作者:徐徐 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/9/21 14:03:22
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科学家创建美国首幅“地电风险”地图
太空风暴或摧毁该国中西部电网

 

太阳风暴不仅会引发极光,还会产生扰乱电网的电涌。

图片来源:vichie81/iStockphoto

当停电发生时,起因通常是区域性的:美国东北部的冰暴或者东南部的飓风。如今,一项最新研究表明,美国中西部拥有自己独特类型的摧毁电网的风暴——太空天气。研究发现,就来自太阳的带电粒子风暴造成的破坏而言,该地区处于最危险的境地。带电粒子风暴会撞向地球并且沿着输电线传送浪涌电流,从而熔化变压器并触发大停电。根据此项研究,在明尼苏达州北部和威斯康辛州,这些电涌的强度是美国其他地方的100倍。

几十年来,科学家一直试图预测地电风暴,但受到数据匮乏的阻碍。如今,研究人员创建了针对美国本土大部分区域的首幅“地电风险”地图。这幅新地图旨在预测大规模地电风暴会在哪些地方最为严重,而不是为让电网变得安全或者大型风暴短期预警提供地方性建议。此项研究日前发表于《地球物理评论快报》。该地图利用了关于此类风暴强度两个最大因素的数据——太空天气和地球磁场之间可能的相互作用以及地球地壳的导电性。

美国地质调查局(USGS)地球物理学家、研究首席作者JeffreyLove介绍说,目标是帮助电力公司为应对地电风暴产生的不可避免的影响作准备。很多公司已经依靠美国政府的数据,让电网保持安全。比如,美国国家海洋和大气管理局会提供太空天气预报,预先通知一些即将到来的风暴。不过,科学家们认为,还可以做得更好。“在我看来,这个领域的每个人都意识到该问题的重要性,并且正试图尽快解决该问题。”并未参与此项研究的美国天主教大学太空物理学家ChigomezyoNgwira表示。

对于人类来说,太空天气引发的问题最早可追溯至1859年。当时,由太阳喷射的大规模等离子体同地球相撞,诱发了没有通过岩石而是流经电报电缆的电流。这次所谓的卡林顿事件烧焦了北美和欧洲的电线,电晕甚至烧死了一些电报员。如今,虽然电力网络取代了电报线缆,但它们同样很脆弱。一项最新研究表明,在今天,一场和卡林顿事件同样严重的太阳风暴会导致约两万亿美元的损失。

最新绘制的地图将美国中西部北缘,尤其是明尼苏达州和威斯康辛州,列为易受地电风暴影响的地区。这基于两个原因。首先,地球磁场的形状导致太空天气在较高纬度地区产生更大影响。当太阳喷射的物质和能量撞向地球的环形磁场时,一部分发生了偏移,但其余的会被“分流”至磁极附近的地面。这种物质同地球磁场发生相互作用,并产生流经地球表面的极光和电涌。电网越靠近磁极,其在地电风暴期间出现问题的可能性就越大。利用来自一个地磁观测台网络的历史数据,研究人员得以计算出此类风暴在某个特定地区的强度。

不过,这并非唯一在起作用的因素:地球地壳的某些区域比其他部分更具导电性。在过去几年里,美国国家科学基金会资助了一项针对该国大部分地区开展的大地电磁测勘。研究人员将电压表放入地下,并且测量了它们之间的电流。加上USGS所做的工作作为补充,这些数据帮助研究人员构建了电流如何通过地球的画面。一般来说,岩石的导电性能并不是很好。这也是来自太阳风暴的电流通常通过电网基础设施的金属以形成完整电路的原因所在。

不过,岩石类型的确至关重要。比如,美国中西部拥有两种能共同为电流创造绝佳机会的岩石。更具导电性的沉积岩位于致密、绝缘的火成岩残留物下面,而后者形成于11亿年前的某个时间段。当时,北美几乎被分为两半,火成岩从底下抬升上来。如今,两个岩层之间的反差使得地电风暴期间本地强电流的形成变成可能。

不过,目前研究人员尚未对美国所有地区的导电性进行调查。一旦资助得到保障,Love非常希望将最新绘制的地图扩展到新英格兰地区。原因不仅在于该地区拥有古老、复杂的地质情况,能揭示意料之外的导电性反差,还在于它足够靠北,能接收来自地电风暴的更多能量。Ngwira表示,相关数据会帮助电力公司保护纽约、波士顿和其他大城市的电网。“此前,我们的科学家和工程师都是各干各的。”他说,“如今,科学家开始理解工程师需要从我们这里获取到什么信息。”(徐徐编译)

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