Pulso electromagnético nuclear
Efecto de una explosión nuclear sobre los equipos electrónicos

Un pulso electromagnético nuclear ( PEM nuclear o PME ) es una explosión de radiación electromagnética creada por una explosión nuclear . Los campos eléctricos y magnéticos resultantes, que varían rápidamente , pueden acoplarse con sistemas eléctricos y electrónicos para producir sobretensiones y corrientes dañinas . Las características específicas de un determinado evento de PEM nuclear varían según una serie de factores, el más importante de los cuales es la altitud de la detonación.

El término "pulso electromagnético" generalmente excluye los rangos ópticos (infrarrojos, visibles, ultravioleta) e ionizantes (como rayos X y radiación gamma). En la terminología militar, una ojiva nuclear detonada a decenas o cientos de millas sobre la superficie de la Tierra se conoce como un dispositivo de pulso electromagnético de gran altitud (HEMP). Los efectos de un dispositivo HEMP dependen de factores que incluyen la altitud de la detonación, el rendimiento energético , la salida de rayos gamma , las interacciones con el campo magnético de la Tierra y el blindaje electromagnético de los objetivos.

Historia

El hecho de que una explosión nuclear produzca un pulso electromagnético era conocido desde los primeros días de las pruebas de armas nucleares. La magnitud del pulso electromagnético y la importancia de sus efectos no se comprendieron de inmediato. [1]

Durante la primera prueba nuclear de los Estados Unidos , el 16 de julio de 1945, el equipo electrónico estaba protegido porque Enrico Fermi esperaba el pulso electromagnético. La historia técnica oficial de esa primera prueba nuclear afirma: "Todas las líneas de señal estaban completamente protegidas, en muchos casos doblemente protegidas. A pesar de esto, se perdieron muchos registros debido a la captación espuria en el momento de la explosión que paralizó el equipo de grabación". [2] : 53  Durante las pruebas nucleares británicas de 1952-53, los fallos de la instrumentación se atribuyeron a " radioflash ", que era el término que usaban para referirse al pulso electromagnético. [3] [4]

La primera observación abiertamente divulgada de los aspectos únicos del pulso electromagnético nuclear a gran altitud se produjo durante la prueba nuclear Yucca de la serie Hardtack I lanzada con un globo de helio el 28 de abril de 1958. En esa prueba, las mediciones del campo eléctrico del arma de 1,7 kilotones superaron el rango al que se ajustaron los instrumentos de prueba y se estimó que eran aproximadamente cinco veces los límites a los que se ajustaron los osciloscopios. El pulso electromagnético Yucca fue inicialmente positivo, mientras que las ráfagas a baja altitud fueron pulsos negativos. Además, la polarización de la señal del pulso electromagnético Yucca era horizontal, mientras que el pulso electromagnético nuclear a baja altitud tenía polarización vertical. A pesar de estas muchas diferencias, los resultados únicos del pulso electromagnético se descartaron como una posible anomalía de propagación de ondas . [5]

Las pruebas nucleares a gran altitud de 1962, como se analiza a continuación, confirmaron los resultados únicos de la prueba a gran altitud de Yucca y aumentaron la conciencia sobre el pulso electromagnético nuclear a gran altitud más allá del grupo original de científicos de defensa. La comunidad científica en general tomó conciencia de la importancia del problema del pulso electromagnético después de que William J. Broad publicara una serie de tres artículos sobre el pulso electromagnético nuclear en 1981 en Science . [1] [6] [7]

Estrella de mar de primera calidad

En julio de 1962, Estados Unidos llevó a cabo la prueba  Starfish Prime , en la que explotó una bomba de 1,44 Mt (6,0  PJ ) a 400 kilómetros (250 mi; 1.300.000 pies) sobre el océano Pacífico medio. Esto demostró que los efectos de una explosión nuclear a gran altitud eran mucho mayores de lo que se había calculado anteriormente. Starfish Prime hizo públicos esos efectos al causar daños eléctricos en Hawái , a unos 1.445 kilómetros (898 mi) del punto de detonación, inutilizando aproximadamente 300 farolas, activando numerosas alarmas antirrobo y dañando un enlace de microondas. [8]

Starfish Prime fue el primer éxito de una serie de pruebas nucleares a gran altitud llevadas a cabo por Estados Unidos en 1962, conocidas como Operación Fishbowl . Pruebas posteriores recopilaron más datos sobre el fenómeno EMP a gran altitud.

