我所学到的关于太阳风暴风险和电磁脉冲攻击的一切

几个月前，我偶然看到了我读过的最特别的论文之一。

在国会委员会的证词中，有人断言，由于饥饿、疾病和社会崩溃，美国电网的长期崩溃可能导致多达90%的美国人口死亡。

根据这篇论文，电网可能会被太阳风暴或EMP攻击摧毁。太阳风暴很常见。像1859年卡灵顿事件这样的严重风暴预计大约每150年发生一次。

高压变压器是系统中的薄弱环节，联邦能源管理委员会(FERC)已经确定其中30台是关键的。同时损失9个，在不同的组合中，可能会使网络瘫痪，并导致级联故障，导致“从东海岸到西海岸的停电”。

如果高压变压器受到无法修复的损坏，它们可能在1-2年内无法更换，这将是毁灭性的。

这些单元中的绝大多数都是定制的。国产高压变压器从订购到交货的交货期在12至24 月之间，这是在良性的低需求条件下进行的。

为了管理这种风险，我们可以囤积这些变压器。订购30架这样的飞机只需要3亿美元。但由于监管失灵和公用事业行业的财政激励，该报声称，我们没有囤积这些变压器。

当我读到这篇论文时，我惊呆了。电网长期崩溃的风险真的有那么高吗？而且，就像疾控中心未能储备口罩以应对我们都被警告过的大流行一样，我们是否也同样没有准备好应对可能导致社会崩溃和大规模饥饿的电网故障？

为了回答这些问题，我做了一些功课。我阅读了国会证词，智囊团技术报告，一本书，学术论文，保险公司评估，几份行业技术报告，以及贸易媒体上的多份报告。我的发现有时是自相矛盾的。有点麻烦的是，这一问题的双方都指责对方在经济激励方面存在偏见。总体而言，我的观点是，虽然EMP和太阳风暴的一些风险被夸大了，但它仍然是一个严重的问题，也是我们应该做好准备的主要尾部风险之一。

问：如果停电12-24个月，真的会这么糟糕吗？答：是的，如果停电那么长时间--这是一个很大的“如果”--后果将是灾难性的。我们现代社会所依赖的几乎所有东西，从水泵到汽油泵再到自动取款机，都将停止工作。这意味着没有水，没有车，也没有现金。

问：天哪。是什么导致了这些停机？答：最大的风险是太阳风暴和电磁脉冲攻击。

问：让我们从太阳风暴开始。第一个问题：什么是太阳风暴？答：太阳风暴是地球磁场中的一种暂时扰动，通常是由太阳的日冕物质抛射(CME)引起的。

问：这些风暴是如何扰乱电网的？答：电磁脉冲会在输电线路中感应出准直流电流，导致变压器过热，造成永久性损坏。如果足够多的变压器坏了，我们可能会有严重的长期麻烦。

问：危险的太阳风暴常见吗？答：是的。1989年3月的地磁风暴导致魁北克水电电网完全停电9小时。1921年的铁路风暴比魁北克风暴强10倍。据估计，1859年的卡林顿事件的强度是1921年风暴的10倍。也就是说，卡灵顿事件的强度是摧毁魁北克电网的风暴的100倍。像卡林顿事件这样大的风暴每十年发生一次的可能性为10%。可能会有更大的风暴。

问：这太可怕了！我们还有什么希望？答：好消息是，我们可能会提前得到警告。空间天气预测中心(SWPC)的一个团队监测太阳上的活动和地球磁层的活动。他们可以根据CME的严重程度，在几个小时到几天的时间内通知公用事业公司。这使公用事业公司处于高度戒备状态，以便在需要时关闭变压器。

问：这让我感觉好多了。但是这个系统有多可靠呢？答：不像你想的那样可靠。根据SWPC自己2010年的分析，三分之一的主要风暴是意外到来的。这不仅仅是小风暴。根据“科学”杂志的一篇新闻文章，SWPC在识别严重风暴的特征方面可能也很差，因为它们是如此罕见。

问：等等，什么？你是说我们错过了三分之一的暴风雨吗？我们甚至可能会错过那些大的呢？我们完了！答：好消息是，即使风暴没有被发现，变压器也不会立即烧毁。他们需要几分钟才能热起来。公用事业公司可以对其进行实时监控，如果温度过高，则将其关闭(参见NERC指南和本手册的第3.8.2节)。

问：我不知道，我看了那部关于切尔诺贝利的纪录片，在紧急情况下，人们似乎不太善于遵循手册中的说明。答：我也有我的怀疑。但据我所知，如果再发生卡林顿事件，造成一些令人不快的短期中断，但不会造成灾难性的长期崩溃，公用事业公司可能会执行。

问：我仍然不信服。答：嗯，即使公用事业公司完全没有反应，许多工程师认为，严重的太阳风暴造成的电压崩溃最终会拯救变压器，因为断路器会自动打开。但这是有争议的。

总体而言，人工干预和自动电网自我保护的结合让我觉得，太阳风暴造成的灾难性长期坍塌是不太可能的。但是，我们还是要非常认真地对待准备工作。

问：当然可以，什么是EMP攻击？答：电磁脉冲是“电磁脉冲”的缩写。就像电磁脉冲可以在太阳风暴期间发射一样，它们也可以是人为的，这就是众所周知的“电磁脉冲攻击”。产生电磁脉冲攻击的方式多种多样，但最让人担心的是高空引爆的核武器。这样的攻击产生的脉搏几乎可以到达美国大陆的任何地方。俄罗斯和中国等主要核大国有能力发动这样的攻击。最近，朝鲜等潜在的非理性对手一直在追求这种能力。

问：我应该更担心电磁脉冲攻击或太阳风暴吗？答：各方意见不一。但EMP委员会更担心EMP攻击。

问：为什么？答：原因有两个。首先，EMP攻击是不可预测的。与太阳风暴不同的是，我们将有几个小时到几天的提前通知，而电磁脉冲攻击将立即发生，让我们没有时间做好准备。

问：这是有道理的。第二个原因是什么？答：第二个原因是EMP攻击包含一种名为E1场的高频成分，这可能会对较小的电子设备造成永久性损害。EMP攻击和太阳风暴都有E3磁场，可以加热变压器。但只有EMP攻击包含E1字段。

问：这听起来很可怕。我们应该为电磁脉冲攻击做好准备。答：我同意。可喜的是，我们为应对电磁脉冲攻击所做的许多准备工作，比如让我们的变压器变得更有弹性，也会帮助我们应对太阳风暴。

问：鉴于这可能会导致90%的美国人死亡，并将我们其余的人送回石器时代，为什么这不是我们国家最重要的优先事项？答：嗯，并不是每个人都同意这是一个很大的威胁。鹰派的EMP委员会一直警告说，国家电网将长期崩溃，而其他人-通常与公用事业行业有关联-声称，EMP攻击只会造成仅限于少数几个州的短暂中断。EMP委员会指责公用事业行业将风险降至最低以避免责任。但EMP怀疑论者猜测，EMP鹰派自己的动机是最大化自己的EMP图书和保护公司的利润。我倾向于相信双方都是出于真正的信念，但这仍然是这场辩论的相关背景。

问：预测如此自相矛盾，太可怕了！我们怎么知道谁是对的呢？答：我们还不确定。但为了解决这个问题，电力研究所(EPRI)在2016-2019年的三年时间里进行了仔细的研究。他们的结论是，虽然EMP攻击可能会对几个州造成一些破坏，但不存在全国范围内长期崩溃的风险。

问：等待第二个…。EPRI的资金不是由公用事业行业提供的吗？答：确实是这样，EMP鹰派很快就指出了这一事实。EMP委员会的资深人士称EPRI报告为“垃圾科学”。

但我不太确定。EPRI的报告是我读过的关于这个主题的最复杂和最仔细的报告。这不只是我的观点。奥巴马政府负责作战能源的前国防部助理部长莎伦·伯克(Sharon Burke)高度评价了这份报告。“当你在物理系统上做文档研究时，无论是谁付钱，这仍然是确凿的证据。这不是某人的意见。“。至于偏见的指控，值得指出的是，这份报告是在与美国能源部和国家实验室的主要专家密切磋商的情况下完成的。大部分数据直接来自政府。

问：因此，听起来该行业编写了一份高质量的报告。不过，我还是有点怀疑。你能更详细地告诉我他们发现了什么吗？答：当然，我会从他们最简单、最乐观的发现开始，但然后我会讨论一些更详细(也更有趣)的发现。结果。

