Procesy zachodzące na Słońcu wywierają duży wpływ na życie na Ziemi. W wyniku przemian jądrowych plazma słoneczna utrzymuje temperaturę około 15 mlnoC, a strumienie naładowanych cząstek wydostają się na powierzchnię gwiazdy, gdzie ulegają schłodzeniu i tworzą ciemniejsze miejsca zwane potocznie plamami słonecznymi. Ilość tych stref o temperaturze 4000^oC wzrasta co 11-12 lat. Ustalono, że w okresach największej liczby plam znacznie wzrasta natężenie emisji cząstek z korony słonecznej. Strumień ten nazwany wiatrem słonecznym dostarcza naszej cywilizacji coraz więcej problemów.

Wiatr słoneczny niesie cząstki o wielkiej energii, stwarzające poważne zagrożenie radiacyjne dla organizmów żywych, analogiczne do oddziaływania promieniowania z eksplozji nuklearnych. Atmosfera ziemska oraz magnetosfera zapewniają dostateczną ochronę na powierzchni planety, lecz astronauci w przestrzeni kosmicznej są narażeni na śmiertelne dawki promieniowania. Przenikanie cząstek do komórek organizmów może wywołać uszkodzenie chromosomów, zmiany rakotwórcze i szereg innych schorzeń, w skrajnych wypadkach także natychmiastową śmierć. Dla przykładu podczas burzy słonecznej w 1989 r. kosmonauci w orbitalnej stacji Mir otrzymali w ciągu doby całoroczną dopuszczalną dawkę promieniowania. Szczególnie niebezpieczne okazują się protony o energii ponad 30 MeV, które mogą docierać nawet w okolice bieguna północnego Ziemi, nad którym odbywają się loty samolotów międzykontynentalnych. Dla ograniczenia narażenia radiacyjnego załogi i pasażerów niejednokrotnie zmienia się trasy przelotów podczas zwiększonej aktywności Słońca. Niektóre loty, zwłaszcza na dużych wysokościach nad biegunem, odwołuje się także z powodu zakłóceń w łączności radiowej. Wprawdzie naziemne stacje telewizyjne i radiowe są dość odporne na zjawiska w przestrzeni wokółziemskiej, lecz łączność radiowa dla floty morskiej i powietrznej często ulega zakłóceniu lub wręcz przerwaniu. Zakłócenia mogą dotknąć również systemy nawigacji i pozycjonowania takie jak GPS, Loran i Omega. Podczas burz magnetycznych błąd lokalizacji przez te systemy może sięgać aż kilku kilometrów.
Burze słoneczne zagrażają również satelitom wskutek pośredniego oddziaływania na ich trajektorie. Nagrzewanie górnych warstw atmosfery przez zwiększone promieniowanie ultrafioletowe powoduje wzrost gęstości powietrza i w efekcie spowalnianie ruchu satelitów, które schodząc w gęstsze warstwy ulegają ostatecznie spaleniu. Przykładem przedwczesnego zakończenia swej misji z tego powodu był Skylab utracony w 1979 r. Problemy z satelitami pogłębia także niszczące oddziaływanie cząstek wiatru słonecznego na wrażliwe elementy mikroprocesorowe oraz równie niebezpieczna elektryzacja elementów konstrukcji statków kosmicznych. Poważne straty ponoszą również naziemne instalacje przesyłu nośników energii. I tak szybkozmienne pola magnetyczne indukują tzw. prądy geomagnetyczne w rurociągach naftowych i gazowych. Ich przepływ może fałszować wskazania aparatury kontrolno-pomiarowej np. przepływomierzy, a także przyspieszać procesy korozyjne w elementach stalowych. Nowsze rurociągi buduje się już z uwzględnieniem rozwiązań minimalizujących te reakcje. Należy do nich tzw. ochrona katodowa polegająca na utrzymaniu ujemnego potencjału rurociągu względem ziemi. Podczas burz geomagnetycznych następują zmiany tego potencjału, co zwiększa szybkość reakcji utleniania materiału rurociągu i skraca jego żywotność.

