CC BY
389
при абсолютно неожиданном получении информации о чрезвычайной ситуации вызванные этим сообщением интенсивные биохимические реакции могут привести его к стрессу — полной потере работоспособности и даже потере сознания.
В случае же, когда проведена соответствующая подготовка к получению информации о чрезвычайной ситуации, в результате феноти-пической адаптации реакция и необходимые действия человека проходят с минимальным количеством ошибок.
Поэтому программы специального обучения и тренингов [3] должны учитывать указанные физиологические особенности организма человека.
Необходимая длительность работоспособности персонала при наступлении чрезвычайной ситуации в значительной степени зависит от конкретных обстоятельств.
Поэтому, имитируя наступление таких обстоятельств при обучении и тренировках, необходимо производить измерения физиологического состояния персонала по наиболее показательным параметрам и с использованием указанного выше способа по критерию времени восстановления функциональных сдвигов производить расчет ресурса его работоспособности.
Указанный критерий позволяет находить в программе подготовки «слабое звено», вызванное не недостаточным обучением тех или иных элементов их действий, а физиологическими особенностями организма человека, и максимально адаптировать эти программы к возможностям человека.
По результатам расчета возможно определить наиболее оптимальную схему организации работ.
Применение способа количественной оценки воздействия нагрузок показало также возможность определения оптимальных по содержанию тренировочных программ, где конечным результатом являются максимально слаженные действия личного состава с минимальной вероятностью ошибок.
Применение указанного способа оценки позволит количественно определить эффективность тех или иных конструкций тренажеров и тренингов, степень фенотипической адаптации оперативного персонала, периодичность повторения тренингов и установить тот уровень адаптации, при котором подготовленность оперативного персонала можно будет считать достаточной для осуществления оперативных мер при наступлении чрезвычайных ситуаций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Доброборский, Б.С. Безопасность машин и человеческий фактор [Текст]: Монография / Б.С. Доброборский; под ред. проф. С.А. Волкова.— СПб., 2011.—115 с.
2. Патент РФ №2519576. Способ оценки величины воздействия на организм человека различных нагрузок [Текст] / Б.С. Доброборский, Е.Н. Кадыски-
на.—2000. Бюлл. № 33.
3. Магид, С.И. Научная методология в тренажерной подготовке персонала электроэнергетики РФ [Текст] / С.И. .Магид, Е.Н. Архипова, В.И. Беляев, Л.П. Музыка.— Сб. «Человеческий потенциал и надежность электроэнергетики» / Под ред. д.т.н., проф. С.И. Магида.— Краснодар-Москва. 2007.
УДК 551.594.6
С.В. Авакян, Н.А. Воронин, К.А. Дубаренко
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ БУРЬ НА АВАРИЙНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ, АВТОМАТИКИ И СВЯЗИ
Изучение воздействия космических факто- вспышки и не наиболее энергичные частицы ров на техносферу показывает, что главный не- космоса (галактические и солнечные космиче-гативный эффект создают не сами солнечные ские лучи), проникающие сквозь атмосферу под-
час до земной поверхности, а геомагнитные бури. Это связано с энергетикой: энергия, выделяющаяся в околоземном космическом пространстве (ионосфера) в период магнитных бурь, многократно превышает и мгновенную и полную (для мощной бури — за сутки и более) долю всех остальных обусловленых вспышкой эффектов.
Гелиогеомагнитная (то есть совокупная солнечная и геомагнитная) активность воздействует практически на все объекты техносферы: электрические сети, трубопроводы нефтегазового комплекса и водоводы, системы теле-, радио-и спутниковой связи и космического позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Максимальной величины эта опасность достигает в северных широтах — в авроральной зоне (область полярных сияний), однако ущерб от нее может быть столь велик, что ею занимаются и более южные страны, в частности Китай и Япония. В предлагаемой статье представлены результаты исследования роли космических факторов в нарушениях техносферной безопасности как при функционировании больших электрических систем, так и линий коммуникаций (связи и автоматики на железнодорожном транспорте). Это исследование актуально при анализе и прогнозе чрезвычайных ситуаций не только на объектах техносферы, но и на объектах экономики и социальной сферы [1, 2]. Обсуждается сценарий возможного влияния на техносферу северных территорий перемещения магнитного полюса северного полушария из Канады к арктическому побережью России, предсказываемого геомагнитологами.
Геомагнитноиндуцированные токи и большие электроэнергетические системы
В статье [4] исследовано влияние геомагнитных бурь на большие проводные (кабельные) системы, в первую очередь — на электрические сети. Показано, что основной причиной аварийности на линиях электропередач и связи являются геомагнитноиндуцированные токи, генерируемые в проводящих материалах во время магнитных бурь переменными магнитными полями. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Стратегия национальной безопасности страны включает совершенствование и развитие системы предупреждения чрезвычайных ситуаций, в том числе в энергетике и экологии. Это
особенно актуально в наше время, когда, с одной стороны, небывалыми темпами разрастается техносфера и растет ее давление на природу, а с другой стороны, уменьшается (из-за появления все более совершенных и утонченных технических разработок) уровень порога того воздействия, которое может привести к аварии. Повышению риска способствует и резко возрастающая компьютеризация процессов управления техническими системами. При этом во многих случаях не уменьшается роль человека-оператора. Интенсификация труда, увеличение психологических нагрузок при постоянном усложнении проводимой работы делают человеческий фактор одним из уязвимых моментов в цепи возможного возникновения аварийных ситуаций, поскольку одновременно усиливается и давление негативных экологических процессов.
Действительно, текущее развитие цивилизации — рост народонаселения и технический прогресс — отражаются в глобальных изменениях окружающей среды. Меняются и устоявшиеся, вызываемые вариабельностью активности Солнца природные циклы атмосферных и биосферных процессов, которые ответственны за погодно-климатические и биологические условия жизни человечества [4, 5]. Современная высокоразвитая техносфера оказалась уже способной влиять, например излучением мощных радиостанций, на ближнее околоземное космическое пространство — ионосферу и радиационные пояса Земли [6]. Такое влияние может осуществляться как непосредственно, так и по механизмам обратной связи, при этом многофакторность, многоканальность, многокомпо-нентность отрицательных воздействий на технические системы непрерывно возрастает вместе с увеличением масштаба этих систем и их усложнением.
