Геофизический центр РАН
Уфа, Россия
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Геофизический Центр РАН
Москва, Россия
Полярный Геофизический Институт (Лаборатория геофизических наблюдений, Зав. лабораторией)
сотрудник с 01.01.2003 по настоящее время
Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН (Научный сотрудник)
сотрудник
Геофизический центр РАН
Апатиты, Мурманская область, Россия
сотрудник
Апатиты, Мурманская область, Россия
На основе данных за 2015 г. магнитных обсерваторий сети IMAGE и станции по регистрации геоиндуцированных токов (ГИТ) в линии электропередачи исследуются корреляционные взаимосвязи между вариациями геомагнитного поля и ГИТ. Наибольшую корреляцию интенсивность ГИТ имеет с вариабельностью поля |dB/dt| (R>0.7), при этом коэффициенты корреляции ГИТ с вариациями производных Х- и Y-компонент близки. Суточный ход как среднего значения вариабельности поля |dB/dt|, так и интенсивности ГИТ имеет широкий ночной максимум, связанный с электроджетом, и утренний максимум, предположительно обусловленный интенсивными геомагнитными пульсациями типа Рс5–Pi3. Построена регрессионная линейная модель для оценки величины ГИТ по производной по времени геомагнитного поля и AE-индексу. Статистические распределения плотности вероятности значений AE–индекса, производной геомагнитного поля и ГИТ соответствуют логарифмически нормальному закону. На основании построенных распределений оценены вероятности экстремальных значений изучаемых величин.
геомагнитное поле, геомагнитные вариации, геоиндуцированные токи, авроральный электроджет
ВВЕДЕНИЕ
Исследования по проблемам космической погоды стимулируются, с одной стороны, фундаментальным научным интересом к рассмотрению геофизических оболочек Земли как единой динамической системы, с другой — необходимостью обеспечения устойчивой работы технологических систем. Одно из наиболее существенных проявлений космической погоды — возбуждение геоидуцированных токов (ГИТ) в проводящих технологических конструкциях (энергетические системы, трубопроводы, кабельные сети) во время магнитных бурь и суббурь. По мере развития технологий энергетические системы (линии электропередач — ЛЭП, релейные линии, трансформаторные подстанции) становятся все более подверженными возмущениям космической погоды [Сушко, Косых, 2013]. Современные энергетические сети с крайне сложной геометрией оказываются, по существу, гигантской антенной, электромагнитно-сопряженной с токами ионосферы Земли. В заземленных сетях во время магнитных бурь наблюдались ГИТ до 200–300 А [Pirjola et al., 2003], в то время как токов с интенсивностью всего несколько ампер достаточно, чтобы вывести некоторые типы трансформаторов из линейного режима [Вахнина, 2012]. Хотя наиболее мощные возмущения геомагнитного поля, приводящие к возбуждению интенсивных ГИТ в проводящих конструкциях, происходят в авроральных широтах, в последнее время обнаружено, что опасные величины ГИТ могут наблюдаться также на средних и низких широтах [Kelly et al., 2017].
Диагностика и прогнозирование уровней ГИТ при различных типах геомагнитных возмущений, которые могут быть использованы операторами сетей для принятия необходимых мер для снижения риска катастрофических последствий, являются исключительно актуальной задачей. При этом решение такой задачи не сводится просто к «инженерному» применению результатов космической физики для расчета ГИТ в конкретных технологических системах, а требует выяснения физической природы некоторых магнитосферно-ионосферных явлений. Наибольшие возмущения магнитного поля на земной поверхности вызываются протяженным авроральным электроджетом, создающим магнитные возмущения, ориентированные в долготном (С-Ю) направлении и представляющие опасность преимущественно для технологических систем, вытянутых в широтном (В-З) направлении [Boteler et al., 1998]. Однако в быстрые изменения магнитного поля, существенные для возбуждения ГИТ, значимый вклад могут вносить мелкомасштабные ионосферные токовые структуры, создающие почти изотропные возмущения полей и токов [Viljanen, 1997; Белаховский и др., 2018]. Природа таких структур и закономерности их появления пока не выяснены.
В геофизической литературе описано немало отдельных событий, в которых прослеживается связь между вариациями геомагнитного поля и ГИТ во время таких проявлений космической погоды, как межпланетные ударные волны [Fiori et al., 2014; Пилипенко и др., 2018], взрывные начала суббурь [Viljanen et al., 2006] и магнитные бури [Kappenman, 2005]. В то же время статистические исследования связи вариаций геомагнитного поля и ГИТ крайне малочисленны [Viljanen, Tanskanen, 2011]. Исследования эффектов воздействия космической погоды на технологические системы сдерживаются отсутствием баз данных о сбоях в функционировании технологических систем, доступных для научного анализа. Данная работа в значительной степени основана на данных единственной в России системы регистрации ГИТ в ЛЭП, развернутой на Кольском полуострове и в Карелии [Sakharov et al., 2007, 2009].
В работе приводятся статистические характеристики за 2015 г., описывающие связь между геомагнитными возмущениями, вариабельностью геомагнитного поля, геомагнитными индексами (AE, РСN) и ГИТ. В случае замкнутого провода в вакууме величина ГИТ полностью определялась бы законом электромагнитной индукции, т. е. производной геомагнитного поля по времени dB/dt. В реальности даже в простейшем случае ГИТ возникает в пространственно-распределенной системе, образованной ЛЭП, подстанциями с плохо известными характеристиками и подстилающей земной поверхностью с частотно-зависимыми анизотропными геоэлектрическими свойствами. Поэтому простая характеристика динамики геомагнитного поля, полностью определяющая величину ГИТ, вряд ли существует. Для практических же приложений важно оценить, какой величины ГИТ можно ожидать при различных геомагнитных возмущениях. Знание таких эмпирических связей необходимо для построения диагностических моделей величины ГИТ на основании общих параметров космической погоды, характеризующих состояние межпланетной среды и магнитосферы.
1. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Характеристики вариабельности геомагнитного поля для изучения воздействия магнитных бурь и суббурь на электроэнергетические системы // Физика Земли. 2018. № 1. С. 56-68. DOI:https://doi.org/10.7868/S0002333718010052.
2. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики: М.: Наука, 1983. 535 с.
3. Вахнина В.В. Моделирование режимов работы силовых трансформаторов систем электроснабжения при геомагнитных бурях. Тольяттинский государственный университет, 2012. 103 c.
4. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. М.: Техносфера, 2014. 112 с.
5. Клейменова Н.Г., Козырева О.В. Пространственно-временная динамика геомагнитных пульсаций Pi3 и Pc5 во время экстремальных магнитных бурь в октябре 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т. 45, № 1. С. 75-83.
6. Козак Л.В., Савин С.П., Будаев В.П. и др. Характер турбулентности в пограничных областях магнитосферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 4. С. 470-481.
7. Пилипенко В.А., Браво М., Романова Н.В. и др. Геомагнитный и ионосферный отклики на межпланетную ударную волну 17 марта 2015 г. // Физика Земли. 2018. № 5. С. 61-80. DOI:https://doi.org/10.1134/S0002333718050125.
8. Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Распределения с тяжелыми хвостами: приложения к анализу катастроф. М.: ГЕОС, 2007. 242 с.
9. Сушко В.А., Косых Д.А. Геомагнитные штормы. Угроза национальной безопасности России // Новости Электротехники. 2013. № 4 (82). C. 25-28.
10. Ягова Н.В., Лхамдондог А.Д., Гусев Ю.П. и др. Частоты появления экстремальных значений производных по времени геомагнитного поля, потенциально опасных для промышленных электрических сетей, по данным многолетних наблюдений на сети IMAGE // Труды Всероссийской конференции «Гелиогеофизические исследования в Арктике», Апатиты, 19-23 сентября 2016. ПГИ РАН, 2016. С. 81-84.
11. Ягова Н.В., Пилипенко В.А., Федоров Е.Н. и др. Геоиндуцированные токи и космическая погода: Pi3-пульсации и экстремальные значения производных по времени горизонтальных компонент геомагнитного поля // Физика Земли. 2018. № 5. С. 89-103. DOI:https://doi.org/10.1134/S0002333718050137.
12. Boteler D.H., Pirjola R.J., Nevanlinna H. The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth’s surface // Adv. Space. Res. 1998. V. 22, iss. 1. P. 17-27. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)01096-X.
13. Chisham G., Freeman M.P. On the non-Gaussian nature of ionospheric vorticity // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37, iss. 12, L12103. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL043714.
14. Consolini G., de Michelis P. Non-Gaussian distribution function of AE-index fluctuations: evidence for time intermittency // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25, iss. 21. P. 4087-4090. DOI:https://doi.org/10.1029/1998GL900073.
15. Fiori R.A.D., Boteler D.H., Gillies D.M. Assessment of GIC risk due to geomagnetic sudden commencements and identification of the current systems responsible // Space Weather. 2014. V. 12, iss. 1. P. 76-91. DOI:https://doi.org/10.1002/2013SW000967.
16. Kappenman J.G. An overview of the impulsive geomagnetic field disturbances and power grid impacts associated with the violent Sun-Earth connection events of 29-31 October 2003 and a comparative evaluation with other contemporary storms // Space Weather. 2005. V. 3, iss. 1, S08C01. DOI:https://doi.org/10.1029/2004SW000128.
17. Kelly G.S., Viljanen A., Beggan C., Thomson A.W.P. Understanding GIC in the UK and French high voltage transmission systems during severe magnetic storms // Space Weather. 2017. V. 14, iss. 1. P. 99-114. DOI:https://doi.org/10.1002/2016SW001469.
18. Pahud D.M., Rae I.J., Mann I.R., et al. Ground-based Pc5 ULF wave power: solar wind speed and MLT dependence // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2009. V. 71, N 10-11. P. 1082-1092. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2008.12.004.
19. Pirjola R., Pulkkinen A., Viljanen A. Studies of space weather effects on the finnish natural gas pipeline and on the finnish high-voltage power system // Adv. Space Res. 2003. V. 31, iss. 4. P. 795-805. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00781-0.
20. Pulkkinen A., Bernabeu E., Eichner J., et al. Generation of 100-year geomagnetically induced current scenarios // Space Weather. 2012. V. 10, iss. 4, S04003. DOI:https://doi.org/10.1029/2011 SW000750.
21. Sakharov Ya.A., Danilin A.N., Ostafiychuk R.M. Registration of GIC in power systems of the Kola Peninsula // Proc. of 7th Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. St. Petersburg, June 26-29, 2007. P. 291-293.
22. Sakharov Ya.A., Danilin A.N., Ostafiychuk R.M., et al. Geomagnetically induced currents in the power systems of the Kola peninsula at solar minimum // Proc. of 8th Intern. Symp. Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. St. Petersburg, 2009. P. 237-238.
23. Stauning P. Multi-station basis for Polar Cap (PC) indices: ensuring credibility and operational reliability // J. Space Weather Space Climate. 2018. V. 8, A07. 14 p. DOI: 10.1051/ swsc/2017036.
24. Viljanen A. The relation between geomagnetic variations and their time derivatives and implications for estimation of induction risks // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 631-634. DOI:https://doi.org/10.1029/97GL00538.
25. Viljanen A., Tanskanen E. Climatology of rapid geomagnetic variations at high latitudes over two solar cycles // Ann. Geophys. 2011. V. 29. P. 1783-1792. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-29-1783-2011.
26. Viljanen A., Tanskanen E.I., Pulkkinen A. Relation between substorm characteristics and rapid temporal variations of the ground magnetic field // Ann. Geophys. 2006. V. 24. P. 725-733. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-24-725-2006.
27. Weigel R.S., Klimas A.J., Vassiliadis D. Solar wind coupling and predictability of ground magnetic fields and their time derivatives // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A7, 1298. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009627.
28. URL: http://eurisgic.org (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
29. URL: www.geo.fmi.fi/image (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
30. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/aedir (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
31. URL: http://www.geophys.aari.ru (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
32. URL: http://space.fmi.fi/image/www (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
33. URL: http://space.fmi.fi/image (дата обращения 9 сентября 2018 г.).
