A assessment of threats to American power grid
Geomagnetic storm
Geomagnetic storm is due to coronal mass ejections (CME) – massive eruption of plasma exposed from sun’s corona. プラズマとは、自由電子と正電荷を帯びたイオンからなる、物質の4番目の基本的な状態のことです。 5065>
コロナ質量放出は太陽フレアと同時に起こることが多いが、他方がなくても起こることがある。 後者は電磁スペクトルのすべての帯域（白色光、紫外線、X線、ガンマ線など）の放射線を放出し、CMEとは異なり、無線通信以上の影響はほとんどありません。
CMEは地球に到達するまでに数日かかると言われています。 一方、太陽フレアで発生した放射線は8分で到達します。
コロナ質量放出は強烈な磁場を発生させます。 嵐が地球の磁気圏に侵入すると、地球の磁場の形が急激に変化する。 磁気圏や電離層で電流が発生し、地上に電磁場が発生します。 導体、すなわち電線やパイプの周りの磁場の動きは、電流を誘発する。 電線が長ければ長いほど、増幅率は大きくなる。 誘導される電流はDC（直流）のようなもので、電気系統が苦手とするものである。 私たちの送電網は交流に基づいている。 5065>
地磁気擾乱時に HV 変圧器に流れる電流は、嵐シミュレーションと送電網データを使用して推定することができます。 この結果から、内部加熱に対する変圧器の脆弱性を評価することができます。
記録された最大の地磁気嵐は、1859年9月1日～2日に発生しました。 オーロラは遠く南はカリブ海まで見られました。 ロッキー山脈のキャンプ場では、真夜中過ぎに「普通の文字が簡単に読めるほど明るいオーロラの光」で目を覚ました。 一行の何人かは昼間だと言い張り、朝食の支度を始めた」。 5065>
1921年5月にも地磁気の大擾乱（GMD）である鉄道暴風雨が発生した。 全米科学アカデミーは、その嵐が今日発生した場合、1～2兆ドルの損害を与え、完全な復旧には4～10年かかると推定しています。
この主張の根拠は、カリフォルニア州ゴレタのエンジニアリング コンサルティング会社 Metatech の J Kappenman が、2008年5月23日に「将来のソリューション、脆弱性およびリスク」と題する NAS 宇宙天気ワークショップの一部として行ったプレゼンテーションにあります。 このシミュレーションでは、1921年の強度の暴風雨が米国内の300以上の変圧器を損傷または破壊し、1億3000万人が停電になる可能性があると主張している。 また、カッペンマンによると、最悪の場合、地磁気の乱れにより、瞬時に全米の電気サービスの 70% 以上が失われる可能性があるとのこと。 電気事業者によって結成された自主規制の業界団体 NERC (the North American Electric Reliability Council) は、このブラックアウトは地磁気誘導電流による変圧器の過熱ではなく、7 つのリレーがほぼ同時にトリップしたためだと主張しており、これは正しい。 93秒という短時間の電圧低下により、変圧器の熱損傷を防ぐことができたと思われる。 しかし，同じ嵐でニュージャージー州のセーラム原子力発電所の主要な変圧器が破壊された。 1989年のハイドロ・ケベックの嵐は、1921年の鉄道嵐の10分の1の強さだった。
2013年のロイドの報告書は、カリントン級の異常地磁気嵐は将来ほぼ不可避であると述べている。 独自のモデルとシミュレーションを使用して、米国の人口を2000万人から4000万人の間で危険にさらし、停電は最大で1～2年続くとしています。
地理と地面の伝導率のために、変圧器が損害を受けるリスクは、米国のいくつかの郡では他の郡よりも1000倍も高くなっています。 最もリスクが高いのは、ワシントンDCとニューヨークの間の回廊に沿った郡です。
太陽嵐について最初に書かれた記述は、おそらくヨシュア記にあります。
ギリシャ人とローマ人による聴覚的な目撃の書面による報告は、紀元前371年に始まります。
キャリントンレベルの嵐は、2012年に地球をわずかに外しました。 NASAがCMEに関するビデオを作成しました。 以前は 100 年に 1 回の出来事と考えられていたキャリントン級の嵐が地球を襲う可能性は、最近では 10 年間に 12% とされています。
Mitigation
