Введение

Влияние ядерного взрыва на электронное оборудование, ядерный электромагнитный импульс (ЯЭМИ) – это кратковременный всплеск электромагнитного излучения, создаваемый ядерным взрывом. Образующиеся быстроизменяющиеся электрические и магнитные поля могут наводить токи и скачки напряжения в электрических и электронных системах, приводя к их повреждению. Конкретные характеристики каждого события ЯЭМИ зависят от ряда факторов, наиболее важным из которых является высота детонации. Термин "электромагнитный импульс" обычно не включает оптический (инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый) и ионизирующий (например, рентгеновское и гамма-излучение) спектры. В военной терминологии, ядерная боеголовка, взорванная на расстоянии от десятков до сотен миль над поверхностью Земли, называется устройством электромагнитного импульса большой высоты (ЯЭМИ-ВВ). Эффекты ЯЭМИ-ВВ зависят от таких факторов, как высота детонации, мощность взрыва, выход гамма-излучения, взаимодействие с магнитным полем Земли и электромагнитная защита объектов.

История

Тот факт, что электромагнитный импульс возникает при ядерном взрыве, был известен с первых дней испытаний ядерного оружия. Масштаб ЭМИ и значимость его последствий не были сразу осознаны. Во время первого ядерного испытания в Соединенных Штатах 16 июля 1945 года электронное оборудование было экранировано, поскольку Энрико Ферми ожидал электромагнитного импульса. В официальной технической истории этого первого ядерного испытания говорится: «Все сигнальные линии были полностью экранированы, во многих случаях – двойным экранированием. Несмотря на это, многие записи были потеряны из-за ложных сигналов в момент взрыва, которые вывели из строя записывающее оборудование». Во время британских ядерных испытаний в 1952–53 годах отказы приборов связывали с «радиовспышкой», которая была их термином для ЭМИ. Первое открытое наблюдение уникальных характеристик ядерного ЭМИ на большой высоте произошло во время ядерного испытания «Юкка» на гелиевом шаре серии «Хардтак I» 28 апреля 1958 года. В ходе этого испытания измерения электрического поля от оружия мощностью 1,7 килотонны превысили диапазон, на который были настроены измерительные приборы, и, по оценкам, были примерно в пять раз выше пределов, установленных на осциллографах. Изначально импульс «Юкка» имел положительную полярность, в то время как импульсы от взрывов на малой высоте – отрицательную. Кроме того, поляризация сигнала ЭМИ «Юкка» была горизонтальной, тогда как ядерный ЭМИ на малой высоте – вертикальной. Несмотря на эти многочисленные различия, уникальные результаты, полученные при измерении ЭМИ, были отклонены как возможная аномалия распространения волн. Высотные ядерные испытания 1962 года, о которых речь пойдет ниже, подтвердили уникальные результаты испытания «Юкка» на большой высоте и повысили осведомленность о ядерном ЭМИ на большой высоте за пределами первоначальной группы ученых, занимающихся обороной. Широкое научное сообщество узнало о значимости проблемы ЭМИ после публикации в 1981 году Уильямом Дж. Бродом в журнале Science серии из трех статей о ядерном ЭМИ.

Звезда-морская

В июле 1962 года США провели испытание Starfish Prime, взорвав бомбу над центральной частью Тихого океана. Это продемонстрировало, что последствия ядерного взрыва на большой высоте оказались значительно больше, чем предполагалось ранее. Starfish Prime сделал эти последствия достоянием общественности, вызвав электрические повреждения на Гавайях, примерно в 1400 километрах от точки взрыва, отключив около 300 уличных фонарей, спровоцировав множество срабатываний сигнализации и повредив линию микроволновой связи. Starfish Prime стал первым успехом в серии высотных ядерных испытаний США 1962 года, известных как операция "Рыбная чаша". Последующие испытания позволили собрать больше данных о высокотном электромагнитном импульсе (ЭМИ). Высотные ядерные испытания Bluegill Triple Prime и Kingfish, проведенные в октябре и ноябре 1962 года в рамках операции "Рыбная чаша", предоставили данные, достаточно четкие для того, чтобы физики могли точно определить физические механизмы, лежащие в основе электромагнитных импульсов. Повреждения, вызванные ЭМИ в ходе испытания Starfish Prime, были быстро устранены, отчасти благодаря тому, что ЭМИ над Гавайями был относительно слабым по сравнению с тем, что можно было бы получить при более мощном импульсе, а отчасти – благодаря относительной устойчивости (по сравнению с сегодняшним днем) электрической и электронной инфраструктуры Гавайев в 1962 году. Относительно небольшая величина ЭМИ Starfish Prime на Гавайях (около 5,6 киловольт/метр) и небольшой масштаб повреждений (например, погасло всего 1–3% уличных фонарей) заставили некоторых ученых в первые годы исследований ЭМИ полагать, что эта проблема может быть не столь значительной. Последующие расчеты…