Las pruebas nucleares a gran altitud Bluegill Triple Prime y Kingfish de octubre y noviembre de 1962 en la Operación Fishbowl proporcionaron datos lo suficientemente claros como para permitir a los físicos identificar con precisión los mecanismos físicos detrás de los pulsos electromagnéticos. [9]

El daño EMP de la prueba Starfish Prime fue reparado rápidamente debido, en parte, al hecho de que el EMP sobre Hawaii fue relativamente débil comparado con lo que podría producirse con un pulso más intenso, y en parte debido a la relativa robustez (en comparación con la actualidad) [10] de la infraestructura eléctrica y electrónica de Hawaii en 1962. [11]

La magnitud relativamente pequeña del pulso electromagnético de Starfish Prime en Hawái (unos 5,6 kilovoltios/metro) y la cantidad relativamente pequeña de daños (por ejemplo, sólo se apagaron entre el 1% y el 3% de las farolas) [12] llevaron a algunos científicos a creer, en los primeros días de la investigación sobre pulsos electromagnéticos, que el problema podría no ser significativo. Cálculos posteriores [11] mostraron que si la ojiva de Starfish Prime hubiera sido detonada sobre el norte de los Estados Unidos continentales, la magnitud del pulso electromagnético habría sido mucho mayor (entre 22 y 30 kV/m) debido a la mayor fuerza del campo magnético de la Tierra sobre los Estados Unidos, así como a su diferente orientación en latitudes altas. Estos cálculos, combinados con la creciente dependencia de la microelectrónica sensible a los pulsos electromagnéticos, aumentaron la conciencia de que los pulsos electromagnéticos podrían ser un problema significativo. [13]

Prueba soviética 184

En 1962, la Unión Soviética realizó tres pruebas nucleares productoras de pulsos electromagnéticos en el espacio sobre Kazajistán, la última de las " pruebas nucleares del Proyecto K soviético ". [14] Aunque estas armas eran mucho más pequeñas (300 kilotones ) que la prueba Starfish Prime, se realizaron sobre una gran masa de tierra poblada y en un lugar donde el campo magnético de la Tierra era mayor. Se informó que el daño causado por el pulso electromagnético resultante fue mucho mayor que en Starfish Prime. El pulso E3 similar a una tormenta geomagnética de la Prueba 184 indujo un aumento de corriente en una larga línea eléctrica subterránea que provocó un incendio en la planta de energía en la ciudad de Karaganda . [ cita requerida ]

Después de la disolución de la Unión Soviética , el nivel de este daño se comunicó informalmente a los científicos estadounidenses. [15] Durante algunos años, los científicos estadounidenses y rusos colaboraron en el fenómeno HEMP. Se consiguió financiación para que los científicos rusos informaran sobre algunos de los resultados del EMP soviético en revistas científicas internacionales. [16] Como resultado, existe documentación formal de algunos de los daños del EMP en Kazajstán, aunque todavía es escasa en la literatura científica abierta . [17] [18]

Para una de las pruebas del Proyecto K, los científicos soviéticos instrumentaron una sección de 570 kilómetros (350 millas) de línea telefónica en el área que esperaban que se viera afectada por el pulso. La línea telefónica monitoreada se dividió en sublíneas de 40 a 80 kilómetros (25 a 50 millas) de longitud, separadas por repetidores . Cada sublínea estaba protegida por fusibles y por protectores de sobretensión llenos de gas . El EMP de la prueba nuclear del 22 de octubre (K-3) (también conocida como Prueba 184) hizo estallar todos los fusibles y destruyó todos los protectores de sobretensión en todas las sublíneas. [17] Los informes publicados, incluido un artículo del IEEE de 1998, [17] han declarado que hubo problemas significativos con los aisladores cerámicos en las líneas eléctricas aéreas durante las pruebas. Un informe técnico escrito en 2010 para el Laboratorio Nacional de Oak Ridge afirmó que "los aisladores de las líneas eléctricas se dañaron, lo que provocó un cortocircuito en la línea y algunas líneas se desprendieron de los postes y cayeron al suelo". [19]

Características

El pulso electromagnético nuclear es un pulso múltiple complejo, generalmente descrito en términos de tres componentes, según la definición de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). [20]

Los tres componentes del pulso electromagnético nuclear, según la definición de la IEC, se denominan «E1», «E2» y «E3». [20] [21]

Las tres categorías de pulso electromagnético de gran altitud se dividen según la duración y la ocurrencia de cada pulso. El pulso electromagnético de gran altitud más rápido o "de tiempo temprano" es el pulso electromagnético de gran altitud. Tradicionalmente, el término "PEM" se refiere a menudo específicamente a este componente E1 del pulso electromagnético de gran altitud. [22]

Los pulsos E2 y E3 suelen subdividirse en otras divisiones según su causa. El E2 es un pulso electromagnético de "tiempo intermedio" de intensidad mucho menor, que se divide a su vez en E2A (PEM gamma disperso) y E2B (PEM gamma de neutrones). [22]