EMP委員会は 2008 年の報告書で、電力システム全体や高価な部品をすべて保護しようとすることは現実的ではないことを明らかにしました。 しかし、回復と復元にかかる時間を短縮し、事象の正味の影響を最小限に抑えるよう設計された計画を求めています。 これは、送電網の「ハード化」、すなわち自然または人為的な混乱や崩壊から国の電力システムを保護するための行動によって達成されるであろう。 このシールドは、サージアレスタや同様の装置によって実現される。 5065>
There has no hardening of the grid
The commission and organization that is responsible for public policy on grid protection is FERC and NERC.議会の EMP 統計を集計すると、グリッドのハード化にかかる費用は 38 億ドル。 FERC（The Federal Energy Regulatory Commission）はエネルギー省内の独立機関である。 5065>
2007年6月、FERCはNERCに、米国のバルク電力システムの信頼性基準を実施する法的権限を付与した。 FERCはいかなる基準も義務付けることはできない。 5065>
GMDに関するNERCの立場は、脅威が誇張されているというものです。
2012年のNERCによる報告書は、地磁気嵐は変圧器の広範囲にわたる破壊を引き起こすことはなく、短期（一時）のグリッド不安定を引き起こすだけだと主張しています。 NERC の報告書は、過去の嵐に対して検証されたモデルを使用しておらず、その作業は査読されていません。
NERCの報告書は、議会のEMP委員会のメンバーによって批判されています。 ピーター・プライ博士は、最終草案は「NERCの職員と電気事業者のインサイダーからなる少人数のグループによって秘密裏に書かれた」と主張している……。 5065>
NERC は、今度は Kappenman の仕事を批判している。 NERCは、Metatechの仕事は独立して確認することができないとしている。 NERC の信頼性管理者である Mark Lauby 氏は、この報告書が独自のコードに基づいていると批判しています。 しかし、カッペンマン氏の報告書はピアレビューで否定的なコメントは得られなかった。
The NERC standards
The reliability standards and operational procedures established by NERC, and approved by FERC, are disputed …。 その中で、
1. GMDに対する基準には、キャリントンのストームクラスレベルが含まれていない。 NERCの基準は、直前30年間の暴風雨だけを調査して導き出されたもので、その中で最大のものはケベック暴風雨であった。 GMDの「ベンチマークイベント」、すなわちシステムが耐えられると予想される最も強い暴風は、NERCによって8V/kmと設定されている。 NERCは、この数値が100年に1度の暴風雨の上限強度を定義するとしている。 しかし、ロスアラモス国立研究所は、キャリントン型イベントの強度を中央値で 13.6 V/km、最大で 16.6 V/km としています。 宇宙衛星（ACEとDSCOVR）が提供する15～45分の地磁気嵐の警告時間は、送電網の損害と崩壊を防ぐために、事業者が協議、調整、行動を実行するには不十分であろうと思われる。
2016年の上院国土安全保障・政府問題委員会の公聴会でロン・ジョンソン上院議員の質問を受けたエジソン電気研究所職員スコット・アロンソンの証言は、問題の一部を要約している。 このやりとりの動画は、ウェブ上で公開されている 。 エジソン電気協会（EEI）は、米国のすべての投資家所有の電気会社を代表する業界団体です
Johnson: Aaronsonさん、ちょっとお聞きしたいのですが、警告15～30分というプロトコルですが、誰がその電話をかけるのでしょうか？ つまり、大規模な地磁気擾乱のために、誰がそれを行うつもりなのか、これらの変圧器のいくつが影響を受けるのか誰も知りません。 このような影響が電線を伝わって、交換不可能な大型変圧器を破壊しないように、誰がそれを停止させる決定を下すのでしょうか。 バルク電気システムを構成する事業者が1900社もあることはお話しました。 送電事業者がいたり…
Johnson (割り込み): 誰が電話をかけるのですか？ 5065>
Aaronson: 電力をカットするほど簡単ではありません。
Johnson: Who makes the call?
Aaronson: I don’t know the answer to that question.
Mr. Aaronson’s is Managing Director for Cyber and Infrastructure Security at EEI.
