Магнитные бури: что это такое, как они влияют на нашу планету, и можно ли использовать их силу в энергетике⁠⁠

Внутри сувенирного снежного шара спрятана фигурка или целая композиция. Встряхнешь — и внутри начинается «метель», а у нас — новогоднее настроение. Представьте, что кто-то или что-то «встряхнет» нашу планету. Это не идея фантастического фильма — Земля и правда переживает нечто похожее, когда происходят магнитные бури.

Обычная буря на поверхности Земли — это ветер со скоростью больше 20 метров в секунду, который на суше поднимает в воздух снег и грунт, срывает крыши, ломает деревья, а на море создает огромные волны. Магнитная буря влияет всего на один объект, который в стеклянный шар не спрячешь, — на магнитное поле Земли.

Внешнее ядро нашей планеты состоит в основном из расплавленного железа. В нем генерируется геомагнитное поле, образующее вокруг Земли своеобразную «броню» — магнитосферу. Она простирается на десятки тысяч километров и защищает все живое от солнечного ветра — потока крошечных заряженных частиц, постоянно летящих к нашей планете со скоростью в сотни километров в секунду. Такие частицы могут проникать вглубь любого вещества, разрушая его изнутри. Магнитное поле меняет траекторию полета заряженных частиц, отклоняет их в сторону от Земли, и именно благодаря этому на ней смогла зародиться жизнь.

В жидкой части ядра Земли генерируется магнитное поле, которое защищает планету и все живое на ней от бомбардировок заряженными частицами из космоса

ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНАЯ БУРЯ

Любая броня уязвима. Когда на Солнце происходит особо мощный выброс частиц, они достигают Земли и сталкиваются с магнитным полем. От такого удара вся «броня» начинает колебаться и «дрожать». В этом и кроется суть магнитной бури, которую также называют геомагнитной.

Какой силы будет удар по магнитосфере Земли, зависит от солнечной активности. Она имеет свой цикл, который длится примерно 11 лет: четыре года активность нарастает, солнечный ветер усиливается, затем около семи лет звезда постепенно «успокаивается». В период максимальной активности на Солнце случаются особенно мощные и частые вспышки и выбросы массы. Такое бывает не очень часто, примерно два раза за столетие.

Первая солнечная вспышка, зафиксированная учеными, произошла 1 сентября 1859 года. Она спровоцировала мощнейшую геомагнитную бурю. Буря вызвала глобальный сбой в работе телеграфной связи, а полярное сияние, которое ее сопровождало, наблюдали даже в тропиках.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ: ВИДИМЫЙ СЛЕД НЕВИДИМОЙ БУРИ

Мы не можем ощутить колебание магнитной «брони» планеты, но можем увидеть оптическое явление в атмосфере, вечный спутник магнитной бури — полярное сияние. В полярных областях Земли заряженные частицы достигают атмосферы, потому что не отклоняются магнитным полем, а двигаются вдоль его силовых линий, на этих широтах почти перпендикулярных к поверхности, и словно скатываются по ним, как по канатам, вниз, в атмосферу.

Завораживающее сияние возникает в полярных областях Земли, где заряженные частицы из космоса не отклоняются магнитным полем, а двигаются вдоль его силовых линий, «скатываясь» по ним и достигая нижних слоев атмосферы. Автор снимка — Денис Генералов, начальник промысла на месторождении газа

В верхних слоях атмосферы частицы сталкиваются с атомами газов (азота, кислорода), делятся с ними своей энергией и ненадолго возбуждают их. Когда атом возвращается в основное состояние, он высвобождает немного полученной энергии в виде фотона — частицы света. Тем временем наблюдатель с поверхности Земли видит в северном и южном небе яркие полосы, столбы, петли. В зависимости от количества поглощенной энергии кислород может давать зеленый или коричневато-красный цвет, азот — красный или синий.

В первый раз я увидел северное сияние вживую в 2016 году, когда начал работать на промысле. В реальности оно ярче, чем по телевизору или на снимках в интернете. Все небо светлеет, становится зелено-желтым — даже на простой телефон получается красиво сфотографировать!

Денис Генералов

начальник промысла на Харасавэйском месторождении газа

МАГНИТНЫЕ БУРИ, ТЕХНОСФЕРА И ЭНЕРГЕТИКА

Влияние магнитных бурь на Землю растет вместе с техносферой. Чем больше внедряется спутниковых технологий и чувствительной техники, чем протяженнее становятся линии электропередач, тем больший урон могут принести магнитные бури.

По линиям электропередач течет переменный ток. Он генерирует вокруг проводника (высоковольтного кабеля) переменное магнитное поле. Это поле действует на свободные носители заряда в воздухе, например ионы, притягивая их и закручивая вокруг себя. Вращающиеся частицы создают токи намагничивания, или «паразитные» токи. Обычно они небольшие.

Во время интенсивной геомагнитной бури магнитное поле Земли начинает колебаться и заряженные частицы вокруг линий электропередач вращаются быстрее, что усиливает паразитные токи и делает их амплитуду сравнимой с током в проводнике. Амплитуды накладываются друг на друга, что ведет к увеличению тока и сильному разогреву проводника. На предприятиях от подобных резких скачков тока в проводнике спасает релейная защита — это система электронных устройств противоаварийной автоматики электрооборудования. Но не все так просто.

Геомагнитная буря может повлиять и на саму релейную защиту, тогда система противоаварийной автоматики сработает неправильно, что приведет к некорректному режиму работы электрооборудования.

Дмитрий Саенко

глава отдела релейной защиты и автоматики электрооборудования в «Газпром нефти»

Чтобы избежать ложных срабатываний релейной защиты, на участке, где она установлена, применяется система конвертации переменного тока в постоянный, продолжает эксперт. — Такой ток не создает вокруг проводника магнитное поле, а значит, заряженные частицы в воздухе не «притянутся» к проводнику, и паразитные токи не образуются.

Также для обеспечения работы высоковольтного оборудования применяются косвенные способы защиты — молниеотводы, которые «телепортируют» заряды во время молний и магнитных бурь в землю. Эффективность работы молниеотводов зависит, в том числе, от сопротивления грунта. В Арктике оно выше, чем в регионах с черноземом. Благодаря методам защиты, в моей практике работы на северных месторождениях нефти и газа не было случаев, когда магнитная буря нарушала работу электрооборудования».

Магнитные бури могут негативно влиять на техносферу, но их энергию теоретически можно использовать и во благо, что особенно пригодилось бы на отдаленных территориях, куда сложно завозить топливо

Если на поверхности Земли расположить контур из одного или нескольких проводов, то во время магнитной бури в нем возникнет электрический ток. Преобразовав его в постоянный, можно заряжать аккумуляторы и хранить таким образом электроэнергию, чтобы потом использовать. «Возмущения» магнитного поля Земли больше выражены в арктическом регионе, и работающие по такому принципу электростанции могли бы стать подспорьем для снабжения труднодоступных районов Крайнего Севера электроэнергией.

Сегодня слишком дорого превращать энергию магнитных бурь в электричество в промышленных масштабах. Нужно создать контур внушительных размеров и решить проблему сопротивления проводника, на преодоление которого уходит много энергии. Поэтому пока использование энергии магнитной бури — это только теория, которую ученым и инженерам предстоит воплотить. До той поры основным источником энергии во всем мире будет ископаемое топливо.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/