Электромагнитный импульс при ядерном взрыве, его природа и происхождение. Влияние на окружающую среду

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольского морского колледжа Киевской государственной академии водного транспорта

Имени гетмана Петра Конашевича-Сагайдачного

Реферат

На тему: «Электромагнитный импульс при ядерном взрыве, его природа и происхождение. Влияние на окружающую среду»

Содержание

Введение

1. Что такое электромагнитный импульс?

2. Природа электромагнитного импульса

3. Происхождение

4. История ЭМИ в СССР и США

5. Электромагнитный терроризм

6. Влияние на окружающую среду

7. Защита от ЭМИ

Вывод

Введение

Начало эпохи информационных войн, пришедшееся на рубеж тысячелетий, ознаменовалось появлением новых видов оружия - электромагнитного импульса (ЭМИ) и радиочастотного. По принципу поражающего действия оружие ЭМИ имеет много общего с электромагнитным импульсом ядерного взрыва и отличается от него, среди прочего, более короткой длительностью. Разработанные и испытанные в ряде стран неядерные средства генерации мощного ЭМИ способны создавать кратковременные (в несколько наносекунд) потоки электромагнитного излучения, плотность которых достигает предельных значений относительно электрической прочности атмосферы. При этом чем короче ЭМИ, тем выше порог допустимой мощности генератора.

По мнению аналитиков , наряду с традиционными средствами радиоэлектронной борьбы использование ЭМИ- и радиочастотного оружия для нанесения электронных и комбинированных электронно-огневых ударов с целью вывода из строя радиоэлектронных средств (РЭС) на расстояниях от сотен метров до десятков километров может стать одной из основных форм боевых действий в ближайшем будущем. Кроме временного нарушения функционирования (функционального подавления) РЭС, допускающего последующее восстановление их работоспособности, ЭМИ-оружие может осуществлять физическое разрушение (функциональное поражение) полупроводниковых элементов РЭС, в том числе находящихся в выключенном состоянии.

Следует отметить также возможность поражающего действия мощного излучения ЭМИ-оружия на электротехнические и электроэнергетические системы вооружения и военной техники (ВВТ), электронные системы зажигания двигателей внутреннего сгорания . Токи, возбуждаемые электромагнитным полем в цепях электро- или радиовзрывателей, установленных на боеприпасах, могут достигать уровней, достаточных для их срабатывания . Потоки высокой энергии в состоянии инициировать детонацию взрывчатых веществ (ВВ) боеголовок ракет, бомб и артиллерийских снарядов, а также неконтактный подрыв мин в радиусе 50-60 м от точки подрыва ЭМИ-боеприпаса средних калибров (100-120 мм).

В отношении поражающего действия ЭМИ-оружия на личный состав, как правило, речь идет об эффектах временного нарушения адекватной сенсомоторики человека, возникновения ошибочных действий в его поведении и даже потери трудоспособности. Существенно, что негативные проявления воздействия мощных сверхкоротких СВЧ-импульсов не обязательно связаны с тепловым разрушением живых клеток биологических объектов. Поражающим фактором зачастую является высокая напряженность наведенного на мембранах клеток электрического поля, сравнимая с естественной квазистатической напряженностью собственного электрического поля внутриклеточных зарядов. В опытах на животных установлено, что уже при плотности импульсно-модулированного СВЧ-облучения на поверхности биологических тканей в 1,5 мВт/см2 имеет место достоверное изменение электрических потенциалов мозга. Активность нервных клеток изменяется под действием одиночного СВЧ-импульса продолжительностью от 0,1 до 100 мс, если плотность энергии в нем достигает 100 мДж/см2 . Последствия подобного влияния на человека пока мало изучены, однако известно, что облучение импульсами СВЧ иногда порождает звуковые галлюцинации, а при усилении мощности возможна даже потеря сознания.

1. Что такое электромагнитный импульс

Электромагнитный импульс (ЭМИ) -- поражающий фактор ядерного оружия, а также любых других источников ЭМИ (например молнии, специального электромагнитного оружия, короткого замыкания в электрооборудовании высокой мощности, или близкой вспышки сверхновой и т. д.). Поражающее действие электромагнитного импульса (ЭМИ) обусловлено возникновением наведённых напряжений и токов в различных проводниках. Действие ЭМИ проявляется, прежде всего, по отношению к электрической и радиоэлектронной аппаратуре. Наиболее уязвимы линии связи, сигнализации и управления. При этом может произойти пробой изоляции, повреждение трансформаторов, порча полупроводниковых приборов и т. п. Высотный взрыв способен создать помехи в этих линиях на очень больших площадях.

2. Природа электромагнитного импульса

Ядерный взрыв производит огромное количество ионизированных частиц, сильнейшие токи и электромагнитное поле, называемое электромагнитным импульсом (ЭМИ). На человека оно не оказывает никакого влияния (по крайней мере в пределах изученного), зато повреждает электронную аппаратуру. Большое количество ионов, оставшихся после взрыва, мешает коротковолновой связи и работе радаров. На образование ЭМИ очень значительное влияние оказывает высота взрыва. ЭМИ силен при взрыве на высотах ниже 4 км, и особенно силен при высоте более 30 км, однако менее значителен для диапазона 4-30 км. Это происходит из-за того, что ЭМИ образуется при несимметричном поглощении гамма-лучей в атмосфере. А на средних высотак как раз такое поглощение происходит симметрично и равномерно, не вызывая больших флуктуаций в распределении ионов. Зарождение ЭМИ начинается с чрезвычайно короткого, но мощного выброса гамма-лучей из зоны реакции. На протяжении ~10 наносекунд в виде гамма-лучей выделяется 0.3% энергии взрыва. Гамма-квант, сталкиваясь с атомом какого-либо газа воздуха выбивает из него электрон, ионизируя атом. В свою очередь этот электрон сам способен выбить своего собрата из другого атома. Возникает каскадная реакция, сопровождающаяся образованием до 30 000 электронов на каждый гамма-квант. На низких высотах, гамма-лучи, испущенные по направлению к земле, поглощаются ею, не производя большого количества ионов. Свободные электроны, будучи гораздо легче и проворнее атомов, быстро покидают область, в которой они зародились. Образуется очень сильное электромагнитное поле. Это создает очень сильный горизонтальный ток, искру, рождающую широкополосное электромагнитное излучение. В то же время, на земле, под местом взрыва, собираются электроны "заинтересовавшиеся" скоплением положительно заряженных ионов непосредственно вокруг эпицентра. Поэтому сильное поле создается и вдоль Земли.

И хотя в виде ЭМИ излучается очень незначительная часть энергии - 1/3x10-10, это происходит за очень короткий промежуток времени. Так что мощность, развиваемая им огромна: 100 000 МВт. На больших высотах происходит ионизация расположенных ниже плотных слоев атмосферы. На космических высотах (500 км) область такой ионизации достигает 2500 км. Максимальная ее толщина - до 80 км. Магнитное поле Земли закручивает траектории электронов в спираль, образуя мощный электромагнитный импульс на несколько микросекунд. В течении нескольких минут между поверхностью Земли и ионизированным слоем возникает сильное электростатическое поле (20-50 кВ/м), пока большая часть электронов не будет поглощена вследствие процессов рекомбинации. Хотя пиковая напряженность поля при высотном взрыве составляет всего 1-10% от наземного, на образование ЭМИ уходит в 100 000 больше энергии - 1/3x10-5 всей выделившейся, напряженность остается примерно постоянной под всем ионизированным районом.

Воздействие ЭМИ на технику. Сверхсильное электромагнитное поле индуцирует высокое напряжение во всех проводниках. ЛЭП будут фактически являться гигантскими антеннами, наведенное в них напряжение вызовет пробой изоляции и выход из строя трансформаторные подстанции. Выйдет из строя большинство специально не защищенных полупроводниковых приборов. В этом плане большую фору микросхемам даст старая добрая ламповая техника, которой нипочем ни сильная радиация, ни сильные электрические поля.

3. Происхождение

Впервые о возможностях создания боевых электромагнитных устройств задумались в США в 50-х годах прошлого века, после того, как во время испытания водородной бомбы над Тихим океаном был выявлен мощный эффект электромагнитного излучения. В частности, после взрыва было зафиксировано серьезное нарушение электроснабжения на Гавайях, которые располагались в сотнях километров от места взрыва. Отмечалось нарушение радиопередач и в Австралии. После множества исследований в 1950 -- 1960-х годах ученые нашли вариант изготовления электромагнитной бомбы, которая (точнее -- ее мощное электромагнитное поле) повреждает ключевые элементы электрических схем практически всех видов вооружения и военной техники, а также системы связи возможного противника. За секунду такая аппаратура может вывести из строя локаторы, приборы ночного видения, электронные прицелы, мобильные средства связи, GPS-приемники. С помощью электромагнитного оружия (а это уже давно не только бомбы) останавливают танки, сбивают с курса самолеты и вертолеты

Зона поражения зависит от мощности источников излучения. Такое устройство (EPC) может быть установлено на высоком здании, на автомобиле, вертолете, самолете или фонарном столбе. Первый прототип электромагнитной пушки фирмы Eureka Aerospace весил почти 91 килограмм. При этом эффективная дальность этой пушки составляла только 15 метров. Сейчас EPC весит 23 килограмма и способна останавливать транспорт на расстоянии до 200 метров. Не случайно при посадке в самолет нам предлагают выключить мобильный телефон. Мобильные телефоны имеют мощность полватта, но эти полватта могут воздействовать на систему управления самолета. А если источник намного мощнее… Защититься от сверхмощных практически мгновенных сигналов очень сложно -- они настолько быстро проходят через электронику, что фильтры системы их пропускают.

Подобное оружие было впервые использовано американцами в 1991 году в ходе операции «Буря в пустыне». В 1999 году они применили его (в сочетании с графитовыми минами, тонкие нити которых замыкают линии электропередач) в Югославии, а в 2003 году -- во время второй войны с Ираком. Современное электромагнитное оружие имеет большую мощность, но расходует малое количество энергии. Дело в том, что в подобных устройствах происходит компрессия мощности, когда энергия сжимается в очень коротком импульсе.

Кстати, и молнию можно рассматривать как природное электромагнитное оружие. И хотя существуют системы защиты, заземления, автоматического переключения, во всем мире ежегодные потери от аварий, вызванных ударами молнии, оцениваются от трех до пяти миллиардов долларов.

В период с 1960-х по 1980-е годы НИПКИ «Молния» (с 1974 году НИЛ ТВН и ПТ был преобразован в Особое конструкторское бюро высоковольтной импульсной техники) являлся единственным в СССР центром по проведению государственных испытаний на молниестойкость важных объектов промышленного и народнохозяйственного значения. На полигоне также проводили «полномасштабные натурные испытания космической, авиационной и военной техники». В то время база работала в три смены. В 1970-х годах была расширена инфраструктура, построены гостиница, пищеблок… Именно здесь прошло, в частности, первое (и сначала неудачное) испытание хартроновской системы управления ракетой SS-18 («Сатана»).

4. История ЭМИ в СССР

22 октября, 28 октября и 1 ноября 1962 года на полигоне вблизи Джезказгана были проведены 3 взрыва на больших высотах: «К-3» на высоте 290 км, «К-4» -- на высоте 150 км и «К-5» -- на высоте 59 км.

В этих взрывах использовались термоядерные заряды с энерговыделением в 300 килотонн. Для ракетных пусков использовалась баллистическая ракета Р-12. Одной из задач операций «К», в дополнение к исследованию поражающих факторов,являлось получение экспериментальных данных о геофизических явлениях, сопровождающих высотные ЯВ. Эти исследования выполнялись в интересах систем обнаружения ЯВ и контроля за их проведением. Для решения данной задачи в ходе операции «К» был проведен значительный объем наземных и спутниковых наблюдений.

Электромагнитный импульс (ЭМИ), порождённый мгновенным гамма-излучением, достиг 570-километровой воздушной телефонной линии Джезказган-Жарык и вызвал в ней ток величиной 2500 ампер (по замерам на искровых промежутках), сжегший все плавкие предохранители. Более поздний магнитогидродинамический ЭМИ оказался достаточно низкой частоты, чтобы проникнуть под поверхность земли на 90 сантиметров и добраться до бронированного кабеля 1000-километровой силовой линии Акмола-Алматы, приведя к его перегрузке, к воспламенению линейных выключателей и к пожару на электростанции г. Караганды.

Прочие последствия испытания: повреждения радиоаппаратуры -- до 600 км, прекращение работы радара -- 1000 км

Несмотря на признание руководством США невозможности победы в ядерной войне, различные аспекты поражающего действия ядерного оружия продолжают широко обсуждаться. Так, в одном из рассматриваемых военными сценариев начального периода ядерной войны особое место отводится потенциальной возможности вывода из строя радиоэлектронной техники в результате воздействия на нее ЭМИ. Считается, что подрыв на высоте около 400 км. только одного боеприпаса мощностью более 10 Мт приведет к такому нарушению функционирования радиоэлектронных средств в обширном районе, при котором время их восстановления превысит допустимые сроки для принятия ответных мер.

По расчетам американских экспертов, оптимальной точкой подрыва ядерного боеприпаса для поражения ЭМИ радиоэлектронных средств почти на всей территории США была бы точка в космосе с эпицентром в районе географического центра страны, находящегося в штате Небраска. Теоретические исследования и результаты физических экспериментов показывают, что ЭМИ ядерного взрыва может привести не только к выходу из строя полупроводниковых электронных устройств, но и к разрушению металлических проводников кабелей наземных сооружений. Кроме того возможно поражение аппаратуры ИСЗ, находящихся на низких орбитах.

5. Электромагнитный терроризм

Всё больше звучит предостережений, о том что в ближайшее время терроризм может вполне стать ядерным. А при ядерном взрыве, как уже говорилось, возникает электромагнитный импульс огромной мощности, выводящий из строя электронное оборудование на расстоянии десятков километров. Т.е. все современное вооружение (кроме, конечно, автоматов Калашникова) в этой зоне превращается в хлам. Правильнее будет сказать -- в хлам превращается вся их высокотехнологичная электронная начинка. Теперь оставим в стороне сам ядерный взрыв, и вместо военной техники вообразим обычный офис, школу, больницу. Воздействие электромагнитного терроризма заключается как раз в том, что создается мощный электронный импульс, влияющий на уязвимые элементы электронной аппаратуры разнообразного назначения (от компьютеров до систем связи) с целью выведения ее из строя. В отличие от ядерного, химического, биологического терроризма электромагнитное воздействие не оставляет следов, не требует от террористов защиты и маскировки, может осуществляться по большому числу целей, дистанционно и с использованием мобильных средств. Последствия электромагнитного терроризма по своим масштабам могут превзойти любые другие способы запугивания общества и . Возможно полное нарушение управления системами жизнеобеспечения больницы, населенного пункта или крупного промышленного центра.

Наша инфраструктура особенно городская настолько уязвима, что при ее крахе человеку в городе не выжить, во всяком случае большинству. Ведь город не производит продуктов, постоянно требует энергию как электрическую так и топливо, плюс непрерывная поставка воды обслуживание канализации. Отсутствие электричества и топлива приведет к остановке накачивающей гидросистемы, продукты будут портится и исчезнет водопровод. Осознав что положение безвыходно люди побегут из города, но уже будет поздно. Забастовки и митинги голодных людей. Погромы и грабежи магазинов, складов, богатых домов и началась анархия. Картина получается мрачная, но потенциальная возможность такого развития сюжета должна быть просчитана соответствующими ведомствами.

6. Воздействие на окружающую среду

ЭМИ непосредственного действия на человека не оказывает. Приемники энергии ЭМИ -- проводящие электрический ток тела: все воздушные и подземные линии связи, линии управления, сигнализации, электропередачи, металлические мачты и опоры, воздушные и подземные антенные устройства, наземные и подземные трубопроводы, металлические крыши и другие конструкции, изготовленные из металла. В момент взрыва в них На доли секунды возникает импульс электрического тока и появляется разность потенциала относительно земли. Под действием этих напряжений может происходить: пробой изоляции кабелей, повреждение входных элементов аппаратуры, подключенной к антеннам, воздушным и подземным линиям (пробой трансформаторов связи, выход из строя разрядников, предохранителей, порча полупроводниковых приборов и т. д.), а также выгорание плавких вставок, включенных в линии для защиты аппаратуры. Высокие электрические потенциалы относительно земли, возникающие на экранах, жилах кабелей, антенно-фидерных линиях и проводных линиях связи могут представлять опасность для лиц, обслуживающих аппаратуру.

Наибольшую опасность ЭМИ представляет для аппаратуры необорудованной специальной защитой, даже если она находится в особо прочных сооружениях, способных выдерживать большие механические нагрузки от действия ударной волны ядерного взрыва. ЭМИ для такой аппаратуры является главным поражающим фактором. Линии электропередач и их оборудование, рассчитанные на напряжение десятков -- сотен киловольт, являются устойчивыми к воздействию электромагнитного импульса. Необходимо также учитывать одновременность воздействия импульса мгновенного гамма-излучения и ЭМИ: под действием первого -- увеличивается проводимость материалов, а под действием второго -- наводятся дополнительные электрические токи. Кроме того, следует учитывать их одновременное воздействие на все системы, находящиеся в районе взрыва.

На кабельных и воздушных линиях, попавших в зону мощных импульсов электромагнитного излучения, возникают (наводятся) высокие электрические напряжения. Наведенное напряжение может вызывать повреждения входных цепей аппаратуры на довольно удаленных участках этих линий.

В зависимости от характера воздействия ЭМИ на линии связи и подключенную к ним аппаратуру могут быть рекомендованы следующие способы защиты: применение двухпроводных симметричных линий связи, хорошо изолированных между собой и от земли; исключение применения однопроводных наружных линий связи; экранирование подземных кабелей медной, алюминиевой, свинцовой оболочкой; электромагнитное экранирование блоков и узлов аппаратуры; использование различного рода защитных входных устройств и грозозащитных средств.

7. Защита от ЭМИ

электромагнитный боевой ядерный взрыв

Идеальной защитой от ЭМИ явилось бы полное укрытие помещения, в котором размещена радиоэлектронная аппаратура, металлическим экраном.

Вместе с тем ясно, что практически обеспечить такую защиту в ряде случаев невозможно, т.к. для работы аппаратуры часто требуется обеспечить ее электрическую связь с внешними устройствами. Поэтому используются менее надежные средства защиты, такие, как токопроводящие сетки или пленочные покрытия для окон, сотовые металлические конструкции для воздухозаборников и вентиляционных отверстий и контактные пружинные прокладки, размещаемые по периметру дверей и люков.

Более сложной технической проблемой считается защита от проникновения ЭМИ в аппаратуру через различные кабельные вводы. Радикальным решением данной проблемы мог бы стать переход от электрических сетей связи к практически не подверженным воздействию ЭМИ волоконно-оптическим. Однако замена полупроводниковых приборов во всем спектре выполняемых ими функций электронно-оптическими устройствами возможно только в отдаленном будущем. Поэтому в настоящее время в качестве средств защиты кабельных вводов наиболее широко используются фильтры, в том числе волоконные, а также искровые разрядники, металлоокисные варисторы и высокоскоростные зенеровские диоды.

Все эти средства имеют как преимущества, так и недостатки. Так, емкостно-индуктивные фильтры достаточно эффективны для защиты от ЭМИ малой интенсивности, а волоконные фильтры защищают в относительно узком диапазоне сверхвысоких частот. Искровые разрядники обладают значительной инерционностью и в основном пригодны для защиты от перегрузок, возникающих под воздействием напряжений и токов, наводимых в обшивке самолета, кожухе аппаратуры и оплетке кабеля.

Металлоокисные варисторы, представляют собой полупроводниковые приборы, резко повышающие свою проводимость при высоком напряжении.

Однако, при применении этих приборов в качестве средств защиты от ЭМИ следует учитывать их недостаточно высокое быстродействие и ухудшение характеристик при неоднократном воздействии нагрузок. Эти недостатки отсутствуют у высокоскоростных зенеровских диодов, действие которых основано на резком лавинообразном изменении сопротивления от относительно высокого значения практически до нуля при превышении приложенного к ним напряжения определенной пороговой величины. Кроме того в отличии от варисторов характеристики зенеровских диодов после многократных воздействий высоких напряжений и переключений режимов не ухудшаются.

Наиболее рациональным подходом к проектированию средств защиты от ЭМИ кабельных вводов является создание таких разъемов, в конструкции которых предусмотрены специальные меры, обеспечивающие формирование элементов фильтров и установку встроенных зенеровских диодов. Подобное решение способствует получению очень малых значений емкости и индуктивности, что необходимо для обеспечения защиты от импульсов, которые имеют незначительную длительность и, следовательно, мощную высокочастотную составляющую.

Сложность решения задачи защиты от ЭМИ и высокая стоимость разработанных для этих целей средств и методов заставляют пойти на первых парах по пути их выборочного применения в особо важных системах оружия и военной техники. Первыми целенаправленными работами в данном направлении были программы защиты от ЭМИ стратегического оружия. Такой же путь избран и для защиты имеющих большую протяженность систем управления и связи. Однако основным методом решения данной проблемы зарубежные специалисты считают создание так называемых распределенных сетей связи (типа "Гвен"), первые элементы которых уже развернуты на континентальной части США.

Современное состояние проблемы ЭМИ можно оценить следующим образом. Достаточно хорошо исследованы теоретически и подтверждены экспериментально механизмы генерации ЭМИ и параметры его поражающего действия. Разработаны стандарты защищенности аппаратуры и известны эффективные средства защиты. Однако для достижения достаточной уверенности в надежности защиты систем и средств от ЭМИ необходимо провести испытания с помощью имитатора. Что касается полномасштабных испытаний систем связи и управления, то эта задача вряд ли будет решена в обозримом будущем.

Мощный ЭМИ можно создать не только в результате ядерного взрыва.

Современные достижения в области неядерных генераторов ЭМИ позволяют сделать их достаточно компактными для использования с обычными и высокоточными средствами доставки.

В настоящее время в некоторых западных странах ведутся работы по генерации импульсов электромагнитного излучения магнитодинамическими устройствами, а также высоковольтными разрядами. Поэтому вопросы защищенности от воздействия ЭМИ будут оставаться в центре внимания специалистов при любом исходе переговоров о ядерном разоружении.

Вывод

При ядерном взрыве образуется мощный поток гамма-лучей, которые выбивают электроны из атомов воздуха ионизируя их. В ионизированном воздухе возникает сильнейшее переменное электромагнитное поле, которое и называется электромагнитным импульсом. Для человека он безопасен, но практически для любой электронной техники - фатален. Поле такой мощности индуцирует высокое напряжение в проводниках, пробивая изоляцию - незащищенные приборы выходят из строя. В отличии от полупроводниковой, ламповая техника не подвержена воздействию электромагнитных импульсов, поэтому не спешите выбрасывать старый ламповый приемник, возможно, он вам еще послужит. Защитить полупроводниковые приборы можно поместив их в полностью закрытый металлический футляр - он экранирует поле и сбережет прибор. Электромагнитный импульс препятствует распространению радиоволн и нарушает работу радиолокаторов.

Наибольшее значение на силу импульса влияет высота взрыва. Наиболее сильным электромагнитный импульс будет при ядерном взрыве на высоте более 30 километров и менее 4 км над землей, а при взрыве между этими точками - импульс слабее, так как в этом случае гамма-лучи распределяются симметрично и равномерно, а электромагнитный импульс возникает как раз при неравномерном и несимметричном распределении гамма-лучей.

Размещено на Allbest.ru