Електромагнітний імпульс ядерного вибуху — це спалах електромагнітного випромінювання, створений ядерним вибухом. Електричні та магнітні поля, що швидко змінюються, можуть взаємодіяти з електричними та електронними системами, створюючи шкідливі стрибки струму та . Специфічні характеристики конкретного ядерного ЕМІ змінюються залежно від ряду факторів, найважливішим з яких є висота вибуху.
Термін «електромагнітний імпульс» зазвичай виключає оптичний (інфрачервоний, видимий, ультрафіолетовий) та іонізуючий (наприклад, рентгенівське та гамма-випромінювання) діапазони. У військовій термінології ядерна боєголовка, що вибухнула на висоті десятків або сотень кілометрів над поверхнею Землі, відома як . Вплив висотного ядерного вибуху залежить від таких факторів, як висота вибуху, вихід енергії, вихід гамма-випромінювання, взаємодія з магнітним полем Землі та електромагнітне екранування цілей.
Історія Той факт, що електромагнітний імпульс створюється ядерним вибухом, був відомий у перші дні випробувань ядерної зброї. Величина ЕМІ та значення його наслідків не були усвідомлені одразу.
Під час першого ядерного випробування США 16 липня 1945 року електронне обладнання було екрановане, оскільки Енріко Фермі очікував електромагнітного імпульсу. Офіційні технічні записи про це перше ядерне випробування стверджують: «Усі сигнальні лінії були повністю екрановані, у багатьох випадках подвійно екрановані. Незважаючи на це, багато записів було втрачено через наведення під час вибуху, яке паралізувало записувальне обладнання.»: 53 Під час у 1952—1953 рр. несправності приладів пояснювали «», як вони називали ЕМІ.
Перше відкрито зареєстроване спостереження унікальних аспектів ЕМІ висотного ядерного вибуху відбулося під час ядерного випробування Юкка з гелієвою кулею з серії 28 квітня 1958 року. У цьому тесті вимірювання електричного поля від зброї потужністю 1,7 кілотонни перевищили діапазон, на який були налаштовані тестові прилади, і, за оцінками, приблизно в п'ять разів перевищували межі, на які були встановлені осцилографи. EMI Юкки спочатку був позитивним, тоді як сплески на низькій висоті були негативними імпульсами. Крім того, поляризація сигналу EMI Юкки була горизонтальною, тоді як EMI низьковисотного ядерного вибуху був вертикально поляризованим. Незважаючи на ці численні відмінності, унікальні результати EMI були відкинуті як можлива аномалія поширення хвилі.Defense Atomic Support Agency. 23 September 1959. «Operation Hardtack Preliminary Report. Technical Summary of Military Effects . Report ADA369152». pp. 346—350.
Висотні ядерні випробування 1962 року, як обговорюються нижче, підтвердили унікальні результати висотних випробувань Юкки та підвищили обізнаність про ЕМІ висотного ядерного вибуху за межами початкової групи вчених із оборони. Велике наукове співтовариство усвідомило важливість проблеми ЕМІ після того, як у 1981 році опублікував серію з трьох статей про ядерний ЕМІ у Science.
Starfish Prime
У липні 1962 року США провели випробування , підірвавши 1,44-мегатонну (6,0 ПДж) бомбу на висоті 400 км над серединою Тихого океану. Це продемонструвало, що наслідки були набагато більшими, ніж передбачалося раніше. Starfish Prime зробило відомими ці ефекти громадськості, спричинивши пошкодження електрики на Гаваях, на відстані приблизно 1445 км від місця вибуху, вимкнувши приблизно 300 вуличних ліхтарів, спровокувавши спрацювання численних охоронних сигналізації та пошкодивши мікрохвильову лінію.
Starfish Prime було першим успішним випробуванням у серії висотних ядерних випробувань Сполучених Штатів у 1962 році, відомих як . Подальші тести зібрали більше даних про явище ЕМІ висотного ядерного вибуху.
Висотні ядерні випробування і у жовтні та листопаді 1962 року під час операції Fishbowl дали достатньо чіткі дані, які дозволили фізикам точно визначити фізичні механізми, що стоять за електромагнітними імпульсами.