Trent Franks, R Az Congressman introduced HR 2417, the SHEILD Act, on 6/18/2013. この法案は、バルクパワーシステムの所有者や運営者に、GMDやEMP攻撃からグリッドを保護するための対策を要求する権限をFERCに与えるものである。 その費用は、規制料金の引き上げによって回収される。
フランクス氏は、自分の法案が下院に提出され、投票にかけられると信じていたと述べている。 しかし、下院エネルギー・商業委員会のフレッド・アプトン委員長（ミシガン州選出）は、この法案を委員会で死なせてしまったと述べている。 彼はアプトンから説明を受けることができませんでした。
2011年から2016年の間に、アプトン氏は電気事業業界から118万ドルの選挙寄付を受けています。
電気事業業界は選挙寄付に大きく関与しています。 2014年の連邦選挙期間中、電気事業者業界は2160万ドルの選挙資金を提供した 。 電気事業者業界は、特に州政治に関与している。 例えば、フロリダ州では、2004年から2012年の間に、電気事業者は立法府と州の政治キャンペーンに1800万ドルを寄付している。 その州では、電力会社は議員2人につき1人のロビイストを雇っています。
2015年の電力会社の収入は3910億ドルでした。
電磁パルス
電気ネットワークの崩壊につながるかもしれないシナリオの中で、EMPは最も広く世間の注目を集めています。 これは、テレビシリーズ、映画、小説の題材となっています。 HEMP（高高度）はより正確な頭字語であるが、メディアや一般市民がEMPを使用しているため、我々は両者を互換的に使用する。 EMPを脅威とするメディアで最も著名な記事は、2011年にアトランティック誌に掲載されたパトリック・ディズニーによる「EMPについてあなたを恐怖に陥れるキャンペーン」である。 Newt Gingrichから議会の “EMP Caucus “まで、一部の保守派は、電子機器の爆発が米国に重大な過小評価をもたらすと警告している…弾道ミサイル防衛はこのグループの懸念に対する万能薬のようだが、先制攻撃や対テロ戦争もしばしば処方される」
2009年の時点で、ディズニー氏はNational Iranian American Council (NIAC) の政策ディレクター代理である。 NIACはイラン・イスラム共和国のロビー活動をしていると非難されています。
ディズニー氏は、イランの利益を促進するための戦略は「メディア論争を起こすこと」であると述べています。 5065>
高高度電磁パルス（EMP）は、核兵器が大気圏上空で爆発した際に発生します。 放射線、爆風、衝撃波は地上では感じられず、健康への悪影響もないが、電磁場は地表に到達する。
EMPはパルスの速度によって定義されるE1～E3という3つの要素を持っている。 それぞれは特定の特性を持ち、グリッドに特定の潜在的な影響を及ぼす。 E1は最も速い成分で、主にマイクロエレクトロニクスに影響を与える。 5065>
1 回の核爆発で、アメリカ大陸の半分をカバーする EMP を発生させることができます。 5065>
EMPの潜在的な影響は、核爆発の高度、装置のガンマ収量、爆発地点からの距離、爆発範囲内の場所での地球の磁場の強さと方向、および露出したインフラの脆弱性によって決定される。 E1ガンマ信号は高度50～100kmのバーストで最大となる。 E3 信号は、高度 130 ～ 500 km のバーストで最適化され、E1 信号よりもはるかに高い高度になります。 高度が高いほどカバーされる領域は広くなるが、フィールドレベルは犠牲になる。 5065>
E1とその効果
E1パルス（「高速パルス」）は、高高度での核爆発によって発生したガンマ線（光子）が、上層大気中の原子に衝突することによって生じます。 この衝突により、原子から電子が剥ぎ取られ、その結果、電子の流れは光速に近い速さで地球へと下りてきます。 電子は地球の磁場と相互作用して横流となり、強い電磁波として前方に放射される。 この磁場は導電体に非常に高い電圧と電流を発生させ、多くの電子機器の耐電圧を超えることがある。 5065>
米国議会 EMP 委員会は、E1 がマイクロエレクトロニクス、特に SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)、DCS (Digital Control Systems)、および PLC (Programmable Logic Controller) に主たる影響を及ぼすと仮定している。 5065>
SCADA の電磁パルスに対する脆弱性、ひいてはインフラの脆弱性を評価するために、EMP 委員会は一連のテストに資金を提供し、SCADA 部品を放射電界と部品に接続されたケーブルへの注入電圧の両方にさらすことにした。 その目的は、EMPを模擬した電磁エネルギーに対する機器の応答を観察することでした。 「5065>
E1 は 50,000 V の電圧を発生させますが、今日の小型電子機器の通常の動作電圧は数 (3-4) ボルトに過ぎない傾向があります。 EMP委員会はこう述べている。 EMP委員会では、「国家の重要なインフラがこのようなシステムに多数かつ広範囲に依存していることは、EMP発生後のシステムの継続運用に対するシステム的な脅威となる」と述べている。 映画では、すべての自動車やトラックが動かなくなるシナリオが描かれている。 しかし、そんなことはない。 最近の自動車には、ほぼすべての機能を制御する100個ものマイクロプロセッサーが搭載されているが、電磁両立性の規格が適用されるようになり、脆弱性は軽減された。 EMP委員会は、50kV/mのE1電界レベルでは軽微な損傷しか生じなかったが、より低いピークレベルでも通常のオペレーションに軽微な混乱が生じたとした .
