Введение

Захват заряженных частиц вдоль геомагнитных линий силы. Эффект Кристофилоса, иногда называемый эффектом «Аргус», относится к улавливанию электронов, образующихся при взрыве ядерного оружия, в магнитном поле Земли. Впервые этот эффект был предсказан Николасом Кристофилосом в 1957 году. Он предположил, что эффект может быть использован в оборонительных целях в ядерной войне: если в магнитном поле захватить достаточное количество бета-частиц, то пролетающие через эту область боеголовки будут подвергаться воздействию огромных электрических токов, способных вывести из строя их электронные системы подрыва. Идея о том, что несколько собственных боеголовок могут нарушить атаку противника, казалась настолько перспективной, что в график испытаний США спешно внесли серию новых ядерных взрывов, прежде чем в конце 1958 года вступил в силу мораторий на испытания. Эти испытания показали, что эффект оказался значительно слабее, чем предполагалось, и недостаточен для повреждения боеголовки. Тем не менее, эффект достаточно силен для вывода из строя радиолокационных систем и нарушения работы спутников.

Электроны от ядерных взрывов

Среди видов энергии, высвобождаемой при ядерном взрыве, находится большое количество бета-частиц, или высокоэнергетических электронов. Они в основном являются результатом бета-распада в обломках деления, составляющих примерно 50% общей мощности взрыва в большинстве конструкций. Поскольку электроны несут электрический заряд, они индуцируют электрические токи в окружающих атомах, проходя мимо них на высокой скорости. Это вызывает ионизацию атомов и замедление бета-частиц. В нижних слоях атмосферы эта реакция настолько интенсивна, что бета-частицы замедляются до тепловых скоростей в пределах нескольких десятков метров. Это происходит внутри типичного огненного шара ядерного взрыва, поэтому эффект слишком мал для наблюдения. На больших высотах, из-за гораздо меньшей плотности атмосферы, электроны могут свободно перемещаться на значительные расстояния. Они обладают достаточной энергией, чтобы не быть захваченными протоном, образовавшимся при бета-распаде, и, теоретически, могут существовать неограниченно долго.

Зеркальный эффект

В 1951 году, в рамках первой волны исследований в области термоядерной энергии, исследователь из Калифорнийской радиационной лаборатории в Ливерморе ("Ливермор") Ричард Ф. Пост представил концепцию магнитного зеркала. Зеркало – это обманчиво простое устройство, состоящее главным образом из цилиндрической вакуумной камеры, содержащей термоядерное топливо, и электромагнита, обмотанного вокруг неё для формирования модифицированного соленоида. Соленоид обычно генерирует линейное магнитное поле вдоль центра своей оси, в данном случае – вдоль середины вакуумной камеры. Когда заряженные частицы помещаются в магнитное поле, они движутся по спирали вокруг силовых линий, что в данном случае предотвращает их боковое движение и столкновение со стенками камеры. В обычном соленоиде они все равно могли бы свободно перемещаться вдоль линий поля и, таким образом, выходить через концы. Проницательность Поста заключалась в том, чтобы намотать электромагнит таким образом, чтобы поле было сильнее на концах, чем в центре камеры. По мере того, как частицы движутся к концам, эти более сильные поля сближают силовые линии, а полученное искривление поля заставляет частицы "отражаться" обратно, что и дало название "зеркало". В идеальном магнитном зеркале частицы топлива должны были бы многократно отражаться, не достигая концов и не касаясь боковых стенок цилиндра. Однако даже в теории ни одно зеркало не является идеальным: всегда существует группа частиц с достаточной энергией и траекторией, позволяющей им выходить через концы через "конус потерь". Это делает магнитные зеркала по своей природе системами с утечками, хотя первоначальные расчеты показали, что скорость утечки достаточно мала для использования в термоядерном реакторе.