El pulso E3 es un pulso de "tiempo tardío" de muy larga duración, que es extremadamente lento en tiempos de ascenso y descenso en comparación con los otros componentes del PEM. [22] El pulso E3 se divide a su vez en E3A (onda explosiva) y E3B (oleaje). [22] El pulso E3 también se denomina pulso electromagnético magnetohidrodinámico . [22]

E1

El pulso E1 es un componente muy rápido del pulso electromagnético nuclear. El E1 es un campo electromagnético breve pero intenso que induce altos voltajes en los conductores eléctricos. El E1 causa la mayor parte de sus daños al hacer que se excedan los voltajes de ruptura eléctrica . El E1 puede destruir computadoras y equipos de comunicaciones y cambia demasiado rápido (nanosegundos) para que los protectores de sobretensión comunes brinden una protección efectiva contra él. Los protectores de sobretensión de acción rápida (como los que usan diodos TVS ) bloquearán el pulso E1.

El mecanismo de una explosión electromagnética de 400 kilómetros de altura (250 millas; 1.300.000 pies): los rayos gamma golpean la atmósfera a una altitud de entre 20 y 40 kilómetros (66.000 y 131.000 pies), expulsando electrones que luego son desviados lateralmente por el campo magnético de la Tierra. Esto hace que los electrones irradien una onda electromagnética sobre una gran área. Debido a la curvatura y la inclinación hacia abajo del campo magnético de la Tierra sobre los EE. UU., la onda electromagnética máxima ocurre al sur de la detonación y la mínima al norte. [23]

El E1 se produce cuando la radiación gamma de la detonación nuclear ioniza (arranca electrones de) los átomos en la atmósfera superior. Esto se conoce como el efecto Compton y la corriente resultante se llama "corriente Compton". Los electrones viajan en una dirección generalmente descendente a velocidades relativistas (más del 90 por ciento de la velocidad de la luz). En ausencia de un campo magnético, esto produciría un gran pulso radial de corriente eléctrica que se propaga hacia afuera desde la ubicación de la explosión confinada a la región de la fuente (la región sobre la que se atenúan los fotones gamma). El campo magnético de la Tierra ejerce una fuerza sobre el flujo de electrones en un ángulo recto tanto con el campo como con el vector original de las partículas, que desvía los electrones y conduce a la radiación de sincrotrón . Debido a que el pulso gamma que viaja hacia afuera se propaga a la velocidad de la luz, la radiación de sincrotrón de los electrones Compton se suma coherentemente , lo que conduce a una señal electromagnética radiada. Esta interacción produce un pulso grande y breve. [24]

Varios físicos trabajaron en el problema de identificar el mecanismo del pulso HEMP E1. El mecanismo fue finalmente identificado por Conrad Longmire del Laboratorio Nacional de Los Álamos en 1963. [9]

Longmire proporciona valores numéricos para un caso típico de pulso E1 producido por un arma nuclear de segunda generación como las de la Operación Fishbowl . Los rayos gamma típicos emitidos por el arma tienen una energía de aproximadamente 2 MeV ( megaelectronvoltios ). Los rayos gamma transfieren aproximadamente la mitad de su energía a los electrones libres expulsados, lo que da una energía de aproximadamente 1 MeV. [24]  

En el vacío y sin un campo magnético, los electrones viajarían con una densidad de corriente de decenas de amperios por metro cuadrado. [24] Debido a la inclinación hacia abajo del campo magnético de la Tierra en latitudes altas , el área de máxima intensidad de campo es una región en forma de U en el lado ecuatorial de la detonación. Como se muestra en el diagrama, para las detonaciones nucleares en el hemisferio norte , esta región en forma de U está al sur del punto de detonación. Cerca del ecuador , donde el campo magnético de la Tierra es más casi horizontal, la intensidad del campo E1 es más casi simétrica alrededor del lugar de la explosión. [ cita requerida ]

En condiciones de intensidad de campo geomagnético típicas de latitudes medias, estos electrones iniciales se mueven en espiral alrededor de las líneas de campo magnético con un radio típico de unos 85 metros (280 pies). Estos electrones iniciales son detenidos por colisiones con moléculas de aire a una distancia promedio de unos 170 metros (560 pies). Esto significa que la mayoría de los electrones son detenidos por colisiones con moléculas de aire antes de completar una espiral completa alrededor de las líneas de campo. [24]

