Mise en garde : Comme tous les articles en partie 1 sur les notions physiques autour des Evénements solaires extrêmes (ESE), nous nous attacherons ici à décrire les principes physiques derrières les perturbations solaires extrêmes et à comprendre les vulnérabilités des systèmes technologiques pouvant mener à des dysfonctionnements et accidents ; tous les impacts seront vus en partie 2 et les stratégies de résilience en partie 3.
Introduction : Un secteur non régulé au regard des tempêtes géomagnétiques
A l’image du réseau internet, le réseau électrique ferroviaire ne bénéficie d’aucune régulation nationale ou internationale spécifique au regard des événements solaires extrêmes et en particulier autour des Courants induits géomagnétiquement – CIG. Cela se ressent jusque dans les procédures de sécurité, où notamment la simple alerte autour de ces phénomènes dangereux n’est pas intégrée dans les systèmes de communication d’urgence.
En France : EPSF et SNCF Réseaux aux abonnés absents
En France, les tempêtes géomagnétiques extrêmes ne sont prises en compte dans aucun des documents de l’Etablissement public de sécurité ferroviaire ou de SNCF Réseaux (rapport de sécurité 2022 – Document de référence du réseau ferré national au 1er septembre 2023).
A l’international : l’UIC et l’UE ne fournissent aucun cadre normatif
A l’international, ce n’est pas mieux puisque cette problématique est complètement absente des référentiels de sécurité ferroviaire de l’Union International des Chemins de fer (UIC). Au niveau européen, l’harmonisation en cours des systèmes de contrôles et de signalisations ferroviaires (ETCS) n’intègre pas non plus cette problématique.
Pourtant, de nombreux dysfonctionnements liés aux CIG lors d’ESE ont été constatés depuis des dizaines d’années par les scientifiques sur les systèmes ferroviaires aux hautes latitudes (nous en avons référencés ici une dizaine). Un événement géomagnétique extrême (retour de 100 à 200 ans) atteindrait à coup sûr les moyennes et basses latitudes avec une force exceptionnelle et inédite et compromettrait fortement la sécurité des voyageurs sur ces réseaux, tout comme l’infrastructure électrique ferroviaire qui pourrait, dans le pire des cas, mettre des années à s’en relever.
Pour aborder cette problématique non connue, nous allons devoir plonger dans le fonctionnement de l’infrastructure électrique ferroviaire par temps calme puis nous détaillerons ces dysfonctionnements lors de tempêtes géomagnétiques et/ou de perturbations radios d’origine solaire.
Le système électrique ferroviaire par temps calme
Ici, nous nous attacherons à décrire le système électrique ferroviaire en temps normal, qui a pour but d’alimenter les circuit de traction et de retour des trains électriques et les circuits de voie, comme par exemple ceux liés à la signalisation ferroviaire.
Le réseau de transport d’électricité et les lignes à haute tension
En France, le réseau à haute et très haute tension, à destination des industriels et des distributeurs d’électricité comme Enedis est géré par RTE (Réseau de transport électrique). La SNCF est son plus gros industriel consommateur d’électricité avec 7 TWh/an.
Les hautes tensions délivrées par RTE aux Sous-stations de traction (SST) sont de 20, 63, 90, 225 et 400 kV. Les lignes HT ont deux lignes d’arrivée en SST afin d’assurer la redondance de l’acheminement d’électricité.
Les Sous-stations de traction – SST
Les types de SST en France
La France compte autour de 600 SST. Le but des SST situées le long des voies est d’abaisser et de redresser la tension fournie par RTE afin d’alimenter les trains à traction électrique et les systèmes électriques et de signalisation (SES) en voie.
En France, les lignes HT RTE sont converties par les SST en 2 types de ligne à haute tension pour la traction électrique des trains sur les voies ferrées : 1500 V CC et 25 000 V 50Hz monophasé. A noter que les tramways et métros utilisent des lignes à 750 V CC.
Les lignes 1500 V sont un héritage historique du réseau des années 1920, lié notamment à une volonté de se démarquer du réseau de traction électrique AC allemand afin qu’une invasion de troupes germaniques n’embarque pas le matériel ferroviaire français. Néanmoins, cette infrastructure est de nos jours lourde à gérer si bien que des projets sont à l’étude pour la passer en 3000V CC ou en 25000 V AC afin de gagner en puissance, en sécurité, en facilité de gestion ou en espaces sur certaines voies.
Les types de SST en Europe
A l’échelle européenne, la situation est bien plus hétéroclite mais on peut remarquer que l’Europe du sud-ouest (et le Maroc) est en courant continu. En Scandinavie, où les tempêtes géomagnétiques sont plus fréquentes, les lignes de traction électrique sont en courant alternatif monophasé. En Suède, l’électrification des voies commença dès 1905 (dont la fameuse ligne du cercle polaire dès 1915), faute de charbon local et compte tenu des nombreuses ressources hydrauliques. De 1920 à 1923, un vaste chantier technique y est mis en oeuvre pour résoudre les perturbations des communications téléphoniques et télégraphiques liées au courant monophasé des voies ferrées.