Amerykański satelita ACE

Zagrożenia dla sieci elektroenergetycznych

Największe jednak zagrożenie stanowią tzw. prądy geomagnetyczne indukowane w sieciach elektroenergetycznych najwyższych napięć. W największym stopniu ryzyko to dotyczy rozległych systemów przesyłowych w Kanadzie, USA, na Syberii, w Chinach, Australii i na Półwyspie Skandynawskim. Zjawisko to jest znane już od momentu narodzin telegrafu – już wtedy stwierdzono, że przesyłanie sygnałów mogło odbywać się bez źródła zasilania układu. Funkcję źródła pełniło bowiem napięcie wyindukowane w tym obwodzie przez wokółziemskie pole magnetyczne. Z powodu domniemanego związku z nieznanymi wtedy zjawiskami atmosferycznymi nazywano je „niebieską baterią”.
Prądy geomagnetyczne, zbliżone przebiegiem do prądu stałego, są szczególnie niebezpieczne dla wielkich maszyn elektrycznych, jak transformatory i generatory, gdyż wywołują nasycenie ich rdzeni magnetycznych, co prowadzi do ich przegrzewania i poboru zwiększonych prądów. Największe zarejestrowane dotychczas w Szwecji prądy geomagnetyczne zamykające się w uziemieniach punktów gwiazdowych transformatorów wyniosły 320 A. Przetężenia (nadmierne prądy) powodują zadziałanie zabezpieczeń elektrycznych i w rezultacie awaryjne wyłączanie fragmentów systemu elektroenergetycznego.

Awarie

Największy do tej pory „geomagnetyczny” blackout miał miejsce w kanadyjskim Quebecu 13 marca 1989 r. W wyniku burzy magnetycznej nad Ameryką Północną ponad 6 mln ludzi zostało pozbawionych zasilania przez 9 godzin. Anomalia geomagnetyczna, która doprowadziła do wyłączenia zasilania w prowincji Quebec była wywołana gigantycznymi wyrzutami plazmy ze Słońca. 13 marca o godzinie 2:44 nastąpiło potężne zaburzenie ziemskiego pola magnetycznego. Łączność radiowa uległa zakłóceniu, lecz główne procesy przebiegały w skorupie ziemskiej. Strumienie naładowanych cząstek płynące w jonosferze indukowały potężne prądy elektryczne w ziemi, które znalazły alternatywną drogę przepływu w długich liniach przesyłowych najwyższych napięć, doprowadzając do ich przeciążenia prądowego. Wskutek działania zabezpieczeń elektrycznych liczne połączenia uległy wyłączeniu. Po tej awarii wdrożono niektóre środki zapobiegawcze, m.in. układy szeregowej kompensacji we wspomnianych liniach blokujące przepływ wolnozmiennych prądów geomagnetycznych.

Rozpływ prądów geomagnetycznych w sieciach elektroenergetycznych

Prognozy i zabezpieczenia

Obecnie większość specjalistów w Ameryce Północnej nie ma już wątpliwości odnośnie zagrożeń niesionych przez nadmierną aktywność Słońca. W opracowaniu naukowców NASA zwraca się uwagę na potencjalne, bardzo silne skutki najbliższej burzy słonecznej, której apogeum ma wypaść latem 2012 r. Rozpad amerykańskich systemów elektroenergetycznych mógłby kosztować tamtejszą gospodarkę nawet tysiące miliardów dolarów (!), a likwidacja jego skutków zajęłaby 4-10 lat. Groźba „geomagnetycznej” katastrofy wymusiła poszukiwanie sposobów zapobiegnięcia tej czarnej wizji.
Najprostszym rozwiązaniem ma być włączanie w obwód uziemiający punkty neutralne transformatorów rezystorów ograniczających prądy geomagnetyczne. Koszt takiego elementu nie przekroczy 40 tys. USD. W USA na uszkodzenie prądami geomagnetycznymi jest narażonych około 5 tys. wielkich transformatorów. Powyższe doraźne rozwiązanie problemu o łącznych kosztach 150 mln USD zaproponowano w raporcie skierowanym do Kongresu. Obecnie operatorzy amerykańskich systemów elektroenergetycznych mają do dyspozycji sprawdzone narzędzie, tj. ostrzeżenia nadsyłane przez specjalistycznego satelitę ACE. Sonda ta, umieszczona w odległości około 1,5 mln km od Ziemi na drodze ku Słońcu, wysyła meldunki o nadchodzącym wietrze słonecznym. Na Ziemię raporty te docierają z wyprzedzeniem kilkudziesięciu minut, co okazuje się wystarczające do podjęcia szybkich działań. W tym krótkim czasie operatorzy mają dokonać właściwych przełączeń w sieciach, zmniejszając groźbę ewentualnego blackout’u. W przeszłości nie zawsze jednak ostrzeżenia te w pełni potwierdzały się, co sprawiło, że obecnie operatorzy systemów sceptycznie odnoszą się do otrzymywanych informacji i niechętnie podejmują kosztowne działania prewencyjne.

Opracowano
na podstawie
materiałów NASA