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Modern civilization relies on long-distance power lines and bespoke large power transformers that are highly vulnerable to solar storms, which can cause catastrophic failures and long-term blackouts. These massive transformers are difficult to replace due to their artisanal manufacturing process and complex transportation requirements.
AI 生成摘要
現代文明依賴遠距離輸電線路與客製化的大型電力變壓器，而這些設備在面對太陽風暴時極其脆弱，可能導致災難性的損壞與長期停電。由於這些巨大的變壓器採手工製造且運輸極為困難，一旦損壞將難以迅速更換。
大多數文明社會的電力是在遠離交付地點的地方產生的。這是因為你不會想在城市內部運行燃煤、燃氣或核能電廠並為其補充燃料；水力與風力發電無法移動；而且在平坦的沙漠地形安裝太陽能板比在城市中便宜：
因此在實踐中，這意味著電力需要傳輸數百甚至數千公里。例如，以下是中國的遠距離線路：
Gemini 3.1 Pro-preview 在 AI studio 繪製的美國遠距離線路：
這些是簡化地圖，旨在說明電力線路長得有多麼瘋狂。太陽能風暴脆弱性的真實樣貌看起來像是覆蓋在人口密度上的蜘蛛網（見下文），你可以在上查看。
考慮到所涉及的基礎設施，文明社會發現將發電地點設在距離人口中心數百或數千公里外更具經濟效益，這件事相當令人震驚。例如，橫跨亞馬遜雨林和亞馬遜河，為巴西沿海地區供應內陸的水力發電：
中國的涉及比艾菲爾鐵塔還高的格子型鐵塔，並跨越 2.7 公里的公海：
這些傳輸線路分別承載 2.4 和 6.6 GW 的電力，這非常瘋狂*。全美國數據中心的耗電量只需大約 3 個舟山工程就能供應。
*長江跨越工程擁有地球上最高的輸電塔，高度是舊金山 Salesforce 塔的 1.1 倍。但電流通過導線會產生廢熱！其程度之大，如果你試圖將發出的電力原封不動地傳送到數千公里外的建築物，電力將會全部流失。
解決方案是：對於給定的功率，電壓越高意味著電流越低。
所以訣竅在於：在遠距離傳輸電力之前，先大幅調高電壓（減少電流，從而減少損耗），然後在目的地將其調回可用的水平。
執行此操作的機器是大型電力變壓器 (LPT)，它們是浸泡在礦物油中、包裹著牛皮紙和銅線圈的巨大鐵環。目前現存大約有 16,000 台：美國約有 6,000 台，其他國家有多少則不得而知（這裡的公開數據簡直糟透了）。^()
這種規模的變壓器是手工藝品。它們脆弱、昂貴且獨一無二。把它們想像成明代瓷器或法貝熱彩蛋。它們需要 才能生產，而且只有少數幾家公司能製造。地球每年產量不到一千台。它們的設計使用壽命超過半個世紀。
NanoBanana1LPT 利用了，該定律規定上述變壓器中銅線每繞一「匝」，電壓就會與總匝數成比例地減少或增加。每一匝銅線都由浸泡在機油中的真空密封纖維紙隔開，作為絕緣體。絕緣體迫使通過變壓器的電力不會短路：它不能走它想走的捷徑（如閃電那樣），而是必須走那條漫長、蜿蜒的通道，這不可避免地會調高或調低其電壓。
如果你的電網需要將電壓 X 轉換為電壓 Y，你需要設計具有精確匝數和尺寸的變壓器來完成這項工作：一台 LPT 無法替換另一台電壓規格不同的 LPT，且一旦建成也無法更改。
這些東西也重得離譜：200 到 400 噸，大小相當於一棟小房子。由於超過了道路重量限制，它們需要特製的鐵路貨車 進行運輸，北美大約只有 30 輛這種車。
在美國，移動一台 LPT 需要數月的提前規劃和許可。你必須拆卸變壓器以便鐵路貨車能支撐其重量，排乾其中的油，查詢每一個天橋、道路和橋樑的淨空高度，最後才能在每一段路程中緩慢前行。旅程可能需要數週時間。
