Если вы окажетесь темной ночью под открытым небом где-то в северных широтах, то сможете наблюдать северное (полярное) сияние — призрачный занавес из света, опускающийся с небес. Этот занавес может растянуться на несколько сот километров в высоту и несколько тысяч километров в длину, образуя дугу вокруг Земли. А толщина этого занавеса — всего 100 м. Как образуется такое захватывающее зрелище и почему занавес такой тонкий?

ОТВЕТ • Иногда северное сияние можно связать со вспышками на Солнце, если частицы, выброшенные при вспышках (солнечный ветер), влияют на электрические и магнитные поля в атмосфере Земли.

Северное сияние возникает, когда электроны ускоряются на высотах от 3000 до 12 000 км, а потом дрейфуют вдоль силовых линий магнитного поля Земли в сторону высоких широт — по направлению к северному и южному магнитным полюсам. Поскольку при приближении к полюсам магнитные силовые линии сгущаются и опускаются, электроны там движутся на меньшей высоте, где концентрация газа выше, и сталкиваются с атомами и молекулами, возбуждая их. Позже атомы и молекулы возвращаются в основное состояние, испуская свет. Северное сияние — как раз и есть этот свет, например кислород испускает свет в зеленой части спектра, азот — в красной. Однако свечение может быть таким слабым, что воспринимается только как белое. Иногда может казаться, что свечение движется по небу, как будто его сдувает ветер, но это движение — иллюзия.

Поскольку электроны движутся вдоль сходящихся в одну точку силовых линий поля, поблизости от полюса они оказываются зажатыми в очень узком пространстве. И только атомы и молекулы, находящиеся в этом пространстве, вносят вклад в создание северного сияния. К сожалению, из этого простого объяснения следует, что толщина занавеса северного сияния должна быть гораздо больше, чем есть на самом деле. В настоящее время ученые работают над более сложным объяснением этого явления.

Ночью 13 марта 1989 года в 2:45 обрушилась вся энергосистема канадской провинции Квебек, оставив миллионы жителей без электричества на всю холодную ночь (как говорят, произошел блэкаут). На самом деле в эту ночь давали сбои все энергосистемы Северного полушария, это был ночной кошмар для обслуживающих эти системы инженеров. Причиной сбоя был не выросший вдруг спрос на электроэнергию и не изношенность оборудования. Причиной стала вспышка на Солнце (солнечный протуберанец), случившаяся за три дня до этого. Как мог взрыв на Солнце привести к отказу энергосистемы?

ОТВЕТ • При солнечной вспышке с поверхности Солнца в космическое пространство выбрасывается огромное количество заряженных частиц — электронов и протонов. 10 марта 1989 года в сторону Земли был выброшен гигантский солнечный протуберанец. Когда спустя три дня частицы долетели до Земли, они передали свою энергию земной магнитосфере — расположенной на большой высоте области вокруг Земли, где поведение частиц управляется электрическими и магнитными полями Земли. В частности, эта энергия пошла на образование электроджетов — потоков электронов.

Поскольку потоки электронов — это токи, вокруг электроджетов возникают магнитные поля, распространяющиеся далеко за пределы магнитосферы и захватывающие поверхность Земли и линии электропередачи объединенных энергосистем. Проблемы с энергосистемой в Квебеке вызвали как раз эти поля, точнее, их изменение.

На одном конце высоковольтной линии располагается повышающий трансформатор, поднимающий электрический потенциал для таких значений, чтобы электроэнергия передавалась по проводам под очень высоким напряжением. На другом конце находится понижающий трансформатор, уменьшающий потенциал до низкого значения, используемого в доме. Любой трансформатор состоит из двух обмоток (первичной и вторичной) с разным количеством витков проволоки, намотанной на железный сердечник. Обычный переменный ток, пропущенный через первичную обмотку, создает переменный ток во вторичной обмотке и разность потенциалов либо большую, либо меньшую — в зависимости от того, имеет ли вторичная обмотка больше или меньше витков, чем первичная.

Оба трансформатора, установленные на линии, заземлены, то есть соединены проводами с землей. Когда образуется электроджет, вокруг него возникает магнитное поле, которое может охватить протяженный контур, образованный проводами линии электропередачи (верхняя часть контура), проводами, соединяющими оба трансформатора на концах линии с землей (две боковые части контура), и землей (нижняя часть контура) (рис. 5.7). Постоянное магнитное поле, охватывающее этот контур, не создает проблем. Проблемы возникают, когда поле меняется.

Рис. 5.7 / Задача 5.47. Электроджет (ток) создает магнитное поле в вертикальном контуре, образованном линией электропередачи, землей и проводами, заземляющими трансформаторы (помещенные в цилиндры на концах линии передачи). Изменения поля приводят к появлению тока (ГИТ) в замкнутом контуре.

В ночь аварии (блэкаута) поле изменилось неожиданно и резко, поскольку энергия, принесенная солнечным протуберанцем, неожиданно и резко изменила величину электроджета. Когда в контуре меняется поток магнитного поля, в нем возникает ток. Если этот ток возник из-за электроджета, его называют геомагнитно-индуцированным током (ГИТ). Таким образом, в ночь блэкаута в линии электропередачи, кроме обычного тока, возник большой и быстро изменяющийся ГИТ.

Передача энергии в единой энергетической системе возможна лишь в том случае, если изменения токов и напряжений в системе не выходят за определенные пределы. Прошедший через трансформаторы дополнительный ГИТ в Квебеке вышел за допустимые пределы, и трансформаторы перестали правильно преобразовывать переменный ток первичной обмотки в ток вторичной обмотки. В результате и ток, и напряжение на вторичной обмотке оказались сильно искаженными и менялись не так, как нужно. Это искажение прервало передачу энергии, многие трансформаторы сгорели, и система обрушилась. В настоящее время, если солнечный протуберанец устремляется в сторону Земли, инженеров, обслуживающих электросеть, немедленно предупреждают о возможности возникновения проблем.

ГИТ может возникнуть в любом длинном проводнике, например в телекоммуникационных кабелях или в Трансаляскинском нефтепроводе. На самом деле этот факт был замечен, но не понят, уже 150 лет назад, когда для передачи телеграфных сообщений использовались длинные проводные линии. Иногда в проводах, не подключенных к своим источникам питания (находящихся в нерабочем режиме), шел ток. ГИТ может пойти и по самой земле, вызвав коррозию в длинных трубопроводах, электрически связанных с землей.

На самом деле существуют явления, сходные с теми, что вызывают появление ГИТ. Например, в подводных кабелях при движении воды во время прилива тоже могут возникать токи. Поскольку вода проводит ток и движется в магнитном поле Земли, через воду (и через кабель в воде) начинает идти ток. Цепь замыкается, когда в обратном направлении ток течет по морскому дну.