Электромагнитный импульс, который способен уничтожить цивилизации: правда или вымысел?

В интернете часто проскакивают пугающие статьи о разрушительном действии электромагнитных импульсов, которые также называют ЭМИ. Особенно это касается ядерного оружия.

Kingfish – ядерный взрыв, совершенный при высотных подрывах Operation Fishbowl, открыл невероятно высокий уровень ЭМИ.

К примеру:

Ядерный взрыв создает электромагнитный импульс высокой мощности, он выводит из строя любую электронику в радиусе десятков километров. Таким образом, даже наиболее современное оборудование выходит из строя из-за повреждения самой начинки. Такой удар опасен для городской инфраструктуры. Ее выход из строя не позволит жителям выжить. Город не вырабатывает электроэнергию, топливо, требует регулярного завоза продуктов питания, поставок воды, обслуживания систем канализации. При отсутствии электроэнергии остановится работа гидросистем, а значит не будет работать водопровод. В результате в городе увеличится процент краж, нападений на дома. Возможность такого сценария рассчитывается уполномоченными ведомствами.

Или другой пример:

Ракета падает на территории крупного государства, это приводит к гибели 90% населения. При выведении электроники из строя произойдет большое количество аварий. Самолеты, находящиеся в небе в этот момент, упадут на землю. При этом погибнут не только пассажиры лайнеров, но и люди на земле. Оценочное количество жертв может достигать высокого уровня. Электромагнитный импульс уничтожит и запасы продовольствия, поэтому уже через год на территории страны останется только 10% населения.

На разных тематических сайтах можно увидеть фотографии ядерных испытаний, они не имеют отношения к исследованию данной статьи, но все-таки вызывают интерес.

Стоит начать с самого определения ЭМИ – это сильная фотовспышка в радиодиапазоне. Опасность ЭМИ состоит не только в перегрузке электроники, но и в уничтожении электромагнитной энергии. От взрыва страдают устройства и линии электропередач, связи.


Объяснить физику ЭМИ сложно, она состоит из нескольких компонентов. Более детальные пояснения можно прочитать в статье американского ученого, который обозначил это явление как Conrad Longmire.

Изучением действия электромагнитных импульсов на электронику и электрику занимается отдельная отрасль науки, но этот вопрос остается многогранным и непростым. Радиоприемный узел можно защитить от электромагнитного импульса ядерного взрыва, но при этом остается возможность его уничтожения ядерным взрывом. Результат зависит от нескольких факторов:

  • спектра ЭМИ;
  • расположения устройства по отношению к радиусу воздействия;
  • особенности проводников вокруг;
  • геометрии прибора и других.

Основываясь на этих факторах, можно утверждать, что результат действия электромагнитных импульсов абсолютно непредсказуем, поэтому говорить о локальном уничтожении цивилизации нельзя.

Наиболее детальное описание действия ЭМИ представлено в документе FAS, но в нем сделан акцент на тревожных факторах.

Из документа можно сделать выводы о длительности и амплитуде импульсов, которые определяются напряжением электрической составляющей электромагнитного поля и выражаются в вольтах на метр.

Наиболее понятный показатель – амплитуда. Его суть заключается в том, что чем больше воздействие, тем сильнее разрушение. К повреждению электроустройств приводят значения начиная с 5 кВ/м, при этом 50 единиц считаются пределом для ядерного ЭМИ. Ядерный взрыв обладает амплитудой в 200 единиц.

Наибольшее количество вреда наносят короткие электромагнитные импульсы. Это объясняется увеличением мощности при неизменных показателях энергетики, а также тем, что короткие волны эффективнее проходят через здания и корпус приборов.

На электрику и электроприборы ЭМИ действует сразу несколькими способами. Основной фактор перенапряжение в линиях и устройствах от нескольких десятков вольт до киловольт, а в случае длинных, неудачно размещенных ЛЭП – до мегавольт. Перенапряжение приводит к пробою элементов систем и схем, в особенности тех, которые не защищены полупроводниковыми устройствами. В данном случае роль играет длительность ЭМИ: чем она ниже, тем меньше уровень перенагрузки.

По части энергии у электромагнитных импульсов она небольшая − от нескольких десятков миллиджоулей до десятков джоулей на квадратный метр. Поэтому ЭМИ способны повредить только чувствительную электронику и линии электропередач с неудачной планировкой, которые сообщают электроэнергию с нескольких сотен тысяч м2. Обращаясь к закону обратных квадратов, при взрыве 200 кг взрывчатого вещества и излучении в 50 мегаджоулей эта цифра превышает лабораторные исследования. На 300 м расстояния получится ~40 Дж/м^2 и несколько джоулей радиации в приемном тракте от которых можно защититься. При этом в 3 км от места взрыва показатели составят сотни миллиджоулей на м^2.


В интернете можно увидеть фото электомагнитного оружия. В нем несколько конденсаторов производят импульс тока в генераторе взрывомагнитном 1 ступени. Он воспроизводит импульс тока мегаамперного уровня во 2-м взрывомагнитном генераторе (ВМГ), который создает импульс в СВЧ (сверхвысокочастнотное излучние) генераторе-виркаторе при нескольких сотнях киловольт.

Перед тем как перейти к самому ядерному взрыву, приведем еще несколько цифр.

Электромагнитные импульсы, создаваемые молнией, имеют протяженность в 1 миллисекунду с амплитудой не более 10 кВ/м в близи молнии и до 2 кВ/м в 100-200 м. Электромагнитный импульс, создаваемый оружием, имеет напряжение до 100 кВ/м (лабораторный показатель в 200 единиц является максимальным) на расстоянии в несколько метров и в количестве 1 кВ/м в 100 м от места взрыва с длительностью от 100 до 200 миллисекунд. Что в итоге? Ядерный взрыв в 1000 раз быстрее любой взрывчатки по энерговыделению и мощнее в тысячи и миллионы раз.

Характеристики разных ЭМИ


При высотном ядерном взрыве не появляются большие электромагнитные всплески. После детонации происходит выброс плазмы, затем большое количество рентгеновского излучения при ее остывании, а также небольшое количество гамма-излучения. Такой эффект происходит при взрыве в космосе.

Мощность гамма-излучения составляет от 0,1 до 0,2% от всей мощности взрыва. Импульс излучения направляется в сторону земли, а на высоте около 30 км активно поглощается атмосферой. За счет эффекта Комптона гамма-кванты выбивают из воздуха электроны и вырабатывают энергию. В результате в атмосфере появляется большое количество свободных электронов, которые движутся в одном направлении с излучением.
В действие также вступает и магнитное поле Земли. Все появившиеся электроны синхронно заворачиваются в магнитном поле и производят импульс электромагнитного излучения благодаря эффекту циклонного резонанса. Длительность эффекта около 10 наносекунд, приблизительная амплитуда − от 20 до 50 кВ/м. При этом излучение происходит не в точке, а на тысяче километров в радиусе взрыва.


Моделирование действия амплитуды ЭМИ при высотном ядерном взрыве (100 км) показало, что в примерно 700 километрах от места взрыва энерговыделение высокое. Взаимодействие с полем Земли создает на этой площади узор в виде смайлика.

Радиус действия электромагнитного импульса напрямую зависит от высоты подрыва. Поэтому, чем выше точка подрыва – тем больше выделяется энергии.

Именно этот факт в сочетании с низкой протяженностью во времени делает ядерный взрыв таким опасным. Плотность энергии на расстоянии сотен километров от центра взрыва практически не меняется, засвечивая миллионы квадратных километров земли. При таких условиях ЛЭП получают мегавольты перенапряжения, а в трансформаторах повреждается изоляция. Также возможны сгорания трактов радиостанций, радиолокаторов, повреждения терминалов проводной связи, поломка цифровых устройств.


Создание модели импульса тока ЭМИ на участке в 100 м воздушной линии, которая пролегает в меридональном направлении.

Физические свойства высотного ядерного взрыва (ВЯВ) имеют ряд ограничений. Импульс гамма-излучения обладает определенной длительностью и жесткостью, поэтому возникает логарифмическая зависимость мощности ЭМИ от ее амплитуды. Мегатонная бомба производит 20 кВ/м, 20-мегатонная выделит уже 50 кВ/м, а 300 мегатонн произведут до 80 кВ/м. Но инженеры оборонных предприятий не выходят за предел в 50 кВ/м при этом создают оборудование, которое сможет выдержать такой взрыв. Во внимание берется не только защита сервера или других устройств от ядерного оружия, создаются защитные комплексы для зданий и его сетей в целом. Например, оборудование, защищающее IEEE 587 class B+, которое обезопасит устройства на линиях питания 1,2, защитит коаксиальные линии и прочее.



При моделировании ВЯВ можно сделать главный вывод: от силы жесткого гамма-излучения зависит амплитуда ЭМИ.

Возникает вопрос: насколько разрушительно при этом ЭМИ? На этот вопрос отвечает множество отчетов. Из них делается один вывод: возможен минимальный или даже нулевой ущерб от ЭМИ ВЯВ при тщательном проектировании коммуникационных и силовых устройств.

К примеру, защита инфраструктуры больших государств реализована частично. На 100% защищена только инфраструктура военного сектора, далее ЛЭП и Tier 1 ЦОДы (центры обработки данных). Хуже защищены такие объекты как магазины, домашняя техника и прочее.


Действие имитаторов ЭМИ ВЯВ на плату телекоммуникационную при том, что плата выключена, заключается в следующем: возникают пробои элементов около розетки, где проходят провода. Наибольший ущерб при этом будет нанесен трансформаторам в разъемах Ethernet.

Наблюдения лаборатории ORNL (США) показывают, что на высоковольтных подстанциях наиболее уязвимы не ЛЭП и трансформаторы (которые защищаются ограничителями перенапряжения), а оборудование для измерения, низковольтные кабели систем управления.

Поэтому говорить о выходе из строя бытовой техники после воздействия ЭМИ преждевременно, поскольку невозможно провести точное исследование относительно этого вопроса. Степень поражения зависит от множества факторов: расположение устройства относительно эпицентра взрыва, длины кабеля питания, проложены ли кабели в земле или в воздухе, наличие грозозащитного оборудования, материал из которого построен дом и многие другие.

Невозможность детальной оценки оставляет место для субъективных выводов. В данном случае можно делать выводы и о полной незащищенности и необходимости создания проектов для разрешения ситуации. Либо говорим о том, что полный выход из строя устройств невозможен.



Рассматривая спектр ЭМИ, получаем необычный вывод. При 1 ГГц плотность спектральная снижается на 3 порядка (становится минимальной). Антенны цифровой радиосвязи с мощностью от 433 МГц набирают десятки вольт при хорошем согласовании или минимальном ксв, и, возможно, и вовсе не выйдут из строя.

Но что, если установленные для ЭМИ стандарты условий с учетом которых создается защитное оборудование, недооценивают ЭМИ ВЯВ?

С точки зрения физики, для повышения поражающего эффекта необходимо усилить выброс жесткого гамма-излучения или сократить его импульс без потери мощности. При таких условиях существует возможность увеличения амплитуды ЭМИ, которая генерируется атмосферой.

Создается впечатление что физикой запрограммирован выход гамма-излучения, создаваемый при делении ядер сверхкритичной системы. Другая энергия, выделяемая при ядерном взрыве, преобразовывается в жесткий рентген, но 10 кЭв не так мощны по сравнению с 1,5 МэВ при средней энергии гамма-излучения, что необходимо для получения большого количества электронов в атмосфере.


Рассмотрим реакцию D+T->He4 + n. В ней нейрон обладает энергией в 14,7 МэВ и имеет в бомбе гораздо больший пробег, чем иные частицы. При помощи неупругого рассеяния можно эффективно конвертировать полученную энергию в гамма-излучение. Суть состоит в процессе короткого захвата ядрами материи нейронов, затем они переизлучаются, а ядро пребывает в состоянии возбуждения, оно сбрасывается гамма-квантами.

Если облучение происходит потоком быстрых нейронов (наиболее легкие ядра, среди которых углеводород, азот, кислород), то энергия частично конвертируется в поток жестких гамма-квантов. Лучший результат обеспечивают твердый либо жидкий кислород, а также углерод, при котором выделится от 10 до 20% нейтронов в виде гамма-квантов с показателем 4,2 МэВ (средняя энергия). При этом энергия выделяется несколько десятков наносекунд, но существует возможность поднять кпд гамма-излучения примерно в 100 раз.

При высоком ядерном взрыве одна мегатонна обычного боеприпаса создает примерно килотонну гамма-излучения. В «нейтронно-углеродной» бомбе для получения 1 килотонны гамма-излучения необходимо 12 килотонн термоядерной энергии, а из 3 мегатонн можно получить около 250 килотонн излучения, которое будет в 3 раза более жестким и растянутым во времени. Именно такое устройство способно нанести наибольший ущерб. Даже при невысокой амплитуде ЭМИ энергетика импульса не будет существенно выше, хотя может превысить показатель в 100 кВ/м. Поэтому разрушительное действие на электронное оборудование изменится не так кардинально.

Отметим, что описанная бомба должна работать на дейтерий-тритиевой смеси, при этом обычный LiD не подходит − он горит в виде цепи, которая уничтожает нейтроны, поэтому их выход в атмосферу невелик в сравнении с мощностью самого боеприпаса.

К примеру, на одну мегатонну необходимо 24 кг трития. Его общий гражданский запас в мире составляет около 30 кг. Еще один вывод можно сделать при сопоставлении нескольких сотен мегаватт тяжеловодных реакторов на Маяке и сложностью добычи трития на американском реакторе Watts Bar-1 из литиевых мишеней, по сравнению с гигаваттами тепловых реакторов CANDU, где вырабатывается «гражданский тритий».

Следовательно, вряд ли существуют боеприпасы ЭМИ ВЯВ, которые созданы по принципу конверсии ТЯ-нейтронов.