Вклад Солнца в земные явления и процессы — предмет изучения в физике солнечно-земных связей [5]. Прежде всего представляют интерес результаты исследования трех проблем — «Солнце — техносфера», «Солнце — погода и климат» и «Солнце — биосфера, включая человека», хотя известно влияние солнечной активности на литосферу (землетрясения и вулканизм), а также на крупномасштабные процессы в океане и даже на скорость вращения Земли.
Главная проблема солнечно-земных связей до последнего времени — определение физических механизмов непосредственного воздействия факторов солнечной активности на различные земные объекты, включая техносферу. Дело в том, что основные последствия вспы-шечной деятельности Солнца вызваны двумя эффектами [7]: всплесками электромагнитного излучения в периоды солнечных вспышек и явлениями, которые связаны с последующим возникновением геомагнитных бурь. Во время вспышек наблюдается резкое усиление потоков ионизирующего — жесткого (крайнего) ультрафиолетового и особенно мягкого рентгеновского излучения Солнца, а в периоды геомагнитных бурь возникают корпускулярные высыпания (в основном электронов, а также протонов) из радиационных поясов Земли. Вспышечная деятельность Солнца сопровождается также усилением потоков корпускул из внешней части его атмосферы — короны. Это — так называемые солнечный ветер и выбросы корональной массы, имеющие высокие скорости направленного движения в сторону планет, включая Землю, и энергичные частицы — протоны солнечных космических лучей с энергией в десятки и сотни МэВ. Но ионизирующее излучение и корпускулярные потоки солнечного и геомагнитосферного происхождения полностью поглощаются в ионосфере, не доходя до земной поверхности несколько десятков километров [8]. И поэтому всегда стоял вопрос, каким образом основные факторы солнечно-геомагнитной активности могут влиять на атмосферные и биосферные явления, а также на техносферу. Нами при решении этой проблемы для пояснения солнечно-погодно-климатических и биосферных связей предложено использовать соответственно триггерные и резонансные физические механизмы [4—6]. Воздействие космоса непосредственно на техносферу обусловлено, как было описано, например в нашей статье [9], а более подробно — в [10], генерацией во время магнитных бурь особых геомагнитноиндуцированных токов — ГИТов, индуцированных по закону Фарадея переменными магнитными полями в проводящих системах, в том числе в стальных трубопроводах, линиях электропередач и связи (рис. 1) [11, 12]. Эти токи слабо изменяются во времени (их называют квазистационарными). Установлено, что наи-
Рис. 1. Геомагнитноиндуцированные токи (ГИТ): вариации ионосферных токов ДО, генерирующих электрическое поле ДО, вызывают ГИТ [11]
большую опасность они представляют для трансформаторов, понижающих напряжение при переходе от линий электропередачи к потребителям. Их рабочая частота — частота сети переменного тока (50—60 Гц), т. е. сильно превышает частоты паразитного воздействия ГИТов (типичные значения для периодов таких токов согласно [13] составляют от 0,01 до 1 ч).
Любые магнитные поля создаются электрическими токами, которые можно называть первичными, а ГИТ имеет смысл называть вторичными токами, поскольку они возникают, когда первичные токи являются переменными. Первичные переменные электрические токи, индуцирующие ГИТ, существуют в следующих областях:
в магнитосфере — кольцевые токи, ответственные за главную фазу магнитной бури, и токи в хвостовой части магнитосферы;
в ионосфере — наиболее интенсивные в ав-роральной зоне, а также экваториальный элек-троджет;
между ионосферой и магнитосферой — продольные токи, текущие по геомагнитным силовым линиям;
в земной коре — «теллурические токи»;
в атмосфере между Землей и ионосферой — токи, связанные с грозовой активностью, тайфунами и землетрясениями; часть этих токов течет в ионосфере [8].
Высыпания энергичных заряженных частиц из магнитосферы и радиационных поясов могут составлять часть продольных токов, но основной вклад высыпаний в ГИТ осуществляется по следующей схеме. Высыпающиеся в ионосферу частицы килоэлектронвольтных энергий создают дополнительную ионизацию на высотах 90— 120 км от земли и увеличивают проводимость в областях высыпаний, что по закону Ома ведет к усилению горизонтальных ионосферных токов и создаваемых ими магнитных полей. Изменения этих полей во времени (наиболее интенсивные при бурях и суббурях) по закону Фарадея индуцируют ГИТ в трубопроводах и электросистемах. Следует полагать, что вклад в ГИТы высыпаний электронов из радиационных поясов является наибольшим по сравнению с другими источниками магнитосферно-ионосферно-литосферной природы. Итак, воздействие корпускул, высыпающихся из радиационных поясов и из геомагнитосферы во время мощных геомагнитных бурь, создает в ионосфере добавочные токовые системы, которые через электрические поля генерируют ГИТы земной поверхности. Величина ГИТ больше в меридионально расположенных трубопроводах и линиях электропередач, поскольку в этом случае вариации магнитных полей на концах — наибольшие, а значит максимальных значений достигает и электродвижущая сила, вызывающая такие токи [12]. Такие токи постоянно рассматриваются как угроза работоспособности больших энергосистем, включая ускорение коррозии магистральных трубопроводов [14].
Ежегодно наблюдается до 20—70 (в зависимости от активности Солнца) сильных геомагнитных бурь с величиной планетарного индекса геомагнитной активности Кр, равным 6 и более [15], т. е. в среднем происходит каждую неделю одна, а то и две больших бури. При этом уровне активности эффекты бури проявляются уже на геомагнитных широтах 50°, что соответствует линии, проходящей южнее Братска, Новосибирска, Тулы. Вся территория к северу от этой линии охвачена бурей, включая зону полярных сияний. Примерно одна, еще более сильная геомагнитная буря (с Кр, равным 7 и выше) происходит раз
в 10—15 дней, и тогда уже практически вся Россия подвержена ее влиянию. Одно из главных проявлений мощных магнитных бурь — вторжение потоков энергичных корпускул (в основном электронов) в ионосферу на средних и высоких широтах.
