Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Солнце управляет светофором

От магнитной бури средней силы не заболит голова, но может пострадать метеозависимая электроника

Потребовалось почти десятилетие, чтобы установить причины внезапных самопроизвольных переключений железнодорожных светофоров. Это был не злой умысел нехорошего человека, а действие токов Фуко, наведенных магнитной бурей. Фото (Creative Commons license): Doug Wertman

На протяжении ХХ века изучение солнечной активности переместилось из сугубо академической сферы фундаментальных научных исследований в раздел самой что ни на есть прикладной науки. Оно и понятно: вполне наземные инженерные службы обросли вспомогательными космическими компонентами, а даже если и не обросли, то стали чутко реагировать на поведение дневного светила.

Наибольшие риски связаны с оборудованием, расположенным на орбите. Внезапный всплеск интенсивности потоков частиц и выбросы плазмы угрожают электронике спутников. Вызванные ими магнитные бури могут также стать причиной масштабных аварий в энергетических сетях. Эти риски внимательно изучаются и моделируются. В значительной степени именно по этой причине объем информации о поведении Солнца, собираемый орбитальными обсерваториями, в последние годы существенно вырос.

Однако кое-какая информация о Солнце собирается также и на Земле: в ходе мониторинга состояния энергосетей, нефте- и газопроводов, и даже железных дорог. О них-то и пойдет речь ниже.

Опасность второго рода

На циферблатах старых барометров-анероидов часто писали: «ясно» — в области высоких давлений, или «буря» — в области низких. Тогда считалось, что, если «барометр падает», жди непогоды! Нашему современнику уже известно, что давление само по себе недостаточно для правильного предсказания погоды. Резкое падение давления даже до не очень низких значений предвещает гораздо большее ненастье, чем длительное и плавное снижение. А гипертоникам и метеозависимым людям хорошо известна головная боль, возникающая каждый раз, когда давление начинает «скакать» то вниз, то вверх около вполне умеренного среднего значения.

Нечто похожее, как выясняется, происходит и с магнитными бурями. Аномальное повышение напряженности геомагнитного поля — неприятная вещь. Но даже в фазе относительно спокойного Солнца резкие скачки магнитного поля около нормального среднего значения могут представлять большую опасность для электронных приборов.

Извержение солнечной плазмы 14 августа 2010. Снимок сделан Обсерваторией солнечной динамики (Solar Dynamics Observatory). Фото: SDO/GSFC/NASA

В физике иногда проводятся различия между сходными явлениями первого рода и второго рода. Скажем, есть рычаг первого рода, а есть рычаг второго. Есть вечный двигатель первого рода, а есть — второго. Фазовые превращения могут быть первого рода, когда характеристики вещества меняются скачком — например, вода превращается в пар, — или второго рода, когда основные характеристики меняются непрерывно, но скачок испытывают их производные. Так, при превращении проводника в сверхпроводник электропроводность до точки перехода плавно убывает, с уменьшением температуры стремясь к нулю, а после точки перехода — остается постоянной (нулем).

Эту разницу уже хорошо осознали в климатологии: одно дело, когда аномальная жара — риски, связанные с ней, велики, но, строго говоря, достаточно очевидны. Совсем другое дело, когда возникает аномальный высотный градиент температур. Риски тут, как показывают специальные исследования, тоже высоки, но они не так очевидны. Их можно было бы назвать по аналогии рисками второго рода. Они значительно менее изучены, а их последствия менее предсказуемы.

Уровень рисков, связанный с магнитными бурями средней интенсивности, не исследовался так подробно, как он того заслуживал.

Эта реплика принадлежит Луису Ланцеротти (Louis Lanzerotti), выдающемуся ученому из Технологического института Нью-Джерси (New Jersey Institute of Technology), а также первому главному редактору недавно учрежденного журнала «Space Weather, The International Journal of Research and Applications».

Сейчас можно уже с уверенностью утверждать, что именно магнитные бури средней величины ответственны за обнаруженные на одном из участков Северной железной дороги, расположенном в Архангельской области, неоднократные сбои систем сигнализации — к примеру, изменение цвета сигналов светофоров с зеленого на красный. Исследование таких сбоев, происходивших в промежутке с 2000-го по 2005 год, провела группа ученых из российского ИЗМИРАНа, Финского метеорологического института и Геомагнитной лаборатории из Оттавы.