Пошкодження від електромагнітного випромінювання під час випробування Starfish Prime було швидко виправлено, частково через те, що електромагнітне випромінювання над Гаваями було відносно слабким у порівнянні з тим, що могло б бути створено більш інтенсивним імпульсом, а також частково через відносну міцність (порівняно з сьогодні) електричної та електронної інфраструктури Гаваїв у 1962 р.
Відносно невелика величина ЕМІ Starfish Prime на Гаваях (близько 5,6 кіловольт/метр) і відносно невелика кількість пошкоджень (наприклад, лише від 1 % до 3 % вуличних ліхтарів погашено) змусили деяких вчених у перші дні досліджень повірити, що проблема ЕМІ може бути незначною. Пізніші розрахунки показали, що якби боєголовка Starfish Prime була підірвана над північною частиною континентальної частини Сполучених Штатів, величина ЕМІ була б набагато більшою (від 22 до 30 кВ/м) через більшу силу магнітного поля Землі над США, а також його відмінної орієнтації у високих широтах. Ці розрахунки в поєднанні з дедалі більшою залежністю від мікроелектроніки, чутливої до ЕМІ, посилили усвідомлення того, що ЕМІ може бути значною проблемою.
Радянське випробування 184 У 1962 році Радянський Союз провів у космосі над Казахстаном три ядерні випробування із застосуванням ЕМІ, останні в рамках «ядерних випробувань радянського проекту К». Незважаючи на те, що ця зброя була набагато меншою (300 кілотонн), ніж випробування Starfish Prime, її проводили над населеною великою сушею та в місці, де магнітне поле Землі було сильнішим. Повідомляється, що збиток, спричинений отриманим ЕМІ, був набагато більшим, ніж у Starfish Prime. Імпульс E3, схожий на геомагнітну бурю, з випробування 184 викликав стрибок струму в довгій підземній лінії електропередач, який викликав пожежу на електростанції в місті Караганда.
Після розпаду Радянського Союзу рівень цієї шкоди був неофіційно повідомлений вченим США. Кілька років американські та російські вчені співпрацювали над феноменом ЕМІ висотного ядерного вибуху. Було забезпечено фінансування, щоб дати можливість російським вченим повідомити про деякі радянські результати щодо ЕМІ в міжнародних наукових журналах. Як наслідок, існує офіційна документація щодо деяких збитків від ЕМІ у Казахстані, але її все ще мало у відкритій науковій літературі.
Для одного з випробувань проекту К радянські вчені спорудили 570-кілометрову ділянку телефонної лінії в зоні, на яку очікується вплив імпульсу. Контрольована телефонна лінія була розділена на відрізки довжиною від 40 до 80 км, розділені повторювачами. Кожен відрізок був захищений запобіжниками та газонаповненими захистами від перенапруги. ЕМІ від ядерного випробування (K-3) 22 жовтня (також відомого як випробування 184) перепалив всі запобіжники та знищив всі пристрої захисту від перенапруги в усіх відрізках.
Опубліковані звіти, включаючи статтю IEEE 1998 року, стверджують, що під час випробувань були значні проблеми з керамічними ізоляторами на повітряних лініях електропередачі. У технічному звіті 2010 року, написаному для національної лабораторії Оук-Рідж, зазначено, що «ізолятори лінії електропередач були пошкоджені, що призвело до короткого замикання на лінії, а деякі лінії від'єдналися від полюсів і впали на землю».
Характеристики Ядерне електромагнітне випромінювання є складним багатоімпульсним, зазвичай описуваним у термінах трьох компонентів, як визначено Міжнародною електротехнічною комісією (IEC).
Три компоненти ядерного ЕМІ, як визначено IEC, називаються «E1», «E2» і «E3».
E1 Імпульс E1 є дуже швидким компонентом ЕМІ ядерного вибуху. E1 — це короткочасне, але інтенсивне електромагнітне поле, яке індукує високу напругу в електричних провідниках. E1 спричиняє більшу частину пошкоджень, викликаючи перевищення . E1 може зруйнувати комп'ютери та комунікаційне обладнання, і він змінюється надто швидко (наносекунди), щоб звичайні пристрої захисту від перенапруги могли забезпечити ефективний захист від нього. Швидкодіючі пристрої захисту від перенапруги (наприклад, ті, що використовують діоди TVS) блокуватимуть імпульс E1.
