Les hasards géomagnétiques

Les phénomènes météorologiques de l'espace ont des incidences diverses sur la technologie. Les particules énergétiques éjectées du soleil interagissent avec le champ magnétique terrestre occasionnant des perturbations magnétiques et l'accroissement de l'ionisation dans l'ionosphère, de 100 à 1000 km au-dessus de la Terre. Les particules à haute énergie ont des répercussions sur les satellites en causant des anomalies dans leur fonctionnement ou en détériorant l'équipement, ce qui peut mettre les satellites hors service. Les ondes radioélectriques utilisées pour les télécommunications par satellite ou la navigation GPS sont affectées par l'augmentation de l'ionisation qui entraîne la défaillance des communications ou des systèmes de navigation. Les perturbations magnétiques affectent directement les activités qui utilisent le champ magnétique, comme les levés magnétiques, les forages dirigés ou l'utilisation des boussoles. Les perturbations magnétiques induisent également des courants électriques dans les conducteurs longs tels que les lignes électriques et les pipelines provoquant des pannes dans les réseaux électriques et la corrosion des pipelines.

Effets sur la technologie/Les hasards géomagnétiques.  Description suit. HF Radio wave disturbance Effects on Satellites Effects on GPS Geomagnetic Effects on Communication Cable Geomagnetic Effects on Pipelines Effects on Power Systems

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Introduction

Les perturbations géomagnétiques peuvent avoir de sérieuses répercussions sur les réseaux électriques. Les courants électriques induits dans les lignes de transport sont mis à la masse par l'intermédiaire des sous-stations de transformation. Là, ils saturent le noyau du transformateur, suscitant ainsi divers problèmes. En effet, il est déjà arrivé qu'un échauffement fasse brûler des transformateurs. En outre, des harmoniques supplémentaires engendrées dans le transformateur provoquent des activations indésirables de relais, mettant subitement hors circuit des lignes électriques. La stabilité de l'ensemble du système peut également être compromise par suite de la mise hors service de compensateurs. C'est une succession de ce type d'événements qui est à l'origine de la panne du 13 mars 1989 au Québec, qui a laissé l'ensemble de la province sans électricité pendant plus de 9 heures.

Comment les courants induits géomagnétiquement influencent les réseaux électriques

Illustration des champs électriques géomagnétiqeuement induits.  La description suit.

Les courants induits géomagnétiquement sont induits par les champs électriques que créent les variations du champ magnétique au cours d'une perturbation géomagnétique. En raison de leur faible fréquence comparé au courant alternatif, les courants induits géomagnétiquement sont considérés par les transformateurs comme un courant direct variant lentement. Le courant induit géomagnétiquement circulant dans l'enroulement du transformateur engendre une magnétisation supplémentaire qui, pendant les demi-cycles au cours desquels la magnétisation du courant alternatif est dans la même direction, peut saturer le noyau du transformateur. Cela se traduit par une forme d'onde du courant alternatif très dentelée et caractérisée par des niveaux harmoniques accrus pouvant perturber le fonctionnement des relais et autres équipements du système et poser des problèmes allant de la mise hors circuit de lignes individuelles à l'effondrement de l'ensemble du système.

Echauffement des transformateurs

Exemple de transformateur endommager. Image illustrant un exemple de dommage sur transformatteur. Image illustrant un exemple de dommage sur transformatteur.

La saturation du noyau d'un transformateur engendre des courants de Foucault dans le noyau et les supports structuraux, courants qui échauffent le transformateur. En raison de la masse thermique élevée des transformateurs à haute tension, cet échauffement provoque une augmentation négligeable de la température globale du transformateur. Toutefois, il peut y avoir apparition locale de points chauds, qui peuvent endommager les enroulements du transformateur.