Esta interacción de los electrones cargados negativamente con el campo magnético irradia un pulso de energía electromagnética. El pulso normalmente alcanza su valor máximo en unos cinco nanosegundos. Su magnitud normalmente decae a la mitad en 200 nanosegundos. (Según la definición de la IEC, este pulso E1 termina 1000 nanosegundos después de su inicio). Este proceso ocurre simultáneamente en unos 10 25 electrones. [24]   La acción simultánea de los electrones hace que el pulso resultante de cada electrón irradie de forma coherente, sumándose para producir un único pulso irradiado de gran amplitud y corta duración. [25]

Las colisiones secundarias hacen que los electrones posteriores pierdan energía antes de llegar al nivel del suelo. Los electrones generados por estas colisiones posteriores tienen tan poca energía que no contribuyen significativamente al pulso E1. [24]

Estos rayos gamma de 2 MeV suelen producir un pulso E1 cerca del nivel del suelo en latitudes moderadamente altas que alcanza un máximo de unos 50.000 voltios por metro. El proceso de ionización en la estratosfera media hace que esta región se convierta en un conductor eléctrico, un proceso que bloquea la producción de más señales electromagnéticas y hace que la intensidad del campo se sature a unos 50.000 voltios por metro. La intensidad del pulso E1 depende de la cantidad e intensidad de los rayos gamma y de la rapidez del estallido de rayos gamma. La intensidad también depende en cierta medida de la altitud. [ cita requerida ]

Existen informes sobre armas nucleares "super-EMP" capaces de superar el límite de 50.000 voltios por metro mediante mecanismos no especificados. La realidad y los posibles detalles de construcción de estas armas son secretos y, por lo tanto, no están confirmados en la literatura científica abierta [26] : 3 

E2

El componente E2 es generado por rayos gamma dispersos y rayos gamma inelásticos producidos por neutrones . Este componente E2 es un pulso de "tiempo intermedio" que, según la definición de IEC, dura de aproximadamente un microsegundo a un segundo después de la explosión. El E2 tiene muchas similitudes con los rayos , aunque el E2 inducido por un rayo puede ser considerablemente mayor que un E2 nuclear. Debido a las similitudes y al uso generalizado de la tecnología de protección contra rayos, generalmente se considera que el E2 es el más fácil de proteger. [21]

Según la Comisión EMP de Estados Unidos, el principal problema con E2 es que viene inmediatamente después de E1, lo que puede haber dañado los dispositivos que normalmente protegerían contra E2.

El Informe Ejecutivo de la Comisión EMP de 2004 afirma: "En general, no sería un problema para los sistemas de infraestructura crítica, ya que cuentan con medidas de protección existentes para defenderse contra los rayos ocasionales. El riesgo más significativo es sinérgico porque el componente E2 sigue una pequeña fracción de segundo después del impacto del primer componente, que tiene la capacidad de dañar o destruir muchas características de protección y control. De este modo, la energía asociada con el segundo componente puede pasar a los sistemas y dañarlos". [21] : 6 

E3

El componente E3 es diferente de E1 y E2. E3 es un pulso mucho más lento, que dura de decenas a cientos de segundos. Es causado por la distorsión temporal del campo magnético de la Tierra que produce la detonación nuclear. El componente E3 tiene similitudes con una tormenta geomagnética . [27] [21] Al igual que una tormenta geomagnética, E3 puede producir corrientes inducidas geomagnéticamente en conductores eléctricos largos, dañando componentes como los transformadores de líneas eléctricas . [28]

Debido a la similitud entre las tormentas geomagnéticas inducidas por el sol y el E3 nuclear, se ha vuelto común referirse a las tormentas geomagnéticas inducidas por el sol como "PEM solar". [29] "PEM solar" no incluye componentes E1 o E2. [30]

Generación

Los factores que controlan la eficacia de las armas incluyen la altitud, el rendimiento , los detalles de construcción, la distancia al objetivo, las características geográficas intermedias y la intensidad local del campo magnético de la Tierra.

Altitud del arma

Cómo varía el pico de EMP en tierra con el rendimiento del arma y la altitud de explosión. El rendimiento aquí es la salida de rayos gamma inmediata medida en kilotones. Esto varía de 0,115 a 0,5% del rendimiento total del arma, dependiendo del diseño del arma. La prueba Starfish Prime de 1962 de rendimiento total de 1,4 Mt tuvo una salida gamma de 0,1%, por lo tanto 1,4 kt de rayos gamma inmediatos (la curva azul de " preionización " se aplica a ciertos tipos de armas termonucleares , para las cuales los rayos gamma y X de la etapa de fisión primaria ionizan la atmósfera y la hacen eléctricamente conductora antes del pulso principal de la etapa termonuclear. La preionización en algunas situaciones puede literalmente cortocircuitar parte del EMP final, al permitir que una corriente de conducción se oponga inmediatamente a la corriente Compton de electrones). [31] [32]

Según un manual de Internet publicado por la Federación de Científicos Americanos : [33]

