридиан, где центральная часть КВМ, созданная во время вспышки, перешла в сторону Земли. Вся последовательность стала известна как Хэллоуинская солнечная буря. Система Wide Area Augmentation System (WAAS), которой управляет Федеральное управление гражданской авиации (FAA), не работала в течение примерно 30 часов из-за шторма. Японский спутник ADEOS-2 был серьезно поврежден, а работа многих других спутников была прервана из-за шторма.
Магнитосфера в околоземной космической среде. Солнце ветер также несет с собой магнитное поле Солнца. Это поле будет иметь ориентацию на север или юг. Если солнечный ветер имеет энергетические всплески, сжимающие и расширяющие магнитосферу, или если солнечный ветер принимает южную поляризацию, можно ожидать геомагнитных бурь. Южное поле вызывает магнитное пересоединение дневной магнитопаузы, быстро вводя магнитную энергию и энергию частиц в магнитосферу Земли.
Во время геомагнитной бури слой F2ионосферы становится нестабильным, фрагментируется и даже может исчезнуть. В регионах северного и южного полюсов Земли наблюдаются полярные сияния.
Магнитометры контролируют авроральную зону, а также экваториальную область. Два типа радара, когерентное рассеяние и некогерентное рассеяние, используются для исследования авроральной ионосферы. Отражая сигналы от ионосферных неоднородностей, которые движутся вместе с силовыми линиями, можно отслеживать их движение и делать выводы о магнитосферной конвекции.
К приборам для космических аппаратов относятся:
Компьютеры позволили объединить десятилетия изолированных магнитных наблюдений и извлечь средние модели электрических токов и средние реакции на межпланетные вариации. Они также запускают моделирование глобальной магнитосферы и ее откликов, решая уравнения Магнитогидродинамика (МГД) на числовой сетке. Приложение Необходимо добавить соответствующие расширения, чтобы покрыть внутреннюю магнитосферу, где необходимо учитывать магнитные дрейфы и ионосферную проводимость. Пока результаты трудно интерпретировать, и необходимы определенные предположения, чтобы охватить мелкомасштабные явления.
Было высказано предположение что геомагнитная буря в масштабах солнечной бури 1859 сегодня может нанести миллиарды или даже триллионы долларов ущерба спутникам, электросетям и радиосвязи, а также вызвать отключение электричества в огромных масштабах, не подлежат ремонту в течение недель, месяцев или даже лет. Такие внезапные отключения электроэнергии могут угрожать производству продуктов питания.
Когда магнитные поля перемещаются поблизости от проводника, такого как провод, В проводнике создается геомагнитно-индуцированный ток. Это происходит в больших масштабах во время геомагнитных бурь (тот же механизм влиял на телефонные и телеграфные линии до волоконной оптики, см. Выше) на всех протяженных линиях передачи. Таким образом, этот эффект может повредить длинные линии электропередачи (многие километры протяженностью). Примечательно, что это в основном операторы в Китае, Северной Америке и Австралии, особенно на современных линиях высокого напряжения с низким сопротивлением. Европейская сеть состоит в основном из более коротких цепей передачи, которые менее уязвимы для повреждений.
(почти постоянные) токи, наведенные в этих линиях из-за геомагнитных бурь, вредны для оборудования передачи электроэнергии, особенно трансформаторов - индуцирование насыщения сердечника , ограничение их производительности (а также срабатывание различных предохранительных устройств) и вызывающее нагрев катушек и сердечников. В крайних случаях это тепло может вывести их из строя или разрушить, даже вызвать цепную реакцию, которая может перегрузить трансформаторы. Большинство генераторов подключаются к сети через трансформаторы, изолирующие их от индуцированных токов в сети, что делает их гораздо менее восприимчивыми к повреждениям из-за геомагнитно-индуцированного тока. Однако трансформатор, который подвергается этому, будет действовать как несбалансированная нагрузка для генератора, вызывая ток обратной последовательности в статоре и, следовательно, нагрев ротора.
Согласно исследованию корпорации Metatech, ураган с силой, сопоставимой с силой 1921 года, уничтожит более 300 трансформаторов и оставит без электричества более 130 миллионов человек в Соединенных Штатах, что стоит несколько триллионов долларов. Степень сбоя обсуждается, при этом некоторые показания Конгресса указывают на потенциально неопределенное отключение до тех пор, пока трансформаторы не будут заменены или отремонтированы. Эти прогнозы опровергаются отчетом North American Electric Reliability Corporation, в котором делается вывод, что геомагнитный шторм вызовет временную нестабильность сети, но не повлечет за собой широкомасштабное разрушение высоковольтных трансформаторов. В отчете указывается, что широко цитируемый обвал электросети Квебека был вызван не перегревом трансформаторов, а почти одновременным отключением семи реле.