Эффект Кристофилоса

Форма магнитного поля Земли, или геомагнитного поля, аналогична форме магнитного зеркала. Поле расширяется наружу над экватором, а затем сужается по мере приближения к полюсам. Такое поле, таким образом, отражает заряженные частицы так же, как и зеркала Поста. Это не было новым открытием; уже давно было установлено, что это лежит в основе формирования полярных сияний. В случае полярных сияний частицы солнечного ветра начинают вращаться вокруг силовых линий, отражаясь вперед и назад между полюсами. При каждом прохождении часть частиц просачивается мимо зеркальных точек и взаимодействует с атмосферой, ионизируя воздух и вызывая свечение. Электроны, высвобождаемые при делении, обычно находятся в диапазоне от 1 до 100 м. Изначально они подвергаются зеркальному отражению высоко в атмосфере, где маловероятно их взаимодействие с атмосферными атомами, и могут отражаться туда-сюда в течение некоторого времени. Если рассматривать полную "орбиту" от северного полюса к южному и обратно, электроны естественным образом проводят больше времени в зеркальных областях, поскольку именно там они замедляются и меняют направление. Это приводит к увеличению плотности электронов в зеркальных точках. Магнитное поле, создаваемое движущимися электронами в этой области, взаимодействует с геомагнитным полем таким образом, что зеркальные точки опускаются в атмосферу. Там электроны подвергаются большему количеству взаимодействий, поскольку плотность атмосферы быстро возрастает. Эти взаимодействия замедляют электроны, что приводит к уменьшению создаваемого ими магнитного поля и, в конечном итоге, к достижению точки равновесия в верхних слоях атмосферы на высоте около. Использование этой средней высоты в качестве основы для расчета плотности воздуха позволило вычислить скорость взаимодействия с атмосферой. Расчеты показали, что среднее время жизни электрона составляет около 2,8 дней.

Пример

Кристофилос привел в качестве примера взрыв бомбы. Это вызовет 10 делений, каждое из которых произведет четыре электрона. Для рассматриваемых зеркальных точек почти любая бета-частица, движущаяся приблизительно вверх или вниз, будет захвачена, что, по его оценкам, составляет около половины от их общего числа, оставляя 2 × 10 электронов, захваченных в поле. Из-за формы магнитного поля Земли и принципа правой руки электроны будут дрейфовать к востоку и в конечном итоге сформируют оболочку вокруг всей Земли. Если предположить равномерное распределение электронов, будет достигнута плотность 0,2 электрона на кубический сантиметр. Поскольку электроны движутся с высокой скоростью, любой объект в поле будет подвергаться воздействию примерно 1,5 × 10 электронов в секунду на квадратный сантиметр. Эти столкновения замедляют электроны, что посредством тормозного излучения высвобождает радиацию в объект. Интенсивность тормозного излучения зависит от атомного номера (Z) материала. Для объекта со средним Z, равным 10, полученный поток составит около 100 рентген в час, по сравнению с медианной смертельной дозой в 450 рентген. Кристофилос отметил, что это представляет значительный риск для космических путешественников и их электронного оборудования. Когда возвращаемые аппараты (RV) от межконтинентальных баллистических ракет (МБР) приближаются к своим целям, они движутся со скоростью примерно , или около. RV, проходящий через зеркальный слой, где электроны наиболее плотно сконцентрированы, таким образом, будет находиться в центре электрического поля около десяти секунд. Из-за высокой скорости боеголовки, наблюдаемый скачок напряжения вызовет огромный ток в любых ее металлических компонентах. Это может быть настолько велико, что расплавит корпус, но более вероятно, что разрушит механизм подрыва или систему наведения. Плотность поля максимальна в зеркальных точках, которых всегда две для каждого взрыва, так называемые магнитные конъюгаты. Взрыв может произойти в любой из этих двух точек, и магнитное поле приведет к их концентрации в другой точке. Кристофилос отметил, что магнитный конъюгат для большей части континентальной территории Соединенных Штатов находится в южной части Тихого океана, далеко к западу от Чили, где подобные взрывы останутся незамеченными. Таким образом, серия таких взрывов в этих местах создаст мощный радиационный пояс над США, который может вывести из строя боеголовки советского нападения. Дополнительный интерес для военных планировщиков представляла возможность использования этого эффекта в качестве наступательного оружия. В случае нападения американских войск на Советский Союз, южные конъюгированные точки обычно находятся в Индийском океане, где они не будут обнаружены советскими радарами раннего предупреждения. Серия взрывов вызовет масштабное подавление радиолокационного сигнала над Россией, ухудшив ее систему противоракетной обороны (ПРО) без предупреждения. Поскольку ожидается, что эти эффекты сохранятся до пяти минут – примерно столько времени, сколько потребуется радиолокационному комплексу в России для обнаружения боеголовок, – точная синхронизация атаки может сделать систему ПРО бесполезной.

