Погода в космосе

Солнечная активность способна нарушить работу энергетических систем
17.03.2018
Алексей Батырь


Иллюстрация: НАСА

Второго сентября 1859 г. мощный поток заряженных частиц, порождённый корональным выбросом массы (КВМ) Солнца, пронизал земную атмосферу. Преодолев защищающее нашу планету магнитное поле, он вызвал сильнейший геомагнитный шторм (ГМШ), который причинил людям множество неприятностей. Выключенные телеграфные аппараты отстукивали бессмысленные послания из ниоткуда, искрение телеграфных проводов вызывало пожары, северное сияние наблюдалось на Кубе и Гавайях.

Это, вероятно, был самый сильный ГМШ в новейшей истории. Множество более слабых, наблюдавшихся в последнее время (один из них в 1989 г. на несколько часов оставил без электроэнергии миллионы людей в канадской провинции Квебек и американском штате Нью-Джерси), дали нам представление о том, что может произойти, если шторм аналогичной силы разыграется в наши дни. По расчётам экспертов Национальной академии наук США, начальные разрушения от такого шторма оцениваются 2 трлн долл., а на восстановление повреждённой коммуникационной, энергетической и другой инфраструктуры уйдёт от 4 до 10 лет. Для сравнения: ущерб от самого разрушительного в истории США урагана Катрина, в 2005 г. затопившего почти весь Новый Орлеан, оценивается в 80-125 млрд долл. Поскольку энергетические и электронные системы становятся всё более сложными и требуют настройки в течение длительного времени, социально-экономические последствия космической непогоды, вероятно, будут только увеличиваться.

Как развивается шторм

КВМ начинается с развития центра активности на Солнце. На фотосфере появляется пара асимметричных пятен, а через несколько дней тёмные узелки становятся более яркими. Яркие области называются факелами. Центр активности развивается в течение 10-15 дней. Вокруг главных пятен появляются многочисленные пятнышки. Затем в центре активности за короткое время (около 30 мин.) выделяется огромное количество энергии, это и есть солнечная буря. В видимом спектре она проявляется как внезапное увеличение яркости излучения - солнечная вспышка. Во время вспышки происходит выброс электронов и протонов с энергией от 1 кэВ до 100 МэВ, суммарная энергия при этом может достигать 1032 эрг.

Одновременно на Солнце возникают ударные волны, распространяющиеся через плазму солнечного ветра. Светило выбрасывает облака плазмы настолько высоко, что некоторые из них достигают земной орбиты. В солнечном ветре быстрыми частицами создаётся ударная волна, которая опережает облако солнечной плазмы, летящей со скоростью 500-1000 км/с. Таким образом, геомагнитный шторм - это резкое столкновение с магнитосферой Земли ударной волны, следующего за ней солнечного ветра и, наконец, облака плазмы.

ГМШ протекает в три фазы. Первая начинается внезапно, когда межпланетная ударная волна достигает магнитосферы и сжимает её. После этого следует спокойный период продолжительностью от 10 мин до 6 ч, когда солнечный ветер, идущий за фронтом ударной волны, взаимодействует с магнитосферой. Начало третьей, главной, фазы, знаменуется появлением на орбите Земли облака плазмы, следующего за ударной волной, внезапным увеличением соотношения альфа-частиц к протонам с 0,05 до 0,2 и изменением направления межпланетного магнитного поля в солнечном ветре за ударным фронтом от северного к южному. Из-за увеличения количества тяжёлых альфа-частиц происходят сжатие магнитосферы и рост напряжённости магнитного поля. Эта фаза характеризуется чередой взрывоподобных процессов, называемых магнитосферными бурями.

Продвижение плазмы к Земле и усиление токов вдоль силовых линий приводят к ускорению и разогреву частиц плазмы до 107 К и более. Часть горячей плазмы во время бури образует протонный пояс (так называемый кольцевой ток) и внешний радиационный (электронный) пояс. Магнитный эффект протонного пояса на поверхности Земли проявляется в виде уменьшения горизонтальной составляющей геомагнитного поля в низких и средних широтах. Горячая плазма в высоких широтах вызывает полярные бури (проявляющиеся, в частности, в виде полярных сияний). В период главной фазы верхняя атмосфера и ионосфера в средних широтах из нейтрального состояния переходят в сильно возмущённое.