Помимо того, что трансформаторы уязвимы к воздействию геомагнитной бури, электроэнергетические компании могут также косвенно затронуты геомагнитной бурей. Например, интернет-провайдеры могут выйти из строя во время геомагнитных бурь (и / или не работать долгое время). Электроэнергетические компании могут иметь оборудование, для работы которого требуется работающее подключение к Интернету, поэтому в период отключения интернет-провайдера электричество также может не распределяться.
Получая оповещения и предупреждения о геомагнитных штормах (например, от Центр прогнозирования космической погоды ; с помощью спутников космической погоды (SOHO или ACE) энергетические компании могут минимизировать повреждение оборудования передачи электроэнергии, мгновенно отключив трансформаторы или вызвав временные отключения электроэнергии. Также существуют профилактические меры, в том числе предотвращение притока GIC в сеть через соединение нейтраль-земля.
Высокочастотные (3–30 МГц) системы связи используют ионосферу для отражать радиосигналы на большие расстояния. Ионосферные бури могут влиять на радиосвязь на всех широтах. Некоторые частоты поглощаются, а другие отражаются, что приводит к быстрым флуктуациям сигналов и неожиданным путям распространения. Телевидение и коммерческие радиостанции мало подвержены влиянию солнечной активности, но земля-воздух, судно-берег, коротковолновое вещание и любительское радио (в основном диапазоны ниже 30 МГц) часто нарушаются. Радиооператоры, использующие HF-диапазоны, полагаются на солнечные и геомагнитные сигналы, чтобы поддерживать свои каналы связи в рабочем состоянии.
Военные системы обнаружения или раннего предупреждения, работающие в высокочастотном диапазоне, также подвержены влиянию солнечной активности. Загоризонтный радар отражает сигналы от ионосферы для отслеживания запуска самолетов и ракет с больших расстояний. Во время геомагнитных бурь этой системе могут серьезно мешать радиопомехи. Также некоторые системы обнаружения подводных лодок используют магнитные сигнатуры подводных лодок в качестве одного из входных данных для своих схем локации. Геомагнитные бури могут маскировать и искажать эти сигналы.
Федеральное управление гражданской авиации регулярно получает предупреждения о всплесках солнечного радиоизлучения, чтобы они могли распознать проблемы связи и избежать ненужного обслуживания. Когда самолет и наземная станция выровнены по Солнцу, на радиочастотах, управляемых воздушным движением, может возникать высокий уровень шума. Это также может происходить при спутниковой связи UHF и SHF, когда земная станция, спутник и Солнце находятся в выравнивании. Чтобы предотвратить ненужное обслуживание систем спутниковой связи на борту самолета, AirSatOne обеспечивает прямую трансляцию геофизических событий из Центра прогнозирования космической погоды NOAA. Прямая трансляция AirSatOne позволяет пользователям просматривать наблюдаемые и прогнозируемые космические бури. Геофизические оповещения важны для летных экипажей и обслуживающего персонала, чтобы определить, повлияет ли какое-либо предстоящее действие или история на спутниковую связь, GPS-навигацию и ВЧ-связь.
Телеграфные линии в прошлом подвергались воздействию геомагнитных бурь. Телеграфы использовали один длинный провод для передачи данных, протянувшийся на многие мили, используя землю в качестве обратного провода и питаемый от батареи DC ; это сделало их (вместе с упомянутыми ниже линиями электропередач) восприимчивыми к колебаниям, вызванным кольцевым током. Напряжение / ток, вызванные геомагнитной бурей, могли ослабить сигнал, если его вычесть из полярности батареи, или привести к чрезмерно сильным и ложным сигналам при добавлении к нему; некоторые операторы научились отключать аккумулятор и полагаться на наведенный ток в качестве источника энергии. В крайних случаях индуцированный ток был настолько высоким, что катушки на принимающей стороне загорались, или операторы получали поражение электрическим током. Геомагнитные бури влияют также на телефонные линии большой протяженности, включая подводные кабели, если они не являются волоконно-оптическими.
. Повреждение спутников связи может нарушить наземные телефонные, телевизионные, радио и Интернет-соединения. Национальная академия наук сообщила в 2008 году о возможных сценариях повсеместного нарушения пика солнечной активности 2012–2013 годов.
Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), и другие навигационные системы, такие как LORAN и ныне не функционирующая OMEGA, подвергаются неблагоприятному воздействию, когда солнечная активность нарушает распространение их сигнала. Система OMEGA состоит из восьми передатчиков, расположенных по всему миру. Самолеты и корабли использовали очень низкочастотные сигналы этих передатчиков для определения своего местоположения. Во время солнечных явлений и геомагнитных бурь система выдавала навигаторам неточную информацию на несколько миль. Если бы навигаторы были предупреждены о протонном событии или геомагнитной буре, они могли бы переключиться на резервную систему.
На сигналы GNSS влияет, когда солнечная активность вызывает внезапные изменения плотности ионосферы, в результате чего спутниковые сигналы мерцают (как мерцающая звезда). Мерцание спутниковых сигналов во время ионосферных возмущений изучается на HAARP во время экспериментов по модификации ионосферы. Он также был изучен в Радиообсерватории Хикамарки.