來自俄亥俄州一位牧場主的。這段旅程非常複雜，以至於你需要從運輸環節反推來設計你的變壓器：規劃每一座橋樑、鐵軌和隧道進行改造，使其不會損壞鐵軌、能真正通過障礙物，且在途中不會散架。
你還需要根據你所服務的電網特定的、不可更換的（如其或），以及根據當地天氣設定的來進行反推設計。
這就是為什麼製造商需要 2-4 年才能建造一台 LPT：每一台都與下一台截然不同。^() 你無法將一台換成另一台。它們是極度客製化的。
一場規模如的日冕物質拋射（CME），會是一個快速膨脹的有磁性電漿泡，重量約相當於一個小湖泊的質量，以足以在約 17 小時內到達地球的速度從太陽噴射而出。^() 只有百萬分之一的氣泡會擊中地球（1 個天文單位是很長的距離！），而且組成它的所有原子都會從我們的磁層彈開。因此，真正的問題不在於 CME 所包含的荒謬動能（約與希克蘇魯伯隕石相當），而在於它的磁場。
磁場有 50% 的機率朝向南方，在這種情況下，磁場不會像原子那樣從我們自己的磁場彈開，而是會與地球磁場「連結」，激發地球電離層的電流。至關重要的是，在 CME 擊中我們之前約 15-20 分鐘，我們才會知道磁場的方向。這是因為只有位於地球和太陽之間的拉格朗日 L1 點，擁有必要的設備來測量這一點並在 CME 到達前向我們發出警告。
我請 Gemini 3.1 Pro Preview 製作一張 XKCD 風格的 CME 對電噴流影響的圖表。這是一次生成的！熱成層（卡門線正上方的一切）會將大部分電噴流激發轉化為熱量，導致空氣迅速膨脹。如果沒有推進器，衛星將在數天或數週內脫離軌道。此外，百分之一的激發會轉化為美麗的極光。
我們真正關心的是，在我們上方一百公里處劇烈活動的電噴流會導致大陸大小的移動磁場掠過地球表面。當磁場穿過具有廣泛導電性的地球時，會轉化為電流。輸電線路出於安全原因會接地（兩端各有一個銅樁驅動入地），且是周圍導電性最強的東西，因此電流會立即從地面流過這些線路。遠距離電力線路受到的打擊最大，因為受影響的線路越長，電流就越強。
電噴流活動足夠緩慢，以至於這些電流（GIC）每隔幾分鐘就會改變流動方向，就我們的目的而言，這使它們更像是直流電（DC）而非交流電（AC）。與此同時，遠距離傳輸線路使用的是交流電。（它們是，這使我們能夠避免建造回流線路。）
所以你最終會向變壓器輸入被直流電污染的交流電，而這些直流電來自於從地球本身升起的風暴感應電路：
XKCD 風格的 NanoBanana2。變壓器鐵芯依賴於磁通量在幾分之一秒內向一個方向流動，下一秒向另一個方向流動的可靠性，且磁場強度要低於鐵芯在不飽和情況下所能承受的強度。例如，對於額定值為 1.7T 的變壓器，電流將每秒 60 次（60Hz）從 1.5 特斯拉的磁強度波動到 -1.5 特斯拉。^() 交流電中混入一點點直流電會立即導致交流電失控，磁場波動範圍例如從 -1.2T 到 1.8T，在半個週期內使鐵芯飽和。飽和的鐵芯並不比空氣產生磁場好到哪去：這就像每 8 毫秒將鐵芯傳送到太空中一次，在那段時間內留下銅線圈，沒有任何東西可以控制電流的吞吐量。這會產生一個混亂的磁場，在密封箱內瘋狂擺動，試圖抓住任何除了鐵芯以外可以容納它的東西。
結果是災難性的：變壓器的主架、散熱片、結構中的每一個螺栓，突然間都受到強烈磁力的作用，並立即轉化為熱量，而變壓器是一個裝滿了紙和機油的箱子……
即使變壓器沒有發生劇烈、混亂的爆炸，其中金屬過熱的影響也非常糟糕。熱量會導致包裹電線的紙張被烤焦，降解到足以使線圈相互暴露。事實上，這就是為什麼變壓器無論如何每半個世紀就需要更換的原因。變壓器內部會出現微小的閃電弧，因為電流會尋找從 A 到 B 最快的路徑，這意味著是線圈對線圈，而不是通過線圈。電弧產生更多熱量，烤焦更多紙張，進而產生更多電弧。這就是為什麼變壓器可能在幾分鐘內爆炸，或者如果被操作員關閉電流而僥倖獲救，也會嚴重退化。即使在卡靈頓事件中地球上只有幾百台 LPT 爆炸，在 CME 發生後的數週或數月內，還會有數千台安靜地失效。
