Qu'est-ce que la magnétosphère et comment les fortes tempêtes magnétiques affectent la technologie

Notre Terre est aimant - c'est connu de tous. Les lignes de champ magnétique quittent la zone du pôle magnétique sud et entrent dans la zone du pôle magnétique nord. Rappelons que les pôles magnétique et géographique de la Terre sont légèrement différents : dans l'hémisphère nord, le pôle magnétique est décalé d'environ 13° vers le Canada.

L'ensemble des lignes de force du champ magnétique terrestre est appelé magnétosphère… La magnétosphère terrestre n'est pas symétrique par rapport à l'axe magnétique de la planète.

Du côté du Soleil il est attiré, du côté opposé il s'allonge. Cette forme de la magnétosphère reflète l'influence constante du vent solaire sur celle-ci. Les particules chargées venant du Soleil semblent « comprimer » les lignes de force champ magnétique, en les pressant côté jour et en les tirant côté nuit.

Tant que la situation du Soleil est calme, toute cette image reste assez stable. Mais ensuite, il y a eu la lumière du soleil.Le vent solaire a changé : le flux de ses particules constitutives est devenu plus grand et leur énergie plus grande.La pression sur la magnétosphère a commencé à augmenter rapidement, les lignes de force du côté jour ont commencé à se rapprocher de la surface de la Terre et du côté nuit, elles ont été tirées plus fortement dans la "queue" de la magnétosphère. C'est orage magnétique (orage géomagnétique).

Lors des éruptions solaires, des explosions massives de plasma chaud se produisent à la surface du Soleil. Lors de l'éruption, un puissant flux de particules est libéré, qui se déplacent à grande vitesse du Soleil vers la Terre et perturbent le champ magnétique de la planète.

vent solaire

La "compression" des lignes de force signifie le mouvement de leurs pôles à la surface de la Terre, ce qui signifie - un changement de la force du champ magnétique à n'importe quel point du globe... Et plus la pression du vent solaire est forte, plus la compression des lignes de champ est importante, en conséquence, plus le changement d'intensité du champ est important. Plus l'orage magnétique est fort.

Dans le même temps, plus la région du pôle magnétique est proche, plus les lignes de champ externes rencontrent la surface. Et ils subissent simplement le plus grand impact du vent solaire perturbé et réagissent (déplacent) le plus. Cela signifie que les manifestations de perturbations magnétiques devraient être les plus importantes aux pôles géomagnétiques (c'est-à-dire aux hautes latitudes) et les plus faibles à l'équateur géomagnétique.

Déplacement du pôle nord magnétique de 1831 à 2007.

De quoi d'autre le changement décrit dans le champ magnétique aux hautes latitudes est-il chargé pour nous qui vivons à la surface de la Terre ?

Pendant un orage magnétique, des pannes de courant, des communications radio, des perturbations des réseaux des opérateurs mobiles et des systèmes de contrôle des engins spatiaux, ou des dommages aux satellites peuvent survenir.

Un orage magnétique de 1989 au Québec, au Canada, a provoqué de graves pannes de courant, y compris des incendies de transformateurs (voir ci-dessous pour plus de détails sur cet incident). En 2012, une violente tempête magnétique a perturbé les communications avec le vaisseau spatial européen Venus Express en orbite autour de Vénus.

Rappelons-nous comment fonctionne le générateur de courant électrique… Dans un champ magnétique stationnaire, un conducteur (rotor) se déplace (tourne). En conséquence, chez le chercheur Un EMF apparaît et ça commence à couler électricité… La même chose se produira si le fil est immobile et que le champ magnétique se déplace (changement de temps).

Pendant un orage magnétique, il y a un changement dans le champ magnétique, et plus le pôle magnétique est proche (plus la latitude géomagnétique est élevée), plus ce changement est fort.

Cela signifie que nous avons un champ magnétique changeant. Eh bien, et les fils fixes de n'importe quelle longueur à la surface de la Terre n'occupent pas. Il y a des lignes électriques, des voies ferrées, des pipelines... En un mot, le choix est grand. Et dans chaque conducteur, en vertu de la loi physique précitée, un courant électrique apparaît, provoqué par les variations du champ géomagnétique. Nous l'appellerons courant géomagnétique induit (IGT).

L'amplitude des courants induits dépend de nombreuses conditions. Tout d'abord, bien sûr, de la vitesse et de la force du changement du champ géomagnétique, c'est-à-dire de la force de l'orage magnétique.