В период типовой мировой магнитной бури наиболее сильные возрастания потоков электронов кэВ-энергий на умеренных и высоких геомагнитных широтах происходят в главную фазу бури (в течение двух-четырех часов) и на фазе восстановления, когда фиксируется рекуррентное возрастание, иногда до наивысших уровней, в течение десятков часов [7] (рис. 2). Усиления высыпающихся в ионосферу электронных потоков и, следовательно, ГИТ-ов в главную фазу и в фазу восстановления магнитной бури происходят до 300 раз и более, при этом в главную фазу такие изменения идут очень быстро. Такие экспериментальные данные получены радиометрами ГОИ им. С.И. Вавилова на спутнике «Космос-381» [7, 17] (рис. 2).
Действительно, при вариациях величины геомагнитного поля во время бури (с максимумом в центре главной фазы) сопровождающие эти изменения высыпания электронов из радиационных поясов испытывают в начале и в конце главной фазы резкие ослабления (до порога регистрации на период в течение 1,5—3 часов). Только в центре главной фазы они в средних широтах на 2—4 часа достигают максимальных значений — до уровня авроральных вторжений. Быстрые вариации интенсивных высыпаний хорошо проявляются в картинах мощных сияний в верхней атмосфере, причем внезапные их затухания, а затем всплески интенсивных свечений в главную фазу магнитной бури неоднократно наблюдались и космонавтами [17]. Подобные всплески ведут к мгновенным изменениям потенциалов на трубопроводах, что особенно опасно влияет на электрохимическую коррозию. Поскольку возрастания над уровнями добуревых эффектов (см. рис. 2) до 300 раз и более для высыпающихся потоков, а значит и в интенсивности ГИТ-ов, происходят чуть ли не целые сутки, то следует констатировать, что отключение катодной защиты во время сильной магнитной бури даже на одни сутки способно увеличить почти вдвое годовой эффект электрохимической коррозии трубопровода.
а
Электронов см-2,с-1,ср-1
i-.--.iVJ Д пку ' V
з *
я \ ; ч \ / ; —Л М й
—«—1
—в—3
4
б)
Электронов см-2-с-Ьср-
/Л X /Г\ // \ Л Л 1 \ 1 * зг4в-Л
\ Ч : } • 1 Т®' гЪ ЛУ/М^' \ V А П \ ■л ' /: : ^ х » I ( \ 1
1 /; у \ Л / / «
;
1 2
3
4
Ю 14 13 22 2 МСК, час
2 6 14 'в 22 2 МСК, час
в)
Электронов см-2-с-Ьср-1
г)
[ IV / * •
:—7-7-t- ' 1 0 \ I t \
\ / --V* о
1
2 о
3
4
Электронов см-2-с-Ьср-1
\\ |г \ 'Л4 < \\
\ / / -Л
-.. к
г 1 * 4с1 а й л
1
2
3
4
МСК, час
МСК, час
Рис. 2. Вариации интенсивности потоков электронов с энергиями в единицы и десятки кэВ в период сильной геомагнитной бури, которые высыпаются из радиационных поясов на средних широтах в Северном полушарии (отдельно для дневной (а, б) и ночной (в, г) ионосферы и для двух областей геомагнитных широт — 45-55 ° (а, в) и 55-60 ° (б, г): начало геомагнитной бури — 04 ч. 45 мин., главная фаза бури — с 10 до 12 ч. московского времени. Обозначено: 1 — потоки захваченных электронов с энергией более 2,5 кэВ; 2 — потоки высыпающихся электронов с энергией более 2,5 кэВ; 3 — потоки захваченных электронов с энергией более 25 кэВ; 4 — потоки высыпающихся электронов с энергией более 25 кэВ
Интенсивность потока высыпающихся электронов сильно меняется с широтой, увеличиваясь от средних к высоким широтам зоны полярных сияний (см. рис. 2, а, б); поэтому величины электрического поля и индуцированных токов наиболее значительно меняются именно для трубопроводов меридионального направления [12].
Техносферные аварии в периоды магнитных бурь
Примеров воздействия геомагнитноиндуци-рованных токов на объекты техносферы можно привести множество, но в первую очередь заслуживают внимания воздействия геомагнитных бурь на электрические сети.
На подстанциях линий электропередач, обеспечивающих объекты народного хозяйства электроэнергией, геомагнитноиндуцированные токи текут в земле через трансформаторные обмотки и по заземлению, т. е. там, где никаких защитных релейных устройств нет (не предусмотрены проектными решениями), и в этом состоит опасность. В энергетических системах эти токи приводят к таким опасным эффектам: насыщению трансформаторов, их перегреву и разрушению;
генерации паразитных гармоник переменного тока;
нарушению работы стандартных защитных реле и, как следствие, отключению линий электропередач;
колебания активной и реактивной мощности в энергосистеме и, как следствие, к ложной работе или несрабатыванию автоматики и релейной защиты, массовым нарушениям электроснабжения в узлах нагрузок [18, 19].
Первые зафиксированные воздействия магнитных бурь относятся к XIX веку. Так, во время сильнейшей бури в августе-сентябре 1859 года перестали работать телеграфные системы в Европе и Северной Америке. Перечислим наиболее обсуждаемые в научной литературе геомагнитные бури, вызвавшие поврежденные электросетей:
24 марта 1940 года геомагнитная буря вывела из строя 80 % всех магистральных телефонных сетей в Миннеаполисе, а на нескольких электрических подстанциях северо-востока США вышли из строя силовые трансформаторы. В это же время частично прекратилась подача элек-
троэнергии в штатах Новая Англия, Нью-Йорк, Миннесота, Пенсильвания;
буря в феврале 1958 года привела к тому, что временно прекратилась подача электроэнергии в город Торонто (Канада) из-за выхода из строя реле на трансформаторной подстанции Онтарио. В результате ГИТ-ов, связанных с бурей в августе 1972 года, полностью вышел из строя силовой трансформатор на 230 кВ (а цена такого трансформатора — до миллиона долларов) в энергосистеме провинции Британская Колумбия (Канада).