Una detonación nuclear a gran altitud produce un flujo inmediato de rayos gamma a partir de las reacciones nucleares dentro del dispositivo. Estos fotones , a su vez, producen electrones libres de alta energía mediante dispersión Compton a altitudes de entre (aproximadamente) 20 y 40 km. Estos electrones quedan atrapados en el campo magnético de la Tierra, lo que da lugar a una corriente eléctrica oscilante . Esta corriente es asimétrica en general y da lugar a un campo electromagnético radiado que aumenta rápidamente, llamado pulso electromagnético (PEM). Debido a que los electrones quedan atrapados de manera esencialmente simultánea, una fuente electromagnética muy grande irradia de manera coherente .
El pulso puede abarcar fácilmente áreas del tamaño de un continente, y esta radiación puede afectar sistemas en tierra, mar y aire. ... Un gran dispositivo detonado a 400-500 km (250 a 312 millas) sobre Kansas afectaría a todo el territorio continental de Estados Unidos. La señal de un evento de este tipo se extiende hasta el horizonte visual visto desde el punto de estallido.

Por lo tanto, para que el equipo se vea afectado, el arma debe estar por encima del horizonte visual . [33]

La altitud indicada anteriormente es mayor que la de la Estación Espacial Internacional y muchos satélites de órbita baja terrestre . Las armas de gran tamaño podrían tener un impacto dramático en las operaciones y comunicaciones de los satélites, como ocurrió durante la Operación Fishbowl. Los efectos dañinos en los satélites en órbita se deben generalmente a factores distintos del EMP. En la prueba nuclear Starfish Prime , la mayor parte del daño se produjo en los paneles solares de los satélites al atravesar los cinturones de radiación creados por la explosión. [34]

En el caso de las detonaciones en la atmósfera, la situación es más compleja. En el ámbito de la deposición de rayos gamma, las leyes simples ya no se aplican, ya que el aire está ionizado y hay otros efectos electromagnéticos, como un campo eléctrico radial debido a la separación de los electrones Compton de las moléculas del aire, junto con otros fenómenos complejos. En el caso de una explosión en la superficie, la absorción de rayos gamma por el aire limitaría el alcance de la deposición de rayos gamma a aproximadamente 16 kilómetros (10 millas), mientras que en el caso de una explosión en el aire de menor densidad a grandes altitudes, el alcance de la deposición sería mucho mayor. [ cita requerida ]

Rendimiento de armas

La potencia de las armas nucleares utilizadas durante la planificación de la Guerra Fría para los ataques EMP oscilaba entre 1 y 10  Mt (4,2 a 41,8  PJ ). [35] : 39  Esto es aproximadamente de 50 a 500 veces el tamaño de las bombas de Hiroshima y Nagasaki. Los físicos han testificado en audiencias del Congreso de los Estados Unidos que las armas con potencias de 10 kt (42 TJ) o menos pueden producir un gran EMP. [36] : 48 

El pulso electromagnético a una distancia fija de una explosión aumenta como máximo con la raíz cuadrada del rendimiento (véase la ilustración de la derecha). Esto significa que, aunque un arma de 10 kt (42 TJ) tiene solo el 0,7% de la liberación de energía de la prueba Starfish Prime de 1,44 Mt (6,0 PJ), el pulso electromagnético será al menos un 8% más potente. Dado que el componente E1 del pulso electromagnético nuclear depende de la salida inmediata de rayos gamma, que era solo el 0,1% del rendimiento en Starfish Prime pero puede ser el 0,5% del rendimiento en armas de fisión nuclear pura de bajo rendimiento , una bomba de 10 kt (42 TJ) puede fácilmente ser un 5 * 8% = 40% tan potente como la Starfish Prime de 1,44 Mt (6,0 PJ) en la producción de pulso electromagnético. [37] [ ¿ Fuente poco fiable? ]

La energía total de los rayos gamma inmediatos en una explosión de fisión es del 3,5% del rendimiento, pero en una detonación de 10 kt (42 TJ) el explosivo detonante alrededor del núcleo de la bomba absorbe alrededor del 85% de los rayos gamma inmediatos, por lo que la salida es solo del 0,5% del rendimiento. En la bomba termonuclear Starfish Prime, el rendimiento de fisión fue inferior al 100% y la carcasa exterior más gruesa absorbió alrededor del 95% de los rayos gamma inmediatos del propulsor alrededor de la etapa de fusión. Las armas termonucleares también son menos eficientes en la producción de pulsos electromagnéticos porque la primera etapa puede preionizar el aire [37] [ ¿fuente poco fiable? ] que se vuelve conductor y, por lo tanto, corta rápidamente las corrientes Compton generadas por la etapa de fusión . Por lo tanto, las armas de fisión pura pequeñas con carcasas delgadas son mucho más eficientes en la producción de pulsos electromagnéticos que la mayoría de las bombas de megatones. [ cita requerida ]