Coût des orages magnétiques

Les coûts d'une panne de transformateur subis par les exploitants de réseaux électriques vont au-delà du remplacement du matériel endommagé et comprennent également une perte de revenus provenant de la vente de l'électricité. La panne électrique généralisée qui s'est produite au Québec le 13 mars 1989 a coûté environ 13,2 millions de dollars, les équipements endommagés représentant environ 6,5 millions de dollars du coût estimatif. Pour remplacer le transformateur de la centrale nucléaire de Salem (New Jersey) qui a été complètement grillé durant la perturbation magnétique du 13 mars 1989, il aura fallu débourser plusieurs millions de dollars. Ces pièces très coûteuses sont généralement construites sur mesure et le délai de livraison est normalement de l'ordre d'une année. Fait inhabituel, à Salem, un transformateur de remplacement était disponible et il n'a fallu que six semaines pour effectuer sa livraison et son installation. La mise hors service du transformateur a néanmoins entraîné une baisse de l'électricité livrée par la centrale de Salem et l'achat d'électricité de remplacement des services publics de la région a coûté environ 17 millions de dollars, soit un coût de loin plus élevé que le prix du transformateur.

Accroissement de la vulnérabilité

La vulnérabilité d'un réseau électrique aux perturbations géomagnétiques est accrue lorsque le réseau est lourdement chargé. La demande croissante d'électricité et la déréglementation de l'industrie incite les exploitants à faire fonctionner les réseaux électriques plus près de leurs limites, ce qui rend ces réseaux plus vulnérables aux perturbations extérieures. Une des caractéristiques propres aux courants induits géomagnétiquement (CIG), c'est qu'ils se produisent simultanément sur de nombreux réseaux électriques. Il en est autrement des autres types de problèmes affectant les réseaux électriques comme les coups de foudre ou les défaillances de l'équipement, qui sont plus circonscrits. L'interconnexion des réseaux électriques modernes ont pour objectif de les protéger contre des défaillances localisées, mais elle les rend plus vulnérables aux courants induits géomagnétiquement.

Introduction

Les satellites fonctionnent dans un environnement peuplé de particules chargées. Ces particules peuvent nuire aux satellites de diverses manières, soit directement en pénétrant dans leur matériel électroniques soit indirectement par la charge électrostatique des engins spatiaux dont la décharge peut causer des problèmes. Ces phénomènes peuvent simuler des ordres fantômes, détériorer le matériel électronique, voire entraîner une perte de contrôle et une défaillance du satellite.

Image d'un satellite géostationnaire au-dessus de la Terre avec une éruption de proton solaire à venir vers le satellite.

Les effets des particules cosmiques solaires

Lorsque les ions projetés à grande vitesse se fraient un passage dans les dispositifs à semi-conducteurs, ils produisent un grand nombre d'électrons et de trous qui transportent le courant à l'intérieur de ces dispositifs. L'introduction de nombreuses paires électron-trou dans des endroits sensibles comme les cellules de mémoire peut altérer les données et provoquer des ordres fantômes. Ces effets peuvent être dévastateurs si les impacts d'ions ont lieu dans les systèmes de commandes ou dans les circuits de prise de décisions. En outre, ces impacts ont des répercussions sur la durée de vie des semi-conducteurs.

Image de l'intérieur d'un circuit intégré montrant le type N et type P de matériau semi-conducteur. On voit aussi la trajectoire des ions simples à mouvement rapide qui a créé une charge supplémentaire à l'intérieur des couches d'un semi-conducteurs qui perturbent que le fonctionnement du circuit.

Charge électrostatique des surfaces

Dans une orbite synchrone, la charge électrostatique de la surface des engins spatiaux peut se produire en raison de l'incidence de l'arrivée de vastes flux d'électrons en l'absence d'un drainage suffisant de la charge par des mécanismes comme les émissions photoélectriques. Les électrons « excités » dont les énergies sont de l'ordre de plusieurs keV à plusieurs dizaines de keV sont les principaux responsables de la charge électrostatique des surfaces. Les flux intenses de ces électrons sont étroitement liés aux activités des sous-orages et, par conséquent, la charge électrostatique des surfaces se produit plus souvent au milieu de la nuit qu'à l'aube. La charge électrostatique différentielle des surfaces des engins spatiaux peut provoquer des décharges destructrices en régime d'arc, ce qui occasionne des anomalies dans le fonctionnement des satellites.