E1 の潜在効果に異議を唱える自著（J・スタインバーガー、ノーベル賞物理学者、1988）が存在する .
E1 の潜在効果に異を唱える自著（J・スタインバーガー、ノーベル賞物理学者、1988）が存在する。 これは孤立した意見です。
E1に対するシールドは、特定のコンポーネントまたは施設全体の周りにファラデーケージを構築することで理論的に達成される可能性があります。 このケージは導電性材料と絶縁バリアで構成され、パルスエネルギーを吸収して直接地中に流します。
効果的なファラデーケージにするためには、導電性のケースでシステムを完全に囲む必要があります。 開口部があると、たとえ金属板間の微小な継ぎ目であっても、保護が損なわれる可能性がある。 しかし、有用であるためには、装置は完全に隔離されているのではなく、外界と何らかのつながりがあることが必要です。 大電流が機器に入らないように金属ケーブルにサージ保護デバイスを使用したり、金属ケーブルを光ファイバーケーブルに置き換えて、金属を一切使用しないことも可能である。 米軍では、E1に対する機器の保護（ハード化）対策を徹底して行っている。 「5065>
E3 とその影響
E3 は、イオン化した爆弾の破片と大気が地磁気と相対運動し、その結果、地磁気に摂動が生じることによって引き起こされます。 これは、数キロメートル以上の送電線などの長い導体に数千アンペアの電流を誘導する。 変圧器には数百から数千アンペアの直流電流が流れ込むことになる。 5065>
E3の物理現象はGMDのそれと似ていますが、同一ではありません。 GMDは、宇宙から降り注ぐ荷電粒子が電離層に電流を流すことで発生します。 この電流が地上に磁場を発生させるのです。 一方、核爆発は、発生した粒子が磁気バブルとなって地球の磁場を押し、地表の磁場が変化する。 5065>
HEMPのE3が送電網に与える影響については、3つの研究がある
最初の研究は、1991年に発表され、被害はほとんどないだろうとした。 電力業界の立場を支持しているが、その後、NERCや電力業界によって引用されることはなかった。 この研究は、脅威の強度を小さく表現していると批判されている。 メタテック社が2010年に発表した2番目の研究では、米国上空170kmで核爆発が起きれば、米国の全電力網が崩壊すると計算している。 2017年2月に発表されたEPRI（電気事業者が出資する組織）による3つ目の研究は、アメリカ大陸上空で1回の高高度バーストが発生しても、広く散在する少数の変圧器にしかダメージを与えないと断言している. この研究は、脅威レベルを過小評価し、誤ったモデルを使用しているとして論争されています.
