Як сонячні бурі можуть знеструмити цілі континенти

13 березня 1989 року енергомережа Hydro-Québec у Канаді впала менш ніж за дві хвилини. Корональний викид маси від Сонця вдарив по магнітосфері Землі днем раніше, а вранці швидкозмінне магнітне поле над Квебеком штовхало електричні струми через гірські породи Канадського щита. Ці струми піднялися в довгі високовольтні лінії електропередач, насичували залізні осердя статичних компенсаторів на підстанціях і вимкнули всю систему. Мільйони людей залишилися без електрики на годинник.

Більшість людей неправильно розуміють природу загрози від сонячних бур. Небезпека не в тому, що потік частинок спалить телефон у чиїйсь кишені. Загроза в тому, що вся земна інфраструктура — кожна довга провідна конструкція, прокладена людиною по планеті — поводиться як гігантська антена, коли геомагнітне поле починає коливатися.

Коли корональний викид маси досягає Землі, він не пробиває атмосферу. Магнітосфера поглинає та відхиляє більшість заряджених частинок, тому полярні сяйва освітлюють небо, а не вбивають людей під ними. До поверхні доходить саме магнітне збурення — швидка зміна сили та напрямку магнітного поля Землі, іноді на сотні нанотесла за кілька хвилин.

Змінне магнітне поле індукує електричне поле. Це закон Фарадея, той самий принцип, на якому працює кожен електрогенератор на планеті. Під час сильної бурі індуковане електричне поле на рівні землі може досягати вольтів на кілометр. На короткій відстані це незначно. Але на 700-кілометровій лінії електропередач між двома підстанціями це додає тисячі вольтів різниці потенціалів між кінцями дроту — повільний квазіпостійний поштовх, для якого мережа змінного струму ніколи не була призначена.

Струми, які це викликає, називають геомагнітно індукованими струмами. Вони протікають через будь-який довгий провідник: високовольтні лінії електропередач, нафто- та газопроводи, залізничні сигнальні кабелі та підводні волоконно-оптичні кабелі, що з'єднують континенти через інтернет.

Геометрія має більше значення, ніж метал. Кухонний тостер зроблений з того ж провідного матеріалу, що й опора електропередач, але його довжина п'ятнадцять сантиметрів. Індукована напруга на ньому навіть під час бурі класу Керрінгтона становила б частку мілівольта. Натомість тисячокілометровий трубопровід, прокладений через Саскачеван, знаходиться в тому ж індукованому електричному полі, але інтегрує його по всій своїй довжині.

Саме тому інфраструктура на високих широтах особливо вразлива. Мережа Норвегії, залізниці Фінляндії, трансаляскинський трубопровід, мережа Hydro-Québec — усі тягнуться на сотні кілометрів через регіони, де авроральний електроджет, стрічка струму в верхніх шарах атмосфери під час бур, проходить майже прямо над головою.

Пошкодження всередині підстанції не схоже на удар блискавки. Геомагнітно індуковані струми є квазіпостійними — вони течуть в одному напрямку хвилинами. Коли такий постійний струм проходить через обмотки великого силового трансформатора, він штовхає залізне осердя в магнітне насичення на половині кожного циклу змінного струму. Трансформатор починає споживати величезні реактивні струми з мережі, нагріваючись і вібруючи.

У найгірших випадках осердя нагрівається настільки, що обвуглює ізоляційну олію та папір навколо мідних обмоток. Великі трансформатори можуть бути пошкоджені зсередини за лічені хвилини. Вони виготовляються на замовлення, часто імпортуються, і черга на заміну однієї високовольтної одиниці може тривати багато місяців.

Сонце дає приблизно від 15 до 60 хвилин попередження. Корональний викид маси долає 150 мільйонів кілометрів від Сонця до Землі за один-три дні, але єдиний спосіб точно визначити, наскільки він небезпечний — виміряти орієнтацію магнітного поля хмари після того, як вона пройде повз космічний апарат у точці Лагранжа L1, приблизно за 1,5 мільйона кілометрів від Землі. Це дає операторам мереж менше години на скидання навантаження.