В интернете можно регулярно встретить страшилки по поводу разрушительного действия электромагнитных импульсов (ЭМИ), особенно - от ядерного оружия.


Ядерный взрыв Kingfish, в ходе серии высотных подрывов Operation Fishbowl, в которой и были открыты необычно высокие уровни ЭМИ от высотных ядерных взрывов.

Что-то типа таких текстов:
“При высотном ядерном взрыве, 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. 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.”

Или вот
Однако даже если этого не произойдет, но ЭМИ-ракета упадет где-либо в США, это уничтожит до 90% американского населения. Бывший сотрудник ЦРУ пояснил, что в результате электромагнитного удара электроника будет выведена из строя, произойдут массовые аварии. Гражданские самолеты, которые одновременно находятся в небе и перевозят около 500 000 человек, упадут,  приведя к смертям не только пассажиров, но и всех, кто пострадает от серии катастроф. Также такой импульс полностью уничтожает запасы продовольствия. В итоге через год лишь 10% от нынешней численности населения США выживет, отметил бывший сотрудник ЦРУ.

Давайте же сегодня посмотрим на дьявольское отродье - ядерное электромагнитное оружие, его физику и реальные возможности.

Этот взрыв не имеет отношения к сегодняшней теме, но мне просто очень нравятся различные фоточки ядерных испытаний, сохраненные с сайта LANL

Начать, пожалуй надо с того, что же это такое - ЭМИ. По сути это что-то сильной фотовспышки в радиодиапазоне. Но в отличии от аналогии в лоб ЭМИ опасен не только перегрузкой радиоприемников (что-то вроде “зайчиков в глазах”) но и свойством высаживать свою электромагнитную энергию на всем проводящем. В частности, в пострадавших оказываются длинные проводные линии - электропитания и связи, радиоэлектронные устройства, не готовые к заряду бодрости в антенну и в целом, вся электроника, не защищенная хоть какими-то инженерными ходами.


Физики высотного ядерного ЭМИ, к сожалению, несколько сложнее того, что можно изложить в посте, и имеет несколько различных компонентов. А целом амплитуда от времени (в логарифмических координатах, обратите внимание) выглядит как на картинке выше. Шикарное изложение физики явления можно подчерпнуть в статье человека, объяснившего это явление (в США) - Conrad Longmire.

Проблемой воздействия ЭМИ на электрику и электронику занимается целая отдельная наука и на деле вопрос этот весьма непрост и многогранен. При должном усердии очень нежный радиоприемный узел можно защитить так, что его будет проще уничтожить ядерным взрывом, чем электромагнитным импульсом ядерного взрыва. Эффекты зависят от всего - спектра конкретного ЭМИ, геометрии прибора, взаимного расположения, проводников вокруг, фазы луны и т.п. и т.д. Уже поэтому очень большим преувеличением является огульное утверждение, что какой-бы там не был ЭМИ способен уничтожить (локально) цивилизацию - результат будет, натурально, непредсказуем.

Самый подробный анализ воздействия ЭМИ, и не только высотных ядерных, на жизнь страны я нашел в документе FAS, хотя, как мне кажется, он слегка загнут в алармискую сторону.

Тем не менее кое какие оценки сделать можно и полезно. Основные две характеристики ЭМИ, которые нам понадобятся - это его протяженность во времени (длительность) и амплитуда, выражаемая обычно в напряженности электрической компоненты электромагнитного поля в вольтах на метр.

С амплитудой, надо думать, все более менее понятно - чем больше молоток, тем больше от него дыры в стене. Характерные значения напряженностей, которые что-то могут повредить начинаются с 5 кВ/м, 50 кВ/м считается пределом для ядерного ЭМИ (об этом ниже), ЭМИ-оружие (без ядерного заряда) способно создавать амплитуды до 200 кВ/м. Чем короче ЭМИ, тем серьезнее проблемы защищающейся стороны.  Вызвано это как ростом мгновенной мощности при неизменной энергетике, так и тем, что коротковолновые составляющие лучше проникают в здания и корпуса приборов, лучше “осаживаются” на проводники.

На электронику и электрику ЭМИ воздействует несколькими способами. Во-первых на различных проводниках схемы возникают перенапряжения - от десятков вольт до киловольт, а для длинных, неудачно расположенных ЛЭП - до мегавольтов. Перенапряжения могут привести к пробою различных элементов схем/систем, особенно там, где нет схемотехнических защит специальными быстродействующими полупроводниковыми устройствами. Здесь опять важна краткость ЭМИ - чем он длиннее, тем больше энергии будет просто рассеяно в проводниках и меньше амплитуды перенапряжений.

И да, про энергию. ЭМИ переносят относительно небольшую энергию - от десятков миллиджоулей до десятков джоулей на метр квадратный. По сути, ничему, кроме как нежной электронике и неудачно спроектированным линиям электропитания (собирающим энергию с сотен тысяч квадратных метров) повредить ЭМИ не может. При этом закон обратных квадратов неумолим - взорвав 200 кг взрывчатого вещества в спецбоеприпасе и излучив 50 мегаджоулей электромагнитного излучения (такая цифра превосходит лабораторные рекорды) на расстоянии 300 метров мы получим всего ~40 Дж/м^2 и пару джоулей в приемном тракте условной носимой радиостанции, от которых можно защититься. В 3 км от точки подрыва речь уже пойдет о сотнях миллиджоулях на м^2.


Кочующее из публикации в публикацию изображение электромагнитного оружия. Здесь набор конденсаторов создает импульс тока во взрывомагнитном генераторе первой ступени, который создает импульс тока мегаамперного уровня во втором ВМГ, который в свою очередь создает мегаамперный импульс при сотнях киловольт в СВЧ генераторе-виркаторе

Прежде, чем перейти, наконец, к ядерным взрывам - несколько цифр:

ЭМИ от молний имеет длительность в районе 1 миллисекунды и амплитуду до 10 кВ/м в непосредственной близости от молнии и 1-2 кВ/м в сотне-другой метров. ЭМИ от оружия создает напряженность до 100 кВ/м (200, насколько я понимаю - все же лабораторный предел) в объеме нескольких метров и до 1 кВ/м в сотне метров от точки подрыва и может иметь длительность в 100-200 микросекунд.

Итак, высотный ядерный взрыв (ВЯВ) и его легендарный ЭМИ. Что мы могли бы ожидать изначально? Ядерный взрыв в плане энерговыделения гораздо быстрее любой взрывчатки примерно в 1000 раз. Ядерный взрыв мощнее любой взрывчатки в тысячи и миллионы раз. Означает ли это, что ЭМИ от ВЯВ - это просто дубина побольше?


Характеристики различных ЭМИ.

Вопреки первой интуитивной догадке, в высотном ядерной взрыве непосредственно не генерируется значительных электромагнитных всплесков. Немножко разлетающейся плазмы от бывшей бомбы, море рентгеновского излучения при остывании плазмы, и немножко первичного гамма-излучения от цепной ядерной энергии - вот и все, что по сути дает ядерный взрыв в космосе, над атмосферой.

Пшик? Ничего не вышло? Но обратите внимание за улетевшим жестким гамма-излучением, унесшим жалкие 0,1-0,2% от полной мощности взрыва.

Со скоростью света очень короткий (несколько наносекунд) и отсюда крайне мощный импульс гамма-излучения распространяется в сторону поверхности и на высоте ~30 км начинает активно поглощаться плотнеющей атмосферой.  Гамма-кванты выбивают электроны из воздуха и разгоняют их до приличной энергии за счет эффекта Комптона. Электроны выбивают следующие, те - еще, и в итоге на всей засвеченной площади атмосферы за наносекунды возникает невероятное количество свободных электронов, в целом движущихся в том же направлении, что и исходное излучение.

Наверное впечатляющее зрелище.

Здесь в игру вступает магнитное поле Земли. Все наши новорожденные электрончики начинают синхронно заворачивать в магнитном поле и за счет эффекта циклотронного резонанса излучают импульс электромагнитного излучения. Его длительность - десяток наносекунд, а амплитуда - 20...50 кВ/м, но он излучается не в точке. Он излучается всем небом на тысячи километров вокруг эпицентра ВЯВ.


Моделирование распределения амплитуды ЭМИ от высотного ядерного взрыва (высота подрыва 100 км). Даже в ~700 км от эпицентра энерговыделение еще приличное. Взаимодействие с магнитным полем земли рисует этот своеобразный "смайлик".


Зависимость радиуса действия ЭМИ от высоты подрыва. Впрочем, как можно догадаться, чем выше подрыв - тем больше должна быть энергетика ядерного боеприпаса, что бы воздействовать с той же силой.

Именно этот факт, наряду с очень короткой протяженностью во времени делает ЭМИ ВЯВ столь значительным оружием. Плотность энергии мало меняется на протяжении сотен километров от эпицентра, засвечивая сразу миллионы километров квадратных. Именно в таких условиях ЛЭП могут набирать мегавольты перенапряжения, а трансформаторы на их концах получать пробои изоляции обмоток. Все остальные классы повреждений - пробои на терминалах проводной связи, сгорающие тракты радиолокаторов и радиостанций, зависшие цифровые устройства тоже возможны.


Моделирование импульса тока, вызванного ЭМИ в 100 метрах воздушной линии, лежащей в меридональном направлении.

Однако, подождите. Физика ВЯВ, подарившая оружейникам столько впечатляющую игрушку диктует и ее ограничения. Обладая импульсом гамма излучения с известной жесткостью и длительностью мы получаем логарифмическую зависимость амплитуды ЭМИ от мощности. Мегатонная бомба даст 20 кВ/м, специально подготовленная 20 мегатонная - 50 кВ/м, с 300 мегатонн, пожалуй можно выжать 80, а десяток гигатонн… Так, стоп. Видя такую зависимость, инженеры “обороны” прочертили линию в 50 кВ/м, и выпустили в рамках “библии электромагнитной совместимости” IEC 61000 главы, посвященные ЭМИ ВЯВ, с помощью которого вполне возможно создавать оборудование, которое переживет это деструктивное воздействие как ни в чем не бывало. Причем не обязательно проектировать каждый сервер или принтер устойчивым к ядерному оружию, защищать можно сразу здание, его сети питания или связи. Например, от поражения по сетям питания можно использовать различное оборудование защищающее IEEE 587 class B+ - например для защиты оборудования по линиям питания 1, 2, защиты коаксиальных линий и т.п.


Самое важное для нас в этой картинке с моделированием ВЯВ - амплитуда ЭМИ ВЯВ логарифмически зависит от мощности жесткого гамма-излучения

Насколько, в итоге может оказаться разрушительным ЭМИ ВЯВ? Существует довольно много отчетов по этой тематике [1 , 2, 3] Наиболее короткое резюме из них выглядит так: при должном внимании к проектированию силовых и коммуникационных устройств ущерб от ЭМИ ВЯВ будет минимален или вообще нулевым. При этом существующая инфраструктура в США, скажем, по мнению авторов реализована довольно пестро - где-то защита реализована, где-то нет. Наибольшей, фактически 100% стойкостью, обладает инфраструктура военных, затем идут высоковольтные ЛЭП, хорошо защищенные ограничителями перенапряжений, Tier 1 ЦОДы, ну а хуже всего защищено всякое рядовое оборудование - от магазинчиков до домашних телевизоров.


Воздействие эмитатором ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационную плату (сама плата выключена) - виден пробой каких-то элементов возле розетки, куда приходят провода. Надо полагать, что массовой жертвой могут пасть трансформаторы в разъемах Ethernet.


Исследования американской лаборатории ORNL, например, показывают, что самыми уявзвимыми на высоковольтных подстанций оказываются не трансформаторы и ЛЭП (защищенные ограничителями перенапряжений), о которых много говорят в прессе, а измерительное оборудование и низковольтные кабели к системе управления.

Впрочем, судя по оговоркам вывод о слабости холодильников к поражению ядерными ЭМИ сделан прежде всего в силу невозможности нормального анализа по этому классу целей - еще раз напомню, что реальное поражение будет зависеть от всего на свете: как расположен прибор относительно точки подрыва, какой длины провода питания и проложены ли они под землей или в воздухе, есть ли грозозащитные устройства, из чего сооружен дом и т.п. и т.д. Невозможность расчета оставляет пространство для субьективности - если в отчете надо нагнать ужаса, пишем о критической незащищенности, надо добиться выделения денег - пишем о необходимости все посчитать, а если мы военные, то считаем что все граждане с неправильными холодильниками умрут и исходим из этого. Мы же военные.

Из чтения фактологии анализов устойчивости к ЭМИ можно сделать такой вывод - “противник” (ЭМИ ВЯВ) хорошо известен, методы защиты от него отработаны и внедрены как минимум на части критичной инфраструктуры, которая и переживет удар. Да, потери возможны, но шансы “отправиться в каменный век”, невысоки.


Интересный вывод можно сделать, рассматривая спектр ЭМИ ВЯВ. В районе 1 ГГц спектральная плотность падает к максимуму на 3 порядка, т.е. антенны всякой цифровой радиосвязи (начиная от 433 МГц) будут набирать вольты или десятки вольт непосредственно в тракт на частотах где есть хорошее согласование и низкий ксв и вполне возможно не пострадают совсем.

Но что, если все эти стандарты условий ЭМИ, для которых создано оборудование защиты недооценивают ЭМИ ВЯВ?

Вернемся к физике: для увеличения поражающего эффекта нужно либо усиливать выход жесткого гамма-излучения ядерного взрыва, либо укорачивать его импульс (не потеряв в мощности) - только так можно увеличить амплитуду ЭМИ, генерируемого атмосферой. Казалось бы, выход гамма-излучения, рождающегося в процессе деления ядер надкритичной системы жестко “запрограммирован” физикой явления. Любая другая энергия, которую мы можем взять от ядерного взрыва неизбежно релаксирует в материале бомбы и выделяется в виде жесткого рентгена - но эти “жесткие” 10 кЭв слишком мягкие на фоне 1,5 МэВ средней энергии гамма-излучения, чтобы родить достаточно электронов в атмосфере.

Любая другая, кроме термоядерных нейтронов, рожденных в реакции D+T->He4 + n. Нейтрон здесь имеет энергию 14,7 МэВ и имеет на порядки бОльший пробег в бомбе, чем любые другие частицы. Эффективно конвертировать эту энергию в гамма-излучение можно с помощью неупругого рассеяния - процесса кратковременного захвата нейтрона ядрами материи, после чего нейтрон переизлучается, а ядро остается в возбужденном состоянии, которое сбрасывается с помощью гамма-квантов. Если облучать потоком быстрых нейтронов относительно легкие ядра (например, углерод, кислород или азот), то часть энергии будет конвертироваться в поток жестких гамма-квантов. Наилучшие результаты даст жидкий или твердый кислород, но и гораздо более банальный углерод будет тоже ничего - 10-20% энергии нейтронов выделяться в виде гамма квантов с средней энергией в 4,2 МэВ. Да, выделение энергии будет идти не несколько наносекунд, а скорее несколько десятков наносекунд, но появляется возможность поднять кпд генерации гамма-излучения в ~100 раз.

1 мегатонна “стандартного” боеприпаса при высотном ядерном взрыве дает около 1 килотонны в виде гамма-излучения. В “нейтронно-углеродном” боеприпасе для генерации 1 кт гаммы нужно всего 12 кт термоядерной энергии, а с трех мегатонн можно снять до 250 кт гамма-излучения, втрое более жесткого, хоть и более растянутого во времени. Такое устройство может быть гораздо более разрушительно, чем то, что мы обсуждали выше - пускай амплитуда ЭМИ вырастет не кардинально выше (хотя, возможно, можно побороться и за 100 кВ/м), энергетика импульса, а значит и деструктивное воздействие на электронику изменится кардинально.

Впрочем, есть одно но. Описанный выше боеприпас должен работать на дейтерий-тритиевой смеси, и стандартный LiD не подойдет (т.к. LiD “горит” в виде цепочки, потребляющей собственные нейтроны и выход их наружу невелик по сравнению с общей мощностью). На 1 мегатонну нужно 24 кг трития, при том, что весь гражданский его запас в мире составляет около 30+ кг и, видимо, заметно превосходит запасы военных. Последний вывод можно сделать из сопоставления пары сотен мегаватт тяжеловодных реакторов на Маяке и сложной истории с получением трития из литиевых мишеней на реакторе Watts Bar-1 в США в сравнении с десятками гигаватт (тепловых) реакторов CANDU, на которых получается “гражданский” тритий.

Отсюда можно сделать вывод, что ЭМИ ВЯВ боеприпасы сделанные по принципу конверсии ТЯ-нейтронов вряд ли существуют в реальности, а значит разработчики стандарта IEC 61000 могут спать спокойно. Пока.   

Некоторые полезные источники
High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid https://www.eiscouncil.org/App_Data/Upload/9b03e596-19c8-49bd-8d4e-a8863b6ff9a0.pdf
High-Frequency Protection Concepts for the Electric Power Grid https://www.eiscouncil.org/App_Data/Upload/de2ca832-e989-49aa-a28e-b74e40d2638a.pdf
Michael Sirak, “U.S. vulnerable to EMP Attack,” http://www.janes.com/defence/news/jdw/jdw040726_1_n.shtml
(HEMP) and High Power Microwave (HPM) Devices: Threat Assessments https://fas.org/sgp/crs/natsec/RL32544.pdf
https://ak-12.livejournal.com/86608.html?thread=3501648#t3501648

https://tnenergy.livejournal.com/145111.html