これらの結果は相容れないものです。 E3（およびGMD）に関する研究の解釈は、その根拠となる委員会や研究所に与える信頼性に大きく依存し、公表された計算結果には依存しない。
FERCはEMPを含むGMD基準を進めないことを決定した . GMDの基準は8V/kmであることを思い出すだろう。 EMP委員会は、ソビエト時代の核実験からの未分類の測定データを利用して、米国大陸上空で爆発した場合のE3 HEMPの予想ピークレベルは85V/kmであることを発見しました。 また、別の結論に達しているところもあります。 イスラエルは送電網を強化しました。 5065>
サイバー攻撃
サイバー攻撃による脆弱性は、私たちが SCADA に依存していることにより、指数関数的に拡大します。 広く拡散していましたが、イランの核濃縮プログラムのP-1遠心分離機用のシーメンス社製SCADAシステムのみを攻撃するように設計されていました。 この攻撃により、イランの遠心分離機の10〜20％が破壊された。 イランのプログラムは短期間しか中断されなかったと思われる 。 2015年12月、ウクライナの電力網にサイバー攻撃が向けられた。 5065>
サイバー脅威が誇張されているという議論もある。 トーマス・リドは、ウイルスやマルウェアが電力網を崩壊させることは今のところあり得ないと述べている。 「サイバー攻撃で人が死んだり、建物が破壊されたりするのを見たことがない」のです。 電気事業者も同様の見解を示しています。 上院の国土安全保障・政府問題委員会でのサイバーセキュリティに関する証言で、その代表者は「送電網にはリスから国家まで多くの脅威があり、率直に言って、国家によるものよりもリス（電線の絶縁体をかじる）の結果としての停電が多い」と述べています
しかし、懸念を表明する人もいます . さらに、2017年の国防総省による報告書では、”米国の重要なインフラに対するサイバー脅威は、蔓延する脆弱性を減らす努力を上回っている “と指摘されています。 その報告書は、「脆弱な情報システムへの極端な依存のために、今日、米国は仮想のガラス張りの家に住んでいる」と指摘しています .
2018年3月15日、国土安全保障省は、ロシア政府がアメリカとヨーロッパの原子力発電所と水と電気のシステムを標的とした一連のサイバー攻撃を仕組んだという警告を発しました .
ロシア政府は、アメリカやヨーロッパの原子力発電所にサイバー攻撃を仕掛けました。 これらの攻撃により、ロシアは発電所を自由に妨害したり停止したりすることができると報告されています .
コンピュータによるアクションがない状態でシステムを運用する能力は、急速に失われつつあります。 電力業界では、手動操作を伴う電気機械システムや装置を新しい SCADA 機器に置き換えるために、年間 14 億ドル以上を費やしています。 効率はそれほど高くないが、脆弱性は指数関数的に増加する。 削減された人件費 (そしておそらくエネルギーコストの削減) が、どの程度一般に還元されるかは不明です。
Kinetic attack
2012年3月に報道機関が入手した FERC 内部メモには、「9つの相互接続変電所と変圧器メーカーを破壊すれば、米国の全グリッドは18か月、おそらくそれ以上も停止する」と書かれていました。 そのメカニズムは、メガワットの電圧が他の変圧器にかかり、それらが過熱して、連鎖的にシステム全体の過負荷と故障を引き起こすというものです。
2013年4月16日にカリフォルニア州メトカーフ (サンノゼ郊外) で、NERC と PG&E は単なる破壊行為であったと主張していますが、 PG&E の所有している高圧変圧器は損害を被りました。 足跡から、6人もの男がこの攻撃を行ったと思われる。 彼らは、使用済みの薬莢にも指紋を残さなかった。 米国FERCのウェリングホフ委員長は、この攻撃は将来の作戦のための予行演習であったと結論づけた。 電力調査会の報告書に記載されているように。 「セキュリティ対策は、それ自体がコスト項目であり、直接的な金銭的見返りはない。 セキュリティ対策はコスト項目であり、直接的な金銭的リターンはない。メリットは、一般に確率の分からない潜在的な攻撃のコストを回避することにある。 5065>
アメリカの大企業におけるCEOの給与は、経営成果を測る最良の尺度は企業の株価であるというハーバード・ビジネス・スクールの理論に基づいている。 これは、一般大衆はもとより、CEOと株主の利害を必ずしも一致させるものではありません。 長期的な成長のための投資よりも、短期的な利益の押し上げを奨励する」のです。
2014年、PG&EのCEO、アンソニー・アーリー・ジュニアは1160万ドルの報酬を得ていました。 90%以上が株価実績に基づくボーナスによるものだった。 PG&Eの社長、クリストファー・ジョーンズの報酬は600万ドルだった 。 しかし、送電網の確保に対する電気事業者の立場が、このようなものであるという証拠はない。 PG&EのスポークスマンJonathan Marshallは、「上級役員の報酬の大部分は、株主が出資し、安全性、信頼性およびその他の結果に関連する目標の達成に依存している」と述べています。