Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Благодаря проекту развивается сеть магнитных наблюдений и мониторинга геоиндуцированных токов на Кольском полуострове и Карелии. В течение года велась непрерывная регистрация и передача в ГЦ РАН данных новой магнитной обсерватории «Белое море» (WSE), контроль их качества, и предварительный анализ в реальном времени. Оказывалась финансовая поддержка системе регистрации ГИТ Полярного геофизического института КНЦ РАН в линиях электропередач Кольского полуострова и Карелии. Геоиндуцированные токи представляют собой серьезную проблему для стабильного электроснабжения. При детальном анализе тонкой структура геомагнитных возмущений обнаружено, что генерация интенсивных ГИТ в значительной степени связана не с глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды (магнитные бури), а с локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды, наложенными на глобальные возмущения. Таким образом, тонкая структура геомагнитных вариаций во время бурь и суббурь представляет интерес не только для фундаментальной космофизики, но и оказалась крайне важной с практической точки зрения. Интенсивные локализованные геомагнитные возмущения на временных масштабах ~5-10 мин являются фактическими источниками всплесков ГИТ, и их можно качественно представить себе как геомагнитные «молнии» во время магнитосферных «гроз». Физические механизмы быстрых локальных возмущений изучены явно недостаточно и требуют дальнейших исследований Помимо анализа отдельных событий с экстремальными значениями ГИТ (>100 ампер), были разработаны статистические модели, позволяющие оценить ожидаемую величину ГИТ при заданных параметрах геомагнитного возмущения. Суточный ход вариабельности поля |dВ/dt| и интенсивности ГИТ имеют широкий ночной максимум, связанный с суббуревой активностью, и утренний максимум, предположительно обусловленный интенсивными геомагнитными пульсациями типа Рс5-Pi3. Построена регрессионная линейная модель для оценки величины ГИТ по производной во времени геомагнитного поля и АЕ-индекса. Статистические распределения плотности вероятности производной геомагнитного поля и ГИТ соответствуют лог-нормальному закону, которым часто описываются свойства МГД турбулентности в хвосте магнитосферы. На основании построенных распределений оценены вероятности экстремальных значений |dB/dt| и ГИТ в рассматриваемой системе. Быстрые изменения магнитных полей, связанные с изолированными магнитными возмущениями в ночные часы с амплитудами порядка сотен нТл могут вызвать всплески ГИТ. Обнаруженные импульсы связаны с локализованными авроральными структурами, и вызываются выбросами потоков плазмы в хвосте магнитосферы. Статистические распределения амплитуд магнитных импульсов, которые были зарегистрированы в арктической зоне с 2014 по 2017 гг., хорошо описываются лог-нормальным законом, которым зачастую описывается турбулентность околоземной плазмы. Знание статистических характеристик позволило оценить вероятность возникновения экстремальных импульсных возмущений, используя экстраполяцию лог-нормального распределения. Дан ответ на вопрос о том, определяются ли величины ГИТ полностью только вариациями магнитного поля, т.е. величиной dB/dt? Для этого теллурическое поле было синтезировано по вариациям геомагнитного поля с использованием комплексного тензора импеданса. Сравнение спектрального состава геомагнитных, теллурических и ГИТ вариаций в ряде пунктов для различных событий космической погоды показало, что обычно используемая как мера ГИТ-возмущений производная геомагнитного поля по времени (dB/dt) контролирует спектральный состав ГИТ не полностью. Отчетливо проявляется подавление высокочастотной составляющей в спектре ГИТ по сравнению с изменениями dB/dt, так что частотно-зависимый геоэлектрический отклик земной коры на вариации геомагнитного поля действует как низкочастотный фильтр. Проведено компьютерное моделирование работы промышленных трансформаторов в условиях квази-постоянных ГИТ при переходных процессах, вызванные оперативными переключениями в электроэнергетической системе. Обоснована необходимость учета ГИТ при расчетах термической и электродинамической стойкости трансформаторов, и при выборе уставок релейных защит. Проведено моделирование электромагнитного поля в верхней ионосфере от наземных ЛЭП. Использована модель ионосферы IRI, дополненная атмосферной моделью MSIS. Мы смоделировали высотную структуру в атмосфере и ионосфере электромагнитного поля и потока вектора Пойнтинга, возбуждаемого осциллирующим линейным током 50/150 Гц на земле. Было показано, что степень возбуждения электромагнитных возмущений в верхней ионосфере увеличивается в ночное