Разворачивание современной инфраструктуры в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) сталкивается со специфической для высоких широт проблемой: воздействием космической погоды. При этом чем шире внедряются передовые технологии, тем чувствительнее становятся их сбои из-за воздействия негативных природных факторов. Одним из наиболее существенных их проявлений являются геоиндуцированные токи (ГИТ), возбуждаемые в технологических системах при резких изменениях геомагнитного поля. Наведенные при магнитных бурях и суббурях ГИТ вызывают сбои в работе энергетических и транспортных систем.
В протяженных линиях электропередачи (ЛЭП) ГИТ могут достигать величин до нескольких сотен ампер, что приводит к насыщению, перегреву и даже повреждению высоковольтных трансформаторов на подстанциях. Кроме того, сильные магнитные бури неоднократно провоцировали ложное срабатывание сигнальной автоматики на железных дорогах. Проблема влияния магнитосферных возмущений на энергетические и транспортные системы в отечественной геофизике почти не изучена, и даже в нормативных документах для промышленности такие риски никак не отражены.
Одним из практических шагов по уменьшению ущерба технологическим системам от природных факторов является разработка моделей, способных осуществлять прогнозирование возможных рисков в оперативном режиме, рассказал «Поиску» заведующий лабораторией физики околоземного пространства Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Пилипенко.
Он возглавляет исследовательскую группу из 26 человек на базе Геофизического центра РАН, выполняющую проект «Системный анализ динамики геофизических процессов в российской Арктике и их воздействие на развитие и функционирование инфраструктуры железнодорожного транспорта», поддержанный грантом Российского научного фонда.
– Арктика – регион тяжелый для полевых наблюдений. Достаточно ли уже накоплено данных для исследований?
– С наблюдениями как раз проблема. На высоких широтах – арктическое побережье и острова, наблюдательная база геофизики в РФ явно недостаточна, несмотря на все усилия отечественных институтов, особенно по сравнению с Канадой, США и скандинавскими странами. Благодаря предыдущему гранту РНФ «Развитие физических моделей для оценки риска негативного воздействия космической погоды на технологические системы» нам удалось развернуть магнитную обсерваторию «Белое море», оснащенную векторным магнитометром POS-4 отечественного производства, данные которой непрерывно поступают в Аналитический центр геомагнитных данных ГЦ РАН. Станция «Белое море» играет важную роль в расширении сети магнитных наблюдений обсерваторского класса в АЗРФ.
В ходе работ по гранту получены важные данные о физической природе некоторых магнитосферно-ионосферных возмущений и их влиянии на наведенные токи в магистральных ЛЭП. Решение задач по расчету и предсказанию ГИТ не сводится просто к «инженерному» применению результатов космической физики, оно потребовало выяснения фундаментальных вопросов о физической природе некоторых магнитосферно-ионосферных явлений. Космическая погода активирует глобальные электромагнитные и плазменные процессы в околоземной среде. Однако при более детальном анализе тонкой структуры геомагнитных возмущений было обнаружено, что генерация интенсивных ГИТ вызвана не глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды (магнитные бури), а локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды (пульсациями определенных типов), наложенными на глобальные возмущения. Эти работы велись в тесном сотрудничестве с Полярным геофизическим институтом РАН, поддерживающим единственную в стране систему регистрации ГИТ в ЛЭП «Северный транзит».
Помимо анализа отдельных событий с экстремальными значениями ГИТ (>100 А) нами были разработаны статистические модели, позволяющие оценить ожидаемую величину ГИТ при заданных параметрах геомагнитного возмущения, исследованы корреляционные взаимосвязи между вариациями геомагнитного поля и ГИТ.
В сотрудничестве с НИУ «Московский энергетический институт» мы провели компьютерное моделирование работы промышленных трансформаторов под воздействием ГИТ. Эти исследования показали, что даже умеренные ГИТ могут приводить к существенным нарушениям в работе релейных защит высоковольтных трансформаторов.