Les SST doivent opérer dans des plages de tension bien spécifiques, harmonisées par l’Union Européenne, destinées à protéger les équipements ferroviaire (fiche UIC n° 600 – norme européenne EN 50-163).
Fonctionnement d’une SST
Pour rester le plus synthétique possible, dans un article qui va être long, nous nous attacherons aux équipements clefs des SST.
Les disjoncteurs Haute Tension
A l’arrivée des deux entrées de lignes HT, la SST est munie de disjoncteurs HT puissants, par exemple avec un pouvoir de coupure en pleine charge de l’ordre de 31 kA pour des lignes HT à 63kV. Ils sont essentiels pour éviter les courts-circuits se produisant hors des tensions assignées et donc pour protéger les équipements de la SST. La plupart en France utilisent la mesure par dilation de l’huile.
Les transformateurs en SST
Pour les transformateurs, points de vulnérabilité en tempête géomagnétique, nous avions déjà expliqué leur fonctionnement sur les coupures massives d’électricité.
Les transformateurs de traction
Ils ont pour but d’abaisser et de convertir le courant en plus basse tension pour distribuer ce courant dans les lignes aériennes de contact sur les voies (caténaires) que les engins moteurs électriques des trains utiliseront pour se déplacer.
Les transformateurs auxiliaires
Ils ont pour but de transformer le courant des lignes HT de RTE directement en courant basse tension pour les services auxiliaires. Ils offrent une grande flexibilité pour répondre aux demandes du réseau basse tension, hors du circuit de traction.
Il existe aussi un transformateur de protection, monophasé, qui vise à protéger le groupe redresseur.
Le groupe redresseur
Si la ligne HT d’entrée est AC et que la ligne HT en voie (la caténaire) est en CC (ex 1500 V), la SST aura un Poste intérieur sous-abri muni d’un redresseur, pour la conversion du courant alternatif en courant continu. Le redresseur est alimenté par le transformateur de traction.
Le redresseur agit comme une pile à courant continu avec une borne positive d’où part le courant et une borne négative qui reçoit le courant de retour après avoir été acheminé sur la voie.
Le groupe électrogène
En cas de défaillance des lignes HT, les SST sont munies d’un groupe électrogène à moteur diesel à démarrage automatique ou manuel.
Les Sous-stations mobiles (SSM)
Un (ou plusieurs) wagon SSM peut venir suppléer une défaillance générale d’une SST mais leur nombre est limité, leur mise en place peut prendre des dizaines d’heures et la performance de la circulation ferroviaire est souvent dégradée.
Sur cette photo, en partie ouverte sur l’extérieur, il y a le transformateur, le redresseur et les disjoncteurs. En partie fermée, on trouve la partie basse tension : services auxiliaires et armoires d’automatismes. Il est alimenté par une ligne HT, que ce soit celle du réseau RTE ou celle d’un groupe électrogène.
Le central de sous-station – CSS
Un CSS est le lieu où se monitore et se gère, pour le Réseau ferré français, la haute disponibilité et la sécurité électriques de secteurs de sous-stations (par exemple le secteur Paris Sud-Est) . Son personnel tourne en 3 x 8h donc, jours et nuits, chaque jour de l’année. Il y a deux types de CSS, ceux gérés par informatique et ceux, plus anciens, par TPL (Tourner pousser Lumineux).
Le métier de régulateur de sous-stations a pour but de monitorer l’alimentation électrique du réseau. Il s’occupe de la sécurité, de l’alerte, de la maintenance et de la régulation des tensions des SST via des dispositifs de contrôle à distance. Il est aussi en lien direct avec les agents des voies, la RTE, les gares, les conducteurs de train, les sapeurs-pompiers…
Les lignes aériennes HT sur voie ou lignes de contacts
Depuis le portique de départ de la sous-station partent les lignes aériennes à haute tension 1500V CC ou 25kV AC le long des voies ferrées dites « lignes de contacts », qui servent à la traction électrique des trains. Leurs poteaux sont tous mis à la terre pour des questions de sécurité.
La caténaire
On ne va pas rentrer dans le détail du fonctionnement de la caténaire mais il faut savoir que le courant envoyé par la SST passe dans le feeder jusqu’au fil de contact via le fils poteurs et les pendules et tout contact accidentel est mis au rail grâce au câble de protection aérien (CDPA).
