Modelagem de correntes geomagneticamente induzidas: comparação de efeitos em diferentes latitudes

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Erica Monteiro Diogo
• Orientador(a): Antonio Lopes Padilha, Lívia Ribeiro Alves
• Banca de defesa: Severino Luiz Guimarães Dutra, Alexandre Alvares Pimenta, Gelvam André Hartmann, Cleiton da Silva Barbosa
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Geofísica Espacial/Ciências do Ambiente Solar-Terrestre
• País: BR
• Resumo em Inglês: Geomagnetically induced currents (GIC) are one of the effects of geomagnetic storms that can cause problems and damage to technological systems installed on the Earth's surface. Regions of auroral latitude are more susceptible to GIC due to the intense geomagnetic field variations during geomagnetic storms at these latitudes and consequently the studies on GIC effects are concentrated mainly in these latitudes. However, the occurrence of GIC at low latitudes, even of low intensity, may also cause long-term damage to high-voltage transformers in transmission lines. When studying the GIC occurrence in the equatorial region, it is expected that more significant effects will be observed due to the presence of the equatorial electrojet. This work aims to estimate and compare the GIC amplitude in different regions. For this will be used magnetometer arrays located at different geomagnetic latitudes, interpolation methods of the geomagnetic field to calculate the geoelectric field and, finally, estimate GIC amplitudes in a hypothetical energy transmission system. Spherical Cap Harmonic Analysis (SCHA) and Spherical Elementary Current System (SECS) interpolation methods, as well as information on the undeground distribution of electrical conductivity, are used for calculating the geoelectric field. Finally, the Lehtinen-Pirjola method was used to estimate the GIC at the grounding points of the transmission line. The data set is composed of geomagnetic field measurements acquired at different geomagnetic latitudes, information about the ground electrical conductivity in the regions of interest and engineering information about the power transmission lines. The geomagnetic data were acquired by magnetometer arrays operated by the Brazilian Space Weather Program (EMBRACE) in low geomagnetic latitudes, by the INPE's Geomagnetism group in temporary stations installed around the equatorial electrojet, and by the NRCan (Canada) in stations located in the auroral electrojet region. A previous validation of the produced computer codes has shown that the methods are able to reproduce satisfactorily the behavior of the calculated GICs. The results showed that in the Brazilian equatorial region the most intense GIC (7.70 A) was derived during the SSC of a moderate storm observed between January 31 and February 2, 1991 (Dst = -79 nT and Kp = 6-). The estimated GIC for another event taken place between November 26- 28, 1990 (Dst = -135 nT and Kp = 7-) was compared to estimates for the Canadian auroral region. It was verified that the GIC estimated in the equatorial region presented lower intensity (3.83 A) than that of the auroral region (11.88 A), due to the larger intensity of the auroral geomagnetic variations and the lower crustal conductance in the Canadian region. Estimates of equivalent ionospheric electric current systems using the SECS and SCHA methods were obtained only for the Brazilian equatorial region during the event of November 1990. It was observed that the results of the SECS method were able to show a local trend for the equivalent ionospheric electric current density behavior, but the same was not obtained for the SCHA method. Thus, it can be stated that the SECS method can be more efficiently applied for geomagnetic field interpolation in high and equatorial latitudes, and it has been verified that equivalent currents systems are reasonably derived for the equatorial region. Finally, it was found that the SECS interpolation method produces an error of the same magnitude order (~ 30%) when using dense (as in the equatorial region) or sparse (as in the auroral region) magnetometer arrays, which demonstrates the versatility of the method for application in different studies.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2018/11.05.10.34

Correntes geomagneticamente induzidas (GIC) são um dos efeitos das tempestades geomagnéticas e que podem causar problemas e danos a sistemas tecnológicos instalados na superfície da Terra. As regiões de latitude auroral são mais suscetíveis às GIC devido às intensas variações do campo geomagnético durante tempestades geomagnéticas nessa região e, consequentemente, os estudos sobre seus efeitos concentram-se principalmente nessas latitudes. No entanto, a ocorrência de GIC em baixas latitudes, mesmo de baixa intensidade, pode também causar danos a longo prazo a transformadores de linhas de alta tensão. Ao estudar a ocorrência de GIC na região equatorial, espera-se que efeitos mais significativos sejam observados devido à presença do eletrojato equatorial. Este trabalho tem como objetivo estimar e comparar a amplitude das GIC em diferentes regiões. Para isso, propõe-se o uso de arranjos de magnetômetros localizados em diferentes latitudes geomagnéticas, métodos de interpolação do campo geomagnético para calcular o campo geoelétrico e, finalmente, obter as amplitudes da GIC em sistemas hipotéticos de transmissão de energia. Foram aqui utilizados os métodos de interpolação Spherical Cap Harmonic Analysis (SCHA) e Spherical Elementary Current System (SECS), bem como o método de cálculo do campo geoelétrico, usando informação sobre a distribuição da condutividade elétrica em subsuperfície. Por fim, o método Lehtinen-Pirjola foi utilizado para estimar a GIC nos pontos de aterramento da linha de transmissão. O conjunto de dados disponíveis é composto por medições de campo geomagnético adquiridas em diferentes latitudes geomagnéticas, informações sobre a condutividade elétrica do subsolo nas regiões de interesse e informações de engenharia das linhas de transmissão de energia. As medidas utilizadas foram adquiridas por estações magnéticas operadas pelo programa brasileiro de Clima Espacial (EMBRACE), em baixas latitudes geomagnéticas, pelo grupo de Geomagnetismo do INPE, em estações provisórias instaladas em torno do eletrojato equatorial, e pelo NRCan (Canadá), em estações localizadas na região do eletrojato auroral. Uma validação prévia dos códigos computacionais produzidos mostrou que os métodos adotados foram capazes de reproduzir satisfatoriamente o comportamento das GIC calculadas. Os resultados mostraram que, na região equatorial brasileira, a GIC mais intensa (7,70 A) foi obtida durante o SSC de um evento moderado observado entre 31 de janeiro e 2 de fevereiro de 1991 (Dst = -79 nT e Kp = 6-). A GIC estimada para outro evento ocorrido entre 26- 28 de novembro de 1990 (Dst = -135 nT e Kp = 7-) foi comparada para as regiões equatoriais brasileiras e aurorais canadenses. Verificou-se que a GIC estimada na região equatorial apresentou menor intensidade (3,83 A) do que na região auroral (11,88 A), devido à maior intensidade das variações geomagnéticas e menor condutância crustal da região onde foram estimadas as GIC na região canadense. Estimativas dos sistemas equivalentes de corrente elétrica ionosférica com os métodos SECS e SCHA foram obtidas apenas para a região equatorial brasileira durante o evento de novembro de 1990. Observou-se que os resultados do método SECS foram capazes de mostrar uma tendência para o comportamento da densidade equivalente de corrente elétrica ionosférica, mas o mesmo não foi obtido para o método SCHA. Assim, pode-se afirmar que o método SECS pode ser aplicado de forma mais eficiente para interpolação do campo geomagnético tanto em altas latitudes como em latitudes equatoriais, tendo sido verificado que os sistemas equivalentes de correntes são obtidos de forma razoável para a região equatorial. Por fim, verificou-se que o método SECS de interpolação produz um erro da mesma ordem de magnitude (~ 30%) quando se utiliza uma rede densa (como na região equatorial) ou esparsa (como na região auroral) de magnetômetros, o que demonstra a versatilidade do método para aplicação em diferentes estudos.