Геомагнитная буря, начавшаяся 10 мая 2024 года, породила потрясающее северное сияние, более известное как северное сияние, которое можно было увидеть даже на юге Мексики. Они также вызвали головную боль у фермеров, чьи тракторы с GPS-управлением простаивали в середине посевного сезона.

Геомагнитные бури возникают, когда большой пузырь перегретого газа, называемый плазмой, выбрасывается с поверхности Солнца и ударяется о Землю. Этот пузырь известен как корональный выброс массы. Плазма коронального выброса массы состоит из облака протонов и электронов, которые являются электрически заряженными частицами. Когда эти частицы достигают Земли, они взаимодействуют с магнитным полем, окружающим планету. Это взаимодействие приводит к искажению и ослаблению магнитного поля, что, в свою очередь, приводит к странному поведению северного сияния и другим природным явлениям.

Майский шторм 2024 года, рейтинг G5 по шкале геомагнитных бурь Национального управления океанических и атмосферных исследований от 1 до 5, нарушили связь GPS настолько, что наведение трактора было нарушено, что требует точности на уровне сантиметра. Более сильные штормы будут иметь гораздо более серьезные последствия. Как инженер-электрик, специализирующийся на электросетях, я изучаю, как геомагнитные бури также могут привести к перебоям в подаче электроэнергии и интернета, и как от этого защититься.

Геомагнитные бури

Произошли более сильные солнечные бури, одна из которых нанесла ущерб одной из самых ранних электронных технологий. 1 и 2 сентября 1859 года телеграфные системы по всему миру катастрофически вышли из строя. Операторы телеграфа сообщили, что их ударили электрическим током, загорелась телеграфная бумага и они могли работать с оборудованием с отключенными батареями. По вечерам северное сияние можно было увидеть даже на юге, вплоть до Колумбии. Обычно эти огни видны только в более высоких широтах, на севере Канады, в Скандинавии и Сибири.

То, что мир пережил в тот день, теперь известное как «Событие Кэррингтона», было крупнейшей зарегистрированной геомагнитной бурей, намного более сильной, чем буря в мае 2024 года.

Геомагнитные бури регистрируются с начала 19 века, а научные данные, полученные из образцов кернов антарктического льда, свидетельствуют о еще более мощной геомагнитной буре, произошедшей около 774 года нашей эры, известной как событие Мияке. Эта солнечная вспышка привела к самому большому и быстрому росту содержания углерода-14, когда-либо зарегистрированному. Геомагнитные бури вызывают выброс большого количества космических лучей в верхние слои атмосферы Земли, которые, в свою очередь, производят углерод-14, радиоактивный изотоп углерода.

Геомагнитная буря на 60% меньше, чем событие Мияке, произошла около 993 года нашей эры. Образцы ледяного керна показали, что крупномасштабные геомагнитные бури с такой же интенсивностью, как события Мияке и Кэррингтон, происходят в среднем один раз в 500 лет.

Ученые смогли оценить силу события Кэррингтона на основе колебаний магнитного поля Земли, зафиксированных обсерваториями того времени. Не было возможности измерить магнитные колебания события Мияке. Вместо этого ученые измерили увеличение содержания углерода-14 в годичных кольцах за этот период времени. Событие Мияке привело к увеличению содержания углерода-14 на 12%. Для сравнения, событие Кэррингтона привело к увеличению содержания углерода-14 менее чем на 1%, поэтому событие Мияке, вероятно, затмило событие G5 Кэррингтона.

Выбивая мощность

Сегодня геомагнитная буря такой же интенсивности, как событие Кэррингтона, затронет гораздо больше, чем просто телеграфные провода, и может иметь катастрофические последствия. Учитывая постоянно растущую зависимость от электричества и новых технологий, любой сбой может привести к денежным потерям в триллионы долларов и риску для жизни, зависящей от систем. Шторм затронет большинство электрических систем, которыми люди пользуются каждый день. https://www.youtube.com/embed/JncTCE2NWgc?wmode=transparent&start=0 Национальная метеорологическая служба управляет Центром прогнозирования космической погоды, который отслеживает солнечные вспышки, которые могут привести к геомагнитным бурям.