Sin embargo, este análisis sólo se aplica a los componentes rápidos E1 y E2 del pulso electromagnético nuclear. El componente E3, similar a una tormenta geomagnética , del pulso electromagnético nuclear es más directamente proporcional al rendimiento energético total del arma. [38]

Distancia objetivo

En el pulso electromagnético nuclear, todos los componentes del pulso electromagnético se generan fuera del arma. [33]

En las explosiones nucleares a gran altitud , gran parte del pulso electromagnético se genera lejos de la detonación (donde la radiación gamma de la explosión alcanza la atmósfera superior). Este campo eléctrico del pulso electromagnético es notablemente uniforme en toda la gran área afectada. [32]

Según el texto de referencia estándar sobre los efectos de las armas nucleares publicado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, "el campo eléctrico máximo (y su amplitud) en la superficie de la Tierra a partir de una explosión a gran altitud dependerá de la potencia de la explosión, la altura de la explosión, la ubicación del observador y la orientación con respecto al campo geomagnético . Sin embargo, como regla general, se puede esperar que la intensidad del campo sea de decenas de kilovoltios por metro en la mayor parte del área que recibe la radiación EMP". [32]

El texto también afirma que, "...  en la mayor parte del área afectada por el EMP, la intensidad del campo eléctrico en el suelo superaría los 0,5 E max . Para rendimientos inferiores a unos pocos cientos de kilotones, esto no sería necesariamente cierto porque la intensidad del campo en la tangente de la Tierra podría ser sustancialmente inferior a 0,5 E max ". [32]

( E max se refiere a la intensidad máxima del campo eléctrico en el área afectada).

En otras palabras, la intensidad del campo eléctrico en toda el área afectada por el pulso electromagnético será bastante uniforme para las armas con una gran emisión de rayos gamma. En el caso de armas más pequeñas, el campo eléctrico puede disminuir a un ritmo más rápido a medida que aumenta la distancia. [32]

Súper-EMP

También conocido como "PEM mejorado", un pulso superelectromagnético es un tipo de guerra relativamente nuevo en el que un arma nuclear está diseñada para crear un pulso electromagnético mucho mayor en comparación con las armas nucleares de destrucción masiva estándar . [39] Estas armas aprovechan el componente de pulso E1 de una detonación que involucra rayos gamma , creando un rendimiento EMP de potencialmente hasta 200.000 voltios por metro. [40] Durante décadas, numerosos países han experimentado con la creación de tales armas, sobre todo China y Rusia .

Porcelana

Según una declaración escrita hecha por el ejército chino , el país tiene super-EMP y ha discutido su uso en ataques a Taiwán . Tal ataque debilitaría los sistemas de información en la nación, lo que permitiría a China entrar y atacarla directamente utilizando soldados. El ejército taiwanés ha confirmado posteriormente la posesión china de super-EMP y su posible destrucción de las redes eléctricas . [41]

Además de Taiwán, China también ha estudiado las posibles consecuencias de atacar a Estados Unidos con estas armas. Si bien Estados Unidos también posee armas nucleares, el país no ha experimentado con super-EMP y, hipotéticamente, es muy vulnerable a cualquier ataque futuro de otras naciones. Esto se debe a la dependencia del país de las computadoras para controlar gran parte del gobierno y la economía. [40] En el extranjero, los portaaviones estadounidenses estacionados dentro de un rango razonable de una bomba que explote podrían potencialmente ser objeto de la destrucción completa de los misiles a bordo, así como de los sistemas de telecomunicaciones que les permitirían comunicarse con los buques cercanos y los controladores en tierra. [41]

Rusia

Desde la Guerra Fría, Rusia ha experimentado con el diseño y los efectos de las bombas EMP.

La Unión Soviética diseñó un sistema para lanzar armas nucleares desde arriba de la atmósfera terrestre . [42] y Rusia ha hecho propuestas para desarrollar satélites provistos de capacidades EMP [ cita requerida ] . Esto requeriría detonaciones hasta 100 kilómetros (62 millas) sobre la superficie de la Tierra, con el potencial de interrumpir los sistemas electrónicos de los satélites estadounidenses suspendidos en órbita alrededor del planeta, muchos de los cuales son vitales para la disuasión y alertar al país de posibles misiles entrantes. [40]

