Светофоры и геомагнетизм

Светофоры и геомагнетизм

На одном из участков Северной железной дороги, расположенном в Архангельской области, неоднократно происходили сбои систем сигнализации – так, в нескольких случаях светофор необъяснимым образом показывал красный цвет вместо зеленого. Эти странные случаи стали предметом специального исследования группы ученых из российского ИЗМИРАНа, Финского метеорологического института и Геомагнитной лаборатории из Оттавы. Одним из результатов стал вывод о ключевой роли магнитных бурь в поведении систем сигнализации на высокоширотных участках РЖД (примерно от 58 до 64 градусов северной широты). Было установлено, что ложные световые сигналы на светофорах появлялись именно во время наиболее сильных по интенсивности фаз геомагнитных бурь и продолжительность сбоев сигнализации совпадает с их длительностью. Как считают авторы исследования, за аномалии ответственны индуцированные бурями геомагнитные токи.

В общей сложности в исследовании было проанализировано 16 сбоев в сигнализации, зарегистрированных между 2000 и 2005 годами; все сбои совпали по времени с космическими бурями. «Мы были просто поражены наличием такой отчетливой корреляции», – говорит Евгения Ярошенко – руководитель международной исследовательской группы и сотрудник ИЗМИРАНа.

Но каким образом катаклизмы космической погоды могли стать причиной нарушений сигнализации – в частности, поразительного переключения сигнала железнодорожных светофоров 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. Во время повышенной активности Солнце (и в первую очередь солнечная корона) является для космического пространства поставщиком огромного количества заряженных частиц, поток которых мы называем обычно солнечным ветром. Главная составляющая ветра – это протоны и электроны. Если вы находитесь на поверхности Земли, то для вас солнечный ветер не опасен, так как земное магнитное поле искривляет траектории движущихся от Солнца частиц таким образом, что они не долетают до поверхности нашей планеты. При этом в ионосфере (такое название получила часть верхней атмосферы, начиная с высоты в 60 километров над земной поверхностью, содержащая большое число ионов вследствие воздействия солнечного ветра) появляются переменные токи, которые, в свою очередь, порождают переменное во времени магнитное поле. В итоге характерные изменения индукции земного магнитного поля составляют величины порядка 10-7 тесла (средняя магнитная индукция на поверхности Земли составляет 5х10-5 тесла, а на экваторе – 3,1×10-5). Характерное время изменения магнитного поля во время магнитной бури лежит в интервале от 0,1 до 600 секунд.

В соответствии с законом Фарадея переменное магнитное поле становится источником электрического поля вихревой природы; оно-то и приводит к возникновению электрических токов. Сильнее всего магнитное поле меняется в высоких широтах. По этой причине соответствующие службы регулярно проводят замеры интенсивностей наведенных токов в канадских, финских и скандинавских энергосетях (а также и газо- и нефтепроводах). На сегодня установлено, что их численное значение лежит в интервале от десятков до сотен ампер, и при этом они слабо изменяются во времени (их называют квазистационарными).

В случае железной дороги появление наведенных токов становится причиной ложного срабатывания систем сигнализации. Если по рельсам движется поезд, то он замыкает цепь, и между ними начинает протекать электрический ток. Ток, индуцированный вариациями магнитного поля Земли, может «замкнуть» рельсы, что с точки зрения сигнализации равносильно появлению поезда. В итоге мы наблюдаем смену зеленого сигнала светофора на красный. Те участки российских железных дорог, которые исследовала группа Ярошенко, особенно чувствительны к космической погоде в силу того. что находятся в северных широтах. Активность же Солнца наиболее заметна на Земле вблизи ее магнитных полюсов.

Работавший в составе группы Ярошенко Ристо Пирджола из Хельсинки уверен, что, если начать изучение неожиданных сигналов на железных дорогах в других странах, мы также сможем обнаружить корреляцию в их появлении с изменениями космической погоды.

Кроме железнодорожных рельсов, по поверхности Земли также проложены многочисленные трубопроводы и линии электропередачи. Они, как сказано выше, тоже весьма чувствительны к изменениям космической погоды. Еще в середине 70-х годов прошлого столетия, – когда трубопроводы стали прокладываться по территории Аляски, расположенной, как известно, в высоких широтах, – резко вырос интерес к проблеме влияния наведенных токов на состояние трубопроводов. В частности, такие токи могут разрушать имеющуюся систему защиты труб от коррозии.

Однако хотя инженеры и наладили измерения интенсивности наведенных токов, установить, в какой степени они влияют на процесс коррозии, пока не удается. «Такие оценки весьма непросты, так как процесс коррозии растянут во времени и зависит от других факторов, в частности, от химического состава почвы и от влажности», – комментирует ситуацию Дэвид Ботелер, сотрудник геологического отдела Канадской Геомагнитной Лаборатории в Оттаве. Беспокойство специалистов по этому поводу весьма велико – по некоторым оценкам, коррозия, обусловленная изменениями космической погоды, может заметно снизить время жизни труб: от ожидаемых 60 лет до 30.

В одном из недавних выпусков журнала Space Weather опубликована статья Ричарда Маршалла, представляющего отдел космической погоды Австралийского метеорологического бюро. Маршаллу удалось установить причастность магнитных бурь к нарушениям в системе катодной защиты трубопровода в северной Австралии – которая, заметим, находится всего в 20 градусах широты от экватора. Комментируя этот факт, Ботелер заметил, что «геомагнитные эффекты становятся фактором, который необходимо учитывать в отношении труб на всех широтах».

