Dzięki postępowi w zakresie mocy obliczeniowej komputerów, a ostatnio również w dziedzinie sztucznej inteligencji, zjawiska towarzyszące propagacji impulsu HEMP i ich konsekwencje można symulować w oprogramowaniu. W latach 50. i na początku lat 60. XX wieku, kiedy trwała zimna wojna pomiędzy USA a Związkiem Radzieckim, takich możliwości oczywiście nie było. Modele, jakie byli wówczas w stanie opracować fizycy, były bardzo uproszczone. W związku z tym władze nie do końca mogły się na nich opierać analizując potencjalne skutki zdetonowania przez wroga ładunku nuklearnego na dużej wysokości nad powierzchnią Ziemi. Jedynym sposobem, by się o tym przekonać, było... sprawdzenie tego w praktyce. Ponieważ chodziło o bezpieczeństwo narodowe, a po ZSRR można się było spodziewać najgorszego, zdecydowano się na przeprowadzenie takiej próby.
Eksperyment
W nocy 9 lipca 1962 roku niebo nad Hawajami rozświetlił silny błysk. Na ulicach zgasły światła, łączność między wyspami została przerwana, a poświata przypominająca zorzę polarną rozświetliła horyzont na wiele godzin. Uszkodzonych zostało także 9 z 25 satelitów znajdujących się wówczas na orbicie. Były to skutki zdetonowania głowicy termojądrowej 400 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, w jonosferze, w ramach tajnego eksperymentu Starfish Prime, przeprowadzonego przez rząd Stanów Zjednoczonych. Eksplozja ładunku o sile 1,4 megatony, czyli około 100 razy silniejszego niż ten, który został zrzucony na Hiroszimę, była największym testem jądrowym, jaki kiedykolwiek został przeprowadzony na dużej wysokości. Ale nie jedynym.
Nie ma pewności co do dokładnej liczby prób jądrowych przeprowadzonych w górnych warstwach atmosfery. Według niektórych źródeł, między 1958 a 1962 rokiem zarówno Stany Zjednoczone, jak i Związek Radziecki przeprowadziły łącznie osiem prób jądrowych w kosmosie. Starfish Prime był największą, a zarazem pierwszą udaną próbą przeprowadzoną przez USA. Inne źródła podają z kolei, że same Stany Zjednoczone przeprowadziły w tym okresie 11–12 prób jądrowych na dużej wysokości. Ostatecznie, w 1963 roku, na mocy porozumienia zawartego pomiędzy USA, ZSRR i Wielką Brytanią, takich eksperymentów zabroniono. Kolejne traktaty obejmowały tym zakazem również przestrzeń kosmiczną.
Dane pomiarowe z eksperymentu Starfish Prime odtajniono dopiero w 2006 roku. Obejmowały one m.in. odczyty z rejestratorów pola magnetycznego znajdujących się na pokładach amerykańskich okrętów wojennych stacjonujących w rejonie wybuchu oraz rakiet wojskowych wystrzelonych w ślad za głowicą termojądrową. Na podstawie tych danych do dziś opracowuje się modele komputerowe do symulowania konsekwencji wybuchu ładunku nuklearnego w górnych warstwach atmosfery.
Rozpraszanie Comptona
Eksplozja jądrowa na dużej wysokości uwalnia impuls promieniowania gamma. Rozchodzi się on we wszystkich kierunkach od punktu detonacji. Gdy wysokoenergetyczne cząstki gamma wchodzą w atmosferę Ziemi, dochodzi do ich zderzeń z atomami tlenu i innych gazów. Zachodzi wówczas zjawisko rozpraszania Comptona, które występuje, gdy foton gamma uderza w elektron orbitalny o energii wiązania mniejszej w porównaniu z energią fotonu. Cząstka gamma przekazuje część swojej energii elektronowi. W wyniku zderzenia zmienia ona kierunek lotu i porusza się dalej po nowej trajektorii. Elektron natomiast zostaje wytrącony z orbity atomu, co powoduje jonizację tego ostatniego.
Energia fotonu gamma równa się wówczas jego energii początkowej zmniejszonej o sumę energii kinetycznej wytrąconego elektronu orbitalnego i jego energii wiązania. Rozproszone cząstki gamma wywołują jonizacje kolejnych atomów w atmosferze. Analogicznie elektrony wytrącone, czyli tzw. elektrony Comptona, przekazują swoją energię dalej, też powodując jonizacje następnych atomów.
W kontekście HEMP to właśnie elektrony Comptona odgrywają kluczową rolę. Poruszają się one spiralnie wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego, stając się źródłem zmiennych elektrycznych i magnetycznych pól, czego skutkiem jest silny, szybko narastający impuls elektromagnetyczny. Foton gamma, nim całkowicie wytraci energię, może oddziaływać jeszcze z wieloma cząsteczkami atmosfery, co wzmacnia ten efekt. Dodatkowo pojawiają się wtórne impulsy elektromagnetyczne, wynikające z interakcji pierwotnego impulsu z powierzchnią Ziemi oraz z jonosferą. Zasięg HEMP zależy od trzech czynników: wysokości eksplozji (im jest większa, tym większy jest zasięg), siły wybuchu i rodzaju eksplozji. Przykładowo, detonacja ładunku jądrowego o mocy 100 megaton na wysokości 500 kilometrów nad centralną częścią Stanów Zjednoczonych wygenerowałaby impuls elektromagnetyczny obejmujący swoim zasięgiem całe terytorium tego kraju.
Składowe impulsu
Impuls HEMP składa się z trzech składowych. Klasyfikuje się je na podstawie ich charakterystyk i czasów trwania na E1, E2 oraz E3.
Składowa E1 to krótkotrwały silny impuls elektromagnetyczny. Jest on generowany bezpośrednio po wybuchu jądrowym, będąc wprost konsekwencją zjawiska rozpraszania Comptona. Składowa E1 ma przebieg wykładniczy i wyróżnia się bardzo krótkim czasem narastania – są to szybkości rzędu kilku nanosekund (typowo przyjmuje się wartość z zakresu 2–10 ns, zazwyczaj ~2,5 ns) oraz znaczną wartością natężenia pola elektrycznego, rzędu kilkudziesięciu kilowoltów na metr. W symulacjach zakłada się wartość referencyjną 25 kV/m, przyjmując w ekstremalnych przypadkach natężenia, które sięgają od 50 do nawet 100 kV/m. W widmie impulsu E1 dominują składowe w zakresie wysokich częstotliwości, sięgające kilkuset megaherców. To wpływa na sposób sprzęgania się tego zaburzenia z infrastrukturą energetyczną i urządzeniami elektronicznymi, jak sterowniki. Długie elementy przewodzące, jak linie energetyczne czy kable sterownicze, odbierają je jak anteny. To powoduje indukowanie się napięć i w konsekwencji przepływ prądów, które jako zaburzenia przewodzone docierają do podłączonych odbiorników. Impuls E1 jest również źródłem zaburzeń promieniowanych, które przenikają przez szczeliny, otwory wentylacyjne, przepusty kablowe czy nieskutecznie ekranowane osłony i sprzęgają się z przewodami, ścieżkami na PCB i antenami, co w efekcie prowadzi do zakłóceń działania układów scalonych albo ich uszkodzeń. Ze względu na bardzo dużą amplitudę i bardzo krótki czas narastania ochrona przed składową E1 impulsu HEMP przekracza możliwości standardowych elementów ochrony przed przepięciami.
Składowe E2 i E3
Impuls E2 składa się z dwóch komponentów, E2A oraz E2B, i trwa od 1 μs do 10 ms. E2A, jest generowany jako wtórny efekt promieniowania gamma ulegającego rozproszeniu Comptona. Drugi komponent, E2B, jest skutkiem oddziaływania promieniowania gamma, które jest emitowane w wyniku nieelastycznych zderzeń, do których dochodzi pomiędzy neutronami uwalnianymi podczas detonacji ładunku nuklearnego a cząsteczkami powietrza. Skutki impulsu E2 są porównywalne z konsekwencjami pobliskiego wyładowania atmosferycznego – mechanizm sprzęgania składowej E2 z obiektami przewodzącymi jest podobny do sposobu, w jaki pole elektromagnetyczne wytwarzane przez piorun, który uderzył w pobliżu, sprzęga się z przewodami napowietrznymi. W związku z tym, że natężenie pola E2 jest stosunkowo niskie – wynosi 0,1 kV/m, nie należy spodziewać się jego oddziaływania na systemy zabezpieczone standardowymi elementami ochrony odgromowej.
Także elektromagnetyczny impuls magnetohydrodynamiczny (MHD-EMP, Magnetohydrodynamic Electromagnetic Pulse), jakim jest składowa E3, ma dwa komponenty: falę uderzeniową E3A oraz E3B. Towarzyszące mu pole elektryczne o niskiej częstotliwości jest podobne do wytwarzanego przez burzę magnetyczną, z wyjątkiem dwóch ważnych różnic. Po pierwsze, E3 EMP może mieć znacznie większą amplitudę niż pole geoelektryczne wytwarzane przez burzę magnetyczną – ten pierwszy może być nawet o rząd wielkości większy. Oprócz tego czas trwania składowej E3 jest znacznie krótszy. Typowo trwa tylko 4–5 minut, w porównaniu z burzami magnetycznymi, które mogą trwać kilka dni, a nawet dłużej.
Fala uderzeniowa E3A powstaje w ciągu pierwszych 10 sekund po wybuchu jądrowym i jest wynikiem rozszerzania się kuli plazmy powstałej w wyniku eksplozji. W miarę jak ta przewodząca (zjonizowana) materia powiększa swoją objętość, oddziałuje z ziemskim polem magnetycznym lub je przecina, powodując jego zniekształcenie, które z kolei indukuje pole geoelektryczne na powierzchni Ziemi. Po 10 sekundach kula plazmy zaczyna unosić się pionowo wzdłuż linii pola magnetycznego kuli ziemskiej. Powstały w efekcie układ prądów generuje zmienne w czasie pole elektryczne składowej E3B. Maksymalne natężenie fali E3A występuje daleko na północy od miejsca eksplozji, podczas gdy fala E3B jest skupiona wokół tego punktu.
Skutek składowej E3 to prądy o niskiej częstotliwości w liniach przesyłowych i transformatorach. Te geomagnetycznie indukowane prądy powodują nasycenie rdzeni transformatorów, konsekwencją czego jest ich przegrzewanie się. Potencjalne skutki E3 EMP dla systemu elektroenergetycznego mogą obejmować lokalne niestabilności napięcia, jak i całkowity blackout.
Broń EMP. Normy
Choć atak jądrowy na dużej wysokości skutkujący impulsem elektromagnetycznym może wydawać się mało prawdopodobny, technologie wykorzystujące EMP, który nie jest skutkiem eksplozji nuklearnej, są rozwijane na całym świecie już od lat. Przykład to tzw. broń energii bezpośredniej, z której korzystają wojska różnych krajów. Projektuje się ją tak, żeby naśladowała charakterystykę impulsu HEMP E1 i można było ją nakierować na cel, podobnie jak konwencjonalny EMP, z bliskiej odległości. Broń tego typu na określonych typach urządzeń elektronicznych wywołuje różne skutki, od zakłóceń działania, przez trwałe uszkodzenia, po całkowite zniszczenie.
Przykład to działa przeciwdronowe przeznaczone do unieszkodliwiania bezzałogowych statków powietrznych, o których tyle się obecnie mówi. Urządzenia te emitują impulsy elektromagnetyczne, żeby zagłuszyć kanały radiowe służące do transmisji danych nawigacyjnych i komend, za pośrednictwem których operator steruje dronem. Zerwanie tego kontaktu skutkuje utratą kontroli nad dronem i jego niekontrolowanym lotem i zwykle ostatecznie prowadzi do jego rozbicia się.
Wraz z rozwojem broni tego typu rośnie potrzeba ochrony sprzętu elektronicznego. Opracowano w związku z tym wiele norm i wytycznych projektowych dotyczących badania odporności i zabezpieczania urządzeń przed skutkami ataku impulsem elektromagnetycznym. Przykładem jest amerykański standard MIL-STD-461G, który określa metodologię badań i wartości testowe pozwalające na określenie odporności urządzenia na EMP. Przykładowy test narażenia na impuls elektromagnetyczny przeprowadza się, korzystając z linii transmisyjnej podłączonej do generatora impulsów przejściowych. Ten składa się ze źródła wysokiego napięcia prądu stałego, baterii kondensatorów wysokiego napięcia oraz przełącznika. Generator jest podłączony do jednego końca linii transmisyjnej i uziemiony. Drugi koniec linii transmisyjnej jest trwale połączony z płaszczyzną uziemienia. To połączenie zapewnia ścieżkę powrotną, umożliwiając przepływ prądu i generowanie pól elektromagnetycznych w pętli transmisyjnej. Celem tego badania jest określenie progowej wartości natężenia generowanego pola, która wywołuje zakłócenia w działaniu testowanego urządzenia.
Monika Jaworowska
