高空核爆炸产生的电磁脉冲及防护

1958年4月28日凌晨，美国拳师号航空母舰在太平洋比基尼环礁海岸约70 英里处航行，船员正准备发射一个高空氦气球。事实上，这将是从船上发射的第17个高空气球。但这个气球有点不同，前16个气球携带一些仪器和虚拟有效载荷，而附着在这个气球上的是一个1.7公斤的弹头，代号为 Yucca。这是美国在1958年进行的一系列核试验。

Yucca是在地球大气层上进行的第一次核爆试验。气球发射大约一个半小时后，它到达了约26000米的高度。当两架装载仪器的 B-36 轰炸机在该地区盘旋时，弹头被引爆。飞机上的研究小组在过程中收集了各种数据，包括冲击波的速度、对气压的影响以及释放的核辐射量。此外，他们还从地面上的两个位置测量爆产生的电磁波。

自从第一次核爆以来，人们就知道核爆会产生电磁脉冲(EMP)。但在这次之前，没有人测量过高层大气核爆产生的波。 这次任务他们记录的内容远远超出了他们的预期，以至于多年来一直被认为是异常现象。报告中提及其中一个监测站的估计电磁场强度约为仪器最大极限的5倍。

5年后，美国物理学家康拉德·朗迈尔才提出了一个关于高空核爆产生的电磁脉冲的理论，该理论解释了为什么空中比地面爆炸产生的电磁脉冲强几个数量级，现在这个理论仍然被广泛接受。从那时起，对核战争的恐惧不仅包括弹头击中人口稠密地区、摧毁城市和产生核辐射的情况，还包括在高层大气中引爆弹头，向其发射足够强的EMP，这足以扰乱电子设备，甚至破坏电网。

在2019年，一个名为电力研究所的能源组织资助了一项研究，试图准确了解高空核EMP对电网可能发生的情况。这不是同类研究中的一项，但它拥有我能找到的所有研究中丰富的工程细节。

核电磁脉冲的组成

几乎在所有情况下，核爆都是不受欢迎的。这些事件本质上是危险的，核爆的物理原理远远超出了我们的直觉。在高层大气中尤其如此，核爆以一些非常的方式与地球磁场及其大气相互作用，从而产生电磁脉冲。一个EMP实际上具有三个不同的组成部分，所有这些组成部分都是由不同的物理机制形成的，它们可能对地球表面产生显着不同的影响。

EMP的第一部分称为E1，这是核爆后立即出现的极快和强烈的脉冲。核爆期间释放的伽马射线与电子碰撞，使原子电离并产生电磁辐射爆发。当在大气层高处引爆时，地球磁场与这些自由电子相互作用，产生比在低海拔地区引爆强得多的电磁脉冲。E1脉冲在几纳秒内反复发生，这意味着它分布在电磁频谱的很大一部分中。E1脉冲通常会到达核爆视线范围内的任何地方，对于高空爆发，这可以覆盖大片土地。 虽然像这样的WQ不会损坏建筑物、人类感觉不到，但E1脉冲会对电子设备产生巨大影响。

E2脉冲比E1慢，因为它以不同的方式产生，这次是由伽马射线和中子的相互作用产生的。事实证明，E2 脉冲与雷击大致相当。事实上，许多雷击比高空核爆产生的雷击更强大。当然，电网并非不受雷电影响，但我们确实使用了大量的防雷技术。电网上的大多数设备已经对一些高压脉冲进行了加固，因此雷击通常不会造成太大的损坏。因此，E2 脉冲不会对我们的电力基础设施构成威胁，尤其是与E1和E3相比。

EMP 的最后一个组成部分称为 E3，再次与其他两个有很大不同。它甚至根本不是一个脉冲，因为它是以不同的方式产生的。当上层大气发生核爆时，地球磁场会受到干扰和扭曲。随着核爆消散，磁场会在几分钟内慢慢恢复到原来的状态。这类似于太阳风暴对地球时发生的情况，大型太阳事件可能比核EMP对电网构成更大的威胁。

那么这些脉冲会造成什么破坏？电力研究所模拟了在200公里高度引爆的1兆吨的测试。他们估计，大约5%的输电线路可能有一个继电器，该继电器会被由此产生的E1损坏，仅凭这一点可能还不足以导致电网大规模停电。但由于变压器铁芯饱和和电力供需失衡，E3可能导致区域性停电。

Transtector和Polyphaser推出了针对电源和信号的可以防护高空核磁爆HEMP的产品，防护等级包含E1,E2和E3。