Магнитная буря.

Магнитная буря.

При исследовании вопроса «Осеннего слёта пчёл» нам надобны некоторые сведения из астрономии. Это статья призвана прояснить, откуда появляется «излишняя» электрическая энергия во время магнитных бурь. Нас интересует давление «бури», оказываемое на электрические характеристики приземного слоя атмосферы.

Что такое магнитная буря

Геомагнитная или магнитная буря — это сильное понижение значений геомагнитного поля, происходящие иногда в средних и низких широтах Земли. Процесс магнитной бури включает три фазы. Начинается буря с того, что на всех широтах резко увеличиваются начальные значения геомагнитного поля. Затем идёт постепенное уменьшение значений (главная фаза). После чего наступает возвращение компонентов значений к прежнему уровню и даже ниже (фаза восстановления). Термин «магнитная буря» обычно употребляется, если имеются все характерные фазы: внезапное начало, начальная фаза, главная фаза, фаза восстановления. Отдельно отметим, что уменьшение поля иногда может наблюдаться и без внезапного начала бури, а течение будет также в различных иррегулярных формах. (Дополнительно знакомимся «Электрическое поле Земли»)

Как протекает магнитная буря

По современным представлениям, механизм формирования геомагнитной бури во время солнечной активности следующий. Как известно, магнитосфера Земли несимметрична относительно магнитной оси планеты: из-за постоянного давления солнечного ветра со стороны Солнца она поджата, а с ночной стороны вытянута. При спокойном Солнце такое состояние является обычным. Во время вспышки солнечная плазма в виде закрученного в спираль Архимеда узкого пучка магнитных силовых линий высокой напряженности с высокой скоростью достигает Земли, и энергия заряженных солнечных частиц увеличивает давление на магнитосферу. Магнитные силовые линии с дневной стороны как бы поджимаются к поверхности Земли, а с ночной – сильнее вытягиваются в хвост магнитосферы.

Магнитная буря.

В течение начальной фазы Земля погружается в плазму и магнитное поле за фронтом ударной волны. Начальная фаза может продолжаться до нескольких часов. В это время формируется кольцевой ток энергичных частиц во внутренней магнитосфере. Одновременно, когда поток поступающих от Солнца частиц становится более концентрированным, и процесс формирования кольцевого тока только набирает обороты, происходит следующее. Магнитосфера резко уменьшается в размерах под напором потока частиц, область радиационных поясов становится тоньше. Солнечная плазма, как мы знаем, обладает собственным магнитным полем. Двигаясь к Земле, она порождает возмущения в магнитном поле планеты. Поле плазмы может частично соединяться магнитным полем Земли на ночной стороне планеты и увлекать его за собой. Через некоторое время на ночной стороне происходит разрыв и перестройка линий поля плазмы и магнитного поля планеты (выражение условно, т.к. ни каких линий в магнитном поле нет, оно едино). То есть сила магнитного поля Земли «отрывается» от энергии солнечной плазмы, уходящей прочь. Эта высвобождённая магнитная энергия, возвращаясь, ускоряет заряженные частицы, порождая яркое полярное сияние и сильные электрические токи. (Благодаря наличию градиента потенциала и проводимости атмосферы между «уровнем компенсации» и поверхностью Земли начинают активно двигаться заряженные частицы.) Ночной плазменный слой приближается к Земле и ток в нем увеличивается (это очень важно учитывать при рассмотрении вопроса с ОСП) до тока проводимости. Магнитное поле в хвосте магнитосферы увлекает большое количество заряженных частиц, которые прорываясь в атмосферу, вызывают резкие изменения магнитного поля (и на это обращаем внимание). Время изменения магнитного поля во время магнитных бурь находятся в интервале от 0,1 до 600 с. Изменения индукции земного магнитного поля составляют величину порядка 10⁻⁷ Тл (средняя величина магнитной индукции на поверхности Земли составляет 5·10⁻⁵ Тл, а на экваторе 3,1·10⁻⁵ Тл). Главная фаза геомагнитной бури представляет собой уменьшение напряжённости поля (после скачка) на средних и низких широтах. Уменьшение напряжённости поля происходит из-за пересоединения силовых линий межпланетного и геомагнитного полей и флуктуации размеров магнитосферы, в результате которых проникшие в магнитосферу новые частицы и плазма благодаря более высоким энергиям, сформировывают кольцевой ток на расстоянии от 3 до 5 земных радиусов. Этот кольцевой ток, текущий в окрестности Земли в западном направлении, порождает магнитное поле, направленное противоположно геомагнитному, и тем самым ослабляет последнее. Кольцевой ток представляет собой эффективный ток, создаваемый протонами, дрейфующими к западу, и электронами, дрейфующими к востоку. Фаза восстановления геомагнитного поля связана с распадом кольцевого тока, вследствие потери частиц из-за кулоновского рассеивания и зарядового обмена протонов с нейтральным водородом.

Ток магнитной бури имеет три составляющие: поля токов текущих вдоль поверхности магнитосферы Земли (ими определяется положительная вариация начальной фазы), поле кольцевого тока и поля токов, текущих в ионосфере. «Поджатие» силовых линий означает изменение напряженности магнитного поля Земли. При внезапных возмущениях наблюдаются как рост, так и уменьшение напряжённости поля. Эти возмущения получили название внезапных импульсов. Положительный внезапный импульс обычно более резкий, чем отрицательный. Некоторые положительные внезапные импульсы называются межпланетными ударными волнами солнечного происхождения, а отрицательные связаны главным образом с межпланетными магнитогидродинамическими разрывами. В магнитосфере во время внезапных импульсов происходит сжатие или разрежение с амплитудой, имеющей в магнитосфере такую же суточную вариацию, как и на поверхности Земли. Начавшись в одной точке земного шара, геомагнитная буря за считанные минуты распространяется по всей его поверхности.