Mais même pendant la même tempête, des effets différents se produisent dans différents fils.Ils dépendent de la longueur du fil et de son orientation à la surface de la Terre.

Plus le fil est long, plus il sera solide courant induit… De plus, il sera plus fort plus l'orientation du fil est proche de la direction nord-sud. En effet, dans ce cas, les variations du champ magnétique à ses bords seront les plus importantes et donc la FEM sera la plus grande.

Bien sûr, l'amplitude de ce courant dépend de plusieurs autres facteurs, dont la conductivité du sol sous le fil. Si cette conductivité est élevée, l'IHT sera plus faible car la majeure partie du courant passera par le sol. S'il est petit, la survenue d'IHT sévère est probable.

Sans entrer plus avant dans la physique du phénomène, notons seulement que les IHT sont la principale cause des troubles que les orages magnétiques provoquent dans la vie de tous les jours.

Un exemple de situations d'urgence provoquées par un fort orage magnétique et des courants induits décrits dans la littérature

Orages magnétiques des 13 et 14 mars 1989 et situation d'urgence au Canada

Les magnétologues utilisent plusieurs méthodes (appelées indices magnétiques) pour décrire l'état du champ magnétique terrestre. Sans entrer dans les détails, notons seulement qu'il existe cinq de ces indices (les plus courants).

Chacun d'eux, bien sûr, a ses avantages et ses inconvénients et est le plus pratique et le plus précis pour décrire certaines situations - par exemple, des conditions agitées dans la zone des aurores ou, au contraire, l'image globale dans des conditions relativement calmes.

Naturellement, dans le système de chacun de ces indices, chaque phénomène géomagnétique est caractérisé par certains nombres - les valeurs de l'indice lui-même pour la période du phénomène, c'est pourquoi il est possible de comparer l'intensité des perturbations géomagnétiques survenues dans différentes années.

L'orage magnétique des 13 et 14 mars 1989 était un événement géomagnétique exceptionnel selon les calculs basés sur tous les systèmes d'indice magnétique.

Selon les observations de nombreuses stations, lors d'une tempête, l'amplitude de la déclinaison magnétique (déviation de l'aiguille de la boussole de la direction au pôle magnétique) en 6 jours atteint 10 degrés ou plus. C'est beaucoup, étant donné qu'un écart ne serait-ce que d'un demi-degré est inacceptable pour le fonctionnement de nombreux instruments géophysiques.

Cet orage magnétique était un phénomène géomagnétique extraordinaire. Pourtant, son intérêt n'aurait guère dépassé un cercle restreint de spécialistes, si ce n'était des événements dramatiques de la vie de plusieurs régions qui l'ont accompagné.

À 7 h 45 UTC le 13 mars 1989, les lignes de transmission à haute tension de la Baie James (nord du Québec, Canada) au sud du Québec et aux États du nord des États-Unis, ainsi que le réseau d'Hydro-Québec, ont subi de forts courants induits.

Ces courants ont créé une charge supplémentaire de 9 450 MW sur le système, ce qui était trop à ajouter à la charge utile de 21 350 MW à l'époque. Le système est tombé en panne, laissant 6 millions d'habitants sans électricité. Il a fallu 9 heures pour rétablir le fonctionnement normal du système. Les consommateurs du nord des États-Unis recevaient alors moins de 1 325 MWh d'électricité.

Les 13 et 14 mars, des effets désagréables liés aux courants géomagnétiques induits ont également été observés sur les lignes à haute tension d'autres systèmes électriques : relais de protection fonctionnés, transformateurs de puissance défaillants, chute de tension, courants parasites enregistrés.

Les plus grandes valeurs de courant induit le 13 mars ont été enregistrées dans les réseaux Hydro-Ontario (80 A) et Labrador-Hydro (150 A). Vous n'avez pas besoin d'être un expert en énergie pour imaginer les dommages qui peuvent être causés à n'importe quel système électrique par l'apparition de courants vagabonds de cette ampleur.

Tout cela n'a pas seulement affecté l'Amérique du Nord. Des phénomènes similaires ont été observés dans un certain nombre de pays scandinaves. Il est vrai que leur effet était beaucoup plus faible du fait que la partie nord de l'Europe est plus éloignée du pôle géomagnétique que la partie nord de l'Amérique.

