Выдержать солнечный удар
Продолжая тему гелиогеофизической устойчивости энергосистем (см. «Энерговектор», № 2/2014, с. 9 и № 6/2016, с. 15), отметим, что человеческое общество с каждым годом всё сильнее полагается на инфраструктуры электроснабжения и связи. Если энергосеть отключится более чем на сутки, то из-за проблем с водопроводом, канализацией, городским электротранспортом и торговлей жизнь в городе станет невыносимой. То есть продолжительные блэкауты - это уже экзистенциальная угроза.
Известно, что угроза эта наиболее существенна для стран, расположенных в высоких широтах (США, Канада, Великобритания, скандинавские государства). Учёные из Геологической службы США (USGS) недавно опубликовали результаты нового исследования, где показали, что самые уязвимые по отношению к геомагнитным бурям участки сети определяются не только её структурой и нагрузками, но и геологией местности.
Осадочные горные породы пронизаны порами, которые обычно заполнены подземными водами и потому хорошо проводят электрические токи, создавая естественный экран для хаотически меняющегося магнитного поля. Метаморфические (видоизменённые) и магматические породы обладают большей плотностью и меньшей проводимостью. В населённых пунктах, построенных на подобных «изоляторах», бушующая геомагнитная стихия обрушивается на электрические сети, наводя в них огромные токи. Как предполагают специалисты из АО «Институт "Энергосетьпроект"», наиболее подвержены влиянию геомагнитных явлений такие энергообъекты, как линии электропередачи и силовые автотрансформаторы высокого напряжения.
Ввиду разной геологии электрическая сеть в одном населённом пункте может не пострадать от магнитной бури, в то время как в соседнем, находящемся за сотню-две километров, будет полностью обесточена.
Редко, но метко
Впрочем, не следует драматизировать ситуацию. «Практика показывает, что для энергосистемы опасны только экстремально сильные бури, - объясняет Борис Клайн, заведующий лабораторией динамики геофизических полей геофизической обсерватории «Борок» Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН. - Когда на Солнце происходит мощнейшее энерговыделение, выбрасываемая им плазма примерно через двое суток достигает Земли. То есть о подобных событиях можно предупредить за двое суток. Пока человечество не доросло до того, чтобы заранее и точно их прогнозировать. Но даже если произойдёт мощнейшая вспышка, это не значит, что потоки плазмы попадут на Землю. Выброс может пройти мимо. Кроме того, сейчас Солнце относительно спокойное».
Возвращаясь к исследованию учёных из USGS, отметим, что на изрезанных морских побережьях, где песок насыщен проводящими солёными водами, возникают другие эффекты. Заливы, бухты и полуострова образуют части электрических контуров. И если такой контур окажется замкнут прибрежной линией электропередачи, по ней во время геомагнитной бури пойдут мощные токи короткого замыкания.
Сотрудники USGS собрали данные, накопленные в трёх геофизических обсерваториях на территории США и Канады. Результаты десятилетнего магнитотеллурического зондирования с интервалом 1 минута в 172 точках на северо-востоке США были объединены и включены в компьютерную модель, пригодную для прогнозирования величин и направлений геоэлектрических полей.
Расчёты по модели подтвердили исходный тезис о том, что риск нарушений в работе энергосистем сильно варьируется от региона к региону. На местности с непроводящими геологическими породами потенциальное разрушительное воздействие стихии увеличивается на два порядка.
По результатам статистической экстраполяции десятигодичных данных на интервал 100 лет наибольшее значение геоэлектрической напряженности (25,44 В/км) получено для одного местечка в штате Вирджиния (см. рисунок). Следующим, со значением 21,75 В/км, идёт штат Мэн, далее (19,39 В/км) - Коннектикут. Наименьшая напряжённость (0,05 В/км) по иронии судьбы получилась для другого местечка в шт. Вирджиния.
на северо-востоке США по результатам статистической
экстраполяции на интервал в 100 лет
Серьёзной опасности из-за геоэлектрических наводок, по данным учёных USGS, подвержены электросети в горах Аппалачи. Конкретно называют Голубой хребет и плато Пидмонт, составленные из магматических и метаморфических пород.
Направление линий электропередачи имеет большое значение. Так, для магистралей, идущих поперёк горных хребтов Аппалачи, вероятность повреждения в сравнении с продольными магистралями намного выше.
Подстелить соломку
«Сегодня мы ощущаем острую нехватку информации о геомагнитных рисках для региональных энергосистем, - рассказывает Эдвард Оуфтон, старший научный сотрудник Института климатических явлений при Оксфордском университете (Великобритания), - а также о частоте и интенсивности геомагнитных бурь. Неясен и наш технологический ответ на эту угрозу. Методики прогноза космической погоды в своём развитии на несколько десятилетий отстали от методов предсказания землетрясений и ураганов, поэтому планировать работы по минимизации возможного ущерба крайне сложно». Однако на взгляд «Энерговектора» эта задача вполне решаема, если подойти к ней системно. И факт обнаружения геологических закономерностей позволяет выявить в энергосистемах наиболее слабые звенья, которые наверняка пострадают при сильном геомагнитном шторме. Укрепляя уязвимые участки, можно сильно сэкономить на времени и капитальных затратах.
В Австралии и Китае учёные уже начинают составлять карты с разметкой территорий, более и менее уязвимых для солнечных бурь. «По большому счёту подобные проекты обходятся не очень дорого, - объяснил сотрудник USGS Джеффри Лав. - Особенно в сравнении с ущербом, который мы рано или поздно понесём, если не предпримем никаких мер».
Системный подход
В нашей стране поисковые работы в этом направлении начались в институтах РАН в 2000-х годах. Наиболее продвинулся в них Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН.
В 2009 г. при президенте РАН была создана профильная рабочая группа «Риск и безопасность», в состав которой вошли представители различных ведомств и отраслевых организаций, в том числе специалисты АО «Институт "Энергосетьпроект"». В материалах рабочей группы отмечено, что проектировщики электросетевых комплексов вообще ничего не предпринимают для повышения их гелиогеофизической безопасности. Впрочем, они и не должны ничего предпринимать, поскольку никаких нормативов на этот счёт не существует. Эксперты заключили, что сдвинуть дело с мёртвой точки должен распорядительный документ, который даст старт целому комплексу работ. А работы эти должны опираться на фундаментальные исследования и иметь системный характер.
Рабочая группа при президенте РАН составила график (как нынче говорят, «дорожную карту») на 2010-2014 гг., разделённый на три этапа. Первый этап включал пилотные проекты, разработку и утверждение концепции, первоочередные научно-исследовательские работы, подготовку и принятие распорядительных и законодательных документов. На втором этапе предполагалась разработка федеральной целевой программы, а на третьем - её исполнение. Всё это предполагалось осуществлять, опираясь на «Стратегию национальной безопасности Российской Федерации до 2020 г.», принятую 13 мая 2009-го.
* * *
Рекомендации рабочей группы РАН не были реализованы. Может быть, оно и к лучшему, поскольку, как мы уже отметили, находки учёных из USGS позволяют сегодня сильно сэкономить на гелиогеофизической защите. Тем временем сама проблема не рассасывается. Недаром в марте 2019 г. президент США Дональд Трамп подписал «Указ о координации работ по обеспечению устойчивости национальной инфраструктуры к электромагнитным импульсам». В документе объясняется, что электромагнитный импульс может возникать как в результате высотного взрыва атомной бомбы, так и при взаимодействии магнитного поля Земли с сильными выбросами солнечной плазмы.