Советский тест 184

В 1962 году Советский Союз провел три ядерных испытания, генерирующих электромагнитный импульс (ЭМИ), в космосе над Казахстаном, последнее из которых вошло в "Советский проект К". Хотя мощность этих устройств была значительно меньше (300 килотонн), чем при испытании Starfish Prime, они были взорваны над населенной обширной территорией в зоне с более сильным магнитным полем Земли. Сообщалось, что ущерб, вызванный образовавшимся ЭМИ, был значительно больше, чем при испытании Starfish Prime. Подобный геомагнитной буре импульс E3 от испытания 184 вызвал скачок тока в длинной подземной линии электропередач, что привело к пожару на электростанции в городе Караганда. После распада Советского Союза уровень этого ущерба был неофициально доведен до сведения американских ученых. В течение нескольких лет американские и российские ученые сотрудничали в изучении явления HEMP (высотный электромагнитный импульс). Было выделено финансирование, чтобы российские ученые могли опубликовать некоторые результаты советских исследований ЭМИ в международных научных журналах. В результате существует официальная документация о некоторых повреждениях, вызванных ЭМИ в Казахстане, хотя она по-прежнему ограничена в открытой научной литературе. В рамках одного из испытаний проекта "К" советские ученые оснастили оборудованием участок телефонной линии в районе, который, по их ожиданиям, будет подвержен воздействию импульса. Контролируемая телефонная линия была разделена на подсети длиной в 100 метров, разделенные репитерами. Каждая подсеть была защищена предохранителями и газонаполненными ограничителями перенапряжения. ЭМИ от ядерного испытания 22 октября (K 3) (также известного как испытание 184) перегорели все предохранители и вывели из строя все ограничители перенапряжения во всех подсетях.

Характеристики

Ядерная ЭМП – это сложный многоимпульсный процесс, обычно описываемый в терминах трех компонентов, как определено Международной электротехнической комиссией (МЭК). Три компонента ядерной ЭМП, как определено МЭК, называются "E1", "E2" и "E3". Три категории высоковысотной ЭМП разделяются в зависимости от длительности и момента возникновения каждого импульса. E1 – это самый быстрый или "ранний" импульс высоковысотной ЭМП. Традиционно термин "ЭМП" часто относится конкретно к этой компоненте E1 высоковысотного электромагнитного импульса. Импульсы E2 и E3 часто подразделяются на дополнительные категории в зависимости от причин, их вызвавших. E2 – это импульс ЭМП "промежуточного времени" гораздо меньшей интенсивности, который далее делится на E2A (рассеянная гамма-ЭМП) и E2B (нейтронно-гамма ЭМП). E1 возникает, когда гамма-излучение от ядерного взрыва ионизирует (отнимает электроны) атомы в верхних слоях атмосферы. Это известно как эффект Комптона, а результирующий ток называется "комптоновским током". Электроны движутся преимущественно в направлении вниз с релятивистскими скоростями (более 90% скорости света). В отсутствие магнитного поля это привело бы к возникновению большого радиального импульса электрического тока, распространяющегося наружу от точки взрыва и локализованного вблизи источника (области, где гамма-фотоны ослабляются). Земное магнитное поле оказывает силу на поток электронов, перпендикулярную как направлению поля, так и исходному вектору частиц, отклоняя электроны и вызывая синхротронное излучение. Поскольку гамма-импульс распространяется со скоростью света, синхротронное излучение комптоновских электронов складывается когерентно, приводя к излучаемому электромагнитному сигналу. Это взаимодействие создает большой, кратковременный импульс. Ряд физиков работали над проблемой определения механизма импульса E1 высоковысотной ЭМП. Механизм был окончательно установлен Конрадом Лонгмайром из Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году. Последующие столкновения приводят к потере энергии последующими электронами до того, как они достигнут земной поверхности. Электроны, генерируемые этими последующими столкновениями, обладают настолько низкой энергией, что не вносят существенного вклада в импульс E1.