Charge électrostatique interne

La présence d'électrons (relativistes) hautement énergétiques émettant des énergies supérieures à 2 Mev est indicatrice de mauvaises conditions météorologiques de l'espace présentant un danger pour les satellites géosynchrones. Lorsque ces mauvaises conditions surviennent, il existe de grandes chances pour que les électrons énergétiques produisent une charge électrostatique interne dans les composants du satellite ainsi que des décharges électriques pouvant entraîner le mauvais fonctionnement, voire une défaillance du satellite. Un tel événement a vraisemblablement été à l'origine d'un certain nombre d'anomalies dans le fonctionnement de satellites en janvier 1994.

Un graphique montrant le flux d'électrons énergétiques à l'orbite géostationnaire du 10 Janvier et 24 Janvier 1994. Les pics dans le flux d'électrons le 16 Janvier, 18 Janvier, et 20 Janvier coïncide avec les anomilies sur les satellites 505, 504, K, E1, et E2.

Décharge électrostatique

La décharge électrostatique résulte de la charge électrostatique des engins spatiaux, que la charge soit de surface ou interne. Une fois que le champ électrique produit en raison de la charge électrostatique dépasse un seuil précis, une décharge en arc se produit, ce qui crée un champ électromagnétique transitoire qui pénètre dans le matériel électronique des engins spatiaux et occasionne des anomalies dans le fonctionnement d'engins spatiaux. Le tableau suivant montre l'heure à laquelle les décharges ont eu lieu.

Un tracé polaire montrant l'apparition de dé charges d'é lectricité  statique sur les satellites en fonction de l'heure locale. La survenue de la dé charge est plus grand dans les secteurs de l'après-midi et soir.
Effets géomagnétiques sur les GPS.  Description suit.

Les systèmes de navigation modernes qui utilisent les signaux des ondes radioélectriques émis à partir de l'ionosphère ou se propageant dans celle-ci pour déterminer la portée ou la distance, sont soumis à divers phénomènes pouvant nuire à leurs performances. Ainsi, les systèmes, tels que le Système de positionnement global (GPS), qui utilisent des constellations de satellites sur orbite terrestre, sont affectés par les phénomènes météorologiques de l'espace. En principe, le GPS utilise les positions connues des satellites et leurs distances d'un récepteur pour localiser ce dernier.

Lorsque des particules chargées émises par le Soleil atteignent la Terre, elles peuvent perturber le champ magnétique terrestre. En outre, dans l'ionosphère, la densité d'électrons (nombre d'électrons dans une région donnée) peut varier considérablement, dans le temps et dans l'espace.

Le récepteur GPS utilise les signaux radioélectriques provenant de plusieurs satellites en orbite afin de déterminer la portée ou la distance de chaque satellite et, à l'aide de ces données, définir la position actuelle du récepteur. Les signaux radioélectriques traversent l'ionosphère et, ce faisant, sont soumis à des variations dans la structure de la densité d'électrons de l'ionosphère. Les changements dans la densité d'électrons attribuables aux conditions météorologiques de l'espace peuvent modifier la vitesse de propagation des ondes radioélectriques, ce qui provoque un « délai de propagation » du signal GPS. Ce délai peut varier d'une minute à l'autre, et ces intervalles de changement rapide peuvent durer plusieurs heures, en particulier dans les régions polaires et aurorales. Cette fluctuation dans la durée de la propagation est la cause d'erreurs dans la détermination de la portée appelées « erreurs de portée ».