E1 утворюється, коли гамма-випромінювання від ядерної детонації іонізує атоми (вилучає з них електрони) у верхній атмосфері. Це явище відоме як ефект Комптона, а отриманий струм називається «струмом Комптона». Електрони рухаються в основному вниз із релятивістською швидкістю (більше 90 відсотків швидкості світла). За відсутності магнітного поля це створить великий радіальний імпульс електричного струму, що поширюється назовні від місця спалаху, обмеженого областю джерела (областю, над якою гамма-фотони послаблюються). Магнітне поле Землі діє на потік електронів під прямим кутом як до поля, так і до початкового вектора частинок, що відхиляє електрони та призводить до синхротронного випромінювання. Оскільки гамма-імпульс, що йде назовні, поширюється зі швидкістю світла, синхротронне випромінювання електронів Комптона когерентно додається, що призводить до випромінювання електромагнітного сигналу. Ця взаємодія викликає великий, короткий електромагнітний пульс.
Кілька фізиків працювали над проблемою ідентифікації механізму імпульсу E1. Механізм був остаточно ідентифікований з Національної лабораторії Лос-Аламоса в 1963 році.
Лонгмайр наводить числові значення для типового випадку імпульсу E1, створеного ядерною зброєю другого покоління, як-от під час . Типові гамма-промені, які випромінює зброя, мають енергію приблизно 2МеВ (мега електрон-вольт). Гамма-промені передають приблизно половину своєї енергії викинутим вільним електронам, даючи енергію приблизно 1МеВ.
У вакуумі та за відсутності магнітного поля електрони рухалися б із густиною струму в десятки ампер на квадратний метр.Longmire, Conrad L. LLNL-9323905, Lawrence Livermore National Laboratory. June 1986 «Justification and Verification of High-Altitude EMP Theory, Part 1» (Retrieved 2010-15-12) Через низхідний нахил магнітного поля Землі на високих широтах область пікової напруженості поля має U-подібну форму на екваторіальній стороні детонації. Як показано на діаграмі, для ядерних вибухів у Північній півкулі ця U-подібна область знаходиться на південь від точки детонації. Поблизу екватора, де магнітне поле Землі наближене до горизонтального, напруженість поля E1 більш симетрична навколо місця спалаху.
При напруженості геомагнітного поля, характерній для середніх широт, ці початкові електрони обертаються по спіралі навколо ліній магнітного поля з типовим радіусом приблизно 85 м. Ці початкові електрони зупиняються через зіткнення з молекулами повітря на середній відстані приблизно 170 м. Це означає, що більшість електронів зупиняється до завершення повної спіралі навколо ліній поля.
Ця взаємодія негативно заряджених електронів з магнітним полем випромінює імпульс електромагнітної енергії. Імпульс зазвичай досягає максимального значення приблизно за п'ять наносекунд. Його величина зазвичай зменшується наполовину протягом 200 наносекунд. (Згідно з визначенням IEC, цей імпульс E1 закінчується приблизно через 1000 наносекунд після початку.) Цей процес відбувається одночасно приблизно на 1025 електронах. Одночасна дія електронів спричиняє когерентне випромінювання результуючого імпульсу від кожного електрона, створюючи одиничний вузький імпульс великої амплітуди.
Вторинні зіткнення призводять до того, що наступні електрони втрачають енергію до того, як досягнуть поверхні землі. Електрони, утворені цими наступними зіткненнями, мають настільки малу енергію, що вони не роблять значного внеску в імпульс E1.
Ці гамма-промені з потужністю 2 МеВ зазвичай створюють імпульс E1 поблизу рівня землі на помірно високих широтах, який досягає піку близько 50 000 вольт на метр. Процес іонізації в середній стратосфері призводить до того, що ця область стає електричним провідником, що блокує утворення подальших електромагнітних сигналів і призводить до насичення напруженості поля приблизно до 50 000 вольт на метр. Сила імпульсу E1 залежить від кількості та інтенсивності гамма-випромінювання, а також від швидкості гамма-спалаху. Сила також певною мірою залежить від висоти.