2 августа 1972 года в результате аварии на трансформаторе, расположенном в Британской Колумбии, было нарушено гидро- и энергоснабжение;
19 декабря 1980 вышел из строя очень до-рогостоящмй трансформатор через 8 дней после мощного красного полярного сияния в Санкт-Джеймс-Бей, Канада;
13 апреля 1981 пришлось заменять трансформатор в Сент-Джеймс-Бей, Канада, поврежденный во время очередной геомагнитной бури;
30 октября 2003 в энергосистемах на юге Швеции в Мальме на 20—50 минут отключалась электроэнергия из-за сильной геомагнитной бури. Эта же буря нанесла значительный ущерб трансформаторам в Южной Африке — более 15 трансформаторов были повреждены;
во время геомагнитной бури 25 марта 1940 года стационарные телефоны, рассчитанные на напряжение 48 В, были испорчены в результате скачков напряжения в 600 В, на нескольких электрических подстанциях северо-востока США вышли из строя силовые трансформаторы и частично прекратилась подача электроэнергии в штатах Новая Англия, Нью-Йорк, Миннесота и Пенсильвания. На подводном телефонном кабеле между Ньюфаундлендом и Шотландией было зарегистрировано повышение напряжения до 2600 вольт;
1 сентября 2005 года. Почти 50-часовое возмущение магнитного поля, пик которого тогда пришелся на Северную Америку, привело к отключению высокочастотной связи во многих районах континента, а также резкому снижению точности спутниковой навигации;
13 марта 1989 года в 7 ч 45 мин мирового времени (московское время опережает его на три часа) на высоковольтных линиях электро-
Рис. 3. Гелиогеомагнитные эффекты в техносфере, число солнечных пятен и магнитных бурь за период с 1847-го по 2000 год. Ромбы отражают возникновение эффектов в техносфере (телеграф, кабели связи, системы электроснабжения). Сплошной горизонтальной линией показана имеющая кумулятивный эффект нарастающая наружная коррозия на магистральных газонефтепроводах, обусловленная геомагнитноиндуцированными токами [20]
передачи, ведущих из Джеймс Бэй (север провинции Квебек, Канада) в южные районы провинции Квебек, а также в северные области США и входящих в энергосистему Гидро-Кве-бек, возникли сильные ГИТ-ы. Эти токи создали дополнительную нагрузку на систему в размере 9450 МВт, что стало слишком большой добавкой к существовавшей в тот момент полезной нагрузке в 21350 МВт. Система вышла из строя, оставив шесть миллионов жителей без электроэнергии. На восстановление нормальной работы системы потребовалось 9 часов. Потребители в северных районах США в это время недополучали 1325 МВт [12].
На высоковольтных линиях других энергосистем 13—14 марта также наблюдались неприятные эффекты, связанные с ГИТ-ами: срабатывание защитных реле, выход из строя силовых трансформаторов, падение напряжения, появление паразитных токов. Наибольшие величины индуцированного тока 13 марта были зарегистрированы в системе Гидро-Онтарио (80 ампер) и Лабрадор-Гидро (150 ампер). Поскольку магнитная буря действует на трансформаторы всего
региона, происходящее может быстро перерасти в коллапс всей национальной сети трансформаторов. Сеть работает так близко к границе сбоя, что вывести ее из строя оказалось бы совсем не сложно. Все это затронуло не только регион Северной Америки. В ряде стран Северной Европы наблюдались аналогичные явления. Однако их эффект был значительно слабее из-за того, что север Европы находится дальше от магнитного полюса, чем север Америки. Тем не менее в 8 ч 24 мин среднеевропейского времени на шести линиях 130 кВ в средней и южной Швеции был одновременно зарегистрирован вызванный ГИТ скачок напряжения, однако до выхода систем из строя дело не дошло. Во время геомагнитной бури ГИТ величиной до 184 ампер были зарегистрированы в США в нейтральной фазе трансформатора. Крупнейший ГИТ был измерен во время геомагнитной бури на юге Швеции 6 апреля 2000 года — 270 ампер.
Но, если еще во время сильных магнитных бурь в 1958 и 1972 годах из-за появления ГИТ возникли серьезные нарушения в работе трансатлантического телекоммуникационного кабе-
ля, то в марте 1989 года уже действовал новый оптиковолоконный кабель, поэтому нарушений в передаче информации не было. Однако наблюдались три сильных скачка напряжения (в 300, 450 и 700 В) в системе энергообеспечения этого кабеля, которые по времени совпадали с сильными изменениями магнитного поля 13 и 14 марта. Хотя такие скачки и не вызвали выхода системы из строя, они были достаточно велики, чтобы представлять собой серьезную угрозу ее нормальному функционированию.
В числе наиболее важных параметров влияния самой геомагнитной бури — импульсные характеристики магнитного поля Земли — ёН/Ж, что вытекает из закона электромагнитной индукции Фарадея. Существенные воздействия на электрические сети могут наблюдаться при относительно низких значениях интенсивности; так Квебекская авария 13—14 марта 1989 года произошла при пиковой интенсивности ёН/Ш порядка 500 нТ/мин. Исторический анализ данных показывает, что после 1972 года по крайней мере в трех случаях наблюдались всплески более 2000 нТ/мин, а уровень в 5000 нТ/мин, возможно, был достигнут во время бури в мае 1921 года, что в 10 раз выше наблюдавшегося в 1989 году. Произойди событие 1921 года сейчас, оно могло бы оставить без электричества почти все США. С учетом уменьшения за это время напряженности полной величины магнитного поля Земли эффект можно ожидать более значительным, а время его воздействия — раньше запланированного. Что касается 24-го одиннадцатилетнего цикла солнечной активности, идущего сейчас к максимуму, то предположительно он не будет самым мощным, но может достигнуть уровня цикла, вызвавшего экстрабурю 1859 года. В [18] показано, что если подобной силы магнитная буря произошла бы сейчас, то следовало бы ожидать массового нарушения электроснабжения на всей планете на неопределенное время.
