Електромагнітний імпульс, здатний знищити цивілізації: правда чи вигадка?

В інтернеті доволі часто можна побачити лякаючі статті про руйнівну дію електромагнітних імпульсів, які також називають ЕМІ. Особливо це стосується ядерної зброї.

Kingfish − ядерний вибух, скоєний при висотних підривах Operation Fishbowl, відкрив неймовірно високий рівень ЕМІ.

Наприклад:

Ядерний вибух створює електромагнітний імпульс високої потужності, він виводить із ладу будь-яку електроніку в радіусі десятків кілометрів. Таким чином, навіть найсучасніше обладнання виходить з ладу через пошкодження внутрішньої «начинки». Такий удар є небезпечним для міської інфраструктури. Її вихід із ладу не дозволить мешканцям вижити. Місто не виробляє електроенергію, паливо, потребує регулярного завезення продуктів харчування, постачання води, обслуговування систем каналізації. За відсутності електроенергії зупиниться робота гідросистем, а отже не працюватиме водопровід. В результаті в місті збільшиться відсоток крадіжок, нападів на будинки. Можливість такого сценарію розраховується уповноваженими відомствами.

Або інший приклад:

Ракета падає на території країни, що призводить до загибелі 90% населення. При виведенні електроніки з ладу станеться багато аварій. Літаки, що перебувають у небі в цей момент, впадуть на землю. При цьому загинуть не лише пасажири лайнерів, а й люди на землі. За оцінками, кількість жертв може сягати самого високого рівня. Електромагнітний імпульс знищить і запаси їжі, тому вже через рік на території країни залишиться лише 10% населення.

На тематичних сайтах можно побачити фотографії ядерних випробувань. Вони не стосуються дослідження цієї статті, але все-таки викликають інтерес.

Варто розпочати з самого визначення ЕМІ – це сильний фотоспалах у радіодіапазоні. Небезпека ЕМІ полягає у перевантаженні електроніки, а також у знищенні електромагнітної енергії. Від вибуху страждають пристрої та лінії електропередач, зв'язку.


Пояснити фізику ЕМІ складно, вона складається з кількох компонентів. Більш детальні пояснення можна прочитати у статті американського вченого, який окреслив це явище як Conrad Longmire.

Вивченням дії електромагнітних імпульсів на електроніку та електрику займається окрема галузь науки, але це питання залишається багатогранним та непростим. Радіоприймальний вузол можна захистити від електромагнітного імпульсу ядерного вибуху, але залишається можливість його знищення ядерним вибухом. Результат залежить від кількох факторів:

  • спектру ЕМІ;
  • розташування пристрою по відношенню до радіусу впливу;
  • особливості провідників довкола;
  • геометрії приладу та інших факторів.

На основі цих чинників можна стверджувати, що результат дії електромагнітних імпульсів абсолютно непередбачуваний, тому говорити про локальне знищення цивілізації не можна.

Найбільш детальний опис дії ЕМІ представлено в документі FAS, але в ньому наголошено на тривожних факторах.

З документу можна зробити висновки про тривалість та амплітуду імпульсів, які визначаються напругою електричної складової електромагнітного поля та виражені у вольтах на метр.

Найбільш зрозумілий показник – амплітуда. Його сенс полягає в тому, що чим більший вплив, тим сильніша руйнація. До пошкодження електропристроїв призводять значення, починаючи з 5 кВ/м, причому 50 одиниць вважаються межею для ядерного ЕМІ. Ядерний вибух має амплітуду в 200 одиниць.

Найбільшої шкоди завдають короткі електромагнітні імпульси. Це пояснюється збільшенням потужності за незмінних показників енергетики, а також тим, що короткі хвилі ефективніше проходять через будівлі та корпус приладів.

На електрику та електроприлади ЕМІ діє відразу кількома способами. Основний фактор перенапруги в лініях та пристроях від кількох десятків вольт до кіловольт, а у разі довгих, невдало розміщених ЛЕП, – до мегавольт. Перенапруга призводить до пробою елементів систем та схем − особливо тих, які не захищені напівпровідниковими пристроями. У цьому разі роль грає тривалість ЕМІ: чим вона нижча, тим менше рівень перенавантаження.

Щодо енергії, у електромагнітних імпульсів вона невелика – від кількох десятків міліджоулів до десятків джоулів на квадратний метр. Тому ЕМІ здатні пошкодити лише чутливу електроніку та лінії електропередач із невдалим плануванням, які передають електроенергію з кількох сотень тисяч м2. Звертаючись до закону зворотних квадратів, під час вибуху 200 кг вибухової речовини та випромінювання в 50 мегаджоулів ця цифра перевищує лабораторні дослідження. На 300 м відстані вийде ~40 Дж/м2 і кілька джоулів радіації в приймальному тракті, від яких можна захиститися. При цьому за 3 км від місця вибуху показники становитимуть сотні міліджоулів на м^2.


В інтернеті можна побачити фото електромагнітної зброї. У ньому кілька конденсаторів виробляють імпульс струму в вибухомагнітному генераторі 1 ступеня. Він відтворює імпульс струму мегаамперного рівня у 2-му вибухомагнітному генераторі (ВМГ), який створює імпульс у НВЧ (надвисокочастотне випромінювання) генераторі-віркаторі при кількох сотнях кіловольт.

Перед тим як перейти до ядерного вибуху, наведемо ще декілька цифр.

Електромагнітні імпульси, які створюються блискавкою, мають довжину в 1 мілісекунду з амплітудою не більше 10 кВ/м поблизу блискавки і до 2 кВ/м в 100-200 м. Електромагнітний імпульс, що створюється зброєю, має напругу до 100 кВ/м (лабораторний показник в 200 одиниць є максимальним) на відстані кілька метрів і в кількості 1 кВ/м в 100 м від місця вибуху з тривалістю від 100 до 200 мілісекунд. Що врешті-решт? Ядерний вибух у 1000 разів швидший за будь-яку вибухівку з енерговиділення і потужніший у тисячі та мільйони разів.

Характеристики різних ЕМІ


При висотному ядерному вибуху з'являються великі електромагнітні сплески. Після детонації відбувається викид плазми, потім велика кількість рентгенівського випромінювання при її охолодженні, а також невелика кількість гамма-випромінювання. Такий ефект відбувається під час вибуху в космосі.

Потужність гамма-випромінювання становить від 0,1 до 0,2% від усієї потужності вибуху. Імпульс випромінювання прямує у бік землі, але на висоті приблизно 30 км активно поглинається атмосферою. За рахунок ефекту Комптону гамма-кванти вибивають з повітря електрони та виробляють енергію. В результаті в атмосфері з'являється велика кількість вільних електронів, що рухаються в одному напрямку з випромінюванням.

В дію також входить і магнітне поле Землі. Всі електрони, що з'явилися, синхронно загортаються в магнітному полі і виробляють імпульс електромагнітного випромінювання завдяки ефекту циклонного резонансу. Триває ефект орієнтовно 10 наносекунд, приблизна амплітуда − від 20 до 50 кВ/м. При цьому випромінювання відбувається не в точці, а на тисячі кілометрів у радіусі вибуху.


Моделювання дії амплітуди ЕМІ при висотному ядерному вибуху (100 км) продемонструвало, що приблизно 700 кілометрів від місця вибуху енерговиділення є високим. Взаємодія з полем Землі створює на цій площі візерунок у вигляді смайлика.


Радіус дії електромагнітного імпульсу залежить від висоти підриву. Чим вище точка підриву, тим більше виділяється енергії.

Саме цей факт у поєднанні з низькою довжиною у часі робить ядерний вибух таким небезпечним. Щільність енергії на відстані сотень кілометрів від центру вибуху практично не змінюється, засвічуючи мільйони квадратних кілометрів землі. За таких умов ЛЕП отримують мегавольти перенапруги, а в трансформаторах пошкоджується ізоляція. Також можливе згоряння трактів радіостанцій, радіолокаторів, пошкодження терміналів провідного зв'язку, виведення з ладу цифрових пристроїв.


Створення моделі імпульсу струму ЕМІ на ділянці 100 м повітряної лінії, яка пролягає в меридональному напрямку.

Фізичні властивості висотного ядерного вибуху (ВЯВ) мають низку обмежень. Імпульс гамма-випромінювання має певну тривалість і жорсткість, тому виникає логарифмічна залежність потужності ЕМІ від її амплітуди. Мегатонна бомба виробляє 20 кВ/м, 20-мегатонна виділить вже 50 кВ/м, а 300 мегатонн виділить до 80 кВ/м. Але інженери оборонних підприємств не виходять за межу в 50 кВ/м, при цьому створюють обладнання, яке зможе витримати такий вибух. До уваги береться не лише захист сервера або інших пристроїв від ядерної зброї, створюються захисні комплекси для будівель та мереж загалом. Наприклад, обладнання, що захищає IEEE 587 class B+, яке убезпечить пристрої на лініях живлення 1,2, захистить коаксіальні лінії та інше.


При моделюванні ВЯВ можна зробити головний висновок: від сили жорсткого гамма-випромінювання залежить амплітуда ЕМІ.

Виникає питання: наскільки руйнівним є при цьому ЕМІ? На це питання відповідає безліч звітів. З них робиться один висновок: можлива мінімальна або навіть нульова шкода від ЕМІ ВЯВ при ретельному проектуванні комунікаційних та силових пристроїв.

Наприклад, захист інфраструктури більшості великих країн реалізовано частково. На 100% захищена лише інфраструктура військового сектору, далі ЛЕП та Tier 1 ЦОДи (центри обробки даних). Найгірше захищені такі об'єкти як крамниці, побутова техніка та інше.


Дія імітаторів ЕМІ ВЯВ на телекомунікаційну плату при тому, що плата вимкнена, полягає в наступному: виникають пробої елементів біля розетки, де проходять дроти. Найбільшої шкоди при цьому буде завдано трансформаторам у роз'ємах Ethernet.
Спостереження лабораторії ORNL (США) думонструють, що на високовольтних підстанціях найбільш уразливі не ЛЕП та трансформатори (які захищені обмежувачами перенапруги), а обладнання для вимірювання, низьковольтні кабелі систем керування.

Тому говорити про вихід з ладу побутової техніки після впливу ЕМІ передчасно, оскільки неможливо провести точне дослідження щодо цього. Ступінь ураження залежить від безлічі факторів: розташування пристрою відносно епіцентру вибуху, довжини кабелю живлення, чи прокладено кабелі в землі або в повітрі, наявність грозозахисного обладнання, матеріал з якого побудований будинок та багато інших.

Неможливість детальної оцінки залишає місце для суб'єктивних висновків. У цьому випадку можна робити висновки і про повну незахищеність та необхідність створення проектів для вирішення ситуації. Або говоримо про те, що повний вихід із ладу пристроїв неможливий.


Розглядаючи спектр ЕМІ, отримуємо незвичний висновок. При 1 ГГц спектральна щільність знижується на 3 порядку (стає мінімальною). Антени цифрового радіозв'язку з потужністю від 433 МГц набирають десятки вольт при гарному узгодженні або мінімальному ксв, і, можливо, зовсім не вийдуть з ладу.

Але якщо встановлені для ЕМІ стандарти умов, з урахуванням яких створюється захисне обладнання, недооцінюють ЕМІ ВЯВ?

З погляду фізики, підвищення ефекту ураження необхідно посилити викид жорсткого гамма-випромінювання чи скоротити його імпульс без втрати потужності. За таких умов існує можливість збільшення амплітуди ЕМІ, що генерується атмосферою.

Складається враження, що фізикою запрограмований вихід гамма-випромінювання, що створюється при розподілі ядер надкритичної системи. Інша енергія, що виділяється за ядерного вибуху, перетворюється на жорсткий рентген, але 10 кЕв не такі потужні в порівнянні з 1,5 МеВ при середній енергії гамма-випромінювання, що необхідно для отримання великої кількості електронів в атмосфері.

Розглянемо реакцію D+T->He4+n. У ній нейрон має енергію в 14,7 МеВ і має в бомбі набагато більший пробіг, ніж інші частки. За допомогою непружного розсіювання можна ефективно конвертувати отриману енергію в гамма-випромінювання. Суть полягає в процесі короткого захоплення ядрами матерії нейронів, потім вони перевипромінюються, а ядро перебуває у стані збудження, воно скидається гамма-квантами.

Якщо опромінення відбувається потоком швидких нейронів (найлегші ядра, серед яких вуглеводень, азот, кисень), то енергія частково конвертується в потік жорстких гамма-квантів. Кращий результат забезпечують твердий чи рідкий кисень, і навіть вуглець, завдяки якому виділиться від 10 до 20% нейтронів у вигляді гамма-квантів з показником 4,2 МеВ (середня енергія). При цьому енергія виділяється кілька десятків наносекунд, але існує можливість підняти ккд гамма-випромінювання приблизно в 100 разів.

При високому ядерному вибуху одна мегатонна звичайного боєприпасу створює приблизно кілотонну гамма-випромінювання. У «нейтронно-вуглецевій» бомбі для отримання 1 кілотонни гамма-випромінювання необхідно 12 кілотон термоядерної енергії, а з 3 мегатон можна отримати приблизно 250 кілотон випромінювання, яке буде в 3 рази більш жорстким і розтягнутим в часі. Саме такий пристрій здатний завдати найбільшої шкоди. Навіть за невисокої амплітуди ЕМІ енергетика імпульсу не буде суттєво вищою, хоча може перевищити показник 100 кВ/м. Тому руйнівна дія на електронне обладнання зміниться не так кардинально.

Зазначимо, що описана бомба повинна працювати на дейтерій-тритієвій суміші, при цьому звичайний LiD не підходить − він горить у вигляді ланцюга, який знищує нейтрони, тому їх вихід в атмосферу невеликий у порівнянні з потужністю боєприпасу.

Наприклад, на одну мегатонну потрібно 24 кг тритію. Його загальний цивільний запас у світі становить приблизно 30 кг. Ще один висновок можна зробити при порівнянні кількох сотень мегават важководних реакторів на Маяку і складністю видобутку тритію на американському реакторі Watts Bar-1 з літієвих мішеней, в порівнянні з гігаватами теплових реакторів CANDU, де виробляється «цивільний тритій».

Отже, навряд чи існують боєприпаси ЕМІ ВЯВ, створені за принципом конверсії ТЯ-нейтронів.