В истории геофизики есть примеры катастрофических аварий в энергетических системах северных стран при экстремально мощных магнитных бурях. Современные сети высоковольтных ЛЭП постоянно расширяются, их связность растет, и повторение такой экстремальной бури может вызывать серьезные нарушения на более обширных территориях. Есть и другой аспект проблемы, который следует иметь в виду: под «прикрытием» магнитной бури возможно проведение скрытой компьютерной атаки на энергетические системы конкурентов. А при современных спутниковых средствах предсказание магнитной бури за несколько дней уже становится реальным. Надо ли пояснять, что таких отечественных спутниковых систем для контроля космической погоды нет?
– Есть ли еще что-то, о чем стоит задуматься человечеству?
– Сети высоковольтных ЛЭП, простирающиеся на многие сотни километров, являются по существу излучающими антеннами очень больших масштабов. Из-за присутствия в энергетических системах сильных нелинейных элементов (таких, как тиристоры) в ЛЭП возникают и излучаются высокие гармоники основной частоты 50/60 Гц. Они, как показали наши расчеты, могут эффективно проникать в ионосферу и магнитосферу и регистрироваться на спутниках как электромагнитные узкополосные излучения. То обстоятельство, что такие излучения от трехфазных ЛЭП обнаруживаются даже в космосе, является показателем несбалансированной работы ЛЭП под воздействием ГИТ. Анализ данных многолетних наблюдений на низкоорбитальных спутниках показывает, что интенсивность этого излучения постоянно нарастает по мере технологического развития и Земля скоро окажется в электромагнитном окружении, создаваемым промышленной деятельностью, а не природными процессами.
Есть еще один любопытный результат наших работ. Известно, что возмущения космической погоды в наибольшей степени проявляются в авроральном овале – охватывающей Землю кольцевой области, заполненной полярными сияниями. В этой области высок уровень турбулентности ионосферной плазмы, что значительно снижает устойчивость сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Нами разработана геоинформационная система на базе технологии «виртуальный глобус», обеспечивающая визуализацию данных о распределении вероятности наблюдения полярных сияний в любом регионе планеты. Основой сервиса служат выходные данные модели OVATION-prime, поступающие со спутников в реальном времени и представляющие собой планетарную картину полярных сияний, построенную по параметрам межпланетной среды. Разработанная модель может быть использована операторами технологических систем и просто наблюдателями для оперативного (за 30 минут) прогнозирования вероятности наблюдения полярных сияний в любом заданном регионе.
– А о чем ваш новый грант РНФ?
– Это более масштабная работа, выстроенная на четырех основных направлениях: исследование воздействий космической погоды на энергетические и железнодорожные системы; изучение крупных геологических структур и осадочных бассейнов; оценка сейсмической и геодинамических опасностей в районах перспективного развития инфраструктуры российской Арктики и климатические процессы, критичные для ее развития. Это даст возможность оценить риски и предупредить ущерб от вероятных геофизических процессов для энергетических и транспортных систем в АЗРФ.
Помимо продолжения исследований, связанных с воздействием космической погоды на электрические сети и спутниковую навигацию, совместно с нашим промышленным партнером мы начинаем детальное изучение сбоев в работе систем автоматики и сигнализации на участках железнодорожных сетей в высоких широтах. Известны случаи, когда сильные магнитные бури парализовали на много часов железнодорожное сообщение на Сибирской, Северной и Октябрьской ж/д из-за ложных срабатываний систем сигнализации. Каковы закономерности воздействия геомагнитных возмущений на работу автоматики железных дорог и как минимизировать это воздействие – одна из основных задач проекта.
Арктическая зона РФ сегодня – малоизученный регион с точки зрения геодинамической опасности. Принятые для разных частей этого региона оценки значительно отличаются от реального положения дел, что связано с существенной нестационарностью геодинамических процессов, вызванных изменением климата, таянием ледников и деградацией вечной мерзлоты, а также с активной разработкой месторождений полезных ископаемых. Планируется создать экспертную ГИС-систему признаков возможного возникновения опасных сейсмических и других геодинамических событий в российской Арктике и методики расчета сейсмической опасности для заданных территорий.