В ходе исследования — его результаты опубликовал в своем майском выпуске журнал «Advances in Space Research» — изучалось воздействие семнадцати магнитных бурь на поведение систем световой сигнализации на некоторых высокоширотных участках РЖД (примерно от 58° до 64° с. ш.). Было установлено, что ложные световые сигналы на железнодорожных светофорах появлялись именно во время наиболее сильных по интенсивности фаз геомагнитных бурь. Более того, и длительность сбоев сигнализации совпадала с продолжительностью наиболее сильных геомагнитных возмущений. По мнению авторов статьи, причина обнаруженных аномалий — в индуцированных геомагнитных токах. Всего исследовательская группа проанализировала 16 сбоев в системах световой сигнализации, и все они совпали во времени с космическими бурями.

Земной путь космического луча

Но каким образом причуды космической погоды могли стать причиной сбоев — например, самопроизвольного переключения сигнала светофоров на железной дороге с зеленого на красный? Дело в том, что во время магнитной бури на поверхности Земли наводятся электрические токи, механизм возникновения которых кратко можно представить следующим образом.

Сильные магнитные бури блокируют работу энергетических сетей, а бури средней силы снижают их надежность и долговечность. Фото (SXC license): Benjamin Earwicker

В периоды повышенной активности Солнце (в первую очередь солнечная корона) выбрасывает в космическое пространство огромное количество заряженных частиц, формируя так называемый солнечный ветер, главной составляющей которого являются протоны и электроны. Для обитателей Земли солнечный ветер не опасен, поскольку земное магнитное поле искривляет траектории движущихся от Солнца частиц, и они не долетают до поверхности нашей планеты. В ионосфере (часть верхней атмосферы Земли, начинающаяся с высоты в 60 км над земной поверхностью и сильно ионизированная из-за воздействия солнечного ветра) возникают переменные токи, становящиеся источниками переменного во времени магнитного поля. Характерные времена изменения магнитного поля во время магнитных бурь находятся в интервале от 0,1 до 600 с. Характерные же изменения индукции земного магнитного поля составляют величину порядка 10−7 Тл, при том, что средняя магнитная индукция на поверхности Земли составляет 5×10−5 Тл, а на экваторе (широта 0°) — 3,1×10−5 Тл.

В соответствии с законом Фарадея, магнитное поле, меняющееся во времени, порождает вихревое электрическое поле. Если в поле оказывается проводник, в нем возникает электрический ток. Наиболее значительные колебания магнитного поля наблюдаются в высоких широтах. По этой причине в канадских и скандинавских энергосетях (а также нефте- и газопроводах) начиная с 1970-х годов регулярно проводятся замеры интенсивностей наведенных токов. В итоге удалось определить, что их численное значение лежит в интервале от десятков до сотен ампер. Эти токи слабо изменяются во времени (их называют квазистационарными). Установлено, что наибольшую опасность они представляют для трансформаторов, понижающих напряжение при переходе от линий электропередачи к потребителям.

В случае же железной дороги наведенные токи вызывают ложное срабатывание систем световой сигнализации. Когда участок железнодорожного полотна свободен, между рельсами поддерживается определенная разность потенциалов. При появлении же поезда между ними начинает протекать электрический ток. Электрический ток, индуцированный вариациями магнитного поля Земли, может «замкнуть» рельсы, что для системы равносильно появлению поезда. В итоге зеленый сигнал светофора может смениться красным. Те участки российских железных дорог, которые исследовали ученые ИЗМИРАНа, особенно чувствительны к космической погоде из-за того, что находятся в северных широтах: активность Солнца же наиболее заметна вблизи магнитных полюсов Земли.

По мнению финского ученого Ристо Пирйолы (Risto Pirjola), принимавшего участие в исследовании, аналогичные измерения надо проводить и в других странах. Неожиданные сигналы светофоров на железных дорогах указывают, скорее всего, на резкие изменения космической погоды. Ее причуды могут сказываться и на состоянии трубопроводов. Недаром аварийность при их эксплуатации в условиях крайнего севера значительно выше: дело тут не только в сугубо погодных факторах, но и в большей действенности солнечного ветра в полярной области. Возникающие в системе трубопроводов токи быстро разрушают имеющуюся систему защиты труб от коррозии.

Трансаляскинский нефтепровод. Уже сейчас можно сказать, что срок его службы окажется вдвое короче проектного исключительно по вине солнечного ветра. Фото (Creative Commons license): Dave Bezaire & Susi Havens-Bezaire

Между тем, хотя инженерам и удалось измерить интенсивность наведенных токов, установить, в какой степени они увеличивают процесс коррозии, пока не удается. Проводить такие оценки совсем непросто. Процесс коррозии растянут во времени и зависит от многих факторов, в частности от химического состава почвы и от влажности. Специалисты полагают, что при прочих равных условиях коррозия, «наведенная» изменениями космической погоды, уменьшает время жизни труб в два раза. Однако это не более чем эвристическая оценка, для ее доведения, что называется, «до числа», до конкретных инженерных рекомендаций, необходимы дальнейшие модельные исследования. Причем, считая нормальное время службы трубы в 60 лет, хотелось бы узнать, насколько их на самом деле хватит не через 20–30 лет, а более или менее заранее.

К аномальному сокращению срока службы наземного оборудования могут приводить не только особенности полярных областей. Есть и другие причины. В одном из недавних выпусков «Space Weather» опубликована статья Ричарда Маршалла (Richard Marshall), представляющего отдел космической погоды Австралийского метеорологического бюро (Australian Bureau of Meteorology’s space weather unit). Маршалл обнаружил, что магнитные бури вызвали нарушения в системе катодной защиты трубопровода в северной Австралии, находящейся всего в двадцати градусах по меридиану от экватора. Каков физический механизм в этом случае, еще предстоит выяснить, однако обнаруженная корреляция на него недвусмысленно указывает. А это означает, что на фактор «космического» сокращения срока службы трубопроводов следует обращать внимание на любых широтах.

Ток против тока

Вслед за специалистами по трубопроводам проблемой магнитных бурь средней интенсивности озаботились и специалисты по энергосетям. Им была хорошо известна опасность, связанная с магнитными бурями большой интенсивности, когда в течение нескольких минут из-за нагрева витков трансформаторных обмоток может разрушиться изоляция, возникнуть ток короткого замыкания, в итоге чего трансформатор может даже взорваться.

Недавно же было обнаружено, что трансформаторы могут быть повреждены и более слабыми токами — в течение уже не минут, но часов. Так, длительная космическая буря 2003 года вызвала появление относительно слабых наведенных токов в Южно-Африканских энергетических сетях, став при этом причиной повреждений нескольких трансформаторов, отмечает в журнале New Scientist эксперт по магнитным бурям из США Джон Каппенман (John Kappenman). Об опасностях, связанных с бурями слабой и средней интенсивности, Каппенман рассказывал на прошедшей в марте 2010 года конференции в техасском городе Далласе, организованной Северо-американской корпорацией электрической устойчивости (North American Electric Reliability Corporation) .

Кроме обнаруженных в последнее время новых рисков, связанных с довольно слабыми, на первый взгляд, магнитными бурями, есть основание внимательно последить и за самим Солнцем. Беспокойство специалистов по космической погоде вызывает его странное поведение в последние несколько лет. Двадцать третий солнечный цикл закончился пять лет назад, и давно уже пора начаться двадцать четвертому. Причем ожидалось, что активность этого цикла должна быть значительно выше средней. Однако новый цикл так и не стартовал.

Прошедший август был довольно тихим, если говорить о солнечной активности. Пятен на Солнце было немного, зато они чаще обычного сливались и делились. Фото: SDO/GSFC/NASA

Первые признаки непредсказуемости в активности Солнца появились еще в 2008 году. Тогда Солнце было свободно от пятен на протяжении 73% времени, что слишком много даже для периода минимальной активности. За все время наблюдений, с 1749 года, только в 1913-м минимум был еще более выраженным (85%). В 2009 году Солнце также продолжало оставаться в фазе крайне низкой активности, и лишь в середине декабря была замечена самая большая за последние несколько лет группа пятен. Только в прошедшем августе появились основания снова заговорить о «пробуждении Солнца», однако то же самое уже говорилось два года назад, и это дает основания для определенной осторожности.

Об аномальном покое свидетельствуют данные, поступающие от космической обсерватории SOHO. Она собирает их пятнадцать лет, и статистика уже достаточна для первых выводов. Размещенные на SOHO приборы показали, что общее количество излученной Солнцем энергии оказалось в нынешнем минимуме меньше, чем в предыдущем. Возможные причины такой аномалии обсуждаются в статье Стюарта Кларка (Stuart Clark) для журнала «New Scientist» «Что случилось с Солнцем?» (What’s wrong with Sun?). Собственно, скорее всего особых оснований тревожиться нет. Да и что бы с ним не случилось, вряд ли в человеческих силах это как-то изменить.

Но люди способны на другое — в их силах рассчитать, как те или иные «погодные условия» на Солнце могут отразиться на инфраструктуре, созданной ими на Земле. Обнаруженная чувствительность техносферы Земли не только к сильным, но и к умеренным колебаниям космической погоды не только усиливает нашу обеспокоенность будущими возможными катаклизмами, но и рождает уверенность в способности их предвидеть, а значит, и минимизировать их последствия.

Борис Булюбаш, 02.09.2010

 

Новости партнёров