Вячеслав Анатольевич Пилипенко: электромагнитное «загрязнение» околоземного космического пространства излучением ЛЭП

К настоящему времени наша планета оказалась в электромагнитной среде, по крайней мере, в некоторых диапазонах частот, созданной скорее промышленной деятельностью, чем естественными процессами. Все больше появляется свидетельств антропогенного воздействия на природные процессы в околоземном пространстве. Это влияние было обнаружено не только в специальных активных экспериментах, но и как непреднамеренный побочный продукт развития техносферы. Электромагнитный отклик ионосферы на естественные и техногенные электромагнитные возмущения в атмосфере (например, молнии) и на земле (например, радиопередатчики) тщательно изучался в диапазоне очень низких частот (ОНЧ) от сотен Гц до нескольких кГц. В отличие от ОНЧ-антенн, заметной эффективности излучения в сверх-низкочастотном (СНЧ) диапазоне (порядка первых десятков — сотен Гц) можно ожидать только для очень большой излучающей системы. Такие искусственно созданные крупномасштабные излучатели действительно существуют — это сети линий электропередач (ЛЭП)с частотами 50/60 Гц, протянутые на многие сотни километров. Излучение ЛЭП на основной промышленной частоте 50/60 Гц (PLE — Power Line Emission) — одна из наиболее распространенных форм электромагнитного излучения, исходящего от Земли, и проявление антропогенной активности в ближнем космосе.

Трехфазная линия передачи энергии на большие расстояния должна быть сбалансированной (симметричной), когда напряжения и токи каждой из фаз имеют одинаковую амплитуду, а сдвиг амплитуды по фазе равен 120⁰. Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, то система становится асимметричной, или разбалансированной.Любой дисбаланс приводит к снижению эффективности работы ЛЭП и потерям мощности из-за излучения электромагнитной энергии.В большинстве случаев источником дисбаланса является асимметричность нагрузки (скоростные железные дороги, индукционные печи в металлургии, компьютеры, системы освещения) или повреждения системы. Существенные нарушения в работу энергетических систем вносят геоиндуцированные токи (ГИТ), вызываемые быстрыми вариациями геомагнитного поля, т.е. большими значениями dB/dt. Несбалансированные ЛЭП становятся источником изучений на 50/60 Гц и их гармоник, которые могут распространяться на большие расстояния и даже просачиваться сквозь ионосферу. Кроме того, из-за сильных нелинейных элементов (например, тиристоров) в системах потребителей или перегрузки трансформаторов в промышленных районах в ЛЭП генерируются и гармоники частоты 50/60 Гц. При определенных условиях ЛЭП на высоких гармониках промышленной частоты может работать как очень эффективная излучающая антенна на бегущей волне. Излучение этих гармоник в ОНЧ диапазоне на эквидистантных частотах, разделенных на 50/60 Гц, регистрируется в ионосфере и магнитосфере как гармоническое электромагнитное излучение PLHR (PowerLineHarmonicRadiation). Качественная иллюстрация PLE и PLHR дана на рис. 1.

Иллюстрация появления PLE в ионосфере.

Случай наблюдения PLE (2014/04/13) на микроспутнике «Чибис-М»над Японией: проекция орбиты и конфигурация магистральных энергосистем (верхняя левая панель); сонограмма регистрируемых излучений (верхняя правая панель); вариации амплитуды сигнала на 60 Гц и 50 Гц (нижняя правая панель); спектр зарегистрированных излучений (нижняя левая панель).

Географические карты статистической интенсивности излучений на 50 Гц (вверху) и 60 Гц (внизу), зарегистрированныхнизкоорбитальным спутником DEMETER.

Наиболее убедительный случай наблюдения PLE на отечественном микро-спутнике Чибис-М показан на рис.2. Чибис-М прошел над Японией, где пересек сначала сети, работающие на частоте 60 Гц, а затем — на частоте 50 Гц (верхняя левая панель). На спектрограмме (верхняя правая панель) видно появление узкополосного излучения соответственно на 60 Гц и на 50 Гц. На «Чибис-М» была собрана хорошая статистика случаев регистрации PLE. Моменты регистрации PLE в основном соответствует мировому расположению ЛЭП на соответствующих частотах. ВСНЧ диапазоне интенсивность излучений, создаваемых промышленной деятельностью,оказалась выше, чем интенсивность такого мощного природного источника как Шумановский резонанс.

При анализе 10-летней базы данных спутниковых наблюдений DEMETER было замечено, что количество излучаемой энергии в масштабах всей планеты постоянно растет по мере того, как увеличивается мировое производство электроэнергии. Резкийрост числа и интенсивности PLE/PLHR в космосе произошел в 2009 г., когда начали быстро развиваться проекты по переходу на линии высокого (HV) и сверхвысокого напряжения (UHV). Приведенные на рис. 3 географические карты числа событий с излучением на 50 Гц (верхняя панель) и 60 Гц (нижняя панель), зарегистрированных спутником DEMETER, показывают хорошее согласие с мировой картой мощности потребляемой электроэнергии. Эти наблюдения продемонстрировали, что над промышленно развитыми районами интенсивность PLE значительно выше среднего уровня. То обстоятельство, что PLE обнаруживается на большом расстоянии от трехфазной ЛЭП (и даже в космосе) является показателем ее несбалансированной работы.

Теоретические модели, позволяющие надежно оценить степень проникновения энергии PLE в верхнюю ионосферу, разрабатываются Институтом физики Земли РАН. В отличие от радиопередатчиков или молниевых разрядов, ЛЭП с протяженностью до нескольких сотен км не может быть смоделирована как бесконечно малый диполь, и её конечный масштаб надо учитывать. В серии работ была разработана численная модель электромагнитного отклика реалистичной ионосферы на горизонтальныйназемный токовый источник. Электромагнитное поле в верхней ионосфере от наземной ЛЭП зависит от плотности ионосферы и сопротивления подстилающего слоя земной поверхности. Сложная волновая картина распространения СНЧ волны в ионосфере не поддается аналитическому рассмотрению и требует численного моделирования. По результатам моделирования, PLE с наблюдаемой на спутниках интенсивностью ~1 мкВ/мможет возбуждаться несбалансированным током в ЛЭП с величиной J₀~8-10 A над земной корой с проводимостью 10^-3 См/м. Оцененная величина несбалансированного тока мала по сравнению с типичными токами, передаваемыми в ЛЭП, порядка сотен-тысяч А.

Таким образом, промышленную э/м активность можно отслеживать с низкоорбитальных микроспутников. Электромагнитное «загрязнение» околоземного космического пространства наземными линиями электропередач будет постоянно возрастать по мере индустриального развития общества. К каким последствиям это может привести — пока никто предсказать не может.