. Одной из технологий, позволяющих приемникам GPS продолжать работу в присутствии некоторых сбивающих с толку сигналов, является автономный мониторинг целостности приемника (RAIM). Однако RAIM основан на предположении, что большая часть группировки GPS работает должным образом, и поэтому она гораздо менее полезна, когда все созвездие нарушено глобальными воздействиями, такими как геомагнитные бури. Даже если RAIM обнаружит потерю целостности в этих случаях, он может не обеспечить полезный и надежный сигнал.
Геомагнитные бури и повышенное солнечное ультрафиолетовое излучение нагревают верхнюю атмосферу Земли, заставляя ее расширяться. Нагретый воздух поднимается вверх, и плотность на орбите спутников примерно до 1000 км (621 миль) значительно увеличивается. Это приводит к увеличению сопротивления , в результате чего спутники замедляются и немного изменяют орбиту. Низкая околоземная орбита Спутники, которые повторно не выводятся на более высокие орбиты, медленно падают и в конечном итоге сгорают. Разрушение
Скайлэба в 1979 году является примером космического корабля , преждевременно входящего в атмосферу Земли в результате более высокой, чем ожидалось, солнечной активности. Во время великой геомагнитной бури в марте 1989 года четыре навигационных спутника ВМФ были выведены из эксплуатации на срок до недели, США. Космическому командованию пришлось разместить новые элементы орбиты для более чем 1000 затронутых объектов, и в декабре того же года спутник Solar Maximum Mission упал с орбиты.
Уязвимость спутников зависит также от их местоположения. Южно-Атлантическая аномалия - опасное место для прохода спутника.
Поскольку технология позволила компонентам космических кораблей стать меньше, их миниатюрные системы стали все более уязвимыми для более энергичных солнечных частиц. Эти частицы могут физически повредить микрочипы и могут изменять программные команды в спутниковых компьютерах.
Другая проблема для спутниковых операторов - это дифференциальная зарядка. Во время геомагнитных бурь количество и энергия электронов и ионов увеличиваются. Когда спутник проходит через эту возбужденную среду, заряженные частицы, ударяясь о космический корабль, заряжают части космического корабля по-разному. Разряды могут образовывать дугу через компоненты космического корабля, нанося им вред и, возможно, выводя их из строя.
Массовая зарядка (также называемая глубокой зарядкой) происходит, когда энергичные частицы, в основном электроны, проникают через внешнее покрытие спутника и осаждаются. их заряд во внутренних частях. Если в каком-либо компоненте накапливается достаточный заряд, он может попытаться нейтрализовать его разрядом в другие компоненты. Этот разряд потенциально опасен для электронных систем спутника.
Магнитное поле Земли используется геологами для определения структур подземных горных пород. По большей части эти геодезисты ищут месторождения нефти, газа или полезных ископаемых. Они могут сделать это только тогда, когда поле Земли будет спокойным, чтобы можно было обнаружить истинные магнитные сигнатуры. Другие геофизики предпочитают работать во время геомагнитных бурь, когда сильные колебания нормальных подповерхностных электрических токов Земли позволяют им определять подповерхностную нефть или минеральные структуры. Этот метод называется магнитотеллурикой. По этим причинам многие геодезисты используют геомагнитные оповещения и прогнозы для планирования своих картографических работ.
Быстро меняющиеся геомагнитные поля могут создавать геомагнитно-индуцированные токи в трубопроводах. Это может вызвать множество проблем для инженеров трубопроводов. Расходомеры трубопровода могут передавать ошибочную информацию о потоке, и скорость коррозии трубопровода может быть значительно увеличена.
Атмосфера и магнитосфера Земли обеспечивают адекватную защиту при на уровне земли, но космонавты подвержены потенциально смертельному радиационному отравлению. Проникновение высокоэнергетических частиц в живые клетки может вызвать повреждение хромосомы, рак и другие проблемы со здоровьем. Большие дозы могут быть немедленно смертельными. Солнечные протоны с энергией более 30 МэВ особенно опасны.
Солнечные протоны также могут вызывать повышенное излучение на борту самолета, летящего на больших высотах. Хотя эти риски невелики, летные экипажи могут подвергаться многократному облучению, а мониторинг солнечных протонных событий с помощью спутниковых приборов позволяет отслеживать и оценивать воздействие, и, в конечном итоге, корректировать траекторию и высоту полета для снижения поглощенной дозы..
Ученые все еще изучают, затронуты ли животные, некоторые предполагают, что солнечные бури побуждают китов к пляжу сами. Некоторые предполагают, что мигрирующие животные, которые используют магниторецепцию для навигации, такие как птицы и медоносные пчелы, также могут быть затронуты.
Астрономический портал .
Ссылки, связанные с электросетями:
