Сотрудники Полярного геофизического института (Апатиты, Мурманск), Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (Москва) и Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН (Апатиты) оценили, как космическая погода – совокупность явлений, связанных с активными процессами на Солнце, возмущениями магнитного поля и атмосферы Земли, – влияет на интенсивность скачков наведённых токов в линиях электропередач.

Такие перепады приводят к сбоям в работе трансформаторов, поэтому знать условия их возникновения важно, чтобы прогнозировать риски аварий в энергосистемах.

От Солнца истекает непрерывный поток плазмы, называемый солнечным ветром. В результате взрывных процессов облако плазмы отделяется от Солнца и преодолевает расстояние до Земли в 150 миллионов километров за 2–3 суток – это приводит к появлению на Земле магнитных бурь. Наиболее интенсивные возмущения магнитного поля Земли происходят в высоких широтах. Когда на небе мы видим яркие полярные сияния, в линиях электропередач, на железных дорогах, в трубо-, нефте- и газопроводах возникают так называемые геомагнитно-индуцированные токи. Эти паразитные токи усиливают коррозию, ухудшают качество электроэнергии и могут привести к поломке оборудования, обеспечивающего работу энергосетей, в первую очередь трансформаторов. При этом, чем более интенсивны скачки таких токов, тем большую опасность они представляют.

Так, например, самые масштабные зарегистрированные сбои в работе оборудования по всей планете произошли 13–14 марта 1989 года во время мощной геомагнитной бури. Больше всего пострадали энергосистемы канадской провинции Квебек, из-за чего соответствующую бурю назвали «квебекским событием». Поэтому, чтобы избежать аварий в энергосетях, важно уметь прогнозировать геомагнитно-индуцированные токи. Однако до сих пор оставалось не до конца понятно, от каких именно условий и состояний космической погоды зависит их интенсивность.

Авторы проанализировали данные о геомагнитно-индуцированных токах с подстанций Мурманской области и Республики Карелия за 11 лет наблюдений (2012–2022 годы), что соответствует квазисолнечному циклу. Эти данные собирала единственная в России система регистрации геомагнитно-индуцированных токов, созданная в конце 2011 года сотрудниками ПГИ и ЦФТПЭС КНЦ РАН РАН.

Авторы сопоставили информацию о 124 наиболее интенсивных скачках тока с данными о параметрах солнечного ветра, состоянии ионосферы (части атмосферы, богатой заряженными частицами) и магнитосферы Земли. Экстремальные скачки, выбранные для анализа, имели разную продолжительность – от нескольких минут до примерно часа. При этом продолжительность большинства всплесков составляла менее пяти минут. Интересно, что более длительные скачки имели и большую интенсивность, а короткие, напротив, были слабее.

Анализ показал, что экстремальные скачки геомагнитно-индуцированных токов на подстанции, расположенной вблизи Мурманска, могут происходить не только во время сильных магнитных бурь, но и во время средних и даже слабых геомагнитных возмущений. На подстанции, расположенной южнее — вблизи города Кондопога в Республике Карелия, – скачки геомагнитно-индуцированных токов преимущественно происходят во время сильных магнитных бурь.

При этом исследователи обнаружили связь числа экстремальных скачков тока с 11-летним циклом солнечной активности: в период минимума цикла число таких экстремальных событий заметно уменьшалось. Более 70% всех опасных скачков тока возникали в полуночные и предутренние часы, когда в ионосферу высыпаются наиболее мощные потоки заряженных частиц, вызывающие яркие полярные сияния.

Однако чёткой линейной зависимости между величиной таких скачков и параметрами солнечного ветра, межпланетного магнитного поля, индексами геомагнитной активности или скоростью изменения геомагнитного поля авторы не обнаружили. Это значит, что одинаковые условия в космической плазме могут вызывать совершенно разный отклик в энергосетях из-за локальных процессов в ионосфере и магнитосфере Земли.

Исследование показало, что интенсивность скачков геомагнитно-индуцированных токов пока можно прогнозировать только вероятностным способом, поскольку они зависят от слишком многих факторов — как от локальных процессов в магнитосфере и ионосфере Земли, так и от топологии электросетей, проводимости земной коры. Однако, опираясь на собранную базу данных, можно будет хотя бы приблизительно оценивать риски, которые несут скачки геомагнитно-индуцированных токов для энергосистем.