Les performances des récepteurs GPS monofréquence utilisant les techniques de Poursuite de phase codée peuvent être considérablement affectées par les délais de propagation dans l'ionosphère. L'utilisation de récepteurs GPS à double fréquence peut, dans certaines conditions, compenser la plupart des délais de propagation dans l'ionosphère en mesurant les divers retards enregistrés aux deux fréquences. Les corrections de délai ionosphérique d'une région peuvent être effectuées à partir d'un réseau de récepteurs à double fréquence positionnés avec précision, puis être transmises en temps quasi réel aux utilisateurs de récepteurs monofréquence des régions concernées. Un tel système est exploité par le Système canadien de contrôle actif de Ressources naturelles Canada.

Une autre technique GPS consiste à utiliser la Poursuite de la phase de la porteuse. Cette technique permet de comparer les phases de cycles individuels des ondes porteuses. Cependant, si la densité d'électrons le long du parcours du signal se propageant d'un satellite à un récepteur change très rapidement en raison de perturbations météorologiques de l'espace, le changement rapide qui se produira alors dans la phase des ondes radioélectriques pourrait affecter le récepteur GPS, perturbations qui se présenteraient sous la forme de « perte du verrouillage ». La perte temporaire du verrouillage peut entraîner un « glissement de cycle », c'est-à-dire une discontinuité dans la phase du signal. Des variations très rapides (de moins de 15 secondes environ) dans l'intensité et la phase du signal sont appelées « scintillations ionosphériques». Ces scintillations peuvent perturber les performances des récepteurs lorsqu'ils mesurent la phase de la porteuse; elles peuvent conduire à la collecte de fausses données, voire à l'absence de collecte de données. Les récepteurs à phase codée sont moins sensibles à ces scintillations.

D'autre part, le système GPS permet d'effectuer sans discontinuité des mesures courantes du contenu total des électrons (agrégat d'électrons le long de chaque trajet de propagation des ondes radioélectriques, du satellite au récepteur) le long d'une multitude de parcours de signal variables jusqu'à chaque station réceptrice située dans un réseau régional ou global. La prise de ces mesures permet de cartographier les variations dans la densité d'électrons de l'ionosphère d'une région. Ces données peuvent servir à l'étude des phénomènes météorologiques de l'espace.

Pour plus d'informations sur le GPS, s'il vous plaît visitez la page de Publication des du Système canadien de référence spatiale.

Introduction

Les pipelines sont largement utilisés pour acheminer le gaz, le pétrole et l'eau de leurs sources émettrices aux usines de traitement et chez les consommateurs. Les détériorations subies par un pipeline sont très coûteuses, non seulement le coût de remplacement en lui-même mais également les dommages potentiels causés à l'environnement et la menace à la vie des êtres humains.

Image de la pipelines d'Alaska qui est au-dessus du sol.

Afin de transporter de grandes quantités de liquide ou de gaz sous la terre ou sous la mer (à partir des champs pétroliers situés en pleine mer) ou même à la surface de la terre, les pipelines sont fabriqués en acier pour les protéger de la pression. Par conséquent, la détérioration des pipelines n'est pas seulement occasionnée par la fissuration, mais aussi par la corrosion de l'acier. Pour protéger les pipelines contre la corrosion, on recouvre l'acier d'un revêtement isolant et on les relie à des appareils spéciaux appelés redresseurs pour protection cathodique.

Protection contre la corrosion

De minuscules trous dans le revêtement des pipelines, non détectés lors de leur inspection puisque ceux-ci sont habituellement enfouis sous terre ou posés sur le plancher marin, mettent l'acier des pipelines en contact avec le sol, l'eau ou l'air humide et le soumettent à la corrosion.

Circuit de protection cathodique d'un pipeline montrant une alimentation DC qui alimente un courant électrique par des électrodes lit au sol. Le courant traverse le terrain jusqu'au pipeline.

