| Title | Electric field calculations for real-time space weather alerting systems |
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| Author | Boteler, D H ;
Pirjola, R J |
| Source | Geophysical Journal International vol. 230, issue 2, 2022 p. 1181-1196, https://doi.org/10.1093/gji/ggac104 |
| Image |  |
| Year | 2022 |
| Alt Series | Natural Resources Canada, Contribution Series 20210277 |
| Publisher | Royal Astronomical Society |
| Document | serial |
| Lang. | English |
| Media | paper; on-line; digital |
| File format | pdf |
| Subjects | mathematical and computational geology; geomagnetism; magnetic induction; fourier analysis |
| Illustrations | schematic diagrams; frequency distribution diagrams; graphs; tables |
| Program | Public Safety Geoscience Assessing space weather hazards |
| Program | Canadian Hazard Information Service Geomagnetism
and space weather |
| Released | 2022 04 09 |
| Abstract | (available in French only)
Les champs géoélectriques produits lors de perturbations géomagnétiques constituent un danger pour les réseaux au sol tels que les systèmes électriques, les
pipelines et les câbles téléphoniques. Ces champs géoélectriques peuvent être calculés à partir de données de champ géomagnétique en utilisant soit une multiplication par une fonction de transfert terrestre dans le domaine fréquentiel, soit une
convolution avec une réponse impulsionnelle terrestre dans le domaine temporel. Les calculs dans le domaine fréquentiel des champs géoélectriques sont adaptés à la modélisation post-événement mais ne sont pas adaptés aux calculs en temps réel. Pour
effectuer des calculs dans le domaine temporel, nous avons besoin de la réponse impulsionnelle qui, en principe, est simplement obtenue par une transformée de Fourier inverse de la fonction de transfert. Cependant, prendre une transformée de Fourier
discrète de la fonction de transfert produit une réponse impulsionnelle causale et oscillatoire à cause du phénomène de Gibbs. Cet article réexamine le calcul de la réponse impulsionnelle de la Terre et son utilisation dans le calcul en temps réel
des champs géoélectriques. La fonction de transfert terrestre peut être exprimée de deux manières : comme une relation entre le champ géoélectrique E et le champ géomagnétique B (qui a des caractéristiques équivalentes à celles d'un filtre
passe-haut), et entre E et la dérivée temporelle dB/dt (qui a les caractéristiques d'un filtre passe-bas). La transformation discrète des fonctions de transfert passe-haut et passe-bas produit des oscillations de Gibbs en raison du manque de
composants à haute fréquence pour reproduire des discontinuités nettes dans la réponse dans le domaine temporel. Un examen plus approfondi montre que les oscillations de la réponse passe-bas proviennent de la transformée de la partie imaginaire de la
fonction de transfert. Une nouvelle "transformation causale" est introduite qui ne transforme que la partie réelle de la fonction de transfert passe-bas et, en utilisant l'exigence de causalité, recrée la réponse impulsionnelle "passe-bas" complète.
En utilisant le théorème dérivé de la convolution, la dérivée de la réponse impulsionnelle "passe-bas" est utilisée pour calculer la réponse impulsionnelle "passe-haut". La transformation causale produit une réponse impulsionnelle «propre», sans
oscillations de Gibbs, c'est-à-dire causale. Les calculs de test utilisant la réponse impulsionnelle causale passe-bas et passe-haut et un ensemble de données de variations de champ géomagnétique synthétique donnent des champs géoélectriques qui sont
presque exactement les mêmes que ceux calculés analytiquement, démontrant la validité de cette approche. La convolution des données de champ magnétique avec la réponse impulsionnelle causale fournit un moyen précis d'effectuer des calculs en temps
réel des champs géoélectriques produits lors de perturbations géomagnétiques. Il s'agit d'un élément essentiel pour la connaissance de la situation et les simulations en temps réel des courants induits géomagnétiquement dans les systèmes électriques
et autres réseaux. |
| Summary | (Plain Language Summary, not published)
Space weather refers to the dynamic conditions on the Sun and in the space environment, in particular, in the near-Earth environment, that can affect
critical infrastructure. NRCan operates the Canadian Space Weather Forecast Centre and conducts research into space weather effects on power systems, pipelines, radio communications and GNSS positioning to help Canadian industry understand and
mitigate the effects of space weather. This paper describes a new time-domain method for calculations of the geoelectric fields produced during geomagnetic disturbances. For this method a new "causal transform" was invented that allows the
calculation of the Earth impulse response without the spurious oscillations that occur with standard methods. The result is a method for real-time calculations of geoelectric fields that will enable the development of geomagnetic alerting systems for
power system operators. |
| GEOSCAN ID | 328931 |
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