Tempêtes géomagnétiques - Réduction de la menace relative aux infrastructures essentielles au Canada

Analyse de menace : TA02-001
25 avril 2002

Ce rapport a été élaboré pour aider les propriétaires et les exploitants d'infrastructures canadiennes à planifier la gestion de leurs mesures d'urgence en discutant de la façon dont les tempêtes géomagnétiques peuvent perturber les IE, et en traitant des moyens que l'industrie pourrait prendre pour atténuer les répercussions découlant de ces tempêtes dangereuses. Ce rapport illustre également certaines des pratiques proactives que l'industrie canadienne a mis en place pour éviter les effets négatifs à long terme des tempêtes géomagnétiques. Le contenu de ce document est fondé principalement sur des sources accessibles et s'inspire de divers renseignements publiques et particuliers reçus au 29 avril 2002.

Sommaire

• Les tempêtes géomagnétiques ont la possibilité d'affaiblir sérieusement les infrastructures essentielles.
• L'activité d'une tempête géomagnétique peut entraîner des pannes d'électricité très étendues, la corrosion des pipelines, l'arrêt des systèmes de câbles, le ralentissement accru des satellites, l'inexactitude des détecteurs de navigation et la perte de recettes s'élevant à des millions de dollars.
• Au Canada, il a été démontré que les réseaux électriques, les pipelines et les communications sont vulnérables aux effets dommageables des éjections de masse coronale (CME) et des courants induits géomagnétiquement (GIC).
• Les propriétaires et les opérateurs d'infrastructures canadiennes ont mis en place des modes de fonctionnement efficaces pour faire face à la menace des tempêtes géomagnétiques. Des systèmes d'alerte de pointe transmet l'information nécessaire aux propriétaires et aux opérateurs d'infrastructures essentielles pour leur permettre de prévenir les effets négatifs des GCI au moyen de la mise à exécution de modes de fonctionnement conservateurs proactifs.

Antécédent

C'est en 1847, qu'on a remarqué pour la première fois le phénomène des courants géomagnétiques. Au cours de cette année, le télégraphe était le principal moyen de communication et était alimenté par des batteries. Toutefois, lors d'une aurore boréale, les opérateurs de télégraphes ont remarqué une perturbation de la transmission des communications. Une fois les batteries débranchées, les courants induits géomagnétiquement (CIG) ^[1] ou « Pouvoir céleste » ont fait en sorte que la transmission des dépêches télégraphiques étaient d'une qualité supérieure à celle effectuée au moyen de batteries.

Les CIG proviennent de l'éruption de taches solaires. Les taches solaires sont des plages massives foncées sur la surface du soleil qui reposent au-dessus des ouragans de gaz électrifié. Lorsque les taches solaires font éruption, elles libèrent une éjection de masse coronale (CME) ^[2] à environ deux millions de milles à l'heure. Les tempêtes géomagnétiques surviennent lorsque les CME heurtent la magnétosphère de la terre, perturbant ainsi le vent solaire et diminuant le champ magnétique global. Ces tempêtes violentes, tout en déclenchant habituellement les aurores, peuvent également endommager les systèmes énergétiques et de communication.

Introduction

Depuis 1940, nous avons connu des événements formidables de tempêtes géomagnétiques. Une forte tempête survenue le dimanche de Pâques 1940, a affecté à la fois les réseaux télégraphiques et électriques en Amérique du Nord. La tempête a perturbé presque tous les circuits radiotéléphoniques transocéaniques, les services radiophoniques à destination des navires en mer, ainsi que la transmission des appels téléphoniques terrestres interurbains. Les effets négatifs terrestres ont duré environ six heures.

Une autre tempête géomagnétique digne de mention, et considérée comme la pire des tempêtes géomagnétiques du 20e siècle est survenue en mars 1989. Elle a eu de sérieuses répercussions sur le secteur énergétique du Canada. À 02 h 45 (HNE), le 13 mars, les courants induits géomagnétiquement (GIC) ont saturé les transformateurs des réseaux électriques d'Hydro-Québec et les ont surchargés de courant. Les variations de tension ont provoqué la mise hors service des compensateurs aux sous-stations de Chibougamau, La Vérendrye, Némiscau et Albanel, donnant ainsi lieu à une forte baisse de tension, à la mise hors service des lignes de transmission de la baie James et à l'écroulement du système. C'est suite à cet événement qu'on s'est rendu compte que

les lignes de transmission étaient très vulnérables, étant donné leur extrême longueur et le nombre de compensateurs statiques qui les longe. Les compensateurs statiques stabilisent le réseau et permettent le passage de plus de courant, créant ainsi une plus grande efficacité du réseau. Toutefois, lorsque les compensateurs sont hors service, le réseau se déstabilise. Pour terminer, la perte subie par le Québec suite à cet événement s'élève à 19,400 mégawatts de courant et à des millions de dollars en recettes. Hydro Québec à mis environ neuf heures à rétablir le service, quoique, à l'heure du midi le 13 mars, l7 p. cent des abonnés n'avaient toujours pas de courant.

Les tempêtes de moindre importance ont eu lieu en septembre 1989, mars 1991 et octobre 1991, quoiqu'elles elles étaient tout de même assez fortes pour entraver les opérations. C'est grâce à ces événements que l'industrie a pris conscience de la réalité des tempêtes géomagnétiques et de leurs effets destructeurs sur les composantes d'infrastructure non-préparées.

Les cycles solaires sont des groupes consécutifs d'activités d'une tempête géomagnétique qui se répètent tous les 11 ans. Le Cycle solaire 22 a eu lieu entre septembre 1986 et mai 1996. Nous sommes actuellement dans le cycle solaire 23, et on croyait qu'avril 2000 était le pic de cette activité du cycle. On a récemment découvert que le cycle solaire 23 « formait un pic » pour la deuxième fois. Comparativement au premier pic, le deuxième semble légèrement plus important. On a observé ce phénomène de double pic pour la dernière fois au cours du cycle 22. Le premier pic est survenu en 1989 et le deuxième, en 1991. On a observé dans le passé que les cycles solaires portant un chiffre impair étaient plus intenses que ceux portant un chiffre pair. Étant donné que les événements du dernier cycle solaire étaient au-dessus de la moyenne, on peut s'attendre à ce que le cycle actuel soit également intense.

Au cours des prochains paragraphes, il sera question des deux groupes d'infrastructures essentielles, à savoir l'énergie et les communications. Les discussions porteront sur les effets de l'activité géomagnétique sur l'énergie et les communications, la mesure dans laquelle ces infrastructures sont vulnérables aux tempêtes géomagnétiques, et les mesures qui peuvent être prises pour minimiser les effets négatifs des GIC. Ce document étudiera également les différentes façons de procéder auxquelles l'industrie canadienne à recours pour atténuer les effets des tempêtes géomagnétiques sur les infrastructures essentielles canadiennes.

Énergie

Lors d'une tempête géomagnétique, plusieurs éléments importants du secteur énergétique peuvent subir des influences défavorables s'ils ne sont pas préparés. Des courants électriques intenses provenant de l'ionosphère peuvent induirent des ondes de surtension dans les réseaux électriques, déclencher l'échauffement pouvant faire brûler des transformateurs ou les endommager, et causer une surcharge des réseaux électriques. Cette activité peut occasionner une panne de courant importante et causer, par la corrosion, des dommages cumulatifs aux pipelines.

Résaux électriques
Les tempêtes géomagnétiques peuvent avoir de sérieuses répercussions sur les réseaux électriques lorsque les GIC induits dans les lignes de transport pour se rendre aux transformateurs des sous-stations saturent le noyau du transformateur avec l'électricité. En outre, des harmoniques supplémentaires engendrées dans le transformateur provoquent des activations indésirables de relais, mettant subitement hors circuit des lignes électriques. De plus, La mise hors service des compensateurs causée par les variations de niveau de tension peut compromettre l'intégralité du système.

Les technologies de pointe peuvent accroître la vulnérabilité des postes de transmission électrique. Les réseaux électriques modernes sont interconnectés de façon à assurer une certaine stabilité et sont protégés contre les pannes localisées. Cependant, dans certaines circonstances, cette interconnexion peut accroître leur vulnérabilité. Lorsqu'une tempête solaire cause des dommages à un réseau, les réseaux qui y sont connectés peuvent également tomber en panne. De plus, certains réseaux qui ont eu des difficultés au cours du dernier pic du cycle solaire 22, peuvent être perturbés du fait de l'augmentation habituelle de la charge électrique qui leur est imposée et ainsi être plus perturbés par les événements géomagnétiques qui surviennent au cours du cycle solaire 23.

Des mesures préventives ont été mises en place, afin d'éviter des situations, telle la panne qui a eu lieu au Québec en 1989. Les opérateurs de réseaux au Canada ont élaboré et mis en place des modes de fonctionnement pour être en mesure de faire face à ces situations d'urgence, diminuant ainsi la possibilité des dommages causés par les GIC. Depuis 1989, Hydro-Québec a dépensé plus de 1,2 milliards de dollars pour l'installation de condensateurs de séries de lignes de tansmission. Ces condensateurs arrêtent le courant de GIC, afin de prévenir les dommages au réseau. Hydro-Québec a également installé des systèmes de surveillance qui indiquent les variations de tension et transmet ces données immédiatement aux opérateurs, afin qu'ils puissent redistribuer la charge aux autres parties du réseau. Des mesures préventives supplémentaires, à savoir : la désunion des liens entre les réseaux électriques, la désensibilisation des systèmes de contrôle automatiques, le report de l'entretien de la centrale électrique et du remplacement de l'équipement. Les services publiques comptent également sur les prévisions météorologiques provenant de signaux émis par les satellites pour poursuivre leurs opérations lors des tempêtes géomagnétiques. Les opérateurs peuvent mettre en place des modes de fonctionnement conservateurs une fois qu'ils ont été avisés au préalable d'une menace de tempête.

Pipelines
Les tempêtes géomagnétiques sont capables de causer des dommages cumulatifs aux pipelines, en provoquant de la corrosion. Des efforts intensifs ont été déployés pour réduire les effets de la corrosion en maintenant le pipeline à une tension négative par rapport au sol environnant. Les courants électriques induits dans le pipeline par les variations du champ magnétique peuvent donner lieu à de grands écarts de tension, endommageant le pipeline et amorçant le processus de corrosion. Ces courants électriques sont conduits le long du pipeline créant un entassement de charges qui augmente le potentiel électrique situé au bout du pipeline et crée un potentiel « gradient » qui reconduit les charges tout le long du pipeline. De plus, certain de ces entassements de charges peuvent s'échapper par le revêtement isolant électrique sur le sol environnant. Cet échappement peut causer des changements dans l'entassement de charges et occasionner des variations dans le potentiel électrique du pipeline. Par conséquent, le processus de corrosion s'amorce et, avec le temps, le pipeline subira un dommage cumulatif.

Les pipelines qui possèdent une paroi isolante peuvent être plus vulnérables aux dommages des courants électriques. La paroi à pour but d'interrompre l'écoulement du courant. On a, toutefois, découvert que la paroi isolante crée un autre endroit où le potentiel électrique peut s'entasser et forcer l'écoulement de courants sur le sol. La paroi isolante augmente le risque de corrosion. Plus le pipeline est long, plus grande est sa vulnérabilité face à la corrosion..

On constate de plus en plus que la conception et la surveillance de la protection contre la corrosion doivent tenir compte de la « dimension géomagnétique» et exigent une attention immédiate. Les exploitants d'un pipeline au Canada ont été parmis les premiers à reconnaître que les tempêtes géomagnétiques avaient une incidence négative sur les pipelines et, pour ce qui est de la conception de systèmes susceptibles d'en atténuer les effets, ils en sont les chefs de file mondiaux. Les activités d'atténuation comprennent la simulation de courants tellurgiques dans les réseaux de pipelines et l'ébauche de la conception de systèmes de protection contre la corrosion qui permettent d'éviter, de façon adéquate, les effets géomagnétiques. Ces travaux, combinés à la surveillance, aideront à éviter les effets cumulatifs à long terme des GIC sur les pipelines.

Perspective géologique
Une perspective géologique est utile pour déterminer quel système énergétique est le plus vulnérable aux GIC. Un système peut devenir plus vulnérable du fait que les GIC provenant des tempêtes géomagnétiques peuvent induire une charge électrique dans un dépôt de roches.  Un exemple d'un tel gisement rocheux se trouve dans l'anomalie des plaines centrales d'Amérique du Nord (NACP). Il S'agit du plus long rocher conducteur d'électricité mondial, qui serpente sous-terre à partir du Wyoming à travers la Saskatchewan, et du Manitoba à la baie d'Hudson. Ce rocher est un conducteur très important de charges électriques à cause de la présence de sulfure et de graphite, qui font en sorte qu'il est jusqu'à mille fois un élément plus conducteur que le Bouclier canadien environnant. Des éléments d'infrastructures essentielles qui sont situés dans cette anomalie ou sur celle-ci pourraient être exposés à des risques accrus relativement aux GIC en raison de la forte conductivité électrique de la roche. On est actuellement à élaborer une carte détaillée de la conductivité électrique traversant la partie du Manitoba comprise dans les NACP. Cette carte aidera les sociétés productrices d'électricité et de pipelines à prévoir avec plus d'exactitude les effets négatifs des tempêtes géomagnétiques sur les réseaux électriques et de pipelines.

Communication

La technologie des communications peut se révéler vulnérable aux effets d'une tempête géomagnétique. Depuis l'introduction des câbles coaxiaux au 20e siècle, la largeur de bande des systèmes de communication a augmentée, mais exige l'emploi d'amplificateurs de répétition tout le long du câble. Ces amplificateurs de répétition compensent pour l'affaiblissement des signaux compte tenu de la distance, et sont montés en série avec le conducteur central du câble. Ils sont alimentés par un courant direct à partir des stations situées aux extrémités du câble. Le changement du champ magnétique induit un voltage directement dans le conducteur central du câble coaxial. Ce voltage va s'additionner ou se soustraire au voltage venant de la source d'alimentation du câble. Lors d'une tempête géomagnétique, le voltage induit dans le câble peut occasionner une surcharge électrique sur le système de câbles qui entraîne une panne de courant excessif.

Les câbles sous-marins sont munis de fibres optiques pour acheminer les signaux, mais il y a encore dans le câble un conducteur qui alimente les répétiteurs. Dans l'avenir, les câbles nécessiteront peut-être moins de répétiteurs et une tension motrice plus faible, ce qui aidera à atténuer les effets négatifs d'une tempête géomagnétique. La diminution de la taille de l'équipement d'alimentation, sans prendre en considération les tensions induites, augmentera la vulnérabilité des systèmes aux effets géomagnétiques.

Les tempêtes géomagnétiques peuvent également toucher les satellites et les engins spatiaux. Les satellites géosynchronisés risquent d'être exposés à un environnement hostile. Les changements dans le champ magnétique terrestre brouillent les détecteurs de navigation, tel le Système de positionnement global (GPS) et les indicateurs sur satellites. Les satellites peuvent connaître des problèmes d'affaiblissement, tel le ralentissement par suite d'une augmentation de la température atmosphérique.

Les protons et les électrons deviennent extrêmement énergétiques lorsqu'ils entrent en contact avec les flammes solaires ou les CME. Lorsque ces particules solaires sont projetées vers la terre, elles peuvent, en une seule collision, endommager les cellules microélectroniques ou solaires d'un engin spatial. Ces événements peuvent intensifier la radiation à l'intérieur d'un véhicule spatial, et avoir des conséquences sérieuses ou même destructrices. Les efforts d'atténuation pour ce qui est des activités spatiales, consistent à mettre le satellite en « sommeil », à fermer les sous-systèmes critiques d'un engin spatial, à accroître la surveillance des satellites, afin de déceler toutes anomalies et à calculer le moment le plus propice pour ajuster le satellite en orbite basse aux fins de ralentissement. Les activités de vol spatial peuvent également être reportées pour ne pas exposer les astronautes à des taux de radiation dangereux.

Les tempêtes géomagnétiques peuvent également endommager les systèmes de navigation aérienne. Afin d'atténuer les effets néfastes des GIC, l'altitude du vol sur les routes polaires peut être ajustée pour minimiser les effets nocifs sur la santé, et les procédures fondées sur le GPS concernant les départs et les atterrissages peuvent être mises en place.

Pour ce qui est des activités, telle la cartographie, les moyens de surveillance reposent fortement sur la technologie. Toutefois, cette technologie peut se révéler vulnérable aux effets des GIC. Afin d'assurer les activités de surveillance et d'éviter les perturbations magnétiques qui peuvent émettre des résultats erronés, la surveillance terrestre haute résolution, la surveillance et analyse magnétiques peuvent être reportées jusqu'à ce que les GIC ne présentent plus une menace sérieuse.

Au Canada, l'industrie travaille à atténuer les répercussions qu'ont les tempêtes géomagnétiques sur les communications. Plusieurs des mesures correctives suggérées (précitées), sont déjà en place, afin de réduire les effets négatifs causés par les GIC. De plus, l'industrie se fonde sur les prévisions météorologiques en provenance de l'espace pour déterminer à quel moment les modes de fonctionnement conservateurs doivent être mis à exécution.

Systèmes d'alerte avant-gardistes

Les prédictions et les avis d'alerte préalables aux tempêtes géomagnétiques aident l'industrie et le publique à éviter les effets néfastes des GIC. Pour venir en aide aux activités de prédiction, il existe un nombre important de technologies qui recueillent les données. Par exemple, les rayons-x, sur lesquels sont fondées des observations, présentent une image très détaillée de la structure magnétique du soleil et de ses CME. Cet outil émet, deux à trois jours à l'avance, des prévisions dont l'exactitude est d'environ 50 pour cent.

Un des outils de prévision les plus fiables est le Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), lancé par la National Aeronautics and Space Administration (NASA) et la European Space Agency (ESA) le 2 décembre 1995. Ce satellite émet des images des éruptions importantes sur la surface du soleil et est considéré comme étant l'outil le plus utile dans le domaine des prévisions météorologiques en provenance de l'espace.

On s'attend à ce que le satellite Advanced Composition Explorer (ACE) de la NASA donne des résultats exceptionnels. Ce satellite à été lancé le 25 août 1997 et est positionné à environ 1,5 millions de kilomètres de la terre. Il surveille le contenu du vent solaire et à pour but d'émettre, une heure à l'avance, des prévisions météorologiques d'une extrême exactitude. En novembre 2001, ACE a signalé deux événements, les plus importants du cycle solaire 23, de particules énergétiques solaires (SEP).

En plus, de ces trois outils, on travaille actuellement à la conception de nouveaux systèmes d'alerte exacts pour prédire l'impact d'une tempête éventuelle et évaluer les mesures d'intervention appropriées auxquelles les exploitants et les propriétaires d'infrastructures pourront avoir recours.

Conclusion

Même si elles sont peu fréquentes, les tempêtes géomagnétiques peuvent causer de sérieux dommages aux infrastructures essentielles. On a démontré que, au Canada, les CME et les GIC ont un effet négatif sur les réseaux électriques, les pipelines et les communications. Les conséquences de l'activité d'une tempête géomagnétique peuvent comprendre des pannes de courant très étendues, la corrosion des pipelines, la fermeture des systèmes de câbles, une augmentation du ralentissement des satellites, l'inexactitude des détecteurs de navigation et une perte de recettes s'élevant à des millions de dollars.

Les propriétaires et les exploitants d'infrastructures canadiennes ont élaboré des modes de fonctionnement efficaces pour venir à bout de la menace causée par les tempêtes géomagnétiques. De plus, des systèmes d'alerte avant-gardistes, tels ACE et SOHO transmettent l'information nécessaire aux exploitants et propriétaires d'infrastructures essentielles, afin de prévenir les effets négatifs causés par les GIC.

Références

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• ^[1] Selon la loi Faraday sur l'induction, un changement temporal d'un champ magnétique est toujours accompagné d'un champ électrique. Cependant, un champ électrique est associé à une activité géomagnétique. La variation géomagnétique et le champ géomagnétique observés à la surface de la terre dépendent principalement des courants inosphérique-magnétosphérique, et deuxièmement des courants et des charges induites dans la terre. Une partie des courants dans la terre peut circuler dans les conducteurs fabriqués par l'homme, tels les systèmes de transmission de courant électrique, les pipelines, les câbles de télécommunication et les rails de chemin de fer. De tels courants sont nommés des courants induits géomagnétiquement (CIG).
  
• ^[1] Un changement pouvant être observé dans la structure coronale au cours d'une période s'étendant de quelques minutes à plusieurs heures, et qui a l'apparence d'une nouvelle et discrète lumière blanche vive dans notre champ de vision coronographique. Elles sont associées à une grande variété de structures magnétiques fermées dans la couronne. Lorsqu'il y a injections de masse coronale, une importante quantité de matières (10^15 - 10^16g) est sporadiquement éjectée du soleil dans l'espace interplanétaire. La vitesse de cette éjection de masse coronale peut variée de 50 km/s à 1200 km/s. La vitesse moyenne est d'environ 400 km/s. La largeur héliocentrique est d'environ 45 degrés. Les éjections de masse coronale entraînent des tempêtes géomagnétiques importantes.

Note aux lecteurs

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