время и над высокоомной земной корой. Регистрация таких возмущений на спутниках получила количественную интерпретацию. Таким образом, промышленную активность человека можно отслеживать с ионосферных спутников. Для проблемы пространственно-временной неоднозначности при анализе наземных магнитограмм, связанной с постоянным изменением местоположения станции относительно Солнца, предложен метод «виртуальных магнитограмм» (ВМ). Этот метод был реализован для ключевых областей магнитосферы (ночная авроральная область и дневной касп) как инструмент мониторинга реакции магнитосферы на вариации межпланетной среды. ВМ строятся путем 2D-интерполяции магнитограмм со всей мировой сети магнитных станций (>300). База данных рассчитанных ВМ с 1994 г. по настоящее время, а также одновременных межпланетных параметров и геомагнитных индексов, выложены в свободный доступ на сайте http://vm.gcras.ru. Интенсивными локализованными структурами, которые могут быть ответственны за всплески интенсивности ГИТ, являются специфичные для дневной высокоширотной ионосферы движущиеся конвективные вихри TCV (travelling convection vortices). В картине эквивалентных ионосферных токов TCV проявляется как двойной вихрь с характерными размерами порядка первых сотен км, образующийся вокруг пары продольных токов между ионосферой и магнитосферой. Впервые предложена автоматизация выделения вихрей и оценка их масштабов и центров в данных 2D сети геомагнитных станций. Процедура автоматического обнаружения центров вихрей основана на поиске локальных экстремумов функции «завихренности поля». Применение предложенного метода к анализу нескольких TCV-событий показало его эффективность. Экспериментально проверено, насколько высока чувствительность магнитометров низкоорбитальных спутников SWARM путем проверки их способности надежно регистрировать слабые УНЧ сигналы на фоне аппаратурных и естественных помех. Рассмотрены волновые возмущения типа Pi2 (периоды 1-2 мин), зарегистрированные в ночные часы одновременно магнитометрами на низкоширотных станциях и на спутниках как во время начала суббури, так и в не-суббуревые периоды. Сравнение результатов наблюдений с моделью взаимодействия МГД волн с системой ионосфера - атмосфера - Земля показывает, что низкоширотные сигналы Pi2 создаются магнитосферными быстрыми магнитозвуковыми волнами распространяющимися к Земле из хвоста магнитосферы. Таким образом, магнитометры спутников SWARM способны надежно регистрировать даже слабые УНЧ возмущения с амплитудой не более нескольких тысячных % от величины фонового геомагнитного поля. По данным магнитометров SWARM также исследованы интенсивность и локализация продольных токов во время магнитных бурь. Обнаружены экстремальные значения плотности тока на различных масштабах - до нескольких десятков μА/м2 в районе авроральных дуг, что значительно превышает типичные значения.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Развернутая при поддержке проекта магнитная обсерватория «Белое море» (IAGA-код WSE) продолжает надежную работу – ведется регистрация трех компонент и модуля вектора магнитного поля с 1-сек дискретизацией и их передача в геомагнитный центр ГЦ РАН. Проведена модернизация цепей электропитания и связи, которая повысила качество регистрируемых данных и надежность электроснабжения магнитометра POS-4. Установлена новая телеметрическая система, которая обеспечивает мониторинг метеорологических параметров и скачков входного напряжения. Данные о возбуждении и развитии ГИТ в реальных проводящих системах представляют фундаментальный интерес с точки зрения тонкой структуры развития возмущений и имеют практическую значимость в плане защиты технологических систем от воздействия космической погоды. Широко распространены представления и расчетные модели, в которых основным источником ГИТ являются вариации интенсивности аврорального электроджета, индуцирующие ГИТ в долготном направлении. На основании этого считалось, что магнитные возмущения представляют опасность преимущественно для технологических систем, вытянутых в направлении В-З. Однако в быстрые изменения магнитного поля, существенные для возбуждения ГИТ, существенный вклад могут вносить мелкомасштабные ионосферные токовые структуры. Такие структуры создают почти изотропные возмущения горизонтальных магнитных полей на земной поверхности. Энергия таких импульсных или квазипериодических возмущений много ниже, чем энергия магнитосферных бурь или суббурь, однако быстро меняющиеся поля таких возмущений могут вызывать всплески ГИТ значительной величины. Амплитуды геомагнитных вариаций убывают с частотой, тогда как величины индуцированного электрического поля будут расти с частотой, поэтому