這是不可逆的。你無法將紙張從銅線上剝離，因為它們結合得太緊密了。一旦變壓器報廢，它就徹底報廢了。現在你必須在發生大規模停電、需求激增的情況下，訂購、運輸並將 LPT 更換到你那客製化的電網位置。
我告訴過你它們是法貝熱彩蛋：
*如果一場停電的解決方案受限於我們製造新變壓器的能力，那將會是地獄。冰箱、水處理廠、污水處理系統、醫院、路燈、工廠、食品加工和數據中心全都是用電的東西。
自動關閉電網（變壓器的劇烈震動有時會觸發斷路器，儘管並非總是如此）或由操作員關閉電網，稍後將需要進行來重新初始化電網，這可能需要數週時間（電網中到處都是電力的先有雞還是先有蛋的問題；例如，發電機需要電力才能開始旋轉，就像你需要搭電啟動汽車一樣）。
2001 年，一場太陽能風暴襲擊了紐西蘭，導致永久損壞。紐西蘭只有幾百台大型變壓器，且紐西蘭暴露在南方電噴流中；弄清楚如何不讓變壓器永久損壞成為了 Transpower（唯一的！）國家電網運營商的首要任務。這體現為安裝了 72 個 GIC 傳感器、建立了整個傳輸網絡的詳細模型和紐西蘭地面導電率圖，以及一項斷開關鍵位置的計劃，這些位置會將 GIC 風險最集中地引向最脆弱的變壓器。當 風暴來襲時，電網成功重新路由並部分關閉，在繼續服務消費者的同時保護了大多數紐西蘭的變壓器。紐西蘭是地球上對卡靈頓事件準備最充分的國家，如果發生此類事件，仍有 13-35% 的變壓器面臨永久損壞的風險。（但與大多數電網不同，他們承認這個問題！）
美國有超過 3,000 家公用事業公司，而不是一家。在美國，沒有任何權力機構可以在 20 分鐘的窗口期內下令「斷開這 12 個州的這 50 條線路」。
魁北克與紐西蘭一樣，暴露在極地的電噴流中；但它還坐落在上，這塊岩石起到了絕緣體的作用，迫使磁場從地面「彈開」而不是被吸收，這對地表的電力線路和變壓器的影響更大。
在 ，一場太陽能風暴襲擊了魁北克，使其所有變壓器鐵芯發生半週期飽和，導致其 LPT 從電網中汲取巨大電流，觸發了各處的斷路器，導致魁北克在 90 秒內陷入停電。重新初始化電網花了 9 個小時，期間該地區一片漆黑。
魁北克電網之所以關閉得如此之快，是因為它的運作方式像一個漏斗，所有電力都來自集中的幾條線路：
Gemini 3.1 Pro。而那些 SVC（在這些電力線路長度上維持電壓的機器）被調整為通過觸發斷路器並關閉線路來對諧波做出反應，從而給其他線路增加更多負載，導致更多斷路器觸發，依此類推，直到所有遠距離傳輸線路在 2 分鐘內全部癱瘓。
這實際上是糟糕的設計：魁北克電網把所有的雞蛋都放在一個籃子裡，對於像冰暴（如 ）這樣的威脅，它更有可能失敗。相比之下，像美國東海岸那樣密集的蜘蛛網狀電網，在自然事件中損失數百或數千條傳輸線路後大多仍能正常運行：每條線路都有數十個冗餘，可以立即重新路由電力。美國電網擁有強大的免疫系統來對抗傳輸線路故障；魁北克則不然。
但對於 GIC 來說呢？電網自行關閉是完美的，因為它立即切斷了 LPT 與電源的聯繫，使其免於被燒毀。事實上，紐澤西州核反應爐附近的一台因 1989 年的同一場風暴而永久毀壞，而魁北克的變壓器卻完好無損，這是因為每一次電網故障都一直在將電力重新路由到每一條其他線路，變壓器在整個風暴期間都暴露在 GIC 中。美國電網容易患上「自體免疫疾病」，因為在太陽能風暴中掙扎著維持電力運行的電網，正是對其變壓器造成最大損害的電網。這次故障發生得無聲無息：風暴期間沒有警報響起，因為電網並非設計用來檢測或防禦 GIC。變壓器只是在第二天悄悄失效了。鑑於南非的前例（導致 在事件發生後的數週和數月內損壞），1989 年的風暴很可能也使數十台美國變壓器的壽命縮短了一半或更多，而我們只是沒想到要檢測它，因為當時還不流行（溶解氣體分析）。^()