Геомагнитные бури генерируют наведенные токи, которые протекают через электрическую сеть. Геомагнитно-индуцированные токи, которые могут превышать 100 ампер, поступают в электрические компоненты, подключенные к сети, такие как трансформаторы, реле и датчики. Сто ампер эквивалентны электроснабжению многих домохозяйств. Токи такой величины могут вызвать внутренние повреждения компонентов, что приведет к крупномасштабным отключениям электроэнергии.

Геомагнитная буря, в три раза меньшая, чем событие Кэррингтона, произошла в Квебеке, Канада, в марте 1989 года. Буря привела к обрушению электросети Гидро-Квебека. Во время урагана сильные магнитно-индуцированные токи повредили трансформатор в Нью-Джерси и отключили автоматические выключатели сети. В данном случае отключение привело к тому, что пять миллионов человек остались без электричества в течение девяти часов.

Разрыв связей

Помимо сбоев в электроснабжении, будут нарушены коммуникации во всем мире. Интернет-провайдеры могут выйти из строя, что, в свою очередь, лишит различные системы возможности взаимодействовать друг с другом. Высокочастотные системы связи, такие как радиосвязь «земля-воздух», коротковолновая радиосвязь и радиосвязь «корабль-берег», будут нарушены. Спутники на орбите вокруг Земли могут быть повреждены токами, вызванными геомагнитной бурей, которые сожгут их печатные платы. Это приведет к перебоям в спутниковой телефонии, Интернете, радио и телевидении.

Кроме того, когда на Землю обрушиваются геомагнитные бури, увеличение солнечной активности приводит к расширению атмосферы наружу. Это расширение меняет плотность атмосферы, вокруг которой вращаются спутники. Атмосфера более высокой плотности создает сопротивление спутнику, что замедляет его. И если его не вывести на более высокую орбиту, он может упасть обратно на Землю.

Еще одна область перемен, которая потенциально может повлиять на повседневную жизнь, — это навигационные системы. Практически каждый вид транспорта, от автомобилей до самолетов, использует GPS для навигации и отслеживания. Даже портативные устройства, такие как сотовые телефоны, умные часы и метки слежения, полагаются на сигналы GPS, передаваемые со спутников. Координация военных систем сильно зависит от GPS. Другие военные системы обнаружения, такие как загоризонтные радары и системы обнаружения подводных лодок, могут выйти из строя, что затруднит национальную оборону.

Что касается Интернета, геомагнитная буря масштаба события Кэррингтона может вызвать геомагнитно-индуцированные токи в подводных и наземных кабелях, которые образуют основу Интернета, а также в центрах обработки данных, которые хранят и обрабатывают все, от электронной почты и текстовых сообщений. к наборам научных данных и инструментам искусственного интеллекта. Это потенциально может нарушить работу всей сети и помешать серверам соединяться друг с другом.

Просто вопрос времени

Это лишь вопрос времени, когда Землю поразит еще одна большая геомагнитная буря. Ураган размером с Кэррингтонское событие нанесет чрезвычайно разрушительный ущерб электрическим и коммуникационным системам во всем мире, а отключения будут длиться несколько недель. Если шторм будет такого же размера, как событие Мияке, результаты будут катастрофическими для мира, а потенциальные отключения электроэнергии продлятся месяцы, если не дольше. Даже несмотря на предупреждения о космической погоде от Центра прогнозирования космической погоды НОАА, мир будет иметь возможность уведомить об этом всего за несколько минут до нескольких часов.

Я считаю, что крайне важно продолжать исследование способов защиты электрических систем от воздействия геомагнитных бурь, например, путем установки устройств, которые могут защитить уязвимое оборудование, такое как трансформаторы, и разработки стратегий регулирования нагрузок в сети, когда приближаются солнечные бури. Короче говоря, сейчас важно работать над тем, чтобы свести к минимуму последствия следующего мероприятия в Кэррингтоне.

Дэвид Уоллес, доцент кафедры клинической электротехники, Государственный университет Миссисипи

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.