Геомагнитные бури подразделяют на три типа: сильные, рекуррентные и слабые. Сильные бури с внезапным началом происходят во время солнечных вспышек. Чаще всего сильные бури происходят во время максимума пятно образовательной деятельности Солнца, реже – в эпоху минимума. На Земле буря начинается спустя 24-26 часов. Рекуррентные бури повторяются через 27 суток (период обращения Солнца вокруг собственной оси). Причиной их являются сохраняющиеся в течение нескольких месяцев крупные солнечные пятна, что и приводит к очередному геомагнитному возмущению. Слабые бури не имеют периодичности и формируются под влиянием вариаций солнечного ветра.

Почему человек чувствует магнитную бурю

Итак, геомагнитные возмущения вызываются суммой эффектов сложных систем токов, протекающих в ионосфере и в магнитосфере во время солнечной активности. Характерными признаками являются: интенсивность, продолжительность протекания и пространственное распределение. Из всего выше перечисленного, становится ясным, что основное воздействие магнитной бури на нас (на пасеку с пчёлами и пчеловода) — это резкое изменение напряжённости геомагнитного поля. То есть надо понимать магнитную бурю в приземном слое, как возмущение поля и частиц, которые здесь уже имеются, а не как что-то привнесённое из космоса. Касаемо энергичных частиц, то их «прорываются» «крохи», и то на полюсах или с ночной стороны планеты.

Электрические последствия от магнитной бури

Как всё это выглядит на практике, или, а можно ли «увидеть» и «пощупать»? Приведём пару-тройку простых примеров из жизни о последствиях магнитных бурь (про головную боль и давление мы уж не говорим).

Как горят трансформаторы?

Электрические токи в ионосфере индуцируют электрические токи на поверхности Земли.  Это явление основано на законе М. Фарадея, который гласит: магнитное поле, меняющееся во времени, порождает вихревое электрическое поле. Если в поле оказывается проводник, то в нем возникает электрический ток. (Такой ток называется индукционным (наведённым) током, и всё явление в целом носит название электромагнитной индукции.) Интенсивность наведенных токов лежит в интервале от десятков до сотен ампер. (Для справки: сила атмосферного тока составляет около 1800А (для всей поверхности Земли), однако заметим, сила тока в столбе воздуха с площадью основания 1м² составляет всего лишь 4· 10(-12)А.) Наибольшую опасность индуцированные токи представляют для трансформаторов, понижающих напряжение при переходе от линий электропередачи к потребителям. В результате магнитной бури в проводах электролиний, в каналах связи и прочих проводниках возникает индуцированный электрический ток. В течение нескольких минут из-за нагрева витков трансформаторных обмоток разрушается изоляция и возникает короткое замыкание, в итоге чего трансформатор может даже взорваться.

Возникновение электрического тока в ионосфере индуцирует ток в приземной атмосфере.

Например, большие трансформаторы вроде бы защищены электрическим заземлением. Однако геомагнитно-индуцированный постоянный ток течет по контурам заземленного трансформатора и может привести к температурным скачкам в 200°С или выше, чем вызывает испарение смазочно-охлаждающей эмульсии и «поджаривает» трансформатор. Такая же участь ждёт трансформатор и от более слабых токов, если они воздействуют в течение уже не минут, а часов. Кроме этого индуцированный ток насыщает магнитный сердечник за время, равное половине периода переменного тока, нарушая частоту 50 или 60 герц. Часть энергии может преобразоваться до таких частот, которые электрическое оборудование не сможет отфильтровать. В результате трансформатор будет вибрировать, а не гудеть. Сильный «магнитный шторм» способен «вырубить» энергосистему страны целиком.

Почему самопроизвольно переключаются железнодорожные семафоры?

Ложное срабатывание систем световой сигнализации железнодорожных путей (особенно в северных широтах) так же является результатом действия индуцированных токов. В данном случае принцип действия следующий. Когда участок железнодорожного полотна свободен, то между рельсами поддерживается определенная разность потенциалов. При появлении поезда между ними начинает протекать электрический ток, в результате — срабатывает семафор. Во время магнитной бури замыкает рельсы электрический ток индуцируемый вариациями магнитного поля Земли, что для системы равносильно появлению поезда. В итоге зеленый сигнал светофора сменяется красным. Этому процессу дополнительно способствует повышенная во время магнитной бури ионизация приземного слоя атмосферы.

Почему раньше времени ржавеют трубопроводы?

При всех прочих равных условиях внешнего воздействия на трубопроводы их катодная защита под воздействием наведённых токов космического происхождения разрушается в два раза быстрее. Частично это происходит за счёт повышения напряжённости внутреннего э/м поля Земли. Причём нарушение катодной защиты под воздействием магнитных бурь зафиксировано даже в двадцати градусах по меридиану от экватора.

Вот и «прикинем» сможет ли магнитная буря повлиять на пчёл или нет, учитывая их электрическую составляющую?

В заключение заметим, что статья пояснительная, и как раз поможет нам в этом разобраться. Вопрос процесса влияния магнитных бурь на геофизическое поле Земли для нас представляет интерес при объяснении процесса возникновения в этот период существенных изменений потенциала в приземной атмосфере.
Опубликовано Новиковым С.Н. © //www.maymed.ru , 2012.