Một cơn bão mặt trời lớn có thể làm hỏng lưới điện và internet

Vào ngày 1 và 2 tháng 9 năm 1859, hệ thống telegraph trên khắp thế giới gặp sự cố nghiêm trọng. Các nhà điều hành của telegraph báo cáo rằng họ đã nhận được điện giật, giấy telegraph bắt lửa và có thể vận hành thiết bị khi ngắt kết nối pin. Vào buổi tối, ánh sáng bắc cực, phổ biến biết đến với tên gọi ánh sáng phía bắc, có thể thấy xuống phía nam đến Colombia. Thông thường, những ánh sáng này chỉ thấy ở vĩ độ cao hơn, ở Bắc Canada, Scandinavia và Siberia.

Những gì thế giới trải qua trong ngày đó, hiện được biết đến với tên Sự kiện Carrington, là một cơn bão địa từ khổng lồ. Những cơn bão này xảy ra khi một bong bóng lớn của khí nóng siêu nóng được gọi là plasma được đẩy từ bề mặt của mặt trời và đánh vào Trái đất. Bong bóng này được biết đến là một cơn phát điện khối cực.

Plasma của một cơn phát điện khối cực bao gồm một đám mây proton và electron, các hạt mang điện tích. Khi những hạt này đến Trái đất, chúng tương tác với trường từ môi trường xung quanh hành tinh. Tương tác này làm biến dạng và làm yếu trường từ, dẫn đến hành vi kỳ lạ của ánh sáng bắc cực và hiện tượng tự nhiên khác. Là một kỹ sư điện chuyên nghiên cứu về lưới điện, tôi nghiên cứu cách cơn bão từ cực địa cũng đe dọa gây cự li và mất kết nối internet và cách bảo vệ khỏi điều đó.

Các cơn bão từ cực địa

Sự kiện Carrington năm 1859 là tài khoản lớn nhất về một cơn bão từ cực địa được ghi chép, nhưng nó không phải là một sự kiện cô lập.

Các cơn bão từ tính đã được ghi chép từ thế kỷ 19, và dữ liệu khoáng chất từ mẫu lõi băng ở Nam Cực đã chỉ ra một cơn bão từ tính lớn hơn nhiều đã xảy ra vào khoảng A.D. 774, được biết đến ngày nay với cái tên Sự kiện Miyake. Tia năng lượng mặt trời đó tạo ra sự tăng lên lớn và nhanh chóng nhất của carbon-14 từng được ghi chép. Những cơn bão từ tính kích thích lượng lớn tia hạt nhân ở tầng cao của bầu khí quyển Trái Đất, tạo ra carbon-14, một loại izotop phóng xạ của carbon.

Một cơn bão từ tính nhỏ hơn 60% so với Sự kiện Miyake đã xảy ra vào khoảng A.D. 993. Mẫu lõi băng đã chỉ ra dấu vết của những cơn bão từ tính lớn với cường độ tương tự như Sự kiện Miyake và Carrington xảy ra trung bình một lần mỗi 500 năm.

Hiện nay, Cơ quan Quốc gia Đại dương và Khí tượng sử dụng thang đo Cơn bão từ tính để đo độ mạnh của những phun trào mặt trời này. “Thang G” có xếp hạng từ 1 đến 5 với G1 là nhỏ và G5 là cực kỳ mạnh. Sự kiện Carrington đã được đánh giá là G5.

Nỗi sợ hãi tăng lên khi so sánh Sự kiện Carrington với Sự kiện Miyake. Nhà khoa học có thể ước lượng sức mạnh của Sự kiện Carrington dựa trên sự dao động của trường từ tính của Trái Đất được ghi chép bởi các đài quan sát vào thời điểm đó. Không có cách nào để đo lường sự dao động từ tính của Sự kiện Miyake. Thay vào đó, nhà khoa học đã đo lường sự tăng của carbon-14 trong những vòng cây từ thời kỳ đó. Sự kiện Miyake đã tạo ra một tăng 12% carbon-14. So sánh với đó, Sự kiện Carrington chỉ tạo ra dưới 1% tăng carbon-14, vì vậy Sự kiện Miyake có lẽ đã vượt xa Sự kiện Carrington G5.