Главная же опасность, связываемая с фактором солнечного ветра, – это его воздействие через механизм магнитных бурь на энергетические сети. Эта опасность стала предметом специального исследования НАСА, отчет о котором в январе 2009 года опубликовала Национальная Академия наук США. Как заметил Дэниэл Бэйкер – специалист в области космической погоды из университета Колорадо в Баулдере и глава комитета академии, ответственного за издание отчета, – «мы все больше и больше приближаемся к возможной катастрофе».

Наибольшая опасность для ЛЭП со стороны наведенных токов геомагнитной природы связана с нарушением функционирования трансформаторов, понижающих напряжение при переходе от линии электропередачи к потребителям. Почему это происходит?

При наличии наведенных геомагнитных токов к переменному току первичной обмотки добавляется мало меняющаяся во времени составляющая. Трансформатор в этом случае выйдет из рабочего режима, и в результате ток во вторичной обмотке будет изменяться со временем иначе, нежели ток в первичной обмотке. В таком режиме потери энергии на перемагничивание сердечника (а, следовательно, и выделение теплоты в сердечнике) существенно возрастают. В случае достаточно больших геомагнитных токов трансформатор может даже выйти из строя. По-видимому, именно это было основной причиной аварии на энергосетях канадского Квебека в марте 1989 года. Основные трансформаторы были разрушены, и в итоге шесть миллионов человек почти на 6 часов лишились доступа к электрической энергии.

Исследуя подобные сценарии развития событий применительно к США, авторы исследования НАСА пришли к выводу, что катаклизмы космической погоды всего лишь за полторы минуты могут вызвать коллапс 300 ключевых трансформаторов энергетической сети США. Излишне говорить, что именно эта сеть обеспечивает столь привычную нам устойчивость систем жизнеобеспечения современной цивилизации: водопровода, канализации, финансовых рынков, торговли, системы медицинского обслуживания…

Одна из основных рекомендаций по повышению устойчивости энергосетей в отношении катаклизмов «космической погоды» состоит в том, чтобы по возможности избегать при строительстве ЛЭП чрезмерно протяженных участков и делать линии электропередачи максимально разветвленными.

Но действительно ли магнитные бури могут быть настолько сильными, чтобы стать причиной тех катастрофических процессов, о которых нас предупреждает отчет НАСА? В связи с этим эксперты напоминают о самой большой за всю историю наблюдений солнечной активности магнитной буре 1859 года. В истории астрономии ее называют «событием Каррингтона»  («Carrington event») – в честь британского астронома-любителя Ричарда Каррингтона. Именно он заметил в ночь с 31 августа на 1 сентября появление на поверхности Солнца гигантского факела. А вскоре, в первых числах сентября, на Земле были зафиксированы самые масштабные за все время наблюдений колебания геомагнитного поля. Наблюдались катастрофические сбои телеграфной связи в Европе и Северной Америке, а стрелки магнитометров упирались в край шкалы. Пока буря продолжалась, северное сияние можно было наблюдать на всей поверхности земного шара; в районе же Скалистых гор оно было таким ярким, что шахтеры-золотодобытчики начали готовить завтрак, будучи уверенными, что уже наступило утро. Уже в конце XX столетия исследования взятых на различных глубинах проб льда показали, что геомагнитные бури такой интенсивности происходят в среднем каждые 500 лет.

Вполне естественно, что эксперты вновь и вновь вспоминают «событие Каррингтона». Как заметил Поль Кинтнер, специалист по физике плазмы из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, «случись описанные Каррингтоном события в наше время, их последствия были бы в 10 раз серьезнее урагана Катрина».

Возможно, впрочем, что оценка Кинтнера даже чрезмерно оптимистична. Экспертные оценки ущерба от Катрины колеблются в интервале от 81 до 125 миллиардов долларов. Что же касается сильного геомагнитного шторма, то, согласно оценке специалистов по космической погоде из НАСА, его последствия могут обойтись населению Земли в два триллиона долларов, причем на восстановление экономики от последствий такого шторма уйдет от 4 до 10 лет.

И не нужно думать, что сильная геомагнитная буря заденет только США. Всполохи северного сияния, часто радующие глаз жителей Швеции или Норвегии, означают, что для энергосетей их стран риски особенно велики.

В случае особенно протяженных энергосетей в зону риска могут попасть и «низкоширотные страны». Это, в частности, должен учитывать Китай, планирующий строительство тысячекилометровой высоковольтной ЛЭП с рабочим напряжением, в два раза превышающим рабочее напряжение энергосетей США.

Беспокойство специалистов по космической погоде связано еще и с крайне непонятным поведением самого Солнца в последние несколько лет. Согласно прогнозам, – основанным на многолетних наблюдениях и компьютерных моделях, на Солнце должен был начаться новый 11-летний цикл, и его активность во время этого цикла должна была быть выше, чем в предыдущие циклы. Однако новый цикл так и не стартовал. Первые признаки того, что поведение Солнца плохо поддается прогнозированию, появились в 2008 году. В течение этого года солнце было свободно от пятен 73 процента времени, что слишком много даже для периода минимальной активности. Только в 1913 году минимум был еще более выраженным (85 процентов). 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. Эти наблюдения подтверждаются и информацией, поступающей от уже 15 лет ведущей наблюдения за Солнцем космической обсерватории SOHO. Большинство астрономов склонны полагать, что цикличность солнечной активности сохранится, но ее уровень при этом заметно снизится. Так или иначе, предсказывать поведение Солнца становится достаточно сложно – а следовательно, человечество должно быть готово к самому неблагоприятному для него развитию событий.