高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖及防護

1958年4月28日凌晨，美國拳師號航空母艦在太平洋比基尼環(huán)礁海岸約70 英里處航行，船員正準備發(fā)射一個(gè)高空氦氣球。事實(shí)上，這將是從船上發(fā)射的第17個(gè)高空氣球。但這個(gè)氣球有點(diǎn)不同，前16個(gè)氣球攜帶一些儀器和虛擬有效載荷，而附著(zhù)在這個(gè)氣球上的是一個(gè)1.7公斤的彈頭，代號為 Yucca。這是美國在1958年進(jìn)行的一系列核試驗。

Yucca是在地球大氣層上進(jìn)行的第一次核爆試驗。氣球發(fā)射大約一個(gè)半小時(shí)后，它到達了約26000米的高度。當兩架裝載儀器的 B-36 轟炸機在該地區盤(pán)旋時(shí)，彈頭被引爆。飛機上的研究小組在過(guò)程中收集了各種數據，包括沖擊波的速度、對氣壓的影響以及釋放的核輻射量。此外，他們還從地面上的兩個(gè)位置測量爆產(chǎn)生的電磁波。

自從第一次核爆以來(lái)，人們就知道核爆會(huì )產(chǎn)生電磁脈沖(EMP)。但在這次之前，沒(méi)有人測量過(guò)高層大氣核爆產(chǎn)生的波。 這次任務(wù)他們記錄的內容遠遠超出了他們的預期，以至于多年來(lái)一直被認為是異?，F象。報告中提及其中一個(gè)監測站的估計電磁場(chǎng)強度約為儀器最大極限的5倍。

5年后，美國物理學(xué)家康拉德·朗邁爾才提出了一個(gè)關(guān)于高空核爆產(chǎn)生的電磁脈沖的理論，該理論解釋了為什么空中比地面爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖強幾個(gè)數量級，現在這個(gè)理論仍然被廣泛接受。從那時(shí)起，對核戰爭的恐懼不僅包括彈頭擊中人口稠密地區、摧毀城市和產(chǎn)生核輻射的情況，還包括在高層大氣中引爆彈頭，向其發(fā)射足夠強的EMP，這足以擾亂電子設備，甚至破壞電網(wǎng)。

在2019年，一個(gè)名為電力研究所的能源組織資助了一項研究，試圖準確了解高空核EMP對電網(wǎng)可能發(fā)生的情況。這不是同類(lèi)研究中的一項，但它擁有我能找到的所有研究中豐富的工程細節。

核電磁脈沖的組成

幾乎在所有情況下，核爆都是不受歡迎的。這些事件本質(zhì)上是危險的，核爆的物理原理遠遠超出了我們的直覺(jué)。在高層大氣中尤其如此，核爆以一些非常的方式與地球磁場(chǎng)及其大氣相互作用，從而產(chǎn)生電磁脈沖。一個(gè)EMP實(shí)際上具有三個(gè)不同的組成部分，所有這些組成部分都是由不同的物理機制形成的，它們可能對地球表面產(chǎn)生顯著(zhù)不同的影響。

EMP的第一部分稱(chēng)為E1，這是核爆后立即出現的極快和強烈的脈沖。核爆期間釋放的伽馬射線(xiàn)與電子碰撞，使原子電離并產(chǎn)生電磁輻射爆發(fā)。當在大氣層高處引爆時(shí)，地球磁場(chǎng)與這些自由電子相互作用，產(chǎn)生比在低海拔地區引爆強得多的電磁脈沖。E1脈沖在幾納秒內反復發(fā)生，這意味著(zhù)它分布在電磁頻譜的很大一部分中。E1脈沖通常會(huì )到達核爆視線(xiàn)范圍內的任何地方，對于高空爆發(fā)，這可以覆蓋大片土地。 雖然像這樣的WQ不會(huì )損壞建筑物、人類(lèi)感覺(jué)不到，但E1脈沖會(huì )對電子設備產(chǎn)生巨大影響。

E2脈沖比E1慢，因為它以不同的方式產(chǎn)生，這次是由伽馬射線(xiàn)和中子的相互作用產(chǎn)生的。事實(shí)證明，E2 脈沖與雷擊大致相當。事實(shí)上，許多雷擊比高空核爆產(chǎn)生的雷擊更強大。當然，電網(wǎng)并非不受雷電影響，但我們確實(shí)使用了大量的防雷技術(shù)。電網(wǎng)上的大多數設備已經(jīng)對一些高壓脈沖進(jìn)行了加固，因此雷擊通常不會(huì )造成太大的損壞。因此，E2 脈沖不會(huì )對我們的電力基礎設施構成威脅，尤其是與E1和E3相比。

EMP 的最后一個(gè)組成部分稱(chēng)為 E3，再次與其他兩個(gè)有很大不同。它甚至根本不是一個(gè)脈沖，因為它是以不同的方式產(chǎn)生的。當上層大氣發(fā)生核爆時(shí)，地球磁場(chǎng)會(huì )受到干擾和扭曲。隨著(zhù)核爆消散，磁場(chǎng)會(huì )在幾分鐘內慢慢恢復到原來(lái)的狀態(tài)。這類(lèi)似于太陽(yáng)風(fēng)暴對地球時(shí)發(fā)生的情況，大型太陽(yáng)事件可能比核EMP對電網(wǎng)構成更大的威脅。

那么這些脈沖會(huì )造成什么破壞？電力研究所模擬了在200公里高度引爆的1兆噸的測試。他們估計，大約5%的輸電線(xiàn)路可能有一個(gè)繼電器，該繼電器會(huì )被由此產(chǎn)生的E1損壞，僅憑這一點(diǎn)可能還不足以導致電網(wǎng)大規模停電。但由于變壓器鐵芯飽和和電力供需失衡，E3可能導致區域性停電。

Transtector和Polyphaser推出了針對電源和信號的可以防護高空核磁爆HEMP的產(chǎn)品，防護等級包含E1,E2和E3。