Е2

Компонент E2 генерируется рассеянными гамма-лучами и неэластичными гаммами, порожденными нейтронами. Этот компонент E2 представляет собой импульс "промежуточной длительности", который, согласно определению IEC, длится примерно от одной микросекунды до одной секунды после взрыва. E2 имеет много общего с молнией, хотя E2, вызванная молнией, может быть значительно больше, чем ядерная E2. Благодаря сходству и широкому распространению технологий молниезащиты, E2 обычно считается наиболее простой в защите. По мнению Комиссии США по ЭМИ, основная проблема, связанная с E2, заключается в том, что она немедленно следует за E1, который может повредить устройства, предназначенные для защиты от E2. В Исполнительном отчете Комиссии по ЭМИ за 2004 год говорится: "В целом, это не представляет собой проблему для систем критической инфраструктуры, поскольку они уже оснащены защитными мерами от случайных ударов молнии. Наиболее значительный риск заключается в синергетическом эффекте, поскольку компонент E2 следует за первым компонентом всего через небольшую долю секунды, что может вывести из строя или уничтожить многие защитные и управляющие функции. В результате энергия, связанная со вторым компонентом, может проникнуть в системы и повредить их."

Е3

Компонент E3 отличается от E1 и E2. E3 – это гораздо более медленный импульс, длящийся от десятков до сотен секунд. Он вызван временным искажением магнитного поля Земли при ядерном взрыве. Компонент E3 имеет сходство с геомагнитной бурей. Как и геомагнитная буря, E3 может создавать геомагнитно-индуцированные токи в протяженных электрических проводниках, повреждая такие компоненты, как трансформаторы линий электропередач. В связи с этим сходством между геомагнитными бурями, вызванными солнечной активностью, и ядерным E3, стало принято называть геомагнитные бури, вызванные солнечной активностью, "Солнечным ЭМИ". "Солнечный ЭМИ" не включает компоненты E1 или E2.

Поколение

Факторы, определяющие эффективность оружия, включают высоту, мощность, конструктивные особенности, дальность до цели, промежуточные географические объекты и локальную напряженность магнитного поля Земли.

Урожайность оружия

Типичная мощность ядерного оружия, использовавшегося во время холодной войны для планирования атак электромагнитным импульсом (ЭМИ), находилась в диапазоне от 50 до 500 раз превышающей мощность бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Физики давали показания на слушаниях в Конгрессе США, что оружие с мощностью в или меньше может создавать мощный ЭМИ. ЭМИ на фиксированном расстоянии от взрыва увеличивается не более чем пропорционально квадратному корню мощности взрыва (см. иллюстрацию справа). Это означает, что, хотя оружие имеет всего 0,7 энергии, высвобожденной в ходе испытания "Starfish Prime", ЭМИ будет по крайней мере столь же сильным. Поскольку компонент E1 ядерного ЭМИ зависит от мгновенного потока гамма-излучения, который составлял лишь 0,1% мощности в "Starfish Prime", но может достигать 0,5 мощности в низкомощных ядерных боеприпасах, основанных на делении, бомба может быть столь же эффективной, как "Starfish Prime" в создании ЭМИ.

Расстояние до цели

В ядерном ЭМИ все компоненты электромагнитного импульса генерируются за пределами боеприпаса. Данное оружие использует компонент E1 импульса, возникающий при детонации с участием гамма-излучения, создавая напряженность ЭМИ, потенциально достигающую 200 000 вольт на метр. На протяжении десятилетий многие страны вели разработки в этой области, наиболее заметно – Китай и Россия.