С ноября 2003 года для изучения влияния геомагнитных возмущений на энергетические системы Кольского полуострова Центром физико-технических проблем энергетики Севера совместно с Полярным геофизическим институтом Кольского научного центра РАН реализуется программа мониторинга ГИТ в сетях «Колэнерго». Создана система цифровой регистрации ГИТ посредством непрерывного измерения постоянного тока в глухозаземленной
нейтрали силовых автотрансформаторов на подстанциях энергосистемы класса 110—330 кВ. Контроль за развитием магнитосферных возмущений осуществляется по данным сети наземных магнито-вариационных станций ПГИ и скандинавских стран. По результатам этого мониторинга величины геоиндуктированных токов в электрических сетях 330 кВ для таких широт лежат в интервале 2—7 А, а их редкие кратковременные всплески могут достигать 15— 25 А [21, 22].
Наш анализ данных [20], представленных на рис. 3 (в верхней его части — ромбиками), показал [3], что уровень геомагнитной возмущен-ности в дни аварий был очень высок:
усредненное значение среднесуточного аа-индекса (антиподального, получаемого по измерениям на 2-х магнитных обсерваториях, расположенных в северном и южном полушариях) составляло величину 168 нТ, а среднее значение максимального среднесуточного аа-индекса — 409 нТ, при этом обычные значения этого индекса всего лишь единицы — десятки нТ;
в среднем по числу событий в день аварии максимальный трехчасовой (планетарный) индекс Кр был 8 (по 9-ти бальной квазилогарифмической шкале), тогда как обычный его уровень в спокойные дни — от 2 до 3. Из всех зафиксированных случаев аварий после 1932 года, когда Кр-индекс был введен в обращение, в половине этих событий регистрировалось трехчасовое значение, равное максимально возможному — 9. Но и усредненное значение — 8 — характеризуется в [15] как геомагнитная возмущенность (мировая магнитная буря), приводящая к дестабилизации напряжения в электросетях, частичному разрушению энергетических систем и отключению их защиты. Среднее значение числа таких мощных бурь — 100 за одиннадцатилетний цикл солнечной активности.
Анализ [23] данных в дни с экстремально мощными геомагнитными бурями, в благоприятные в геомагнитном аспекте дни и в дни с умеренными и средней силы геомагнитными бурями показал, что число серьезных аварий, обрывов в системах электроснабжения и скачков напряжения в высоковольтных воздушных линиях электропередач значительно увеличилось преимущественно в дни очень сильных магнитных бурь, когда геомагнитное поле показало резкие флуктуации. По сравнению с относительно спо-
койными днями с «обычными» техническими проблемами было зарегистрировано значительное увеличение числа аварий такого типа, как срабатывание дифференциальной (фазовой) защиты, авария в защитном заземлении и т. д. Осциллограммы в моменты аварий ясно показывают возросшее число гармонических колебаний тока и напряжения, которые ощутимо меняют волновую форму сигнала в насыщенных трансформаторах. Исследование показало, что те трансформаторы, которые расположены на углах (в точках поворота) системы электропередач, в большей степени подвержены негативному влиянию геомагнитных бурь. В местах с плохой проводимостью грунта системы электропередач больше подвержены риску повреждения из-за ГИТ (токи, встречая сопротивление грунта с низкой проводимостью, предпочитают проводники с минимальным сопротивлением, оказавшимся поблизости, протекая как раз по самим трансформаторам и линиям электропередач через их точки заземления).
Возможные последствия перемещения магнитного полюса к арктическому побережью России
Фактором, усиливающим негативные последствия геомагнитных бурь именно в нашей стране, в настоящее время является дрейф магнитного полюса в Северном полушарии в сторону аркти-
ческого побережья России по направлению к нынешнему положению Восточно-Сибирской положительной магнитной аномалии. С 1970-х годов скорость и ускорение движения этого магнитного полюса начали резко расти — более чем в два раза за последние 30 лет (до 46 км/год [24]), а к настоящему времени и до 64 км/год. Многолетнее «блуждание» магнитного полюса по территории Северной Канады сменилось устойчивым, практически прямолинейным движением в направлении российского сектора Арктики с нарастающим ускорением. Экстраполяция координат этого полюса при сохранении существующего тренда предсказывает, что к 2050 году магнитный полюс будет располагаться в районе между архипелагом Северная Земля и Новосибирскими островами, что приведет к протеканию мощнейших токов во время геомагнитных бурь вплоть до 40° с.ш., т. е. практически на территории всей России (рис. 4). Это будет создавать опасные ГИТ-ы в электрических сетях Сибири и может поставить их на грань отключения.
Таким образом, в целом следует констатировать, что мы имеем дело с совершенно реальными угрозами нарушения работы электрических сетей не только в далеком будущем, но уже в ближайшие годы (во время максимума 24-го солнечного цикла), а учитывая возрастающую «непредсказуемость» Солнца, — в любой момент.
Рис. 4. Схематическое положение овала полярных сияний в 2050 году с учетом прогноза [3, 25, 26] перемещения магнитного полюса Северного полушария
на территорию России
Потери при передаче электроэнергии в целом по стране за 20 лет выросли в два раза, до 112 млрд кВт/час. Это более 10 % всей вырабатываемой в России электроэнергии. При этом [27] магистральные электросети дают меньше в тариф, чем распределительные (из-за завышенной рентабельности последних). Сейчас тариф на электроэнергию централизованного энергоснабжения достиг опасной величины (до 4,0 руб./кВт-ч.), и может произойти переход к собственным малым электростанциям (в рамках перехода к распределенной энергетике), в том числе с использованием мини-ТЭЦ на основе газопоршневых энергоустановок. В этом плане интересен факт, что в 2010 году в Россию ввезено более 200 тысяч малых газовых и дизельных электростанций только из Китая общей мощностью около 4 ГВт. В РФ — более 50 тысяч частных электростанций, их общая мощность — почти десятая часть от мощности всех электростанций РФ. Цена их кВт/ч (в 1,4 рубля) почти в 3 раза меньше, чем обычные тарифы для малых предприятий от централизованных систем электроснабжения. С другой стороны, именно северные территории (прежде всего Сибирь) — основные зоны добычи нефти и особенно газа, так что топливных ресурсов для реализации распределенной, свободной от влияния магнитных бурь, электроэнергетики на Севере достаточно. Конечно тогда, особенно в перспективе, с учетом перехода всех сибирских территорий к 2050 году в зону полярных (авроральных) геомагнитных широт, роль учета магнитных бурь при эксплуатации газонефтепроводов резко возрастает.
Влияние магнитных бурь
на отказы железнодорожной автоматики
К системам, подверженным влиянию ГИТ, следует также отнести системы автоматики железных дорог, в которых происходят немотивированные переключения сигнальных светофоров, поскольку наведенные токи способны вызывать ложное срабатывание систем световой сигнализации. Когда участок железнодорожного полотна свободен, между рельсами поддерживается определенная разность потенциалов. При появлении же поезда между ними начинает протекать электрический ток. Электрический ток, индуцированный вариациями магнитного
поля Земли, может «замкнуть» рельсы, что для системы равносильно появлению поезда. В итоге зеленый сигнал светофора может смениться красным. Особенно чувствительны к космической погоде северные участки российских железных дорог, где геоэффекты от активности Солнца наиболее значительны.
Рассмотрим конкретные данные о воздействии магнитных бурь на железнодорожную сигнализацию. Так, чрезвычайно мощные бури в октябре 2003 года, вызвавшие аварийные ситуации в системах электроснабжения в Швеции, отметились сбоями в работе автоматики на северных железных дорогах России. За период с 1989-го по 2005 год отмечено более 15 случаев аномального поведения телеметрических систем железных дорог, вызванных повышенной геомагнитной активностью. Нарушения в работе систем сигнализации железных дорог могут приводить к существенным потерям в случае простоев подвижного состава, а также в большой степени чреваты развитием аварийных ситуаций.
В [29, 30] изучалось воздействие семнадцати магнитных бурь на поведение систем световой сигнализации на некоторых северных участках РЖД (примерно от 58° до 64° с.ш.). Было установлено, что ложные световые сигналы на железнодорожных светофорах появлялись именно во время наиболее сильных по интенсивности фаз геомагнитных бурь, а длительность сбоев сигнализации совпадала с продолжительностью наиболее сильных геомагнитных возмущений. По мнению авторов статьи, причина обнаруженных аномалий — в индуцированных геомагнитных токах. Всего исследовательская группа проанализировала 16 сбоев в системах световой сигнализации, и все они совпали во времени с магнитными бурями.
В [31] проанализированы сбои и отказы (аномалии) в работе этих систем автоматики и телемеханики, зарегистрированные в 2004-2005 годах на среднеширотной Восточно-Сибирской железной дороге (51-56° с. ш. и 96-114° в. д.) совместно с вариациями геомагнитной активности. Анализ аномалий и их причин, указанных в оригинальных рапортах и журналах соответствующих железнодорожных служб, показал, что примерно 45 % аномалий были связаны с обрывами, ударами и механическими разры-
вами кабелей, жил, а также с метеорологическими причинами (попадание снега, льда и песка в стрелки), с вмешательством посторонних лиц (грабеж и т. д.), т. е. заведомо не были вызваны геомагнитными факторами. Эти случаи были отброшены, а оставшиеся аномалии были использованы для поиска возможных связей с геомагнитной активностью. Получено, что суммарная суточная длительность T аномалий на всех участках дороги меняется в согласии с развитием геомагнитной бури. При достижении пика геомагнитной активности T увеличивается — в три раза. Наблюдается корреляция между длительностью аномалий T и локальным индексом геомагнитной активности A. В частности, для двух супербурь 2004 года, 17 июля — 2 августа и 5—12 ноября, коэффициент корреляции К равен соответственно 0,83 и 0,71.
Проявление эффектов ионосферных возмущений в нарушениях радиосвязи.
Проект «Космический солнечный патруль»
Из возможных техногенных последствий смещения магнитного полюса Земли укажем также следующие: полное изменение условий КВ-радиосвязи над территорией России; нарушение работы спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС и др.), так как они используют алгоритмы ионосферной коррекции, построенные на полуэмпирических моделях, применимость которых станет невозможной.
В [32] отмечено, что качество функционирования современных спутниковых радионавигационных систем ограничено влиянием ионосферной среды околоземного космического пространства. В условиях геомагнитных возмущений существенно проявляется нерегулярная составляющая полного электронного содержания в ионосфере и возникают пропорциональные флуктуации группового (фазового) запаздывания, которые могут вызывать появление дополнительных погрешностей позиционирования в одночастотном режиме. Кроме того, активизируется процесс генерации неоднородностей электронной концентрации разных масштабов, которые могут вызвать флуктуации амплитуды и фазы сигналов навигационных спутников (НС) в точке приема. В результате возможен срыв сопровождения сигнала одного или нескольких НС навигационного созвездия по фазе (коду) на од-
ной из рабочих частот и, как следствие, снижение точности определения координат.
При анализе данных по нескольким сильным магнитным бурям (2000—2004 гг.) установлено, что на ряде GPS-станций североамериканского региона и Восточной Сибири наблюдалось резкое возрастание ошибки позиционирования (до 120—280 м). Кроме того, для станций, расположенных на высоких (ф>50°) и низких (ф<20°) широтах, в среднем имеют место более высокие значения ошибок позиционирования, чем на умеренных широтах. Было обнаружено также, что области, в пределах которых наблюдаются повышенные значения ошибок позиционирования, перемещаются с течением времени.
В настоящее время ведется подготовка инновационного инвестиционного проекта, в плане которого — получение нового продукта: прогноза степени воздействия космических факторов на магистральные трубопроводы и большие электросистемы с учетом данных по гелиогео-физической активности, а в перспективе — с использованием результатов мониторинга под названием «Постоянный космический солнеч-но-магнитосферный патруль». Цель такого космического эксперимента с использованием созданной в ГОИ имени С.И. Вавилова новейшей оптико-электронной аппаратуры [33, 34] — осуществление (впервые) постоянного контроля за ионизирующим излучением Солнца и электронными высыпаниями из радиационных поясов Земли. В числе областей, где крайне необходимы данные «Постоянного космического солнечно-магнитосферного патруля» (особенно мониторинг роста ионизирующих потоков во время солнечных вспышек и в периоды геомагнитных бурь), не только прогноз аварийности на системах электросетей и трубопроводов, но также прогнозы в интересах радиосвязи, радиолокации и радионавигации, пилотируемой космонавтики, космической техники (включая страхование запусков космических аппаратов), глобальных погодных и климатических изменений [3], медицины (кризисные явления) [5].
Ионосферные токи на дневной стороне Земли определяются скоростью фотоионизации атмосферных газов под действием ионизирующего крайнего ультрафиолетового (КУФ) и мягкого рентгеновского излучения Солнца. Солнечные вспышки, наиболее сильные именно
в этой области спектра, практически полностью контролируют степень ионизации дневной сред-неширотной верхней атмосферы. Главное, что вспышечная деятельность Солнца — это и основная причина начала примерно через двое-трое суток магнитных бурь на Земле, при этом от силы вспышки зависит и мощность геомагнитной бури. Однако до настоящего времени эта связь хорошо не изучена, т.к. в мире так и не создан постоянный мониторинг спектра и потоков коротковолнового (ионизирующего) солнечного излучения.
Мониторинг окружающей среды и соответствующие прогнозы ее состояния осуществляет Гидрометеорологическая служба России. В «Стратегии деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областей на период до 2030 года» указан приоритетный проект «Развитие систем обработки данных и прогнозирования», где имеется направление «Методы, модели и технологии гелиогеофизических расчетов и прогнозов». Однако нет пока планов внедрения таких прогнозов в системы поддержки принятия решений в сфере генерации, передачи и сбыта электроэнергии, а также при эксплуатации магистральных трубопроводов в рамках задач «Энергетической стратегии России на период до 2020 года». Учитывая результаты представленного анализа роли космофизических факторов в техносферных авариях, назрела необходимость создания единого «Центра гелио-геофизических проблем и прогноза воздействий на окружающую среду и техносферу». К этому
в наибольшей мере готова именно наука Санкт-Петербурга, учитывая те фундаментальные заделы, которые имеются в ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт Петербургском отделении Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, СПбГУ и СПбГПУ. Возможно совмещение этого Центра с планируемым Правительством РФ новым межведомственным «Центром климатических исследований» в Санкт-Петербурге. Административное решение данного предложения осуществимо в рамках Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. В рамках обеспечения глобальной энергетической безопасности следует использовать подписанный в конце 2009 года между Россией и Европейским Союзом Меморандум о механизме раннего предупреждения в сфере энергетики, включающий вопросы устойчивого функционирования технических систем поставок газа, нефти и электроэнергии.
Социальная опасность современного развития топливно-энергетического комплекса заключается, в том числе, в потенциальном ущербе вследствие отказов или аварий производственной и транспортной систем [35]. При оценках такого экономического и социального ущерба следует учитывать вклад воздействия на техносферу от космофизических факторов, который становится все более ощутимым.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глухов, В.В. Превентивный менеджмент в чрезвычайных ситуациях [Текст]: Монография / В.В. Глу-хов, В.Ю. Агатипов, К.А. Дубаренко.— СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008.— 350 с.
2. Добровольский, В.С. Гражданская оборона и защита в чрезвычайных ситуациях на объектах экономики и социальной сферы [Текст]: Монография / В.С. Добровольский, К.А. Дубаренко.— СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012.
3. Авакян, С.В. Роль космических факторов в энергетической и экологической безопасности. Ч. 2: Вклад магнитных бурь в аварийность на больших электросетях и линиях связи [Текст] / С.В. Авакян, Н.А. Воронин // Академия энергетики.— 2011, № 6 (44).— С. 32-35.
4. Авакян, С.В. Роль космических и ионосферных
возмущений в глобальных климатических изменениях и коррозии трубопроводов [Текст] / С.В. Авакян, Н.А. Воронин // Исслед. Земли из космоса.— 2011. № 3.— С. 14-29.
5. Авакян, С.В. Физика солнечно-земных связей: результаты, проблемы и новые подходы [Текст] / С.В. Авакян // Геомагнетизм и аэрономия.— 2008.— Т. 48. № 4.— С. 1-8.
6. Авакян, С.В. Ридберговское микроволновое излучение ионосферы при высыпаниях электронов из радиационных поясов, вызванных радиопередатчиками [Текст] / С.В. Авакян, Н.А. Воронин // Оптический журнал.— 2008, № 10.— С. 95-97.
7. Авакян, С.В. Ионизирующие и проникающие излучения в околоземном космическом пространстве [Текст]: Справочник / С.В. Авакян, А.И. Вдовин,
B.Ф. Пустарнаков.— Л.: Гидрометеоиздат, 1994.— 501 с.
8. Брюнелли, Б.Е. Физика ионосферы [Текст] / Б.Е. Брюнелли, А.А. Намгаладзе.— М.: Наука, 1988.— 710 с.
9. Авакян, С.В. Влияние магнитных бурь в аварийность на магистральных газонефтепроводах [Текст] /
C.В. Авакян, Н.А. Воронин // Академия энергетики.— 2011, № 3 (41).— С. 78-82.
10. Авакян, С.В. Некоторые техносферные проявления гелиогео физических возмущений [Текст] / С.В. Авакян, А.А. Намгаладзе // Вестник РАН.— 2012.— Т. 82, № 1.— С. 43-49.
11. Pirjola, R. Space Weather Risk [Текст] / R. Pir-jola, K. Kauristie, H. Lappalainen [ety all.].— EURO-EM'2004.— Magdeburg, Germany.— July 12-16, 2004.
12. Авдюшин, С.И. Рассказ о космической погоде [Текст] / С.И. Авдюшин, А.Д. Данилов // СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.— 160 с.
13. Gummow, R.A. GIC effects on pipeline corrosion and corrosion-control systems [Текст] / R.A. Gummow, P. Eng // J. Atmos. Sol. Terr. Phys.— 2002. Vol. 64, № 16.— P. 1755-1764.