Cette réaction électrochimique peut être inhibée en maintenant l'acier des pipelines au pôle négatif (cathode) par rapport au sol environnant (anode). Pour ce faire, il suffit de brancher le pôle négatif d'une alimentation électrique en courant continu sur le pipeline et le pôle positif aux dispositifs à anode installés dans le sol de sorte que les courants électriques circulent de l'anode au pipeline. Dans ce dispositif, le pipeline est la cathode du circuit, ce qui a donné son nom à la méthode, à savoir la « protection cathodique ». Le système de protection protège le potentiel du pipeline du sol en le maintenant dans une zone sécurisée de -0,85V à -1,35V.

Comment les variations géomagnétiques affectent-elles les pipelines

Un exemple d'un enregistrement du champ magnétique montrant un transition de temps calmes à un orage magnétique et de retour à un temps calme. On montre également le potentiel conduite-sol enregistrée sur un pipeline. Cela montre que, pendant les temps calmes, le potentiel conduite-sol est dans la région entre -0.7V à -1.3V. Pendant l'orage magnétique il ya des variations dans le potentiel conduite-sol et brievement monte dans une région dangereuse (plus que -0.7V ou moins que -1.3V), oû la corrosion des pipelines peuvent se produire.

Les champs magnétiques à variations temporelles induisent des courants électriques à variations temporelles dans les conducteurs. Les variations du champ magnétique terrestre induisent des courants électriques dans les longues conduites de transport et le sol environnant. Ces courants à variations temporelles, appelés « courants telluriques » dans le secteur des pipelines, créent des écarts de tension dans le redresseur pour protection cathodique du pipeline et rendent difficile le maintien du potentiel conduite-sol dans la zone sécurisée. Durant les orages magnétiques, ces variations peuvent être suffisamment importantes pour maintenir le pipeline dans la zone non protégée pendant un certain temps, ce qui peut réduire la durée de vie du pipeline. L'orage géomagnétique qui s'est produite les 6 et 7 avril 2000 est présentée à titre d'exemple sur la figure. Le panneau supérieur montre les variations du champ magnétique à l'Observatoire magnétique d'Ottawa alors que le panneau inférieur présente la différence du potentiel conduite-sol enregistrée au même moment sur un pipeline au Canada. Au cours de l'orage magnétique, la différence de potentiel conduite-sol est sortie de la zone sécurisée, ce qui peut accroître la possibilité de corrosion.

Effets des caractéristiques d'un pipeline

L'image montre le potentiel conduite-sol enregistrée sur un pipeline à proximité d'une bride isolante. Lorsque la bride a été contournée, de sorte que le pipeline a agi comme s'il n'y avait pas de bride, les variations des potentiels conduite-sol sont petites et séjour dans la région sécuritaire. Lorsque la bride est dans les pipelines, les variations du potentiel conduite-sol sont plus longs et se dirige dans la région dangereuse.

Le système de pipelines est d'une grande complexité. Il comprend le réseau collecteur qui collectent la production des champs de pétrole ou de gaz, des conduites de transport (il s'agit souvent de deux pipelines parallèles) et un réseau de distribution situé près des villes. Pour suivre un certain tracé, les pipelines doivent être courbés. Les ingénieurs utilisent des brides isolantes pour effectuer la séparation électrique d'une partie du pipeline du reste du réseau de pipelines ou de l'usine de traitement. Ils interrompent les courants électriques mais non l'écoulement du pétrole ou du gaz. Toutes ces caractéristiques font que le réseau de pipelines réagit aux variations géomagnétiques d'une manière plus complexe. La figure présente un exemple d'enregistrements effectués à dix différents postes d'essais d'un même pipeline. La partie supérieure de la figure montre les potentiels conduite-sol sur le tronçon du pipeline fonctionnant toute la journée sans interruptions alors que la partie inférieure présente l'accroissement du potentiel conduite-sol au cours de la deuxième partie de la journée au moment où une bride située à côté de ce poste d'essai était en fonctionnement.