Китай

Согласно письменному заявлению китайских военных, страна располагает сверхмощными ЭМИ и обсуждала возможность их применения для атаки на Тайвань. Такая атака способна вывести из строя информационные системы страны, что позволит Китаю осуществить вторжение и прямое нападение с использованием войск. Тайваньские военные подтвердили наличие у Китая сверхмощных ЭМИ и их потенциальную способность уничтожать энергосети. Помимо Тайваня, Китай рассматривал возможные последствия атаки на Соединенные Штаты с применением этого оружия. Несмотря на то, что Соединенные Штаты также обладают ядерным оружием, страна не проводила экспериментов со сверхмощными ЭМИ и, следовательно, гипотетически крайне уязвима к возможным будущим атакам со стороны других государств. Это обусловлено зависимостью страны от компьютеров в управлении большей частью государственного аппарата и экономики, а также предложениями России о разработке спутников, оснащенных возможностями создания ЭМИ. Это потребует осуществления взрывов на высоте над поверхностью Земли, что может привести к нарушению работы электронных систем американских спутников, находящихся на орбите вокруг планеты, многие из которых имеют решающее значение для сдерживания и оповещения страны о возможном ракетном нападении. Ранее разработанный PRC 25, практически идентичный, за исключением финальной ступени усиления на вакуумных лампах, был испытан в ЭМИ-симуляторах, но не получил сертификацию полной работоспособности.

Электроника в работе против неактивной

Оборудование, работающее в момент электромагнитного импульса, более уязвимо. Даже импульс низкой энергии получает доступ к источнику питания, и все компоненты системы подвергаются его воздействию. Например, может возникнуть дуговой разряд высокого тока через блок питания, что приведет к выходу из строя устройств на этом пути. Такие эффекты сложно предсказать, и для оценки потенциальных уязвимостей необходимо проведение испытаний.

На воздушном судне

Многие ядерные взрывы были произведены с использованием воздушных бомб. Самолет B-29, доставивший ядерное оружие в Хиросиму и Нагасаки, не потерял мощность из-за электрических повреждений, потому что электроны (выброшенные из воздуха гамма-лучами) быстро останавливаются в обычном воздухе при взрывах на высоте примерно , поэтому они не подвергаются значительному отклонению магнитным полем Земли. Если бы самолеты, несущие бомбы над Хиросимой и Нагасаки, находились в зоне интенсивного ядерного излучения в момент взрыва бомб над этими городами, они бы пострадали от эффектов разделения зарядов (радиального) ЭМИ. Однако это происходит только в зоне сильного взрыва при детонациях на высоте менее . Во время операции «Рыбная чаша» на борту фотосамолета KC-135 произошли сбои ЭМИ, вызванные взрывами на высоте взрыва. Важная электроника была менее совершенной, чем современная, и самолет смог безопасно приземлиться. Современные самолеты сильно зависят от твердотельной электроники, которая очень чувствительна к ЭМИ. Поэтому авиационные власти разрабатывают требования к высокоинтенсивным излучаемым полям (HIRF) для новых самолетов, чтобы снизить вероятность аварий, вызванных ЭМИ или электромагнитными помехами (EMI). Для этого все части самолета должны быть проводящими. Это основная защита от ЭМИ, при условии отсутствия отверстий, через которые волны могут проникнуть внутрь самолета. Кроме того, изоляция некоторых основных компьютеров внутри самолета обеспечивает дополнительный уровень защиты от ЭМИ.

На машинах

ЭМИ, вероятно, не повлияет на большинство автомобилей, несмотря на широкое использование электроники в современных машинах, поскольку электронные схемы и проводка автомобилей, скорее всего, слишком короткие, чтобы быть затронутыми. Кроме того, металлические кузова автомобилей обеспечивают некоторую защиту. Однако даже небольшой процент автомобилей, вышедших из строя из-за электронной неисправности, может привести к образованию заторов. Это, однако, вероятно в крайних случаях, например, при нахождении вблизи эпицентра взрыва и воздействии большого количества радиации и электромагнитных волн. Одно исследование показало, что воздействие 200–400 импульсов ЭМИ вызывает утечку сосудов головного мозга, что связано с незначительными проблемами с мышлением и восстановлением памяти. Эти эффекты могут сохраняться до 12 часов после воздействия. Ввиду длительного времени воздействия, необходимого для проявления этих эффектов, маловероятно, что кто-либо испытает их даже при кратковременном воздействии. Также, на человеческий организм ЭМИ окажет незначительное влияние, поскольку сигналы передаются химическим, а не электрическим путем, что затрудняет воздействие электромагнитных волн.

Сценарии нападений после холодной войны

Комиссия EMP Соединенных Штатов была создана Конгрессом Соединенных Штатов в 2001 году. Комиссия официально известна как Комиссия по оценке угрозы Соединенным Штатам от атаки электромагнитного импульса (EMP). Комиссия собрала выдающихся ученых и специалистов для составления ряда докладов. В 2008 году Комиссия опубликовала "Доклад о критически важной национальной инфраструктуре". Комиссия EMP Соединенных Штатов не рассматривала ситуацию в других странах. В 2011 году Совет по науке при Министерстве обороны опубликовал отчет о продолжающихся усилиях по защите критически важных военных и гражданских систем от EMP и других последствий применения ядерного оружия. Военные ведомства Соединенных Штатов разработали и в некоторых случаях опубликовали гипотетические сценарии атаки EMP. В 2016 году Лос-Аламосская лаборатория начала фазу 0 многолетнего исследования (с последующими фазами 1, 2 и 3) для изучения EMP, что позволило разработать стратегию, которой следовало придерживаться на протяжении всего исследования. В 2017 году Министерство энергетики США опубликовало "План действий по повышению устойчивости к электромагнитному импульсу", Эдвин Бостон защитил диссертацию на эту тему, а Комиссия EMP опубликовала "Оценка угрозы от электромагнитных импульсов (EMP)". Комиссия EMP была расформирована летом 2017 года. В ходе работы было установлено, что в предыдущих докладах последствия атаки EMP на национальную инфраструктуру были недооценены, выявлены проблемы со связью с Министерством обороны из-за секретности материалов, и рекомендовано, чтобы Министерство внутренней безопасности вместо обращения за руководством и указаниями в Министерство энергетики, напрямую сотрудничало с более компетентными подразделениями Министерства энергетики. Несколько отчетов находятся в процессе публикации для широкой общественности.

Защита инфраструктуры

Проблема защиты гражданской инфраструктуры от электромагнитного импульса интенсивно изучалась во всем Европейском Союзе, и в частности в Соединенном Королевстве. В 2017 году несколько энергетических компаний в Соединенных Штатах участвовали в трехлетней исследовательской программе по воздействию ЭМИ на энергосистему Соединенных Штатов, возглавляемой некоммерческой организацией Electric Power Research Institute (EPRI). В 2018 году Министерство внутренней безопасности США опубликовало Стратегию защиты и подготовки страны к угрозам от электромагнитного импульса (ЭМИ) и геомагнитных возмущений (ГМВ), которая стала первым выражением департаментом комплексного, долгосрочного подхода, основанного на партнерстве, для защиты критической инфраструктуры и подготовки к реагированию и восстановлению после потенциально катастрофических электромагнитных событий. Прогресс в этом направлении описан в отчете о статусе программы ЭМИ. NuScale, компания из Орегона, США, производящая малые модульные ядерные реакторы, сделала свои реакторы устойчивыми к ЭМИ.

В художественной литературе и популярной культуре

К 1981 году ряд статей о ядерном электромагнитном импульсе в популярной прессе распространил знания о ядерном ЭМИ в широкой публике и проник в массовую культуру. С тех пор ЭМИ широко используется в различных произведениях художественной литературы и других аспектах популярной культуры. Средства массовой информации часто искажают эффекты ЭМИ, что приводит к непониманию как среди общественности, так и среди специалистов, и в Соединенных Штатах были предприняты официальные усилия для разъяснения ситуации. Видеоматериал не предназначен для общего доступа.