Efectos

Un pulso electromagnético puede alterar temporalmente o dañar permanentemente un equipo electrónico al generar picos de alto voltaje y alta corriente; los componentes semiconductores son los que corren mayor riesgo. Los efectos del daño pueden variar desde imperceptibles a simple vista hasta la explosión de dispositivos. Los cables, incluso si son cortos, pueden actuar como antenas para transmitir energía de pulsos al equipo. [43]

Tubos de vacío frente a electrónica de estado sólido

Los equipos más antiguos basados ​​en tubos de vacío (válvulas) son generalmente mucho menos vulnerables a los pulsos electromagnéticos nucleares que los equipos de estado sólido , que son mucho más susceptibles a sufrir daños por picos de voltaje y corriente grandes y breves. Los aviones militares soviéticos de la época de la Guerra Fría solían tener aviónica basada en tubos de vacío porque las capacidades de estado sólido eran limitadas y se creía que los equipos de tubos de vacío tenían más probabilidades de sobrevivir. [1]

Otros componentes de los circuitos de las válvulas de vacío pueden resultar dañados por el pulso electromagnético. El equipo de las válvulas de vacío resultó dañado en las pruebas de 1962. [18] La radio bidireccional portátil de estado sólido PRC-77 VHF sobrevivió a las pruebas exhaustivas de pulso electromagnético. [44] La anterior PRC-25, casi idéntica a excepción de una etapa de amplificación final de las válvulas de vacío, se probó en simuladores de pulso electromagnético, pero no se certificó que siguiera funcionando por completo. [ cita requerida ]

Electrónica en funcionamiento vs. inactiva

Los equipos que están en funcionamiento en el momento de un pulso electromagnético son más vulnerables. Incluso un pulso de baja energía tiene acceso a la fuente de energía, y todas las partes del sistema se iluminan con el pulso. Por ejemplo, se puede crear un arco de alta corriente a través de la fuente de energía, quemando algún dispositivo a lo largo de ese camino. Estos efectos son difíciles de predecir y requieren pruebas para evaluar las vulnerabilidades potenciales. [43]

En el avión

Se han producido muchas detonaciones nucleares con bombas aéreas . El avión B-29 que lanzó las armas nucleares en Hiroshima y Nagasaki no perdió potencia por daños eléctricos, porque los electrones (expulsados ​​del aire por los rayos gamma) se detienen rápidamente en el aire normal para explosiones por debajo de aproximadamente 10 kilómetros (33.000 pies), por lo que no son desviados significativamente por el campo magnético de la Tierra. [32] : 517 

Si los aviones que transportaban las bombas de Hiroshima y Nagasaki hubieran estado dentro de la zona de intensa radiación nuclear cuando las bombas explotaron sobre esas ciudades, habrían sufrido los efectos del pulso electromagnético (EMP) de separación de cargas (radial). Pero esto sólo ocurre dentro del radio de explosión severo para detonaciones por debajo de unos 33.000 pies (10 km) de altitud. [ cita requerida ]

Durante la Operación Fishbowl , se sufrieron interrupciones EMP a bordo de un avión fotográfico KC-135 que volaba a 300 km (190 mi) de las detonaciones de 410 kt (1.700 TJ) a altitudes de 48 y 95 km (157.000 y 312.000 pies) de explosión. [37] La ​​electrónica vital era menos sofisticada que la actual y el avión pudo aterrizar de manera segura. [ cita requerida ]

Los aviones modernos dependen en gran medida de la electrónica de estado sólido, que es muy susceptible a las explosiones de pulsos electromagnéticos. Por lo tanto, las autoridades de las aerolíneas están creando requisitos de campos radiados de alta intensidad (HIRF) para los nuevos aviones con el fin de ayudar a prevenir la posibilidad de accidentes causados ​​por pulsos electromagnéticos o interferencias electromagnéticas (EMI). [45] Para ello, todas las partes del avión deben ser conductoras. Este es el principal escudo contra las explosiones de pulsos electromagnéticos, siempre y cuando no haya agujeros por los que las ondas puedan penetrar en el interior del avión. Además, aislar algunas de las computadoras principales dentro del avión agrega una capa adicional de protección contra las explosiones de pulsos electromagnéticos. [ cita requerida ]

En los coches

Un pulso electromagnético probablemente no afectaría a la mayoría de los automóviles, a pesar del uso intensivo de componentes electrónicos en los automóviles modernos, porque los circuitos electrónicos y el cableado de los automóviles son probablemente demasiado cortos para verse afectados. Además, los marcos metálicos de los automóviles brindan cierta protección. Sin embargo, incluso un pequeño porcentaje de automóviles que se averíen debido a un mal funcionamiento electrónico provocaría atascos de tráfico. [43]

