Bão địa từ cực lớn: Vụ phóng khối lượng lớn từ Mặt trời có thể đánh sập mạng lưới điện và Internet

Vào ngày 1 và 2 tháng 9 năm 1859, các hệ thống điện báo trên khắp thế giới bị hỏng một cách thảm khốc. Những người điều hành điện báo cho biết họ đã nhận được điện giật, giấy điện báo bốc cháy và có thể vận hành thiết bị khi đã ngắt kết nối pin . Vào buổi tối, cực quang borealis, thường được gọi là đèn phía bắc, có thể được nhìn thấy ở tận phía nam Colombia. Thông thường, những ánh sáng này chỉ có thể nhìn thấy ở vĩ độ cao hơn, ở phía bắc Canada, Scandinavia và Siberia.

Những gì thế giới trải qua ngày đó, ngày nay được gọi là Sự kiện Carrington , là một cơn bão địa từ lớn . Những cơn bão này xảy ra khi một bong bóng khí quá nóng lớn được gọi là plasma phóng ra từ bề mặt của mặt trời và chạm vào Trái đất. Bong bóng này được gọi là sự phóng khối lượng đăng quang.

Plasma của một vụ phóng khối lượng đăng quang bao gồm một đám mây proton và electron, là những hạt mang điện. Khi các hạt này đến Trái đất, chúng tương tác với từ trường xung quanh hành tinh. Sự tương tác này khiến từ trường biến dạng và suy yếu, từ đó dẫn đến hành vi kỳ lạ của cực quang borealis và các hiện tượng tự nhiên khác. Là một kỹ sư điện chuyên về lưới điện, tôi nghiên cứu xem bão địa từ cũng đe dọa gây mất điện và mất internet như thế nào và cách bảo vệ chống lại điều đó.

Bão địa từ

Sự kiện Carrington năm 1859 là sự kiện lớn nhất được ghi nhận về một cơn bão địa từ, nhưng nó không phải là một sự kiện cá biệt.

Các cơn bão địa từ đã được ghi nhận từ đầu thế kỷ 19 và dữ liệu khoa học từ các mẫu lõi băng ở Nam Cực đã cho thấy bằng chứng về một cơn bão địa từ thậm chí còn lớn hơn xảy ra vào khoảng năm 774 sau Công nguyên , ngày nay được gọi là Sự kiện Miyake. Ngọn lửa mặt trời đó tạo ra sự gia tăng carbon-14 lớn nhất và nhanh nhất từng được ghi nhận. Bão địa từ kích hoạt một lượng lớn tia vũ trụ trong tầng thượng khí quyển của Trái đất, do đó tạo ra carbon-14 , một đồng vị phóng xạ của carbon.

Một cơn bão địa từ nhỏ hơn 60% so với Sự kiện Miyake xảy ra vào khoảng năm 993 sau Công nguyên . Các mẫu lõi băng đã cho thấy bằng chứng cho thấy các cơn bão địa từ quy mô lớn với cường độ tương tự như sự kiện Miyake và Carrington xảy ra với tốc độ trung bình 500 năm một lần.

Ngày nay, Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia sử dụng thang đo Bão địa từ để đo cường độ của những vụ phun trào mặt trời này. “Thang điểm G” có xếp hạng từ 1 đến 5 với G1 là nhỏ và G5 là cực. Sự kiện Carrington lẽ ra đã được xếp hạng G5.

Nó thậm chí còn đáng sợ hơn khi bạn so sánh Sự kiện Carrington với Sự kiện Miyake. Các nhà khoa học đã có thể ước tính sức mạnh của Sự kiện Carrington dựa trên sự dao động của từ trường Trái đất được các đài quan sát ghi lại vào thời điểm đó. Không có cách nào để đo dao động từ trường của sự kiện Miyake. Thay vào đó, các nhà khoa học đã đo sự gia tăng carbon-14 trong các vòng cây từ khoảng thời gian đó. Sự kiện Miyake tạo ra lượng carbon-14 tăng 12% . Để so sánh, Sự kiện Carrington tạo ra lượng Carbon-14 tăng ít hơn 1%, vì vậy Sự kiện Miyake có khả năng đã rút ngắn Sự kiện Carrington G5.

Ngắt điện

Ngày nay, một cơn bão địa từ có cùng cường độ như Sự kiện Carrington sẽ ảnh hưởng nhiều hơn đến dây điện báo và có thể rất thảm khốc. Với sự phụ thuộc ngày càng tăng vào điện và công nghệ mới nổi, bất kỳ sự gián đoạn nào cũng có thể dẫn đến tổn thất tiền tệ hàng nghìn tỷ đô la và rủi ro đến tính mạng phụ thuộc vào hệ thống. Cơn bão sẽ ảnh hưởng đến phần lớn hệ thống điện mà mọi người sử dụng hàng ngày.

Dịch vụ Thời tiết Quốc gia vận hành Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian, nơi theo dõi các tia sáng mặt trời có thể dẫn đến các cơn bão địa từ.