14. Патент РФ № 2447425. Способ уменьшения скорости коррозии металла стальной трубы трубопроводного транспорта [Текст] / С.В. Авакян, Н.А. Воронин // Бюллетень ФСИС «Изобретения и полезные модели».— № 10, 10 апреля 2012 г.
15. S.E.C. User Notes. 2000. №28. 7 p.
16. Авакян, С.В. Потоки электронов во время магнитной бури 14-15 декабря 1970 г. по данным ИСЗ «Космос-381» [Текст] / С.В. Авакян, М.П. Болгарце-ва, А.И. Ефремов [и др.] // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца.— 1974. Вып. 32.— С. 158-161.
17. Лазарев, А.И. Исследование Земли с пилотируемых космических кораблей [Текст] / А.И. Лазарев, В.В. Коваленок, С.В. Авакян.— Л.: Гидрометеоиздат, 1987.— 399 с.
18. Кузнецов, В.Д. Солнечно-земная физика и ее приложения [Текст] / В.Д. Кузнецов // УФН, 2012.— Т. 182, № 3.— С. 327-336.
19. Осипов, В.И. Безопасность электрических сетей России от гелиогеомагнитной опасности — необходимый элемент обеспечения энергетической и геоэкологической безопасности [Текст] / В.И. Осипов, Н.А. Махутов, А.Н. Данилин [и др.] // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций.— 2010. № 5.— С. 42-53.
20. Boteler, D.H. The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth's surface. Advances in Space Research [Текст] / D.H. Boteler, R.J. Pirjola, H. Ne-vanlinna // 1998. Vol. 22, Iss. 1.— P. 17-27.
21. Баранник, М.Б. Разработка систем мониторинга геоиндуктированных токов в магистральных линиях 330 кВ «Колэнерго» [Текст] / М.Б. Баранник,
А.Н. Данилин, Я.А. Сахаров, В.Н. Селиванов // Электромагнитная совместимость и перенапряжения в высоковольтных сетях / Под ред. В.Н. Селиванова.— Апатиты: Изд во КНЦ РАН, 2004.— С. 7-18.
22. Чистяков, Г.Н. Экспериментальное исследование тока в нейтрали трансформатора в период геомагнитных бурь [Текст] / Г.Н. Чистяков, С.Н. Сигаев // Известия Томского политехнического университета.— 2011. Т. 318, № 4.— С. 122-127.
23. Бабаев, Э.С. Исследование влияния космической погоды на системы электропередачи для средних широт [Текст] / Э.С. Бабаев, А.Б. Аскеров // Тезисы докладов VIII Конференции молодых ученых. Секция «Физика околоземного космического пространства».— Байкальская школа по фундаментальной физике.— 2005.— С. 4-5.
24. Mandea, M. Asymmetric behavior of magnetic dip poles [Текст] / M. Mandea, E. Dormy // Earth, Planets and Space.— 2003.— Vol. 55, № 3.— P. 153-157.
25. Ляхов, А.Н. Возможные последствия смещения магнитных полюсов для структуры и динамики верхней атмосферы Земли [Текст] / А.Н. Ляхов, Ю.И. Зецер, Т. Фуллер-Роуелл // Доклады Академии наук.— 2006.— Т. 409, № 5.— С. 1-3.
26. Ляхов, А.Н. Влияние движения магнитных полюсов Земли на структуру и динамику ионосферы и термосферы [Текст] / А.Н. Ляхов, Ю.И. Зецер, Т. Фуллер-Рокелл // Лекции БШФФ-2007.— С. 5055.
27. Непомнящий, В.А. Современные тарифы на электроэнергию и возможные пути их снижения [Текст] / В.А. Непомнящий // Академия энергетики.— №3 (41).— С. 6-18.
28. Елисеева, О.А. Территориальные сдвиги в добыче нефти и газа [Текст] / О.А. Елисеева // Академия энергетики.— №3 (41).— С. 20-27.
29. Belov, A.V. Effects of Strong Geomagnetic Storms on Northern Railways in Russia [Текст] / A.V. Belov, S.P. Gaidash, E.A. Eroshenko [и др.] // This paper appears in: Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology.— 2007 7th International Symposium, 2629 June 2007.— P. 280-282.
30. Eroshenko, E.A. Effects of strong geomagnetic storms on Northern railways in Russia [Текст] / E.A. Eroshenko, A.V. Belov, D. Botelerd [и др.] // Advances in Space Research.— 2010. Vol. 46, Iss. 9.— P. 1102-1110.
31. Касинский, В.В. Влияние геомагнитных возмущений на работу систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] / В.В. Касинский, Н.Г. Птицына, Н.Н. Ляхов, М.И. Тясто, Дж. Вилло-рези // Геомагнетизм и аэрономия.— 2007.— Т. 47, № 5.— С. 714-718.
32. Гамаюнов, И.Ф. Пространственно-временная динамика ошибок позиционирования наземных приемников GPS во время возмущений околоземного космического пространства [Текст] / И.Ф. Гамаюнов,
В.В. Демьянов // Труды VIII Конференции молодых ученых. Секция «Физика околоземного космического пространства».— Байкальская школа фундаментальной физики-2005.— С. 63—65
33. Avakyan, S.V. Creating of the permanent Space Patrol of ionizing solar radiation [Текст] / S.V. Avakyan, E.P. Andreev, I.M. Afanas'ev [et all.] // In: «Innovative Telescopes and Instrumentation for Solar Astrophysics».— USA.— Editors: S.L. Keil (NSO, USA) and S.V. Avakyan (SOI, Russia).— Proc. SPIE. 2002. Vol. 4853.— P. 600-611.
34. Авакян, С.В. Исследования в ГОИ рентгеновского и крайнего УФ излучения Солнца [Текст] / С.В. Авакян, И.М. Афанасьев, В.Г. Богданов [и др.] // Оптический журнал.— 2008. Т. 75, № 12.— С. 31-39.
35. Окороков, В.Р. Современные энергетические технологии и социально-экономические последствия их использования [Текст] / В.Р. Окороков, Р.В. Окороков // Академия Энергетики.— 2008. № 5 (25).— С. 16-24.