魁北克發誓不讓這種情況再次發生，並在所有線路上安裝了串聯電容器——這種設備可以阻擋直流電但讓交流電通過。這是一項昂貴的措施，因為電容器並不便宜，且需要對線路進行重大改造。它們還必須全面實施，因為受保護的線路只會給未受保護的線路增加更多負載，使脆弱的變壓器更容易被燒毀。一位公用事業工程師在 2021 年聲稱：「如果 1989 年的風暴今天再次發生，我相信魁北克不會停電。」「……有信心我們的網絡能夠在預期的最壞情況 GIC 中倖存下來。」
（我會大力推薦他們，我發誓他們沒有贊助我）是由一家成立於 2010 年代的公司發明的一種巧妙的接地中性點阻斷器（魁北克在 1990 年代為其電網建立了保護措施，這就是為什麼他們不得不採取比 SolidGround 昂貴得多的途徑）。
未接地的變壓器是一種危險；但同時，接地電纜正是 GIC 的來源。SolidGround 的做法是安裝在中性點上，並提供一條與正常金屬接地路徑平行的電容阻斷路徑。如果地面檢測到一定閾值的直流電，SolidGround 會在幾秒鐘內啟動，並關閉默認接地路徑，取而代之以電容阻斷路徑。電容器阻斷直流電但允許交流電通過：變壓器仍將接地，但對 GIC 具有免疫力。SolidGround 增加了第三條路徑，他們稱之為「火花隙」，這是機密知識產權，可以在電容阻斷路徑啟動的太陽能風暴期間，在出現意外高壓的情況下提供一條通往地面的暴力路徑。這大概可以讓 SolidGround 在卡靈頓事件中很好地保護變壓器。每個售價 50 萬美元！安裝只需數小時，且完全不會影響電網，只影響變壓器正下方的接地電纜。
Gemini 3.1 Pro。聯邦公用事業機構（如 TVA）安裝了三台此類設備，費用由奧巴馬的和後來的支付。它們在 2024 年甘農風暴（紐西蘭通過調整電網成功應對的同一場風暴）期間的表現完全符合預期。得到了國家實驗室和兩屆政府的驗證……然後就沒了。
據報導，中國 SolidGround 背後的知識產權，並一直在安裝自己的仿製品以防禦 GIC。^() 但美國人做得並不多。SolidGround 的所有客戶都在國外（客戶未披露）。
僅僅是平凡的太陽能風暴（只要在任何地方看到極光，那就是太陽能風暴）每年造成的損失估計就達 100 億美元。這還沒有算入像卡靈頓事件這樣的尾端風險，該事件很容易讓經濟損失數萬億美元並導致數萬人死亡，這相當於每年數十億美元的預期價值。與此同時，用 SolidGround 保護美國電網「最關鍵的 6,000 台變壓器」將花費美國 。這僅佔 2021 年基礎設施法案的 0.3%，一年內即可回收成本！
特別要注意的是，規模經濟適用於 SolidGround 設備，其程度遠高於大型電力變壓器這類法貝熱彩蛋。事實上，我不相信報告中關於保護 6,000 台變壓器需要 30-40 億美元的估計；規模經濟很可能將成本降低到每台設備約 20-30 萬美元（這些東西真的不複雜，它們只是體積大且需要堅固的材料品質），這將使總訂單減少到約 20 億美元，並使其他國家保護自己的電網變得便宜得多。
為什麼這還沒有發生？可能是以下因素的結合：a) 變壓器可以使用很長時間，讓一台變壓器使用 50 年而不是 42 年理論上可以在未來為公司節省 200 萬美元，但與此同時會增加運營成本（「所有新項目都要額外增加 50 萬美元？？就為了讓我們能撐到 2060 年？」）；以及 b) 像卡靈頓事件這樣的尾端風險是無法承保的，因為它們是高度，而這裡的「保險」後盾是政府本身。當政府在卡靈頓事件導致失敗時負有責任時，就沒有什麼動力去提高變壓器的安裝成本。
要達到能夠安全抵禦大型太陽能風暴的狀態，政府的預防性干預可能是必要的。這還是在美國——世界其他地區甚至不一定有預算大規模購買這些東西。負擔不起這些東西的國家，往往也與那些如果陷入數月停電將承受巨大生命財產損失的國家高度相關。
購買幾十個 SolidGround 安裝在幾十個國家作為演示（例如紐西蘭會對此感興趣，考慮到他們目前對太陽能風暴的嚴肅態度）可能是一個被忽視的慈善事業。
一場卡靈頓事件級別的太陽能風暴——Coefficient Giving 的一份報告估計其可能性約為——將對地球造成巨大破壞。但除了知道這一點外，很難準確判斷破壞程度會有多大，以及會發生在哪裡。