Tắt nguồn điện

Ngày nay, một cơn bão từ tính có cùng cường độ như Sự kiện Carrington sẽ ảnh hưởng nhiều hơn chỉ đến dây cáp telegraph và có thể là một thảm họa. Với sự phụ thuộc ngày càng tăng vào điện và công nghệ mới nổi, bất kỳ sự cản trở nào cũng có thể dẫn đến hàng nghìn tỷ đô la mất mát tiền tệ và rủi ro đối với sự sống phụ thuộc vào các hệ thống. Cơn bão sẽ ảnh hưởng đến hầu hết các hệ thống điện mà mọi người sử dụng mỗi ngày.

Các cơn bão từ tính tạo ra dòng dòng dòng từ tính, chảy qua lưới điện. Dòng dòng từ tính này, có thể lên đến 100 ampe, chảy vào các thành phần điện kết nối với lưới, như biến áp, relay và cảm biến. Một trăm ampe tương đương với dịch vụ điện được cung cấp cho nhiều hộ gia đình. Các dòng này có thể gây tổn thương nội bộ trong các thành phần, dẫn đến mất điện quy mô lớn.

Một cơn bão từ tính nhỏ hơn ba lần so với Sự kiện Carrington đã xảy ra tại Quebec, Canada, vào tháng 3 năm 1989. Cơn bão làm hỏng lưới điện Hydro-Quebec. Trong cơn bão, dòng từ tính gây tổn thương một bộ biến áp tại New Jersey và kích hoạt cầu dao lưới. Trong trường hợp này, cơn mất điện đã dẫn đến năm triệu người mất điện trong chín giờ.

Ngắt kết nối

Ngoài các sự cố điện, giao thông thông tin sẽ bị gián đoạn trên quy mô toàn cầu. Nhà cung cấp dịch vụ Internet có thể gặp sự cố, từ đó sẽ làm mất khả năng của các hệ thống khác giao tiếp với nhau. Các hệ thống truyền thông cao tần như đất-điều khiển, sóng ngắn và đất-đến-đất sẽ bị gián đoạn. Các vệ tinh quay quanh Trái Đất có thể bị tổn thương bởi dòng từ tính gây cháy các bảng mạch của chúng. Điều này sẽ dẫn đến các sự gián đoạn trong điện thoại, Internet, radio và truyền hình dựa trên vệ tinh.

Ngoài ra, khi cơn bão từ tính tác động vào Trái Đất, sự tăng cường hoạt động mặt trời làm cho bầu khí quyển mở rộng ra bên ngoài. Việc mở rộng này làm thay đổi mật độ của bầu khí quyển nơi mà các vệ tinh đang quay quanh. Bầu khí quyển có mật độ cao hơn tạo ra sức cản trên vệ tinh, làm chúng chậm lại. Nếu chúng không được di chuyển lên quỹ đạo cao hơn, chúng có thể rơi trở lại Trái Đất.

Một lĩnh vực khác bị đảo lộn có thể ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày là hệ thống định vị. Gần như mọi phương tiện vận chuyển, 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 dựa vào tín hiệu GPS được gửi từ vệ tinh. Hệ thống quân sự nặng ký phụ thuộc vào GPS để phối hợp. Các hệ thống phát hiện quân sự khác như radar qua địa hình và hệ thống phát hiện tàu ngầm có thể bị gián đoạn, gây trở ngại cho quốc phòng quốc gia.

Về mặt Internet, một cơn bão từ tính có quy mô tương tự như Sự kiện Carrington có thể tạo ra dòng dòng từ tính ở cáp dưới biển và trên cạn làm nền tảng của Internet cũng như các trung tâm dữ liệu lưu trữ và xử lý mọi thứ từ email và tin nhắn văn bản đến bộ dữ liệu khoa học và công cụ trí tuệ nhân tạo. Điều này có thể làm gián đoạn toàn bộ mạng và ngăn chặn các máy chủ kết nối với nhau.

Chỉ là vấn đề thời gian

Chỉ là vấn đề thời gian trước khi Trái Đất lại bị tấn công bởi một cơn bão từ tính khác. Một cơn bão cỡ Sự kiện Carrington sẽ gây tổn thương cực kỳ lớn đến các hệ thống điện và truyền thông trên toàn thế giới với thời gian mất đi kéo dài hàng tuần. Nếu cơn bão có cỡ Sự kiện Miyake, kết quả sẽ là thảm họa cho thế giới với thời gian mất đi có thể kéo dài hàng tháng, nếu không lâu hơn. Ngay cả với cảnh báo thời tiết không gian từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Vũ trụ của NOAA, thế giới chỉ có vài phút đến vài giờ để chuẩn bị.

Bài viết của David Wallace, Giáo sư Phòng lâm sự Nghề kỹ thuật Điện, Đại học Mississippi State

Bài viết này được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.