问：好的，他们最简单、最乐观的发现是什么？答：还记得吗，与太阳风暴的活动不同，电磁脉冲攻击是如何产生一些被称为E1场的东西的？E1油田的风险之一是，被称为“数字保护继电器”(DPRS)的关键电气设备可能会损坏，这可能会导致重大停电。为了验证这一假设，EPRI报告的作者将17种不同类型的dprs置于从0kV/m到50kV/m的不同强度的E1场中，他们发现在任何这些强度下，dprs都没有受到永久性的破坏。一些设备被暂时禁用，但它们可以通过重新打开电源轻松重新启动。

问：好的，那么这些DPR设备可以承受高达50千伏/米的电磁脉冲，但这与实际电磁脉冲攻击可能产生的强度相比如何？答：即使是1000kT的巨型核武器，落地后的峰值电场也只有25kV/m，EPRI的报告测试的磁场是这个峰值的两倍。

问：EPRI报告中还有哪些其他发现？答：所以这里有点悲观，但仍然没有接近长期的国家级电网崩溃。电磁脉冲是危险的，不仅因为它们会对dprs造成直接损害。它们还会诱发电压浪涌，进而损坏电气设备。

为了测试浪涌造成的损害量，作者向设备…的输入端注入了直流电压。

问：等等，为什么他们要注入电压，而不是使用电磁脉冲自然感应电压？答：这将需要在大范围内辐射电磁脉冲，他们说这“不切实际”。我不是专家，但这似乎是电磁脉冲测试的标准做法。

无论如何，在他们的电压注入测试中，他们发现在足够的电压下，dprs的输入可能会永久损坏。一些设备需要高达80千伏的电压才能损坏。其他人则要求电压低至5kV。

问：你是说千伏吗？你刚才不是说千伏/米吗？答：是的，在这些直流电压注入实验中，相关的单位是以千伏为单位测量的电压。对于较早的测量自由场脉冲对DPR影响的实验，相关单位为kV/m。

问：如果这些设备的输入可以被5千伏的电涌永久损坏，这是否意味着它们将被核电磁脉冲攻击损坏？A：这要看情况！这就把我们带到了报纸最酷的部分。导线感应电压的大小取决于很多因素。首先，这取决于电磁场的强度。而这又取决于离引爆地点的距离。因此，即使一枚巨大的核武器能够产生50千伏/米的峰值电场，在更远的地方，磁场也会变得更弱。

但更有趣的是，感应电压还取决于电场的极化、入射角(Psi)和方位角(φ)。根据输入电力线的位置和方向，实际感应电压可能比在最大条件下预期的要低得多。

基于美国各地变电站的已知位置(并假设随机方向)，作者能够在假设非常强烈的核攻击的情况下，估计这些变电站中感应电压的分布。在大多数情况下，感应电压将低于10kV，但也有一些甚至更高。

问：10千伏？这是不是超过了一些设备输入的5千伏损坏阈值？答：是的，有些设备是这样的。

问：那么，考虑到不同的设备会经历不同的电压浪涌，并且不同的设备会有不同的电压阈值，我们有没有一种方法可以计算出设备输入会损坏的百分比？答：是的！通过模拟。虽然作者不知道世界上每个设备的类型和方向，但他们可以做出合理的假设，即这些设备均匀分布在已知的变电站位置。对于每个装置，作者从感应电压的分布中取样感应电压(这取决于装置的位置和随机抽样的方向)。他们还从他们的经验电压注入测试中构建的分布中抽样了损伤阈值。对于模拟中的每个设备，如果采样的感应电压大于损坏阈值，他们会将该设备标记为损坏。

问：这似乎有些道理。结果如何？答：这取决于他们采取了多少保护措施和攻击的强度，但受损设备的比例从1%到20%不等。

问：这是好事还是坏事？答：关于这个问题，我得不到明确的答复。EPRI报告的语气暗示这不是什么大事，但电磁防御特别工作组(EDTF)的反驳称，这是相当严重的：

HEMP攻击期间的继电器故障可能会导致其他电网系统故障，导致大规模连锁停电和广泛的设备损坏。值得注意的是，E1对保护继电器的影响可能会中断变电站的自我保护过程，这是中断通过变压器的E3电流所必需的。