Le Laboratoire géomagnétique d'Ottawa a effectué des recherches sur la réponse des pipelines aux variations géomagnétiques ainsi qu'une modélisation mathématique de cette réponse afin d'aider les ingénieurs chargés de la surveillance du potentiel conduite-sol et de prévoir certaines valeurs durant un orage géomagnétique. Pour en savoir plus sur ces recherches, vous pouvez consulter les divers articles et travaux de congrès effectués par les membres de l'équipe de recherche de:

Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique qui couvre un spectre continu de longueurs d'ondes allant des ondes radioélectriques, aux micro-ondes, aux infrarouges, aux ondes visibles, aux ultraviolets, aux rayons X et au-delà. Le rayonnement ultraviolet interagit avec la haute atmosphère pour former une couche ionisée connue sous le nom d'ionosphère. Les ondes radioélectriques interagissent avec l'ionosphère de diverses manières dépendant de leurs fréquences. Si les fréquences sont inférieures à environ 30 MHz, l'ionosphère agit comme un réflecteur; cette propriété permet l'établissement de communications radioélectriques sur une très longue distance dans le monde entier. Si les fréquences sont plus élevées et sont supérieures à 30 MHz, les signaux radioélectriques traversent habituellement l'ionosphère.

L'ionosphère est parfois perturbée par certains types d'activités solaires, ce qui peut dégrader ou interrompre la propagation des ondes radioélectriques. Les éruptions solaires émettent un rayonnement électromagnétique comme des émissions de rayons X qui peuvent accroître l'ionisation de la basse ionosphère et, par voie de conséquence, entraîner des écarts de phase dans les signaux radioélectriques base fréquence et une absorption accrue (évanouissement) des signaux radioélectriques haute fréquence et très haute fréquence. Le large spectre des bruits radioélectriques émis par une éruption solaire peut brouiller un signal radioélectrique utile. Ces effets peuvent être ressentis à toutes les latitudes. À des fréquences supérieures à 30 MHz, des réflexions inattendues d'ondes radioélectriques par l'ionosphère peuvent causer des brouillages radioélectriques. Les irrégularités ionosphériques peuvent produire des signaux fluctuants (phénomène connu sous le nom de scintillation ionosphérique) et peuvent déformer le trajet des ondes radioélectriques. Durant les orages géomagnétiques et les perturbations ionosphériques associées, la scintillation ionosphérique peut affecter certaines applications des aides à la navigation telles que le Système de positionnement global (GPS). Voir Effets des conditions météorologiques de l'espace sur le GPS.

Les éruptions solaires peuvent être accompagnées de flux de particules de très haute énergie se propageant à une vitesse avoisinant celle de la lumière. Ces particules (principalement des protons et des électrons) pénètrent dans la haute atmosphère dans des régions situées près des pôles magnétiques. De ce fait, les niveaux inférieurs de l'ionosphère polaire deviennent très ionisés, ce qui provoque une absorption intense des signaux radioélectriques haute et très haute fréquence. Ce phénomène est connu sous le nom d'absorption à la calotte polaire (ACP) et peut durer plusieurs jours, voire plusieurs semaines dépendant de la puissance du flux des particules solaires et de l'emplacement de la région émettrice sur le Soleil. Il est souvent impossible d'établir des radiocommunications à haute fréquence pendant la durée des évènements d'ACP.

Le Soleil peut émettre de gros nuages de plasma (gaz ionisés), connus sous le terme d'éjections de matière coronale (EMC), qui peuvent atteindre la Terre et perturber le champ géomagnétique et l'ionosphère. Les trous coronaux, ces régions de la couronne solaire, sièges d'émissions de rayons X amoindries, émettent également des flux de particules chargées qui peuvent perturber l'ionosphère. Ces perturbations ionosphériques sont particulièrement importantes dans les latitudes aurorales comme celles observées dans la quasi-totalité du Canada. Durant les orages et les sous-orages magnétiques qui se déclenchent à ces latitudes, les radiocommunications à haute fréquence deviennent peu fiables.

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