отклик ГИТ на геомагнитное возмущение, который представляет собой свертку обоих факторов, должен иметь максимум на некоторых частотах. Исследования всплесков ГИТ показали, что этот характерный временной масштаб составляет примерно 2-10 минут. Токовые системы в ионосфере, ответственные за импульсные геомагнитные возмущения, предположительно представляют собой структуры вихревых холловских токов. Специальная техника анализа данных 2D сети магнитометров была разработана для выделения локализованных вихревых структур в ионосферных токах. Анализ ГИТ в ЛЭП на северо-западе РФ действительно показал, что фактически источником всплесков токов является не интенсификация ионосферного электроджета, а появление короткоживущих мелкомасштабных структур в ионосферных токах. Экстремальные всплески ГИТ (>100 A) однозначно связаны с импульсами, образующими Ps6 пульсации – последовательностью локализованных (радиус ~200-250 км) вихревых холловских токов, поддерживаемых струями продольных магнитосферных токов попеременно меняющегося направления с плотность до ~5 A/kм2, и распространяющимися по азимуту в восточном направлении (к Солнцу). Мелкомасштабные вихревые возмущения ионосферных токов можно качественно представлять себе по аналогии с метеорологическими явлениями как «космические торнадо». Именно такие “торнадо” вызывали наиболее интенсивные ГИТ в системе «Северный Транзит» за все 8 лет наблюдений. Актуальность задачи о геоиндуцированных токах (ГИТ) связана как с авариями во время экстремальных геомагнитных возмущений, так и с экономическими потерями при возмущениях, хотя и не приводящим к масштабным отключениям, но увеличивающим нагрузку на энергосистему. Проблема негативного воздействия ГИТ на работу энергетических систем особенно актуальна для России из-за большой протяженности высоковольтных ЛЭП, в том числе расположенных на высоких широтах. Сбои в работе электрооборудования могут быть вызваны преждевременным старением компонентов высоковольтных трансформаторов из-за кумулятивного воздействия даже умеренных по величине ГИТ. В рамках проекта проанализировано влияние геомагнитных пульсаций на интенсивность ГИТ в ЛЭП «Северный Транзит» на авроральных широтах. Рассмотренный частотный диапазон включает квазимонохроматические пульсации Рс5 (с частотами >2 мГц) и более широкополосные пульсации Pi3 (с частотами <2 мГц). Обнаружено, что не существует однозначной связи между амплитудами геомагнитного возмущения и ГИТ. Интенсивность ГИТ зависит не только от амплитуды и частоты геомагнитных пульсаций, но и от их поляризации и пространственного масштаба, при этом крупномасштабные возмущения вызывают более интенсивные ГИТ, чем мелкомасштабных. Длительное существование (несколько часов) ГИТ умеренной интенсивности, вызванных геомагнитными пульсациями, может быть более опасным для долговременной эксплуатации сетей, чем кратковременные всплески ГИТ во время начал суббурь и бурь. Одним из практических шагов по уменьшению ущерба технологическим системам от космической погоды, предпринимаемым международным геофизическим сообществом, является разработка численных моделей, способных осуществлять прогнозирование возможных электромагнитных возмущений в оперативном режиме. Перспективным методом прогноза представляется комбинация глобальных магнитосферных моделей и симуляций приповерхностных электромагнитных полей. На основе такого комбинированного моделирования может быть сделан прогноз ГИТ в конкретных технологических системах, так как эти токи могут быть вычислены исходя из получаемой картины теллурических полей. Основными входными параметрами моделей космической погоды являются данные о солнечном ветре, передаваемые в режиме реального времени со спутников на линии Земля-Солнце (на удалении ~200 радиусов Земли), что дает потенциальную возможность предсказывать ожидаемые геомагнитные вариации с упреждением порядка 30-60 мин. Получаемая с помощью глобального моделирования картина вариаций магнитного поля у поверхности Земли используется как входная информация для последующего численного расчета теллурических полей с помощью современных 3-D программных средств. Используя этот подход, проводилось моделирование теллурических полей во время геомагнитных бурь, используя реалистичную 3-D модель проводимости земной коры. Исследование, в частности, показало, что контрасты проводимости оказывают большое влияние не только на локальное теллурическое поле, но и на региональную разность потенциалов и, соответственно, на ГИТ. Наиболее активные проявления космической погоды, такие так перегрузка энергетических линий под действием ГИТ, сбои систем коротковолновой радиосвязи, и пр. наблюдаются в области аврорального