Предыстория

Кристофилос начал свою карьеру в физике, изучая статьи в журналах, работая в лифтовой компании во время оккупации Греции странами Оси, когда у него было мало других занятий. В послевоенное время он открыл мастерскую по ремонту лифтов, в ходе которой начал разрабатывать концепцию, известную сегодня как сильная фокусировка – ключевое достижение в истории ускорителей частиц. В 1949 году он отправил письмо с описанием этой идеи в Берклийскую лабораторию, но там его отклонили из-за обнаруженной незначительной ошибки. В 1952 году эта же идея была независимо разработана в Брукхейвенской национальной лаборатории, которая опубликовала результаты исследований. Убежденный, что его идею украли, Кристофилос отправился в США, где ему удалось устроиться на работу в Брукхейвен. Вскоре Кристофилоса больше заинтересовали исследования в области ядерного синтеза, чем разработка ускорителей частиц. В то время в американской программе активно велись работы над тремя основными конструкциями: магнитным зеркалом, стелларатором и Z-пинчем. Магнитное зеркало часто подвергалось критике из-за его принципиальной непроницаемости, являвшейся побочным эффектом открытых линий магнитного поля. Кристофилос разработал новую концепцию для решения этой проблемы, известную как Astron. Она заключалась в использовании зеркала в сочетании с ускорителем частиц, который вводил электроны за пределы традиционной области зеркала. Их быстрое движение создавало второе магнитное поле, которое смешивалось с полем электромагнита, в результате чего результирующее поле "замыкалось", устраняя главную проблему зеркала.

Спутник и Explorer

В тот же период США разрабатывали планы по непосредственному обнаружению ожидаемого заряженного слоя с помощью спутника Explorer 1 в рамках Международного геофизического года (IGY). До запуска Explorer в октябре 1957 года Советский Союз неожиданно для всех запустил "Спутник-1". Это вызвало почти панический страх в американских военных кругах, где многие пришли к выводу о недостижимом советском научном превосходстве. Кристофилос, обеспокоенный советскими успехами, в том же месяце опубликовал свою идею во внутренней служебной записке. Запуск Explorer в январе 1958 года подтвердил существование так называемых радиационных поясов Ван Аллена. Это спровоцировало новую волну паники в оборонных структурах, когда некоторые предположили, что пояса Ван Аллена были вызваны не солнечными частицами, а секретными советскими ядерными испытаниями на большой высоте, основанными на концепции Кристофилоса.

Начинается планирование

Идея Кристофилоса немедленно вызвала живой интерес; если бы эта концепция работала на практике, у США появилось бы "волшебное оружие", способное обесценить советский парк межконтинентальных баллистических ракет. В феврале 1958 года Джеймс Райн Киллиан, председатель недавно сформированного Консультативного комитета Президента по науке (PSAC), созвал рабочую группу в Ливерморе для изучения этой концепции. Группа согласилась, что базовая концепция обоснована, однако многие практические вопросы можно было решить только посредством прямых испытаний со взрывами на больших высотах. К тому времени планирование серии ядерных испытаний 1958 года, Операции Hardtack I, уже подходило к завершению. Она включала в себя несколько высотных взрывов, произведенных над полигоном в южной части Тихого океана. Поскольку эти взрывы проходили относительно близко к экватору, оптимальная точка ввода в магнитное поле находилась на значительно большей высоте, чем у взрыва "Шот-Тик". Это ограничило бы полезность этих взрывов для проверки эффекта Кристофилоса. Для тестирования эффекта потребовалась бы новая серия взрывов. Срочность планирования усиливалась продолжавшимися переговорами в Женеве между США и СССР о заключении будущего Договора о частичном запрещении ядерных испытаний. В то время казалось, что запрет на испытания может вступить в силу осенью 1958 года в Северном полушарии. Советская сторона негативно отреагировала бы на начало США высотных испытаний в период переговоров. Планировщикам было поручено завершить испытания к 1 сентября 1958 года. Запуск "Спутника" также привел к созданию Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA) в феврале 1958 года, изначально с целью централизации различных американских проектов по разработке ракет. Вскоре его устав был расширен, чтобы охватить вопросы обороны в целом, особенно оборону от ракетных атак, которая, как показал "Спутник", была вполне реальной угрозой. Научный директор ARPA Герберт Йорк сформировал экспертный комитет под названием "Проект 137" для "выявления проблем, которым в настоящее время не уделяется достаточного внимания". Комитет, состоявший из двадцати двух выдающихся физиков, возглавил Джон Арчибальд Уилер, популяризировавший термин "черная дыра". Йорк проинформировал президента Эйзенхауэра о концепции Кристофилоса и 6 марта 1958 года получил одобрение на проведение отдельной серии испытаний. В течение следующих двух месяцев велась интенсивная подготовка. У Кристофилоса не было допуска Q, и он не мог участвовать в планировании. Тем не менее, группа "Проекта 137" организовала встречу Кристофилоса с ними в Форт-Макнейре 14 июля 1958 года для обсуждения планов.