Также будут разработаны геоинформационные технологии сбора, анализа и прогноза на основе спутниковой информации и моделей климатических параметров, которые непосредственно влияют на состояние инфраструктуры железнодорожного транспорта в АЗРФ. Надеемся, что результаты исследований также дадут новую информацию для поиска и разведки нефтегазовых месторождений в континентальной части и на шельфе. Одним из результатов будет разработка ГИС по осадочным бассейнам Арктики, необходимая при проектировании новых путей железнодорожного сообщения.
– Глобальный характер космической погоды, по-видимому, обуславливает необходимость привлечения данных зарубежных центров к реализации проекта. С кем вы сотрудничаете?
– В странах ЕС и США на уровне государства уделяют серьезное внимание расширению возможностей для исследования и мониторинга окружающего космического пространства наземными и спутниковыми средствами. Со всеми мировыми центрами мы поддерживаем конструктивное сотрудничество, включая NASA, NOAA, ESA и др. Для оперативного прогноза космической погоды и риска для технологических систем в США разрабатываются глобальные компьютерные модели, которые на основе входных данных с межпланетных спутников должны оперативно предсказывать эволюцию полей и потоков частиц в околоземном пространстве. Нам такой уровень пока недоступен, поэтому мы создаем более простые статистические и нейронно-сетевые, но вполне эффективные модели.
– Какое финансирование выделяется под ваши работы?
– Планируемый объем финансирования проекта РНФ в 2021 году – 30 миллионов рублей, несколько менее – в последующие. При этом должен расти объем софинансирования от промышленного партнера НИИ информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте. Такое финансирование (~400 тысяч долларов) сопоставимо с грантом NSF. Важно помнить, что средства, идущие на научные гранты, расходуются не только на собственно научные исследования, но и инвестируются в высокотехнологическое оборудование: новейшие серверы, системы хранения и передачи данных, геофизическую аппаратуру и т. п.
– Насколько эффективно, с вашей точки зрения, организована деятельность РНФ?
– РНФ дает возможность российским исследователям построить работу на иных принципах. Поясню. В отличие от усилий нашего научного чиновничества, стремящегося слить все исследовательские институты в возможно более крупные центры, все американские центры в моей области – космической геофизике – крайне немноголюдны, не более десятка ведущих профессоров и еще столько же постдоков. Тем не менее они проводят уникальные масштабные космические эксперименты. Это им удается благодаря крупным грантам от NASA и NSF, когда под проект собирается большая команда из десятков исследовательских групп со всей страны и даже всего мира. После завершения одного гранта под следующий грант собирается новая команда. И такая система зачастую оказывается гораздо эффективнее, чем громадные, плохо управляемые центры. Грант РНФ дал нам подобную возможность собрать команду блестящих специалистов из нескольких академических институтов со всей страны.
– А что сегодня сдерживает больше всего развитие отечественной геофизики?
– С моей точки зрения, основной проблемой является не столько недостаточное финансирование, сколько закрытость отечественной геофизики. Возможности свободного доступа к имеющимся архивам данных крайне ограничены из-за отсутствия свободных квалифицированных рук. Данные же неакадемических ведомств и бизнеса вообще полностью закрыты для исследователей. Например, мы знаем об опасности ГИТ в ЛЭП. Испытывают ли с ними какие-то проблемы отечественные компании, узнать невозможно, так как архив сбоев в работе энергосетей недоступен. Другой пример: во всем мире широким фронтом идет моделирование динамики потоков релятивистских электронов в околоземном пространстве. Представляют ли эти электроны-«убийцы» опасность для отечественных спутников, мир никогда не узнает, так как информация о сбоях в работе отечественной спутниковой электроники недоступна для анализа академическим сообществом. И перечень таких примеров, когда ведомственная закрытость тормозит развитие прикладных аспектов геофизики, можно продолжать и продолжать. Существующую принципиальную проблему получения информации от государственных ведомств для научного анализа можно решить только на уровне Минобрнауки, и если бы МОН обратило внимание на эту проблему, то оказало бы реальную помощь российской геофизике.