овала. Для этой области характерно наличие резких градиентов и высокого уровня турбулентности ионосферной плазмы, что провоцирует сбои сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. На основании статистической модели авроральных высыпаний разработан веб-сервис http://aurora-forecast.ru для непрерывного мониторинга, визуализации и прогноза полярных сияний, построенный методами географических информационных систем (ГИС). Входными параметрами модели являются данные в реальном времени по солнечному ветру с межпланетных спутников, поступающие на FTP сайты NASA и NOAA. Сдвиг по времени (~1 часа) за счет распространения солнечного ветра от межпланетного спутника к границе магнитосферы дает принципиальную возможность давать краткосрочный прогноз ожидаемой интенсивности полярных сияний. Разработанная ГИС представляет собой программную оболочку, построенную на базе технологии «виртуальный глобус» – мультимасштабной цифровой 3D-модели Земли, обеспечивающей визуализацию данных о планетарном распределении вероятности наблюдения полярных сияний. Разработанная модель может быть использована операторами технологических систем для оперативного прогнозирования вероятности наблюдения полярных сияний и положения аврорального овала в любой точке планеты. Электромагнитный отклик ионосферы на природные и искусственные электромагнитные источники в атмосфере (молнии) и на земле (радиопередатчики) тщательно изучен в диапазоне ОНЧ (от сотен Гц до нескольких кГц). Сколь-нибудь заметная эффективность излучения в СНЧ диапазоне (около нескольких десятков - сотен Гц) может ожидаться только для излучающих систем с очень большими масштабами антенны. Такие искусственные крупномасштабные передатчики действительно существуют — это сети высоковольтных ЛЭП 50/60 Гц, простирающиеся на многие сотни километров. При анализе многолетних данных спутниковых наблюдений на околоземных орбитах было замечено, что количество глобальной излучаемой энергии постоянно увеличивается по мере того, как нарастает мировое производство электроэнергии. Резкое увеличение интенсивности PLE в космосе произошло в 2009 г., когда начали быстро развиваться проекты по переходу на ЛЭП высокого (HV) и сверхвысокого (UHV) напряжения. Пространственное распределение интенсивности излучений на 50/60 Гц, зарегистрированных на низких орбитах, хорошо согласуется с картой мощности потребляемой электроэнергии в мире. В рамках проекта построена численная модель электромагнитного отклика ионосферы на излучение ЛЭП. Структура параметров столкновительной плазмы ионосферы рассчитана по модели International Reference Ionosphere (IRI). Амплитуды электрического и магнитного полей на разных высотах были численно рассчитаны для различных ионосферных условий и сопротивлений земной коры. Электромагнитное поле в верхней ионосфере от наземной ЛЭП зависит от плотности ионосферы и сопротивления подстилающего слоя земной поверхности. При этом проникновение через ионосферу в ночное время более эффективно, чем в дневное время из-за большего затухания волн при распространении в дневной ионосфере. Моделирование показывает, что несбалансированные токи в ЛЭП с интенсивностью ~10 A возбуждают PLE с амплитудой, достаточной для обнаружения электрическими датчиками низкоорбитальных спутников. Электромагнитное загрязнение околоземного космического пространства наземными ЛЭП будет постоянно возрастать по мере индустриального развития общества. При рассмотрении воздействий космической погоды обычно предполагается, что геомагнитные поля пространственно однородны по всей площади энергосистемы. Однако, зачастую на фоне общего усиления геомагнитного поля во время суббурь, наблюдаются экстремально большие локализованные максимумы, сильно отличающиеся от регионально усредненных полей. В ходе работ по проекту, используя данные глобальной сети наземных магнитных станций с портала SuperMAG, построена веб-геоинформационная система (ГИС) для динамического анализа вариаций геомагнитного поля и определения пространственно-временной структуры экстремальных геомагнитных возмущений по адресу https://geomagnetic.ru. Система дает возможность визуализации и анализа в планетарном масштабе динамики как возмущений геомагнитного поля, так и вариабельности поля (dB/dt). Создана общедоступная база данных по продольным токам между ионосферой и магнитосферой по данным спутников SWARM. База содержит минутные данные вычисленных продольных токов по данным спутниковых магнитометров при пролетах в высокоширотных областях северного и южного полушарий за 2013-2020 гг. База данных дополнена информацией о геомагнитных координатах, местном магнитном времени, и значениям межпланетного магнитного поля.