问：很有趣。这提醒了我，你已经谈到了很多关于EPRI对E1场的分析，包括直接通过自由场和间接通过电压浪涌。但是E3油田呢？如果我没记错的话，那是可以加热和损坏变压器的东西，对吗？答：是的，作者也对此进行了调查。虽然他们没有对任何变压器进行物理测试，但他们能够利用他们掌握的关于每台变压器的年龄和质量的信息，模拟E3场对大约1000台变压器的影响。在他们模拟的数千台变压器中，只有3到21台会受到损坏。这些损坏的变压器将分散在地理上。

问：3到21台变压器会受到损坏吗？那不是很糟糕吗？你刚才不是说9台关键变压器可以把整个电网搞垮吗？答：这个问题我也得不到明确的答案，但我想没关系。EPRI的报告让这听起来没什么大不了的，对EPRI报告最全面的批评也没有在其关注的清单中提到这一点。

问：对EPRI报告有哪些批评？答：电磁防御任务组(EDTF)包括数十项批评，但其中几项突显出来：

EPRI的报告没有对变压器进行任何物理测试，只依靠模拟。

根据苏联的数据，当国土安全部建议保护高达85V/km时，变压器模拟假设E3磁场为24V/km。

该报告只测试了变电站设备，但没有测试发电机或配电区域的设备。

如上所述，5%的设备损坏可能会导致连锁故障，从而使其他保护设备失效。

问：现在我很困惑，不知道该相信谁！我同意，不太好。显然，EPRI没有与国会EMP委员会协调来比较结果和方法。许多测试结果与EMP委员会自己2008年的测试结果不一致，我相信没有人解决了这些差异。因此，这里存在一个令人担忧的缺乏沟通的问题。

问：所有这些关于EMP的信息让我感到不知所措！你能总结一下我们学到的东西吗？A：当然可以。

电磁脉冲委员会认为电磁脉冲攻击比太阳风暴更危险，因为它们是不可预测的，而且它们包括一个E1场，而不仅仅是E3场。

这份由行业赞助的EPRI报告似乎做得很谨慎，它声称EMP攻击最多只会在几个州造成暂时的干扰。E1磁场本身不会对DPR器件造成任何永久性损坏，尽管一小部分器件可能会因E1感应电压浪涌而损坏。绝大多数变压器将在E3诱导的温度升高中幸存下来。少数可能发生故障的变压器将分散在不同的地理位置。

然而，EDTF的一份反驳报告对EPRI的报告提出了许多担忧，包括对复杂系统中连锁故障的担忧。EPRI和EDTF之间的差异，以及EPRI现场测试和EMP委员会之前的测试之间的差异还没有完全解决。

问：我从你那里听到了很多关于EMP攻击可能有多危险的消息。但是有人真的会用电磁脉冲攻击我们的可能性有多大呢？答：与EMP委员会不同，大多数国家安全专家将EMP攻击视为二级威胁。虽然也许一些小的恐怖组织或流氓国家可能会发动地方性的EMP攻击，可能会摧毁一两个变电站，但任何有能力发动重大EMP攻击的国家都不太可能真的这样做。

问：有何不可？答：因为要发动大规模电磁脉冲攻击，一个国家需要大型核武器。如果一个国家计划使用大型核武器，在战争的病态逻辑中，常规地向城市投掷核武器将比发动电磁脉冲攻击更有意义，后者最多只会在几个州造成一些短暂的电力中断。正如物理学家尤萨夫·巴特(Yousaf Butt)所说，“大规模杀伤性武器比大规模破坏武器更可取”。

问：很有趣。因此，虽然电磁脉冲攻击可能是严重的，但它们没有宣传的那么危险，而且不太可能有人想要发动重大攻击。答：特别有趣的是，由於电磁脉冲攻击的可能性不大，而且即使真的发生也可能只会造成短暂的干扰，因此有专家认为更大的威胁是太阳风暴！从这个角度来看，EMP委员会的优先事项落后了。

问：美国正在采取什么措施来保护自己免受太阳风暴和电磁脉冲的攻击？答：根据EMP委员会的说法，远远不够。EMP委员会成员对监管环境非常挑剔，他们认为监管环境功能失调。联邦能源管制委员会(FERC)，政府机构。

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