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.