Возможные последствия

Во время ГМШ заряженные частицы коронального вещества взаимодействуют с магнитосферой и ионосферой Земли и вызывают электроструйные токи в миллионы ампер, которые наводят ЭДС на поверхности Земли. Возникают геомагнитные индуцированные токи (ГИТ) в металлических токопроводящих системах, таких как ЛЭП, стальные трубопроводы, кабели и железные дороги. ГИТ представляют собой квазипостоянные токи - период их изменения составляет от секунд до десятков минут.

Величина ГИТ в ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения определяется наведённой ЭДС вдоль трассы ЛЭП (определяемой координатами начала и конца ЛЭП) и активным сопротивлением постоянному току трёх фаз линии, трансформаторов с обмотками высокого напряжения и сопротивлениями заземления их нейтралей. ГИТ накладываются на переменный ток промышленной частоты, протекающий по обмоткам трансформаторов, и приводят к насыщению их магнитных цепей и нагреву обмоток, магнитопроводов и трансформаторного масла. Амплитуда тока в обмотках высокого напряжения при больших ГИТ может превышать номинальное значение в несколько раз.

Космический метеопрогноз

Национальное океаническое и атмосферное управление (NOAA) США совместно с NASA, ВВС США и другими организациями ведёт постоянный мониторинг космической погоды. Для этого используются два десятка научных спутника и три специальных, находящихся на орбитах вокруг Солнца и обеспечивающих стереонаблюдение солнечной поверхности и КВМ с охватом почти 360°. Они образуют часть так называемого Солнечного щита (Solar Shield) NASA - новой экспериментальной системы предупреждения, внедряемой для защиты распределительных сетей Северной Америки. Система приходит в действие, когда регистрирует КВМ на Солнце. Информация поступает от зонда SOHO, находящегося на орбите вокруг Солнца между Солнцем и Землёй, и двух зондов Stereo, располагающихся на орбите Земли вокруг Солнца: один в движении по орбите опережает Землю на неделю, а другой на столько же отстаёт. Эти три аппарата позволяют получить трёхмерное изображение потоков плазмы, покинувших поверхность Солнца, что помогает оценить глубину области, охваченной солнечной бурей, посмотреть, как перетекает солнечное вещество и как распределяется энергия. Система оповестит, когда поток достигнет Земли, и укажет место бомбардировки, а также позволит своевременно отключить уязвимые участки электроэнергетических систем (ЭЭС), ИСЗ и другие объекты.

Для суммарной оценки глобального уровня геомагнитной активности в NOAA используют геомагнитный индекс kp. По его величине различают геомагнитные штормы пяти видов:
* G5 (kp = 9) - чрезвычайный: снижения напряжения в ЭЭС, выходы из строя релейно-защитной аппаратуры (РЗА), возможность развития системных аварий в ЭЭС с их полным развалом и отключением потребителей. Возможны повреждения силовых трансформаторов;
* G4 (kp = 8) - серьёзный: снижения напряжения, ложные срабатывания РЗА с отключением важных генераторов;
* G3 (kp = 7) - сильный: требуются меры по восстановлению напряжения, возможны ложные тревоги на некоторых защитных устройствах;
* G2 (kp = 6) - умеренный: в ЭЭС, расположенных в высокоширотных областях, возможно снижение напряжения, долговременные штормы могут вызвать повреждения трансформаторов;
* G1 (kp = 5) - незначительный: возможны слабые колебания напряжения.

Длительность цикла солнечной активности составляет 11 лет. В текущем, 24-м, цикле (за время наблюдений) она должна была достичь максимума в 2013 г. Однако этого не произошло - с 2011 г. активность постоянно снижается. По оценке профессора Редингского университета (Великобритания) Майкла Локвуда, солнечная активность в 2013 г. падала слишком быстро - стремительнее, чем в любой год за последние 9 тыс. лет. Локвуд и его коллеги сейчас пытаются понять, случится ли в ближайшие десятилетия первый «большой солнечный минимум» за последние четыре века. Речь идёт о том, что нормальный 11-летний солнечный цикл, возможно, на какое-то время прекратится и Солнце на несколько десятилетий почти полностью лишится пятен. Локвуд полагает, что имеется 25-процентная вероятность повторения последнего подобного явления - минимума Маундера, наблюдавшегося в конце XVII века, когда солнечных пятен не было целых 70 лет. Два года назад тот же Локвуд оценивал шансы на повторение этого феномена примерно в 10%.

Таким образом, хотя опасность возникновения сильных геомагнитных штормов постепенно снижается, энергетикам расслабляться не стоит.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы