Солнечные бури в сентябре

Как известно, Солнце состоит из раскаленных газов, которые все время движутся и перемешиваются. Главную роль в большинстве наблюдаемых на Солнце явлений играют магнитные поля. Солнечное магнитное поле имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместные действия циркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциального вращения Солнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей и возникновения новых. Это и является причиной возникновения на Солнце пятен, самых устойчивых образований. Но и их вид изо дня в день меняется, и они, то появляются, то исчезают. Цикл солнечной активности примерно равен 11,2 года, хотя найдены и более длинные циклы (22, 44, 55, 80, 110, 210, 420 лет). Однако 11-летний цикл может меняться от 7 до 17 лет (в ХХ веке он был ближе к 10 годам). Примерно каждые 11 лет становится наибольшим и число пятен. С таким же периодом в 11 лет происходит и изменение полярности ("переполюсовка") магнитного поля Солнца. Развитие активной области начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, что приводит к появлению более ярких участков - факелов, где температура примерно на 300 К выше среднего значения для фотосферы Солнца в 6000 К. Дальнейшее усиление магнитного поля приводит к появлению пятен.Сначала появляются одиночные пятна, затем из них возникает целая биполярная группа, в которой выделят два больших пятна - одно на западном, другое - на восточном краю группы, которые образуют два полюса одного магнита. Большинство таких групп обычно исчезают через 1-2 суток. Но некоторые растут, развиваются и часто объединяются, образуя сложные структуры. Солнечные пятна могут быть больше в диаметре, чем Земля. Они формируются за несколько дней и обычно исчезают за неделю. Но некоторые большие пятна могут сохраняться в течение месяца. Пятна являются источниками солнечных вспышек, выбросов плазмы и протонов с высокой энергией, которые вместе образуют солнечные бури.Из всех "выстрелов" опасны только те, которые происходят по центру солнечного диска и направлены в сторону Земли, а потоки плазмы, которые проходят мимо нашей планеты или задевают ее лишь краем, практически не заметны.
Эти бури могут наносить ущерб землянам разными способами. К их числу относятся:

1. Солнечные вспышки - относительно небольшие взрывы, порождающие излучение. Они вызывают скрытое радиопоглощение в так называемом D-слое (на высоте 60-90 км) земной ионосферы, интерферируя с сигналами спутниковой системы навигации GPS и коротковолновыми приемниками. Вспышки также ударяют в верхние слои атмосферы, раздувая ее и увеличивая трение спутников, в результате чего, те теряют высоту и могут упасть на Землю. Так погибли американская орбитальная станция "Skylab" и советский "Салют-6". В июле 2000 года во время очень большой магнитной бури был потерян японский спутник "Аsko".

2. Корональные выбросы массы - гигантские пузыри плазмы, которые, если Земля оказывается на их пути, индуцируют сильные электрические токи в протяженных линиях связи, воздушных ЛЭП, кабелях и силовых трансформаторах, особенно сверхвысокого напряжения (от 330 до 1150 кВ переменного тока), в магистральных трубопроводах и рельсах железных дорог.

3. Протонные ливни - солнечные потоки обладающих высокой энергией протонов, которые иногда сопровождают солнечные вспышки и корональные выбросы массы. Они оказывают сильное воздействие на радиоэлектронную аппаратуру, могут повредить данные в компьютерных сетях, а космонавты и пассажиры самолетов из-за них могут получить повышенную дозу радиации.

Магнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, меняют состояние магнитосферы и атмосферы Земли, а тем самым, влияют и на людей, прежде всего на их мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы, на физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, влияют и на общество в целом. Еще в 1915 г. основоположник гелиобиологии Александр Чижевский обратил внимание на связь между увеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Так, сразу после появления больших пятен на Солнце июне того года на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия. Позднее Чижевский провел статистическое исследование связи нервно-психических и физиологических реакций людей с появлением вспышек и пятен на Солнце. Математически обработав полученные данные, он пришел к выводу, что Солнце влияет на всю нашу жизнь. Первоначально взгляды Чижевского не были восприняты научным миром и их даже причислили к разряду мистических. Однако сейчас не только ученые, но и целые отделы спецслужб разных стран, по сообщениям прессы, занимаются анализом солнечной активности.Каррингтонская вспышкаСамая сильная за последние 500 лет магнитная буря случилась осенью 1859 г. Тогда 26 августа на Солнце около 55° западной долготы появилась большая группа пятен, и произошел первый корональный выброс массы. 28 августа этот выброс достиг Земли скользящим ударом. В 07:30 GMT Гринвичская магнитная обсерватория обнаружила нарушение - сжатие сигнала в магнитосфере, а в 22:55 GMT началась основная фаза солнечной бури. Наблюдались большие магнитные возмущения, нарушение работы телеграфа и полярные сияния на юге, до 25°северной широты. 30 августа геомагнитные возмущения от первого коронального выброса массы завершились. 1 сентября произошла вспышка рентгеновского излучения. В этот день в 11:15 GMT английский астроном Ричард Каррингтон (Richard C. Carrington) заметил белые вспышки на Солнце; которые были хорошо видны даже без оптических приборов. Затем большая группа солнечных пятен совершила вращение до западной долготы 12°. И вдруг поверх пятен вспыхнули два ослепительных шара, которые быстро росли. Они были столь яркими, что затмевали блеск Солнца. Примерно через пять минут шары исчезли. 2 сентября в 05:00 GMT магнитные обсерватории Гринвича и Кью зафиксировали геомагнитный хаос, немедленно последовавший за возмущениями; второй корональный выброс массы достиг Земли за 17 часов, двигаясь со скоростью 2380 км/с, обладая южной ориентацией магнитного поля. При этом наблюдались полярные сияния вплоть до 18° северной широты. Ночь над Америкой стала днем - так было светло от сполохов сияния. Города казались охваченными огнем. Полярные сияния после этой вспышки над своими головами наблюдали даже жители Индии, Кубы, Ямайки, Гавайских островов, а не только в высоких широтах. Имевшиеся тогда магнитометры зашкалилоМагнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, меняют состояние магнитосферы и атмосферы Земли, а тем самым, влияют и на людей, прежде всего на их мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы, на физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, влияют и на общество в целом. Еще в 1915 г. основоположник гелиобиологии Александр Чижевский обратил внимание на связь между увеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Так, сразу после появления больших пятен на Солнце июне того года на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия. Позднее Чижевский провел статистическое исследование связи нервно-психических и физиологических реакций людей с появлением вспышек и пятен на Солнце. Математически обработав полученные данные, он пришел к выводу, что Солнце влияет на всю нашу жизнь. Первоначально взгляды Чижевского не были восприняты научным миром и их даже причислили к разряду мистических. Однако сейчас не только ученые, но и целые отделы спецслужб разных стран, по сообщениям прессы, занимаются анализом солнечной активности.Каррингтонская вспышкаСамая сильная за последние 500 лет магнитная буря случилась осенью 1859 г. Тогда 26 августа на Солнце около 55° западной долготы появилась большая группа пятен, и произошел первый корональный выброс массы. 28 августа этот выброс достиг Земли скользящим ударом. В 07:30 GMT Гринвичская магнитная обсерватория обнаружила нарушение - сжатие сигнала в магнитосфере, а в 22:55 GMT началась основная фаза солнечной бури. Наблюдались большие магнитные возмущения, нарушение работы телеграфа и полярные сияния на юге, до 25°северной широты. 30 августа геомагнитные возмущения от первого коронального выброса массы завершились. 1 сентября произошла вспышка рентгеновского излучения. В этот день в 11:15 GMT английский астроном Ричард Каррингтон (Richard C. Carrington) заметил белые вспышки на Солнце; которые были хорошо видны даже без оптических приборов. Затем большая группа солнечных пятен совершила вращение до западной долготы 12°. И вдруг поверх пятен вспыхнули два ослепительных шара, которые быстро росли. Они были столь яркими, что затмевали блеск Солнца. Примерно через пять минут шары исчезли. 2 сентября в 05:00 GMT магнитные обсерватории Гринвича и Кью зафиксировали геомагнитный хаос, немедленно последовавший за возмущениями; второй корональный выброс массы достиг Земли за 17 часов, двигаясь со скоростью 2380 км/с, обладая южной ориентацией магнитного поля. При этом наблюдались полярные сияния вплоть до 18° северной широты. Ночь над Америкой стала днем - так было светло от сполохов сияния. Города казались охваченными огнем. Полярные сияния после этой вспышки над своими головами наблюдали даже жители Индии, Кубы, Ямайки, Гавайских островов, а не только в высоких широтах. Имевшиеся тогда магнитометры зашкалило

Еще более ярким свидетельством серьезности происходящего стали неполадки на телеграфных линиях в Европе и Северной Америке. Искровые разряды больно жалили телеграфистов и поджигали бумагу телеграфных лент. Даже при отключении аппаратов от батарей вызванные "электромагнитной бурей" токи все равно позволяли телеграфу нормально работать и передавать сообщения. 3-4 сентября основная фаза геомагнитного возмущения, вызванная вторым выбросом корональной массы; закончилась, но продолжало наблюдаться рассеянное полярное сияние уменьшающейся интенсивности. Солнечные вспышки и интенсивные корональные выбросы также ускоряли протоны до энергий в 30 мегаэлектронвольт (МэВ) или выше. В арктических областях, где магнитное поле Земли создает наименьшую защиту, протоны проникали до высот 50 км и давали дополнительную энергию ионосфере. В результате, протонный ливень солнечной бури 1859 г. уменьшил количество озона в земной стратосфере на 5%. Для восстановления озонового слоя потребовалось четыре года. Так как полярные сияния распространяются от высоких широт к низким, сопровождающие их ионосферные и авроральные электрические токииндуцируют интенсивный, соединяющий континенты ток на поверхности Земли. Именно эти токи проникли в телеграфную систему. Многоамперные высоковольтные нагрузки и привели к тому, что сгорели несколько телеграфных станций.Благодаря тому, что цивилизация того времени еще не достигла нынешних технологических высот, удар солнечной бури 1859 г. не сказался серьезным образом на повседневной жизни. Если бы такая вспышка произошла в наши дни, то разрушений было бы гораздо больше: выведенные из строя космические спутники, сбой радиосвязи, отключение электричества на целых континентах, для восстановления которого потребовались бы недели, а то и месяцы. Хотя буря подобной мощности как в 1859 г. происходит редко, но бури половинной мощности происходят примерно раз в 50 лет. Отмечено, что в последние 30 лет число и интенсивность солнечных бурь существенно возросли. Максимумы солнечной активности наблюдались около 1980, 1990, в 2001-2002 гг., следующий пик ожидается в 2011-2012 гг. Трансформаторы - "Ахиллесова пята" электроэнергетикиИз перечисленных в рабочем отчете NAS "Severe Space Weather Events …" земных объектов, подверженных воздействию солнечных бурь, журнал "New Scientist", а вслед за ним и газета "Комсомольская правда" обратили особое внимание на системы электроснабжения, поскольку именно их выход из строя на длительное время представляет самую большую технологическую угрозу повседневной жизни человечества

Передача и распределение электроэнергии в современных электроэнергетических системах осуществляется на переменном трехфазном токе частотой 50 Гц (в США 60 Гц) с помощью воздушных и кабельных линий электропередачи. Для приема и преобразования электроэнергии служат трансформаторные подстанции. Подстанции систем электроснабжения состоят из одного или нескольких трансформаторов и распределительных устройств. Трансформаторы осуществляют преобразование электроэнергии - изменение величины напряжения. Распределительные устройства служат для приема электроэнергии от трансформаторов и для ее распределения потребителям.

Для передачи электроэнергии потребителям внутри энергосистем используют линии электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения 110, 150, 220 кВ с последующим понижением его до 6-10 кВ, а затем - до 380/220 В.

Для связи энергосистем между собой и передачи больших мощностей (200-2200 МВт) на большие расстояния (300-2000 км) используют воздушные линии трехфазного переменного тока сверхвысокого (330, 500, 750 кВ) и ультравысокого напряжения (1150 кВ). (Указаны значения номинальных напряжений по российским стандартам).

Рис. 1. Схема протекания индуцированного тока в силовых трансформаторах

По известному закону Ома ток I в электрической цепи переменного тока равен отношению электродвижущей силы E к полному сопротивлению цепи Z , складывающемуся из активного R и индуктивного сопротивлений XL, т.е.

.

Так как индуктивное сопротивление обмоток трансформаторов XL пропорционально частоте тока f и индуктивности обмоток L,то на постоянном токе оно равно нулю и ток определяется лишь активным сопротивлением обмоток трансформатора, которое очень мало. В результате ток в медных обмотках трансформатора возрастает в десятки раз.

Кроме того, постоянный ток, проходя по обмоткам трансформатора, сильно насыщает его сердечник, смещая рабочую точку по кривой намагничивания B = f (H) трансформаторной стали (рис. 2) от положения 1 до положения 2, в крайнем случае.

Рис. 2. Кривая намагничивания стали трансформатора

и зависимость рабочего тока от насыщения сердечника В результате этого даже меньшее изменение магнитной индукции B переменного тока частотой 50 Гц, показанное на рис. 2, б (по сравнению с рис 2, а), приводит к гораздо большему увеличению (в десятки раз) напряженности магнитного поля Н и синусоидального тока i в обмотке трансформатора (рис. 2, г и в). В силу такого резкого увеличения как постоянного, так и переменного тока обмотки высокого напряжения и сердечник трансформатора быстро нагреваются, а обмотки еще расплавляются и сгорают.

По оценкам экспертов, в соответствии с известным в электротехнике уравнением Максвелла   

приведенным и на рис. 1, при скорости изменения магнитной индукции B геомагнитного поля около 4800 нанотесла (нТ) в минуту (как это было во время сильной солнечной бури 1921 г.) на поверхности земли могут индуцироваться поля с напряжением до 20 В на км. В результате, по расчетам специалистов, только в США через 90 секунд после солнечного удара сгорят 300 ключевых трансформаторов сверхвысокого напряжения. И тогда без электроэнергии останутся более 130 миллионов человек. Отклик энергосистем на более сильную бурю, подобную той, что произошла в 1859 г., ученые еще не смоделировали. А там, очевидно, последствия солнечного удара по энергосистемам будут еще более масштабными!

В других странах, в том числе и в России, последствия прогнозируемого солнечного шторма будут не лучше. Особенно, если учесть, что электротехническая промышленность нашей страны, если не разрушена, то находится в упадке и не способна в короткие сроки произвести большое число мощных силовых трансформаторов и другого необходимого при такой аварии электрооборудования

Поскольку многотонные силовые трансформаторы с выгоревшими обмотками отремонтировать на месте нельзя, а можно только заменить на новые, то такая ситуация в энергосистемах продлится несколько месяцев, а то и лет. Кроме того, для установки новых крупногабаритных трансформаторов на подстанциях требуются квалифицированные специалисты (которых у нас в стране становится все меньше и меньше) и неделя, а то и больше, непрерывной работы людей и техники.

Еще одной опасностью солнечных бурь являются так называемые веерные отключения электроэнергии после выхода из строя трансформаторных подстанций. Так как энергосистемы и их сети на континентах взаимосвязаны, то потеря даже одного узла влечет за собой каскад аварий. Так, в 2006 г. отключение одной из ЛЭП в Германии вызвало серию повреждений трансформаторных подстанций по всей Европе. В результате во Франции пять миллионов человек сидели без света два часа.Раннее спутниковое предупреждение о вспышках на Солнце, конечно, может помочь персоналу энергосистем смягчить последствия солнечных бурь, за счет ограничения перетоков электроэнергии между системами, регулирования напряжение и нагрузки в сети. Однако, как показал опыт 1859 г., в запасе у специалистов всего 15 минут, а то и меньше, чтобы предпринять нужные меры. Вместе с тем, спутниковая система слежения за солнечной погодой становится все менее надежной, так как спутник NASA под названием ACE уже 11 лет в работе и превысил срок своей службы

В России наземные наблюдения за Солнцем ведутся, но обсерватории устарели и есть только в Уссурийске, Иркутске, Зеленчукской, Кисловодске, Нижнем Новгороде, Москве и Санкт-Петербурге, что крайне мало на такую большую страну, как наша. Правда, активные исследования Солнца начал вести российский аппарат "Коронас-Фотон", запущенный со второй попытки 30 января 2009 г. с космодрома Плесецк. Однако по плану спутник проработает на орбите всего три года, т.е. до начала 2012 г. Другие спутники слежения ("Чибис", "Резонанс", "Интербола-3", "Клипер", "Интергелиозонд"), по сообщениям прессы, еще только разрабатываются. Потому необходимы какие-то технические решения, обеспечивающие надежную работу электрических сетей во время самых мощных солнечных бурь. Особенно, сейчас, когда специалисты NASA, согласно "New Scientist", прогнозируют солнечный шторм, аналогичный Каррингтонскому, на 22 сентября 2012 г., хотя отечественные специалисты и высказывают сомнение в такой точности прогноза пиков солнечной активности на ближайшие годы.

  Астропрогнозы намерянно упускаю. Источник: http://astrokras.narod.ru/pub/sun.htm