Испытания

Чтобы успеть к сентябрьскому сроку, вооружение и оборудование необходимо было изымать по возможности из имеющихся запасов. В результате единственным подходящим носителем оказалась Lockheed X 17, которая находилась в производстве для испытаний при возвращении в атмосферу и была доступна в некотором количестве. К сожалению, ограниченная высота, на которую могла подняться X 17, не позволяла ей достичь необходимой высоты для поражения отражающих точек в южной части Тихого океана над полигонами. Единственной областью, где X 17 могла легко поразить цель, была Южноатлантическая аномалия, где пояс Ван Аллена опускается до минимальной высоты. Планирование испытаний обычно занимало год или более, поэтому они проводились сериями, близкими по времени. В отличие от этого, испытания в рамках операции Argus прошли от первоначального одобрения президентом 6 марта 1958 года до фактического проведения всего за пять месяцев. Среди прочего, эти испытания должны были оставаться полностью секретными от начала и до завершения, они стали первыми испытаниями баллистических ракет с корабля в море и единственной операцией по проведению ядерных взрывов в атмосфере над Атлантическим океаном. Окончательные планы были утверждены президентом 1 мая 1958 года. Для измерения эффекта в августе были запущены Explorer IV и Explorer V, хотя на орбиту вышел только IV. Однако другие источники утверждают, что эффект сохранялся более шести дней после последнего испытания.

Публичное опубликование

В конце июня 1958 года Хансон Болдуин, военный корреспондент газеты "Нью-Йорк Таймс", лауреат Пулитцеровской премии, получил интригующие намеки о крупной военной операции США. Теперь считается, что утечка произошла из лаборатории Университета Айовы, руководимой Джеймсом Ван Алленом, который в этот период работал с ARPA над проектом "Аргус". Болдуин обратился за разъяснениями к своему коллеге, научному репортеру Уолтеру Салливану. Салливан поговорил с Ричардом Портером, председателем панели IGY по ракетам и спутникам, который был "в ужасе" от того, сколько информации удалось узнать Болдуину. Через час Салливан получил звонок из ARPA с просьбой отложить публикацию статьи до завершения испытаний. К концу года, когда испытания были закончены и от концепции в значительной степени отказались, Кристофилос смог открыто обсудить эту идею на октябрьской встрече Американского физического общества в 1958 году, упустив лишь деталь о том, что для создания излучения будет использована атомная бомба. На декабрьском собрании Американской ассоциации содействия развитию науки Салливан узнал, что готовится к публикации статья под названием "Искусственное изменение радиационных поясов Земли". Салливан и Болдуин поняли, что рискуют потерять свой "сенсационный материал", поэтому Салливан написал Йорку с просьбой дать разрешение на публикацию, поскольку стало ясно, что другие репортеры тоже узнают об испытаниях. Йорк обсудил этот вопрос с Джеймсом Киллианом, председателем Научного консультативного комитета при президенте (PSAC), который добавил, что Ван Аллен также активно добивается права на публикацию. Позже Салливан подтвердил свою точку зрения о неизбежности утечки информации, позвонив на станции мониторинга IGY и запросив данные о полярных сияниях за август и сентябрь. Ему сообщили о "весьма необычном явлении", не связанном ни с одной известной солнечной бурей. Он отправил еще одно письмо Йорку, отметив, что намеки на проект уже стали достоянием общественности и ждут лишь того, кто соединит все факты воедино. Йорк вызвал его в Пентагон и снова попросил подождать. Салливан пришел к выводу, что причина задержки больше не связана с военной необходимостью, а носит политический характер: шли переговоры о запрете испытаний, и внезапное сообщение о новых американских испытаниях в космосе создало бы серьезные проблемы. Салливан и Болдуин снова отложили публикацию. В феврале 1959 года Киллиан находился в Нью-Йорке с речью. Салливан присутствовал и в конце встречи передал ему письмо. Они сели, и Киллиан прочитал его. В письме подчеркивалось, что все больше информации просачивается о испытаниях и что "Таймс" терпеливо ждет одобрения Пентагона, которое, по всей видимости, не будет получено. Тем временем ученые, работавшие над проектом, все громче высказывались за публикацию данных, и на встрече в конце февраля разгорелись споры. На заседании PSAC Киллиан, наконец, согласился опубликовать данные на апрельском заседании Национальной академии наук, но по-прежнему не сообщил об этом "Таймс". Болдуин и Салливан решили действовать: они обратились к высшему руководству "Таймс" – издателю Артуру Хейсу Сульцбергеру, президенту Орвилу Э. Драйфусу и главному редактору Тернеру Кэтледжу, которые одобрили публикацию. 18 марта 1959 года Салливан попытался дозвониться до Киллиана, но связался лишь с его помощником, а Болдуин поговорил с директором ARPA Роем Джонсоном. Они написали статью в ту ночь, ожидая звонка, который снова заблокирует публикацию. Звонка не последовало, и на следующий день статья была опубликована.

Сохраняющиеся проблемы

В 2008 году научный журналист Марк Вулвертон отметил сохраняющиеся опасения относительно использования эффекта Кристофилоса для вывода из строя спутников.