Các cơn bão địa từ tạo ra các dòng điện cảm ứng, chạy qua lưới điện. Dòng điện cảm ứng địa từ, có thể vượt quá 100 ampe, chảy vào các bộ phận điện được kết nối với lưới điện, chẳng hạn như máy biến áp, rơ le và cảm biến. Một trăm ampe tương đương với dịch vụ điện cung cấp cho nhiều hộ gia đình. Dòng điện có kích thước này có thể gây hư hỏng bên trong các bộ phận, dẫn đến mất điện trên diện rộng.

Một cơn bão địa từ nhỏ hơn ba lần so với Sự kiện Carrington xảy ra ở Quebec, Canada, vào tháng 3 năm 1989. Cơn bão đã khiến lưới điện Hydro-Quebec bị sập . Trong cơn bão, dòng điện cảm ứng từ tính cao đã làm hỏng một máy biến áp ở New Jersey và vấp phải các cầu dao của lưới điện. Trong trường hợp này, sự cố mất điện dẫn đến 5 triệu người không có điện trong 9 giờ .

Phá vỡ kết nối

Ngoài các sự cố về điện, thông tin liên lạc sẽ bị gián đoạn trên phạm vi toàn thế giới. Các nhà cung cấp dịch vụ Internet có thể ngừng hoạt động, do đó sẽ làm mất khả năng giao tiếp với nhau của các hệ thống khác nhau. Các hệ thống thông tin liên lạc tần số cao như sóng đối không, sóng ngắn và vô tuyến đối hạm sẽ bị gián đoạn. Các vệ tinh trên quỹ đạo xung quanh Trái đất có thể bị hỏng do dòng điện cảm ứng từ cơn bão địa từ đốt cháy bảng mạch của chúng. Điều này sẽ dẫn đến gián đoạn điện thoại, internet, đài phát thanh và truyền hình dựa trên vệ tinh.

Ngoài ra, khi các cơn bão địa từ đổ bộ vào Trái đất, sự gia tăng hoạt động của Mặt trời khiến bầu khí quyển mở rộng ra bên ngoài. Sự mở rộng này làm thay đổi mật độ của bầu khí quyển nơi các vệ tinh đang quay quanh. Bầu khí quyển có mật độ cao hơn tạo ra lực cản lên vệ tinh, làm chậm nó. Và nếu nó không được điều động đến quỹ đạo cao hơn, nó có thể rơi trở lại Trái đất.

Một lĩnh vực khác của sự gián đoạn có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày là hệ thống định vị. Hầu như mọi phương thức giao thông, từ ô tô đến máy bay, đều sử dụng GPS để định vị và theo dõi. Ngay cả các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, đồng hồ thông minh và thẻ theo dõi cũng dựa vào tín hiệu GPS được gửi từ vệ tinh. Các hệ thống quân sự phụ thuộc rất nhiều vào GPS để phối hợp. Các hệ thống phát hiện quân sự khác như radar đường chân trời và hệ thống phát hiện tàu ngầm có thể bị phá vỡ, điều này sẽ gây trở ngại cho việc phòng thủ quốc gia.

Về mặt internet, một cơn bão địa từ quy mô của Sự kiện Carrington có thể tạo ra các dòng điện cảm ứng địa từ trong tàu ngầm và cáp trên cạn tạo thành xương sống của internet cũng như các trung tâm dữ liệu lưu trữ và xử lý mọi thứ từ email và tin nhắn văn bản. đến các bộ dữ liệu khoa học và các công cụ trí tuệ nhân tạo. Điều này có thể làm gián đoạn toàn bộ mạng và ngăn không cho các máy chủ kết nối với nhau.

Chỉ là vấn đề thời gian thôi

Việc Trái đất phải hứng chịu một cơn bão địa từ khác chỉ còn là vấn đề thời gian. Một cơn bão cỡ Carrington Event sẽ gây thiệt hại cực kỳ lớn cho hệ thống điện và thông tin liên lạc trên toàn thế giới với tình trạng mất điện kéo dài hàng tuần. Nếu cơn bão có quy mô như Sự kiện Miyake, kết quả sẽ là thảm khốc đối với thế giới với khả năng mất điện kéo dài nhiều tháng nếu không muốn nói là lâu hơn. Ngay cả với những cảnh báo về thời tiết không gian từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Không gian của NOAA, thế giới sẽ chỉ có một vài phút đến một vài giờ thông báo.

Tôi tin rằng điều quan trọng là phải tiếp tục nghiên cứu các cách bảo vệ hệ thống điện trước tác động của bão địa từ, chẳng hạn bằng cách lắp đặt các thiết bị có thể che chắn các thiết bị dễ bị tổn thương như máy biến áp và bằng cách phát triển các chiến lược điều chỉnh tải lưới khi bão mặt trời sắp đổ bộ. Tóm lại, điều quan trọng là phải làm việc ngay bây giờ để giảm thiểu sự gián đoạn từ Sự kiện Carrington tiếp theo.

Được viết bởi David Wallace, Trợ lý Giáo sư Lâm sàng về Kỹ thuật Điện, Đại học Bang Mississippi.

Bài báo này được xuất bản lần đầu tiên trên The Conversation .

Theo Scitechdaily