Cependant, à 08h24 CET, six lignes de 130 kV dans le centre et le sud de la Suède ont enregistré une surtension induite par le courant simultanée mais n'ont pas provoqué d'accident.

Tout le monde sait ce que cela signifie de laisser 6 millions d'habitants sans électricité pendant 9 heures. Cela seul suffirait à attirer l'attention des spécialistes et du public sur l'orage magnétique des 13 et 14 mars. Mais ses effets ne se sont pas limités aux systèmes énergétiques.

En outre, le US Soil Conservation Service reçoit des signaux de nombreux capteurs automatiques situés dans les montagnes et surveillant les conditions du sol, la couverture de neige, etc. à la radio sur la fréquence 41,5 MHz tous les jours.

Les 13 et 14 mars (comme il s'est avéré plus tard, en raison de la superposition de radiations provenant d'autres sources), ces signaux étaient de nature étrange et soit ne pouvaient pas être déchiffrés du tout, soit indiquaient la présence d'avalanches, d'inondations, de coulées de boue et givre au sol en même temps...

Aux États-Unis et au Canada, il y a eu des cas d'ouverture et de fermeture spontanées de portes de garage privées dont les serrures étaient réglées sur une certaine fréquence ("clé") mais déclenchées par le chevauchement chaotique de signaux venant de loin.

Génération de courants induits dans les canalisations

Il est bien connu que les pipelines jouent un rôle important dans l'économie industrielle moderne. Des centaines et des milliers de kilomètres de conduites métalliques traversent différents pays. Mais ce sont aussi des conducteurs et des courants induits peuvent également s'y produire. Bien sûr, dans ce cas, ils ne peuvent pas griller un transformateur ou un relais, mais ils causent sans aucun doute des dommages.

Le fait est que pour se protéger contre la corrosion électrolytique, toutes les canalisations ont un potentiel négatif à la terre d'environ 850 mV. La valeur de ce potentiel dans chaque système est maintenue constante et contrôlée, une corrosion électrolytique importante est considérée comme commençant lorsque cette valeur descend à 650 mV.

Selon les compagnies pétrolières canadiennes, le 13 mars 1989, parallèlement au début de l'orage magnétique, de fortes pointes de potentiel ont commencé et se sont poursuivies le 14 mars. Dans ce cas, l'amplitude du potentiel négatif pendant de nombreuses heures est inférieure à la valeur critique et tombe parfois même à 100-200 mV.

Déjà en 1958 et 1972, lors de forts orages magnétiques, dus aux courants induits, de graves perturbations se sont produites dans le fonctionnement du câble transatlantique de télécommunications. Lors de la tempête de 1989un nouveau câble était déjà en service, dans lequel les informations étaient transmises sur un canal optique (voir — Systèmes de communication optique), il n'y a donc pas de violation dans la transmission d'informations.

Cependant, trois grandes pointes de tension (300, 450 et 700 V) ont été enregistrées dans le système d'alimentation par câble, qui ont coïncidé dans le temps avec de fortes variations du champ magnétique. Bien que ces pointes n'aient pas entraîné de dysfonctionnement du système, elles étaient suffisamment importantes pour constituer une menace sérieuse pour son fonctionnement normal.

Le champ géomagnétique de la Terre change et s'affaiblit. Qu'est-ce que ça veut dire?

Le champ magnétique terrestre se déplace non seulement le long de la surface de la planète, mais change également son intensité. Au cours des 150 dernières années, il s'est affaibli d'environ 10 %. Les chercheurs ont découvert qu'environ une fois tous les 500 000 ans, la polarité des pôles magnétiques changeait - les pôles nord et sud changeaient de place. La dernière fois que cela s'est produit, c'était il y a environ un million d'années.

Nos descendants peuvent être témoins de cette confusion et des catastrophes possibles associées à l'inversion de polarité. S'il y a une éruption au moment de l'inversion des pôles magnétiques du Soleil, le bouclier magnétique ne pourra pas protéger la Terre et il y aura une coupure de courant et une interruption des systèmes de navigation sur toute la planète.

Les exemples donnés ci-dessus font réfléchir sur la gravité et les multiples facettes de l'impact des fortes tempêtes magnétiques sur la vie quotidienne de l'humanité.

Tout ce qui précède est un exemple d'un effet beaucoup plus impressionnant de la météo spatiale (y compris les éruptions solaires et les orages magnétiques) que des corrélations peu fiables de l'activité solaire et magnétique avec la santé humaine.