大多數公用事業公司對其具體規格保密。有多少變壓器已經被屏蔽了？有多少變壓器位於像魁北克那樣敏感且孤立、足以因斷路器觸發而自行關閉的電網中？有多少變壓器位於電網的一個節點上，該節點會首先自行關閉，使周圍的所有變壓器遭殃，但在電網停電多米諾骨牌情景中卻能保持自身完好無損？
至於讓一個國家 50% 或 75% 或 [啊啊啊沒數據啊^()] 的地區陷入黑暗的影響，很難判斷會有多糟糕。長期停電的例子有限，以至於像「社會將崩潰，數千萬人將死亡」（如一位前 CIA 局長在中所述）這樣激進的說法很難被量化。同樣難以判斷的是，將倖存的傳輸線路重新路由到水處理和污水處理等優先基礎設施的效果如何。^()
但卡靈頓事件不會摧毀地球上的電子設備（儘管它可能會損壞衛星），正如我在 Twitter 上看到一些人聲稱的那樣。它可能也不會損壞電源及其發電機，因為這些設備往往已經針對電網的任何異常情況進行了保護。大型太陽能風暴的影響基本上完全侷限於大型電力變壓器的一種特定失效模式，而這恰好可以通過現有的、相對廉價的技術完全預防。我們只是需要，你知道的，真正去安裝它。
感謝 資助這篇文章，感謝 Opus 4.6 提供的許多研究，以及 進行的最後一刻事實查核。
我想繼續進行這類研究。你可以在 上支持我！
^()正確估計這一點很有趣，因為表面上看這應該很容易：Google Earth 讓你看到地球上的每一台變壓器，你可以訓練一個模型來單獨計數。但變壓器是如此地客製化，以至於僅僅知道有多少變壓器形狀的東西，並不能幫助你估計太陽能風暴會有多糟糕。
^()製造商往往是：現代電力（韓國）、西門子（德國）、日立能源（日本/瑞士）、曉星（HICO，韓國）。
美國國內生產 LPT 的能力非常有限（每年僅幾十台）。與此同時，中國生產了全球約 60% 的變壓器（每年幾百台 LPT），主要供應國內市場。提醒一下：
但重要的是，最初的卡靈頓事件是在 17 小時內到達的，而不是太陽能風暴通常的 1-3 天；巧合的是，之前的太陽能風暴已經「清理」了原本會減慢其速度的粒子路徑。2012 年一場以 9 天之差險些避開我們軌道的卡靈頓級風暴也以類似的速度移動。考慮到，最壞的情況甚至可能只有 15 小時的預警時間！
值得注意的是，對於普通風暴，速度和強度呈正相關，相關係數為 0.66；太陽表面的風暴區域會在數天內發射多次 CME，這既增加了卡靈頓級太陽能風暴的可能性，也增加了「除雪機式」CME 的可能性。
為了讓大家對規模有個概念，甘農風暴的發源點肉眼可見，跨度達 10-15 個地球直徑。CME 在向地球投射時會迅速膨脹，因此我們會在超活躍區域的火力線中穿行 5-7 天。
卡靈頓事件之所以罕見，是因為你需要一個「金髮姑娘」邊界：一個異常巨大且充滿能量的活躍區域 + 在面向地球的窗口期內達到閃焰峰值（機率各半；閃焰峰值可能發生在活動的 2-3 週內的任何時間，而太陽自轉週期約為 27 天） + 撞擊地球時磁場方向向南（機率各半） + 用於達到最大速度和強度的除雪機式預處理。
來自 Kurzgesagt 的
^()LPT 已經夠重且難以運輸了：提供超過 0.2 特斯拉的飽和餘裕將會非常昂貴。
^()對變壓器箱中裝滿的牛皮紙和機油物質的損壞，可以通過取樣並確定其含有的溶解氣體量來測量。這與太陽能風暴引起的化學分解程度直接相關。
發現氫氣濃度升高意味著「我正在經歷局部放電」。乙炔意味著「我內部有電弧，這很糟糕」。一氧化碳上升意味著「我的紙絕緣層正在烤焦」。
例如，以下是南非工程師在他們的一台變壓器中發現的情況（圖表見於 Opefficient Givanthropy 之前的）：
這讓我感到沮喪，因為 Emprimus 在尋找客戶方面遇到了困難，而他們的設備之所以要價 50 萬美元，首要原因就是唯一在推廣它的人完全沒有為設計背後 10 年的時間和數百萬美元的研發費用支付任何報酬。
但就像許多關於 AI 能力的說法（治癒癌症等）一樣，它受限於數據。
德州估計損失達 800-1,300 億美元，且至少有 250 人死亡——這還是在一個擁有 3,000 萬人口的州。