Новости

25 марта, 2021 18:09

В авроральном режиме. Как уберечь технику в Арктике?

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.

Источник: Википедия
Руководитель проекта по гранту РНФ Вячеслав Пилипенко. Фото из личного архива
3 / 4
Источник: Википедия
Руководитель проекта по гранту РНФ Вячеслав Пилипенко. Фото из личного архива

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. 

13 мая, 2021
Проект МГУ «Флора России» собрал 1 миллион наблюдений дикорастущих растений страны
Ученые биологического факультета МГУ в январе 2019 года запустили на международной платформе ...
13 мая, 2021
Пористые наночастицы помогут эффективнее доставлять лекарства длительного действия
Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе ц...