Le pantographe
Le pantographe est fixé sur la locomotive pour assurer un contact permanent avec la ligne de contact et alimenter sans interruption les engins moteurs à traction électrique.
Les engins moteurs à traction électrique
Les engins moteurs à traction électrique à courant alternatif sont munis eux-aussi de transformateurs, expliqués dans cette vidéo :
Sur les lignes 25kV monophasées, l’engin moteur est constitué d’un transformateur-abaisseur, d’un redresseur et d’un onduleur pour convertir l’alimentation monophasée en alimentation triphasée. La vitesse est contrôlée en modifiant la fréquence d’alimentation du moteur à induction.
Notons simplement ici que le contact roue-rail est le plus souvent lubrifié pour éviter une usure prématurée du rail au niveau du bourelet.
Le circuits de retour (de traction)
Les engins moteurs reçoivent un courant positif de la caténaire et renvoient un courant de retour dans le rail (ou parfois un câble de retour) qui retourne vers la SST polarisée négativement.
Retour du courant à la SST par les rails
Pour effectuer ce circuit de retour, les agents de voie doivent veiller à une continuité parfaite du circuit de retour, notamment en vérifiant les connexions de rail à rail et les liaisons transversales entre rails qui équilibrent les potentiels entre les 2 rails pour le circuit de retour.
Mais sur certains tronçons de voie (liés aux circuits de voie pour la signalisation ferroviaire), les rails peuvent être isolés par des joints. On utilise alors parfois des connexions inductives pour assurer le retour du courant vers la SST et, à ces endroits, il n’y pas de liaisons transversales permanentes entre rails pour rééquilibrer les potentiels entre rails.
Relais de masse et disjonction de la SST
Le relais de masse en circuit de retour est une mise à la terre en SST de très faible résistance avec liaison de la masse au négatif. Il fonctionne grâce à un électroaimant qui s’active au passage du courant et attire alors un interrupteur qui se ferme à partir d’un seuil de courant. Si le relais de masse capte un courant qui dépasse 80A, les disjoncteurs de la SST se déclenchent et une signalisation sonore et lumineuse s’active. Une fois l’origine de la masse détectée et prévenue, le relais de masse doit être réarmé.
Les courants vagabonds
Les rails de roulements étant imparfaitement isolés, une partie du courant continu de retour s’échappe du rail dans le sol. Ces courants vagabonds cherchent alors les structures les plus conductives, qui peuvent être des structures métalliques enterrées à proximité des voies et des SST, qu’ils participent alors à corroder. Plus le sol sera résistif, moins il y aura de courants vagabonds.
La mise à la terre du circuit de retour et les liaisons équipotentielles sont codifiées dans la norme EN 50122-1. La connexion directe avec le circuit de retour n’est autorisée que pour les chemins de fer AC. Pour les lignes à courant continu soumises aux courants vagabonds ou parasites, une connexion indirecte doit être effectuée au moyen d’un dispositif limiteur de tension.
Les circuits de voie
Les circuits de voie ont pour objectif de détecter la présence d’un train sur certaines portions de voie nommées « cantons » en vue d’alimenter les feux de signalisation ferroviaire (sémaphore) pour éviter le rattrapage d’un train par un autre et les collisions. Chaque circuit de voie est isolé des circuits de traction et de retour.
Principe du circuit de voie
Dans un canton, une portion de voie ferrée est isolée par des joints. Une source de courant alimente le circuit de voie. Ce courant passe par les rails puis traverse un récepteur (électroaimant) et revient à l’émetteur (alimentation). Lorsque qu’il n’y a pas de train, le récepteur du circuit de voie contacte sur le circuit de l’ampoule verte du feu de signalisation. Si un essieu de train vient couper ce circuit de voie, le récepteur n’est plus activé et il contacte alors avec le circuit de l’ampoule rouge du feu de signalisation ; signalant la présence d’un train sur le canton.
Types de circuit de voie
On distingue deux types de circuit de voie :
- Celui où il est isolé par des joints sur les deux segments rails. C’est le cas de toutes les lignes non-électrifiées et parfois de certaines lignes électrifiées (celles avec connexions inductives en circuit de retour, séparées du circuit de voie).
- Celui où un seul segment de rail de rail est isolé par des joints, l’autre rail en circuit de voie demeurant entièrement libre pour assurer le retour du courant vers la SST.
Pour leurs fonctionnements, se référer au diaporama ci-dessous.
Circuit de voie avec un seul segment de rail isolé par joints. Source : Patterson et al. 2023. 
Circuit de voie avec les deux segments de rails isolés par joints. Source : Scalise-2014. 
Cas des connexions inductives en circuit de retour de traction. Le circuit de voie est isolé aux deux segments de rails (joints en carrés noirs aux extrémités des rails). Source : Sanae Zriouel – 2014.
A noter que pour éviter toute interférence, si le circuit de traction est en Courant alternatif, le circuit de voie est alors alimenté en Courant continu et inversement.
Principe du cantonnement en BAL
En fait, il existe une multitude de types de cantonnements et de sémaphores selon les pays si bien que l’Union européenne a souhaité les harmoniser avec le système ETCS, qui se déploie progressivement.
Le système ETCS
Le système ETCS coûte 50% moins cher à installer et à entretenir que les systèmes classiques de cantonnements vu avant. Il permet de plus de centraliser et de contrôler la position, la longueur et l’intégrité des trains.
ETCS 1
Le système ETCS1 (European Train Control System ou système européen de contrôle des trains) utilise des eurobalises disposées au sol entre les deux rails plus ou moins espacées. Lorsque le train roule, il émet un champ magnétique variant (sur une fréquence HF de 27MHz) qui créé un courant par induction dans la bobine de l’eurobalise, qui se met à son tour à émettre son propre champ magnétique en HF (3.951MHz pour les 0, et 4.516MHz pour les 1).
Cette information transmise par la balise au train (uplink) est récupérée par l’ordinateur de bord du train puis transmise à la balise LEU qui va activer le Circuit de voie et donc le cantonnement et la signalisation, tout en envoyant l’information au central de contrôle (RBC).
ETCS2
Dans le système ETCS2, ce sont des mats GSM le long des voies qui captent et transmettent les informations sur les trains ; les eurobalises ne servant plus qu’à vérifier les bonnes informations envoyées.
ETCS3
Dans le système ETCS 3, entièrement automatisé (mais qui rencontre des difficultés opérationnelles), il n’y a même plus besoin de sémaphores et de circuit de voie, tout est entièrement automatisé même si les eurobalises en HF persistent dans leur rôle de contrôle.
Le système GSM-R
Les mats GSM-R (GSM-Railways) sont des antennes relais qui communiquent avec l’ordinateur de bord du train notamment pour connaître sa position et éviter les collisions. Ils sont espacés à intervalles réguliers le long de la voie pour assurer une couverture continue tout au long du trajet du train. Ces mats fonctionnent en cellules de fréquences GSM-R de 876 à 925HMz. Ils relaient l’information à des Stations de base (BTS) disposées tous les 3 à 4 km. Ils sont constitués 2 antennes disposées sur le mat à 180°, parallèlement à l’axe de la voie.
Notons que les mats GSM-R servent aussi à des communications vocales fonctionnelles, notamment aux communications d’urgence.
RBC (Radio bloc center)
Les effets des tempêtes géomagnétiques sur le système électrique ferroviaire
Sur la traction électrique
Le blackout des lignes HT de RTE alimentant la Sous-station de traction – SST
Sur les causes de blackout des lignes HT de RTE, se référer à leurs facteurs de vulnérabilité vus dans l’article sur les coupures massives d’électricité. Un événement de blackout électrique de 2 jours est généralement considéré comme une crise relevable par les réseaux ferroviaires européens. Au delà d’un mois de blackout, la production et l’offre de transformateurs n’étant pas suffisante pour répondre à la demande, ce sera une catastrophe nationale. Le RFF sera alors réquisitionné pour acheminer en priorité nourriture et carburant.
Vulnérabilités des transformateurs des SST
A peu près pour les mêmes raisons que pour les transformateurs des lignes HT, l’induction de courants continus (CIG) dans les transformateurs de la SST peut occasionner leur mise en protection, voir leur destruction, d’autant plus sur les transformateurs monophasés, plus vulnérables. Néanmoins, les systèmes ferroviaires suédois et autrichiens considèrent qu’en cas de tempête géomagnétique extrême, les CIG peuvent être gérés si les transformateurs ne fonctionnent pas dans leur pleine capacité.
Cette défaillance des transformateurs provoque alors un arrêt du courant de traction et donc une immobilisation des trains sur voie, qui peut être des plus dangereuses si elle se produit sur un pont ou dans un tunnel. Les batteries du train n’ont alors plus que 90 à 120 minutes d’autonomie pour alimenter les installations à bord comme le chauffage, la climatisation, les toilettes ou encore l’éclairage, ce qui pourrait vite devenir dangereux en cas de conditions météorologiques dégradées.
Si l’événement d’endommagement des transformateurs en SST se produit à vaste échelle, beaucoup de trains s’immobiliseront sur voie et les capacités classiques d’évacuation des voyageurs des trains seront dépassées. Les voyageurs évacueront probablement le train par leurs propres moyens, selon des modes et des voies non conventionnels. Les plans d’urgence nationaux n’envisagent pas l’évacuation simultanée de nombreux trains immobilisés.
De plus, sur un vaste événement d’endommagement, l’offre de transformateurs sera insuffisante pour répondre à la demande générale si bien que le réseau ferroviaire pourrait mettre des mois à des années à se relever en totalité. Pour aider à parer à ces perturbations géomagnétiques extrêmes, ces équipements en SST doivent être mis en cages de Faraday, ce qui est loin d’être le cas, surtout pour les vieux postes intérieurs. En effet, les systèmes ferroviaires aux latitudes moyennes et basses n’ont pas l’habitude des tempêtes géomagnétiques et donc n’ont pris aucune mesure corrective spécifique suite aux défaillances qui auraient été constatées des SST.
Vulnérabilité des transformateurs des engins de traction
Cameron Paterson (PHD) signale que les tempêtes géomagnétiques extrêmes peuvent également affecter les transformateurs des engins de traction électrique mais nous n’avons pas encore trouvé de référence à ce sujet. Néanmoins, ce doit être pour les mêmes raisons que celles vues ci-avant.
Notons ici que sous l’effet des impulsions électromagnétiques de l’électrojet auroral (surtout de nuit, qui ont lieu lors des reconnexions magnétiques dans la magnétoqueue de la magnétosphère), le champ magnétique de la caténaire va se mettre à varier et des CIG y seront induits, ce qui pourrait provoquer la disjonction des engins moteurs, voir leur endommagement, et ainsi arrêter la circulation du train.
Offre de livraison en gas-oil dépassée pour les groupes électrogènes et les locomotives diesels
En cas de tempête géomagnétique extrême avec beaucoup d’arrêts de lignes à haute tension, beaucoup d’industriels vont avoir recours à leurs groupes électrogènes, occasionnant une forte demande en gas-oil auprès des transporteurs routiers, qui ne pourront donc pas répondre à toute la demande au même moment, d’autant plus dans le cadre d’une amorce de transition énergétique vers le tout électrique où l’offre en gas-oil pourrait se raréfier dans les années à venir. Il est ainsi probable que les SST ne puissent pas assurer sur la durée l’alimentation des circuits de traction avec leur groupe électrogène. Dans ce cadre, même les locomotives diesel pourraient souffrir de ces défauts d’acheminement de carburant et donc ne pourraient plus être mesure de rouler.
Sur le circuit de retour
La caténaire émet par temps calme un champ électromagnétique, qui, lorsqu’il varie, induit généralement des courants dans le circuit de retour (inductions électromagnétiques). Sous les effets de pulsations de l’électrojet auroral et de la caténaire, ces courants induits dans le circuit de retour peuvent être des plus forts.
Les Courants induits géomagnétiquement (CIG) dans le sol par l’électrojet auroral vont emprunter les voies de moindre résistivité et iront donc chercher les rails car ce sont de très bons conducteurs, surtout s’ils sont alignés avec l’axe de l’électrojet auroral (généralement ouest-est) qui viendra pulser ces courants par induction électromagnétique.
Arcs électriques et brûlements dans les roulements du train
Selon l’ingénieur-chercheur Stefan Niska, de l’administration du transport de Suède, les CIG créent un courant supplémentaire qui peut endommager les roulements du train. Le roulement est alors traversé de part en part par le CIG et son contact avec la fine couche de lubrifiant (qui se produit entre le rail et le matériel roulant) provoque des brûlements et des arcs électriques au niveau de la roue et donc une corrosion accélérée du matériel roulant et un endommagement de son électronique.
De ces phénomènes, nous pouvons émettre plusieurs hypothèses (mais sans littérature scientifique). Ces arcs électriques, qui émettent sous le train des puissantes ondes radios dans tous types de fréquences, pourraient perturber la réception des signaux HF émis par les eurobalises mais cela reste à confirmer. On peut également supposer que, dans cette situation, la présence de ces corrosions ou d’éléments polluants issus des brûlements pourrait isoler électriquement les roues du circuit de voie et créer un déshuntage intempestif et donc, des dysfonctionnements des signalisations ferroviaires vers des feux verts au lieu de rouges. Il s’agit ici de deux hypothèse sur des situations limites, qui ne semblent pas envisageables à grande échelle.
Disjonction de la SST par CIG forts à extrêmes en circuit de retour
Les Courants induits géomagnétiquement (CIG) lors de tempêtes géomagnétiques extrêmes sont des courants qui peuvent dépasser les 100, 200, voir 400 A s’ils ont trouvé des milieux très conductifs les transportant sur de grandes distances. Ils sont induits lors des variations brusques des électrojets auroraux qui produisent des variations brusques des champs géo-électriques. Or, nous avons vu que les disjoncteurs de la SST en circuit de retour se déclenchent à 80 A. Il est donc possible (pas de littérature à ce sujet) que beaucoup de SST en courant continu disjonctent sur un événement géomagnétique majeur. Et ce, dans le meilleur des cas, car si ces CIG atteignent le redresseur, l’échauffement des bobines pourrait le faire fondre et l’endommager définitivement.
Corrosion accélérée des structures métalliques à proximité des circuits de retour par les CIG extrêmes
Tout comme les courants vagabonds générés dans le sol par le circuit de retour participent à la corrosion des structures enterrées à proximité de la voie, les CIG extrêmes empruntant le circuit de retour peuvent endommager bien plus encore ces structures. C’est un phénomène lié aux tempêtes géomagnétiques depuis longtemps étudié et traité par les ingénieurs en charge des pipelines d’hydrocarbures (s’il y a bien un domaine qui a pris au sérieux le sujet des tempêtes géomagnétiques, ce sont les pétroliers et depuis longtemps).
Sur le circuit de voie
Un feu de signalisation ferroviaire normalement rouge qui passe au vert alors qu’un train est présent sur le canton suivant ou inversement, qui passe au rouge alors qu’il n’y a aucun train dans les cantons suivants, tels sont les graves dysfonctionnements constatés lors de tempêtes géomagnétiques dans les pays nordiques.
C’est probablement le dysfonctionnement du rail sur ESE qui a fait couler le plus d’encre dernièrement dans la presse anglophone, suite à la thèse de Cameron Patterson à ce sujet, avec Botteler dans son jury. Mais ce sujet n’est pas nouveau. Il a été un peu couvert par la littérature scientifique, dès 1959. Pourtant, il reste très méconnu, même des cadres cheminots français en charge des circuits de voie, à cause la faible fréquence des tempêtes géomagnétiques extrêmes aux moyennes latitudes ; l’Europe, chanceuse jusqu’à présent, n’ayant jamais été touchée par un événement extrême dans ses latitudes moyennes (type Carrington – retour 200 ans).
Défaillance du bon côté (feu rouge au lieu de vert)
En Russie, de 2000 à 2005, sur le réseau nordique de prévisions ferroviaire d’Izmiran, les circuits de voie avaient l’habitude de dysfonctionner, sur quelques minutes à plus de 4h constatées, pendant les aurores boréales, si bien qu’ils ont été étudiés dans le détail. Après avoir écarté toutes les autres causes de dysfonctionnement Ptitsyna, N. G et al. notent à ce sujet « Les mesures effectuées sur certains sites ont montré que la tension d’alimentation des relais pendant ces instants était instable. De temps en temps, elle passait de la valeur normale (25 V) à une valeur beaucoup plus basse (6-9 V) qui provoquait une coupure du relais entraînant l’allumage d’un feu rouge. La comparaison des informations avec les données sur les variations du champ géomagnétique montre une relation évidente entre les anomalies de l’équipement automatique des chemins de fer et les perturbations géomagnétiques. »
En Suède, lors de la tempête géomagnétique extrême de la nuit du 13 au 14 juillet 1982 (2000NT/min, 20V/km), à 0h53, le premier transformateur HT se met hors tension. A 3h30, deux autres transfos se déconnectent ; les systèmes de protection ayant réagit comme un défaut de mise à la terre. Tous seront réarmés quelques minutes après. Une SST voit son parafoudre brûlé. A d’autres SST, les alarmes ont sonné. Pour les feux de signalisation du circuit de voie, E.A. Eroshenko, D. Boteler et al notent au sujet de cet événement en Suède qu' »une tension négative a été induite dans le fil, opposée aux 2,5-6 V susmentionnés (NDLR : plage de tension du relais libre en temps normal). Le relais a réagi comme si les rails étaient bloqués et a fait passer les feux au rouge. Lorsque le courant de terre à faible période est devenu positif, les feux sont redevenus verts.« .
Sur ces exemples, il semble donc que la perturbation géomagnétique provoque un affaiblissement des tensions en circuit de voie, qui provoque alors la fermeture du circuit de voie et une défaillance de signalisation du bon côté ; donc avec allumage d’un feu rouge. Mais ce n’est pas toujours le cas, notamment sur cet événement de Suède où il a été constaté que certains feux alternaient entre le rouge et le vert, sans raisons.
Si les dysfonctionnements de signalisation du bon côté peuvent induire des retards sur le réseau, les défaillances du mauvais côté peuvent mener aux collisions de trains, d’où une problématique majeure de sécurité ferroviaire.
Défaillance du mauvais côté (feu vert au lieu de rouge)
Les défaillances du mauvais côté ont déjà mené à des collisions graves, comme celle qui s’est produite le 22 juin 2009 dans le métro de Washington et qui a emporté 8 vies et en a blessées 80 (liée à une oscillation parasite, mais non liée à un Evénement solaire extrême).
En cas de tempête géomagnétique, même modérée (1V/Km), les CIG peuvent ré-énergiser l’électroaimant du circuit de voie, malgré pourtant la présence de l’essieu d’un train qui auraient du faire que la courant n’y passe plus. Patterson l’explique par une différence de potentiel entre les rails. Il a basé son étude sur une modélisation des lignes à caténaire AC avec circuits de voie DC sur deux lignes du réseau au Royaume Uni, qui présentent la particularité qu’un seul des deux segments de rails est isolé par des joints en circuit de voie. Les CIG sont bien plus importants du côté du rail non isolé, ce qui y créé un potentiel bien plus bas que sur l’autre rail et ré-énergise le circuit de voie. Les circuits de voie des chemins de fer Suédois fonctionnent aussi sur ce modèle.
Boteler note au sujet des circuits de voies parfaitement isolés : « Dans cette situation, les deux rails ont la même variation de tension due à l’induction géomagnétique, de sorte qu’il n’y a pas de variation de tension aux bornes du relais. Ainsi, les circuits de voie symétriques avec des joints isolés dans les deux rails semblent ne pas être affectés par les interférences géomagnétiques.« .
« Semble t-il » ? Même si les circuits de voie avec des joints d’isolation sur les deux rails semblent donc moins susceptibles de défaillances, la question de leurs dysfonctionnements en tempête géomagnétique n’est donc pas totalement réglée.
Les effets des événements solaires extrêmes dans le système ETCS
Perturbations du système GSM-R et des eurobalises
Krausmann et al. en 2015 notent que le système GSM-R, qui sert notamment au positionnement des trains pourrait être perturbé.
Atkins, un consultant britanique reconnu sur les ESE, indique que des dysfonctionnements GSM-R pourraient subvenir au lever et au coucher du soleil (ce que nous avons expliqué dans les rafales radios solaires – solar radio bursts) et que ces pertes de signaux pourraient être critiques en situation d’urgence. Attention, comme nous l’avons vu, ces rafales radios solaires peuvent se produire même sur des éruptions modérées en rayons X mais de longue durée et elles peuvent affecter des zones entières d’antennes GSM-R orientées vers le soleil couchant ou levant au même moment pendant quelques minutes à plusieurs heures. L’orientation des lignes ferroviaires est donc un facteur de vulnérabilité identifiable face à ces phénomènes d’interférences d’origine solaire. Il n’y pas d’alerte possible avant impact sur ces rafales radios solaires, seule la prévention est efficace.
Rappelons un autre phénomène solaire qui peut se produire en journée : le signal GSM peut être fortement dégradé, voir perdu, lorsque les antennes du mat GSM-R essaient de joindre un train dans la direction du soleil lors de fortes éruptions solaires. Ce phénomène d’interférence est lié aux perturbations des rayonnements X émis lors d’une éruption solaire forte à extrême et qui dégradent considérablement le signal (voir la partie sur les perturbations des communications mobiles vues dans les perturbations radios en éruption solaire). Une question se pose également autour des eurobalises dont les fréquences d’émission pourraient être également perturbées par ces phénomènes. De plus, si le début de l’éruption solaire est encore difficilement prévisible, sa manifestation en cours pourrait être annoncée aux agents ferroviaires.
Ces deux phénomènes sont plus forts, plus on descend en latitude, là où l’incidence des rayons solaires est la plus forte et la distance d’atmosphère traversée par ces rayonnements la plus courte. Néanmoins, nous n’avons pas repéré de littérature scientifique détaillée sur ce dernier point en ce qui concerne le rail, probablement parce que les systèmes ETCS avec GSM-R sont relativement récents et déployés à des latitudes élevées moins affectées par les éruptions solaires.
Perturbations du système de positionnement par satellite (GNSS)
Néanmoins, dans le systèmes ETCS, les positions de trains ne dépendent pas que des positions en GSM-R et des eurobalises mais parfois du positionnement par satellites GNSS, notamment par GPS, pour assurer une redondance de la transmission de la position des trains en cas de défaut de la technologie GSM-R.
Mais outre le rôle secondaire du GPS dans le positionnement des trains, le système de positionnement GPS peut être utilisé pour d’autres applications embarquées, qui n’ont hélas pas toutes été identifiées, comme :
- le verrouillage automatique des portes en fonction de la position du train sur le réseau,
- la limitation automatique de la vitesse du train par l’ordinateur de bord,
- la surveillance de l’état des rails et la maintenance,
- la détection des mouvements de terrain sur voie,
- les télécommunications,
- le suivi des pièces détachées du fournisseur,
- et bien d’autres fonctions qui restent encore à identifier.
Nous avons vu dans un article précédent qu’en cas d’événements solaires forts à extrêmes, les communications des satellites du réseau GNSS avec les récepteurs au sol sont perturbées par des structures denses d’électrons dans l’ionosphère, phénomène appelé scintillations, qui créé des erreurs de positionnement et d’horodatages dans les données GPS, voir à de brèves pertes de contact avec le satellite. Les récepteurs du réseau GNSS sont également affectés par les rafales radios solaires quand ils pointent en direction du soleil.
Qualité de la redondance des localisations de trains entre systèmes GSM-R et GNSS
Mauvaise redondance lors d’éruptions solaires majeures
C’est donc le jour, lors d’éruptions solaires majeures, que le risque de non-redondance entre ces deux systèmes de positionnement des trains est le plus élevé et ce, plus on descend en latitude. Les positions plutôt rassurantes tenues par certains pays nordiques sur la bonne redondance entre ceux deux systèmes lors d’ESE doivent être relativisée par les pays aux plus basses latitudes. En effet, les systèmes GSM-R des pays nordiques sont beaucoup moins affectés par les rayonnements des éruptions solaires majeures et ces pays subissent moins, de jour, de densités renforcées d’électrons dans l’ionosphère pouvant perturber les transmissions GNSS. Sur les éruptions solaires majeures aux moyennes et basses latitudes, le système de cantonnements par circuits de voie classiques reste fiable ; sa vulnérabilité n’étant établie qu’au moment de la tempête géomagnétique qui induit des champs géo-électriques au sol. Néanmoins, il reste probable que, dans ce cas de défauts de localisation des trains en ETCS lors d’éruptions solaires extrêmes, toute la ligne soit mise automatiquement à l’arrêt, pour éviter les collisions, ce qui peut être problématique sur une éruption rare qui durerait des heures avec plusieurs trains de voyageurs à évacuer ou à faire patienter.
Redondance passable lors de tempêtes géomagnétiques extrêmes
Pour ce qui est de la redondance de ces systèmes lors des tempêtes géomagnétiques, comme les tempêtes géomagnétiques se produisent surtout la nuit, 48 h environ après l’éruption solaire initiale dont les effets d’ondes sont déjà terminés, c’est le système GNSS qui est alors affecté et non le système GSM-R, sauf cas extrême théorique (éruption solaire majeure concomitante à la persistance d’électrojets auroraux pendant l’aube ou le crépuscule). Donc, ici aussi, les trains dans le système ETCS pourraient continuer à rouler ou, au pire, s’arrêter lors d’arcs électriques dans le matériel roulant ou de l’arrêt des circuits de traction.
Au final, si le système ETCS n’est pas exempt de dysfonctionnements en contexte d’ESE, les défauts constatés dans le positionnement des trains pourraient provoquer, dans le pire des cas, l’arrêt des trains sur leurs voies alors que dans les circuit de voie classiques, un risque non négligeable de mauvaise signalisation persiste en contexte de tempête géomagnétique, pouvant mener à l’accident. Enfin, il reste important d’identifier tous les services plus ou moins liés au positionnement GPS dans le système ETCS et qui pourraient affecter la sécurité ferroviaire, ce qui est encore loin d’être le cas.
Conclusion : pour un respect du droit de l’information des voyageurs sur les risques solaires majeurs
Les risques ferroviaires liés aux événements solaires extrêmes existent, comme nous venons de le voir et peuvent mener à des accidents graves ; accidents qui pourraient être prévenus par les cheminots ; par exemple en les informant des vulnérabilités de leurs réseaux aux éruptions solaires majeures, des actions qu’ils pourraient mettre en oeuvre pour en réduire les effets et des alertes qu’ils pourraient recevoir quand une tempête géomagnétiques est prévue. Les stratégies de résilience existent pourtant (nous les verrons en partie 3). Il est donc inadmissible que l’EPSF, SNCF Réseau et RFF ne soient pas plus proactifs à ce sujet.
Les services de l’état, comme les préfectures, n’ont rien prévu non plus pour palier à plusieurs trains bloqués simultanément sur des voies isolées, avec des milliers de voyageurs à évacuer, qu’ils soient sur des ponts ou dans des tunnels, dans le froid glacial, la canicule ou les pluies diluviennes ; eux qui sont pourtant en responsabilité d’une population vieillissante, fragile, pour beaucoup en situation de handicap. Et ce n’est pas avec quelques bus électriques flambants neufs qu’ils vont pouvoir évacuer ces voyageurs au beau milieu d’un blackout électrique.
Sachez que le droit du citoyen à l’information autour des risques majeurs qui le menacent est codifié dans le code de l’environnement. Car, oui, le citoyen a le droit d’être convenablement informé en cas d’événement solaire extrême, et de choisir de prendre ou de ne pas prendre certaines lignes de train, de tram ou de métro en cas de tempête géomagnétique qui pourrait mettre en péril sa sécurité. Mais qui pour l’en informer ?
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