Întrerupere nucleară - Nuclear blackout

Întreruperea nucleară , cunoscută și sub denumirea de stingere a focului sau radar , este un efect cauzat de explozii de arme nucleare care perturbă comunicațiile radio și determină înnegrirea sau refractarea puternică a sistemelor radar, astfel încât acestea să nu mai poată fi utilizate pentru urmărirea și ghidarea exactă. În atmosferă, efectul este cauzat de volumul mare de aer ionizat creat de energia exploziei, în timp ce deasupra atmosferei se datorează acțiunii particulelor beta de mare energie eliberate din resturile bombei în descompunere. La altitudini mari, efectul se poate răspândi pe zone întinse, sute de kilometri. Efectul dispare încet, pe măsură ce mingea de foc se disipează.

Efectul a fost cunoscut încă din primele zile de testare nucleară, când sistemele radar au fost utilizate pentru a urmări norii nucleari de ciuperci la distanțe foarte mari. Efectele sale extinse atunci când au explodat în afara atmosferei au fost observate pentru prima dată în 1958 ca parte a testelor nucleare Hardtack și Argus , care au provocat interferențe radio pe scară largă care se extind pe mii de kilometri. Efectul a fost atât de desconcertant încât atât sovieticii, cât și SUA au rupt moratoriul de testare informală care a existat de la sfârșitul anului 1958 pentru a rula serii de teste pentru a aduna informații suplimentare cu privire la diferitele efecte la altitudine mare, cum ar fi întreruperea și pulsul electromagnetic (EMP).

Blackout-ul este o preocupare specială pentru sistemele antirachetă balistică (ABM). Explodând un focos în atmosfera superioară chiar dincolo de gama de rachete defensive, un atacator poate acoperi o zonă largă a cerului dincolo de care nu pot fi văzute focoase suplimentare care se apropie. Când aceste focoase ies din zona de oprire, este posibil să nu existe suficient timp pentru ca sistemul defensiv să dezvolte informații de urmărire și să le atace. Aceasta a fost o preocupare serioasă pentru programul LIM-49 Nike Zeus de la sfârșitul anilor 1950 și unul dintre motivele pentru care a fost anulat în cele din urmă. O descoperire cheie dezvăluită în testare a fost că efectul s-a eliminat mai repede pentru frecvențe mai mari. Mai târziu, proiectele de apărare antirachetă au folosit radare care funcționează la frecvențe mai mari în regiunea UHF și microunde pentru a atenua efectul.

Efecte de bombă

În atmosferă

Această imagine a testului Hardtack II Lea a fost realizată la milisecunde după detonare. Mingea de foc radiativă s-a format deja și valul de șoc în expansiune continuă expansiunea. Spicurile din partea de jos se datorează efectului trucului coardei .

Atunci când o bombă nucleară este explodată aproape de nivelul solului, atmosfera densă interacționează cu multe dintre particulele subatomice care sunt eliberate. Acest lucru are loc în mod normal pe o distanță mică, de ordinul metri. Această energie încălzește aerul, ionizându-l prompt la incandescență și provocând formarea unei bile de foc aproximativ sferice în microsecunde.

Procesul la o viteză mai mică este explozia reală, care creează o puternică undă de șoc care se deplasează spre exterior. Energia eliberată de unda de șoc este suficientă pentru a comprima aerul în incandescență, creând o a doua minge de foc. Această a doua minge de foc continuă să se extindă, trecând pe cea radiativă. Pe măsură ce se extinde, cantitatea de energie din unda de șoc scade în conformitate cu legea pătratului invers , în timp ce energia suplimentară se pierde prin radiații directe în spectrul vizibil și ultraviolet. În cele din urmă, unda de șoc pierde atât de multă energie încât nu mai încălzește aerul suficient pentru a-l face să strălucească. În acel moment, cunoscut sub numele de ruptură , partea din față a șocului devine transparentă, iar mingea de foc încetează să crească.

Diametrul mingii de foc pentru o bombă a explodat departe de sol poate fi estimat folosind formula:

${\ displaystyle D = (Y {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}) ^ {\ frac {1} {3}}}$ kilometri

Unde este randamentul în megatoni și raportul dintre densitatea aerului la nivelul mării și densitatea aerului la altitudine. Deci, o bombă de 1 megatonă de TNT (4,2 PJ) explodată la o altitudine de explozie de aproximativ 1.500 m (5.000 de picioare) se va extinde la aproximativ 1 kilometru (3.300 ft). Raportul poate fi calculat pe o gamă largă presupunând o relație exponențială: ${\ displaystyle Y}$${\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}}$${\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ rho} {\ rho _ {0}}} = e ^ {-} {\ frac {h} {22000}}}$

unde este altitudinea exploziei în picioare. Așadar, aceeași explozie la 50.000 de picioare (15.000 m) va avea o presiune de aproximativ 0,1 atmosfere, rezultând o minge de foc de ordinul a 2,150 metri (7,050 ft) în diametru, de aproximativ două ori mai mare decât una aproape de sol. Pentru o explozie de mare altitudine, să zicem 76.000 km, mingea de foc se va extinde la aproximativ 46 kilometri în diametru. ${\ displaystyle h}$

În afara atmosferei

Resturile de bombe de la Starfish Prime au urmat liniile magnetice ale Pământului, creând acest glob de foc în formă de evantai. Mai jos, particulele beta eliberate de aceste resturi provoacă un disc de ionizare roșu care acoperă o mare parte din cer.

Când bomba este explodată în afara atmosferei, în general la orice altitudine peste aproximativ 100 de kilometri (330.000 ft), lipsa interacțiunii cu aerul modifică natura formațiunii de mingi de foc. În acest caz, diferitele particule subatomice pot parcurge distanțe arbitrare și continuă să depășească resturile de bombă în expansiune. Lipsa atmosferei înseamnă, de asemenea, că nu se formează undă de șoc și doar mizeria strălucitoare a bombei formează mingea de foc. În aceste tipuri de explozii, mingea de foc în sine nu este o problemă radar semnificativă, dar interacțiunile particulelor cu atmosfera de sub ele provoacă o serie de efecte secundare la fel de eficiente la blocarea radarului ca o minge de foc la altitudine mică.

Din motive geometrice simple, aproximativ jumătate din particulele eliberate de explozie vor călători spre Pământ și vor interacționa cu straturile superioare ale atmosferei, în timp ce cealaltă jumătate se deplasează în sus în spațiu. Particulele pătrund în atmosferă la o adâncime în funcție de energia lor:

Două dintre aceste efecte sunt deosebit de notabile. Primul se datorează gammelor, care ajung ca o explozie direct sub explozie și ionizează prompt aerul, provocând un impuls imens de electroni în mișcare descendentă. Neutronii, care ajung puțin mai târziu și se întind în timp, provoacă efecte similare, dar mai puțin intense și într-un timp puțin mai lung. Aceste game și neutroni sunt sursa impulsului electromagnetic nuclear sau EMP, care poate deteriora electronica care nu este protejată de efectele sale.

Al doilea efect important este cauzat de particulele beta de mare energie. Acestea sunt în mod constant create de decăderea radioactivă a manipulatorului de uraniu care înconjoară nucleul de fuziune, astfel încât amploarea acestui efect depinde în mare măsură de dimensiunea bombei și de dispersia fizică a acesteia în spațiu. Deoarece betele sunt atât ușoare, cât și încărcate electric, ele urmează câmpul magnetic al Pământului. Aceasta întoarce betas în mișcare ascendentă înapoi pe Pământ, deși poate nu în aceeași locație.

Spre deosebire de gamme, care ionizează doar atomii pe care îi lovesc, o beta în mișcare rapidă induce câmpuri magnetice enorme în atomii pe care îi trec în apropiere, determinându-i să se ionizeze în timp ce încetinește beta-ul. Fiecare beta poate provoca astfel ionizări multiple, precum și a fi un electron liber pe cont propriu. Acest lucru determină un impuls de curent mult mai mare, dar răspândit, de electroni cu energie inferioară eliberați din aceste molecule de aer. Deoarece reacția are loc între 50 și 60 km, rezultatul este un disc de aer ionizat gros de aproximativ 10 km și (de obicei) de câteva sute de kilometri.

În plus, betele care călătoresc aproximativ paralel cu câmpurile magnetice ale Pământului vor fi prinse și vor provoca efecte similare acolo unde câmpul magnetic intersectează atmosfera. La orice longitudine dată, există două locații în care acest lucru are loc, la nord și la sud de ecuator, iar efectul este maximizat prin explozia bombei într-una dintre aceste locații pentru a crea un semnal cât mai puternic posibil în zona conjugată magnetică . Cunoscut sub numele de efect Christofilos , acesta a făcut obiectul unor cercetări serioase la sfârșitul anilor 1950, dar efectul a fost mai puțin puternic decât se aștepta.

Efecte de întrerupere

Când este legată de atomi și molecule, mecanica cuantică determină electronii să-și asume în mod natural un set de niveluri de energie distincte. Unele dintre acestea corespund fotonilor de diferite energii, inclusiv frecvențelor radio. În metale, nivelurile de energie sunt atât de strâns distanțate încât electronii din ele vor răspunde la aproape orice foton cu frecvență radio, ceea ce le face materiale excelente pentru antenă . Același lucru este valabil și pentru electronii liberi, dar în acest caz, nu există deloc niveluri de energie inerente, iar electronii vor reacționa la aproape orice foton.

În mingi de foc

În cadrul unui glob de foc nuclear, aerul este ionizat, constând dintr-un amestec de nuclee și electroni liberi. Acesta din urmă refractează atât de puternic undele radio încât formează o suprafață asemănătoare oglinzii atunci când densitatea electronilor este peste o valoare critică. Pe măsură ce mingea de foc radiază energie și se răcește, ionii și electronii se formează din nou în atomi și efectul se estompează încet într-o perioadă de secunde sau minute. Chiar dacă răcorește, norul atenuează semnalele, poate până la punctul de a-l face inutil pentru utilizarea radarului.

Reflecția totală din mingea de foc apare atunci când frecvența radio este mai mică decât frecvența plasmei :

${\ displaystyle f_ {p} = 8970N_ {e} ^ {\ frac {1} {2}}}$ Hz

unde este numărul de electroni liberi pe centimetru cub. Pentru un semnal de 1 m lungime de undă (300 MHz), acest lucru apare atunci când densitatea este de 10 ⁹ electroni liberi pe centimetru cub. Chiar și la densități foarte mici, ionizarea va refracta energia radio, atenuând-o în funcție de: ${\ displaystyle N_ {e}}$

${\ displaystyle F_ {a} = 1.4 ^ {1-5 {\ frac {(2 \ pi f_ {p}) ^ {2}} {(2 \ pi f) ^ {2}}} + f_ {c} ^ {2}}}$ decibeli / km

unde este frecvența plasmatică ca mai sus, este frecvența semnalului radio și este frecvența de coliziune a atomilor din aer. Aceasta din urmă este o funcție a densității și, astfel, a altitudinii: ${\ displaystyle f_ {p}}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle f_ {c}}$

${\ displaystyle f_ {c} = 2}$ × Hz ${\ displaystyle 10 ^ {11} {\ frac {p} {p_ {0}}}}$

unde este densitatea aerului la altitudinea exploziei și este densitatea la nivelul mării (1 atm). Deoarece mingea de foc se poate extinde la sute de kilometri la altitudine mare, acest lucru înseamnă că o atenuare tipică de 1 dB pe kilometru printr-o minge de foc la altitudini medii până la mari, care se extinde la 10 km, va atenua complet semnalul, urmărind obiectele de la distanță latura imposibilă. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle p_ {0}}$

În afara atmosferei

Efectele eliberării beta exoatmosferice sunt mai dificil de evaluat, deoarece mult depinde de geometria exploziei. Cu toate acestea, este posibil să se determine densitatea produselor de fisiune și, astfel, relația dintre dimensiunea discului de ionizare și puterea acestuia, luând în considerare randamentul produselor pentru o explozie de în megatoni: ${\ displaystyle Y}$

${\ displaystyle y = {\ frac {Y} {2 \ pi d ^ {2}}}}$ tone / unitate de suprafață

unde este diametrul discului pentru o explozie dată. ${\ displaystyle d}$

Durata de viață a opririi

Când explozia are loc în atmosferă, mingea de foc se formează rapid și inițial degajă energie considerabilă sub formă de lumină vizibilă și UV. Acest lucru răcește rapid mingea de foc la aproximativ 5000 ° C, moment în care procesul de răcire încetinește considerabil. De atunci efectul primar de răcire este prin transfer termic cu masa de aer din jur. Acest proces durează câteva minute și, deoarece este mai puțin aer la altitudini mai mari, mingea de foc rămâne ionizată pentru perioade mai lungi.

La altitudini mai mari, de la 30-60 km la 100.000 până la 200.000 de picioare, densitatea aerului nu este suficientă pentru a fi un efect semnificativ, iar mingea de foc continuă să se răcească radiativ. În general, procedeul este descris printr - o constantă de recombinare radiativă , care este de aproximativ 10 ^-12 centimetri cubi pe secundă. Dacă densitatea electronică inițială este 10 ¹² , o densitate de 10 ⁹  electroni / cm ² nu va apărea până la 1.000 de secunde, aproximativ 17 minute. ${\ displaystyle C_ {r}}$

Pentru explozii pur exoatmosferice, beta-urile care cauzează discul de oprire sunt produse continuu de evenimentele de fisiune din resturile bombei. Acest lucru este supus timpului de înjumătățire al reacțiilor, în ordinea secundelor. Pentru a menține o întrerupere, trebuie să satisfaceți ecuația:

${\ displaystyle yt ^ {- 1.2}> 10 ^ {- 2}}$

Pentru a crea o întrerupere completă, cu 10 ⁹ electroni liberi pe centimetru cub, este nevoie de aproximativ 10 tone de produse de fisiune pe kilometru pătrat. Acest lucru poate fi realizat cu o singură bombă tipică de 1 Mt.

Interzis și apărarea antirachetă

Întreruperea este o preocupare specială în sistemele de apărare antirachetă, unde efectul poate fi folosit pentru a învinge radarele de la sol prin producerea unor zone mari opace în spatele cărora nu se pot vedea focoase care se apropie. În funcție de timpul de reacție al interceptorilor, acest lucru le poate face inutile, deoarece focoasele care se apropie reapar prea târziu pentru ca interceptorul să dezvolte o pistă și să-și tragă racheta.

Pentru interceptorii cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi Sprint , întreruperea nu este o preocupare serioasă, deoarece întreaga interceptare are loc la distanțe și altitudini sub unde mingile de foc cresc suficient de mari pentru a bloca o zonă semnificativă a cerului. La raza de acțiune nominală a Sprintului de 45 de kilometri, focosul său de câteva kilotone ar produce o minge de foc de aproximativ 1 kilometru (3.000 ft) lățime, ceea ce reprezintă un unghi de (1 km / 45 km) ² ≈ 0.0005  steradieni (sr ). La aceeași altitudine, o explozie de 1 Mt ar crea o minge de foc de ordinul a 10 kilometri (6 mi) peste, sau aproximativ 0,05 sr, încă nu este o preocupare serioasă.

Numai un atac format din câteva zeci de focoase mari ar fi suficient de semnificativ pentru a determina un interceptor de rază scurtă să aibă o problemă. Dar la fel ar fi și focoasele rachetelor interceptoare dacă ar fi explodate unul lângă celălalt, ceea ce ar fi tipic deoarece era „necesar să trageți mai mult de o rachetă defensivă asupra fiecărui obiect periculos de intrare ... [pentru a] asigura o probabilitate suficient de mare de a ] ucide." Astfel de probleme au fost explorate în seria de teste Operațiunea Dominic din 1962 . Concluzia din aceste teste a fost că singura soluție pentru un astfel de profil de atac ar fi de a utiliza mai multe sisteme radar cu filee - le împreună, și selectând oricare dintre acestea una are cea mai clară punctul de vedere al obiectivelor. Acest lucru ar crește foarte mult cheltuielile unui sistem ABM, deoarece radarele se numărau printre cele mai scumpe componente ale sistemelor precum Nike-X .

Împotriva rachetelor cu distanță mai lungă, cum ar fi Spartan , aceleași explozii la mare altitudine au reprezentat o problemă mai gravă. În acest caz, se aștepta ca racheta să efectueze interceptări la distanțe de până la 500 de kilometri (300 mi), o distanță care a durat ceva timp. O singură explozie în afara atmosferei ar putea acoperi zona cu un disc de până la 400 de kilometri (250 mi) la o altitudine de aproximativ 60 de kilometri (40 mi). Un focos care ar apărea din spatele acestui semnal ar fi prea aproape pentru ca spartanul să-l atace cu focosul său cu raze X, care se baza pe explozia care avea loc în afara atmosferei. Apărarea ar trebui fie să se ocupe de focoasele de urmărire cu armele lor cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi Sprint, fie să atace fiecare focos care se apropie la distanță mare, în cazul în care ar putea face parte dintr-un astfel de atac de întrerupere. Atacurile sofisticate, cu explozii multiple, au fost un subiect de îngrijorare.

Există o relație directă între lungimea de undă a radarului și dimensiunea antenei necesare pentru a oferi o rezoluție dată. Acest lucru înseamnă că există un avantaj în utilizarea frecvențelor mai mari pentru radarele de căutare, deoarece acestea vor putea rezolva un obiect de dimensiuni date, cum ar fi un focos sau fragmente de rapel, de pe o antenă mai mică. Cu toate acestea, este în general mai puțin costisitor să generezi energie radio la frecvențe mai mici, compensând dezavantajul rezoluției, permițând construirea de radare mai puternice. Compensarea dintre aceste două efecte necesită o optimizare atentă.

Întreruperea radarului încurcă și mai mult aceste probleme. Inerent formulei de mai sus este faptul că frecvențele mai mari sunt înnegrite pentru perioade mai scurte. Acest lucru sugerează că radarele cu rază lungă de acțiune ar trebui să utilizeze o frecvență cât mai mare posibil, deși acest lucru este mai dificil și mai scump. PAR-ul SUA a fost inițial conceput pentru a funcționa în regiunea VHF pentru a-i permite să fie extrem de puternic, dar și relativ scăzut, dar în etapa de proiectare, sa mutat în regiunea UHF pentru a ajuta la atenuarea acestui efect. Chiar și atunci, ar fi puternic atenuat.

Aceasta înseamnă că exploziile exoatmosferice sunt foarte eficiente împotriva radarelor de avertizare timpurie cu rază lungă de acțiune , cum ar fi PAR sau Dnestrul sovietic . Un singur focos de 1 Mt detonat la 250 km altitudine ar avea aproximativ 600 de kilometri (400 mi) de distanță, având în vedere traiectorii tipice, și s-ar putea aștepta să creeze un disc de ionizare de 300 de kilometri (200 mi). După cum se vede din radar, acesta ar fi un unghi de (300 km / 600 km) ² ≈ 0,3 sr, suficient pentru a ascunde orice focoase care se apropie de-a lungul unor căi similare. Acest lucru ar permite, de exemplu, un singur focos dintr-un anumit câmp de rachete să ascundă toate următoarele din același câmp. Deși acest lucru nu ar afecta în mod direct funcționarea interceptorilor, fiind în afara razei de acțiune a spartanului cu rază de acțiune foarte lungă, astfel de operațiuni ar putea deranja serios direcția raidului și planificarea generală a luptei. Mai mult, deoarece explozia are loc în afara intervalului interceptorilor, nu există un mijloc simplu de oprire.

Incertitudine considerabilă

În timp ce formulele de mai sus sunt probabil utile pentru discuțiile din spatele plicului, trebuie să se ia în considerare faptul că s-au efectuat puține testări reale ale acestor efecte din cauza diferitelor interdicții de testare. De-a lungul istoriei testelor din SUA, au avut loc doar șapte teste cu instrumentele adecvate la altitudini superioare ale atmosferei de 10 până la 25 de kilometri (33.000-82.000 ft), care ar fi potrivite pentru întreruperea etapei târzii și doar două au fost testate la altitudini exoatmosferice . Niciunul dintre aceste teste nu conținea mai multe explozii, care ar fi de așteptat de la orice atac care a creat în mod deliberat întrerupere.

Note

Referințe

Citații

Bibliografie

• Laboratoarele Bell (octombrie 1975). Cercetare și dezvoltare ABM la Laboratoarele Bell, Istoria proiectului (Raport tehnic) . Accesat la 13 mai 2015 .
• Lame, David; Siracusa, Joseph (2014). O istorie a testării nucleare din SUA și a influenței sale asupra gândirii nucleare . Rowman și Littlefield. ISBN   9781442232013 .
• Canavan, Gregory (2003). Apărarea antirachetă pentru secolul 21 (PDF) . Fundația Heritage. ISBN   0-89195-261-6 .
• Carter, Ashton; Schwartz, David (1984). Apărarea împotriva rachetelor balistice . Brookings Institution Press. ISBN   9780815713128 .
• Constant, James (2013). Bazele armelor strategice: sisteme de ofensă și apărare . Springer. ISBN   9789401506496 .
• Garwin, Richard; Bethe, Hans (martie 1968). „Sisteme anti-rachete balistice” (PDF) . American științific . 218 (3): 21-31. doi : 10.1038 / scientificamerican0368-21 .
• Mock, John (ianuarie – februarie 1966). „Efecte nucleare de mare altitudine” . Air University Review .
• Efectele războiului nuclear (PDF) . Biroul de evaluare tehnologică al Congresului SUA. Mai 1979.