Sobre la pequeña electrónica

Un pulso electromagnético tiene un efecto menor en longitudes más cortas de un conductor eléctrico. Otros factores también afectan la vulnerabilidad de los dispositivos electrónicos, por lo que no existe una longitud de corte estricta que determine si un equipo sobrevivirá o no. Sin embargo, los dispositivos electrónicos pequeños, como los relojes de pulsera y los teléfonos móviles, probablemente resistirían un pulso electromagnético. [43]

Sobre humanos y animales

Aunque la diferencia de potencial eléctrico puede acumularse en los conductores eléctricos después de un pulso electromagnético, generalmente no fluirá hacia cuerpos humanos o animales, y por lo tanto el contacto es seguro. [43]

Los pulsos electromagnéticos de suficiente magnitud y duración tienen el potencial de afectar al cuerpo humano. Entre los posibles efectos secundarios se encuentran mutaciones celulares, daños al sistema nervioso, quemaduras internas, daño cerebral y problemas temporales con el pensamiento y la memoria. [46] Sin embargo, esto ocurriría en casos extremos, como estar cerca del centro de la explosión y estar expuesto a una gran cantidad de radiación y ondas electromagnéticas.

Un estudio descubrió que la exposición a 200–400 pulsos de pulso electromagnético causaba la filtración de los vasos sanguíneos del cerebro, [47] filtración que se ha relacionado con pequeños problemas con el pensamiento y la memoria. Estos efectos podrían durar hasta 12 horas después de la exposición. Debido al largo tiempo de exposición necesario para ver cualquiera de estos efectos, es poco probable que alguien los note incluso si se expone durante un corto período de tiempo. Además, el cuerpo humano notará poco efecto ya que las señales se transmiten químicamente y no eléctricamente, lo que dificulta que se vea afectado por las ondas electromagnéticas. [ cita requerida ]

Escenarios de ataque posteriores a la Guerra Fría

La Comisión EMP de los Estados Unidos fue creada por el Congreso de los Estados Unidos en 2001. La comisión se conoce formalmente como la Comisión para Evaluar la Amenaza a los Estados Unidos por Ataques de Pulso Electromagnético (EMP). [48]

La Comisión reunió a científicos y tecnólogos destacados para elaborar varios informes. En 2008, la Comisión publicó el "Informe sobre infraestructuras nacionales críticas". [38] En este informe se describen las posibles consecuencias de un pulso electromagnético nuclear sobre la infraestructura civil. Aunque este informe se refería a los Estados Unidos, la mayor parte de la información es aplicable a otros países industrializados. El informe de 2008 fue una continuación de un informe más general publicado por la Comisión en 2004. [21]

En un testimonio escrito presentado ante el Senado de los Estados Unidos en 2005, un miembro del personal de la Comisión EMP informó:

La Comisión EMP patrocinó una encuesta mundial de literatura científica y militar extranjera para evaluar el conocimiento, y posiblemente las intenciones, de los estados extranjeros con respecto a los ataques de pulsos electromagnéticos (EMP). La encuesta encontró que la física del fenómeno EMP y el potencial militar de un ataque EMP son ampliamente comprendidos en la comunidad internacional, como se refleja en escritos y declaraciones oficiales y no oficiales. La encuesta de fuentes abiertas durante la última década encuentra que el conocimiento sobre EMP y los ataques EMP está evidenciado en al menos Gran Bretaña, Francia, Alemania, Israel, Egipto, Taiwán, Suecia, Cuba, India, Pakistán, Irak bajo Saddam Hussein, Irán, Corea del Norte, China y Rusia.

Muchos analistas extranjeros –en particular en Irán, Corea del Norte, China y Rusia– consideran que Estados Unidos es un agresor potencial que estaría dispuesto a utilizar todo su arsenal, incluidas las armas nucleares, en un primer ataque. Perciben que Estados Unidos tiene planes de contingencia para lanzar un ataque nuclear con pulsos electromagnéticos y está dispuesto a ejecutar esos planes en una amplia gama de circunstancias.

En escritos de fuentes abiertas, científicos militares rusos y chinos describen los principios básicos de las armas nucleares diseñadas específicamente para generar un efecto EMP mejorado, a las que denominan armas "Super-EMP". Las armas "Super-EMP", según estos escritos extranjeros de fuentes abiertas, pueden destruir incluso los sistemas electrónicos militares y civiles estadounidenses mejor protegidos. [26]

La Comisión de EMP de los Estados Unidos determinó que las protecciones conocidas desde hace mucho tiempo están casi completamente ausentes en la infraestructura civil de los Estados Unidos y que gran parte de los servicios militares estadounidenses estaban menos protegidos contra EMP que durante la Guerra Fría. En declaraciones públicas, la Comisión recomendó fabricar equipos electrónicos y componentes eléctricos resistentes a EMP y mantener inventarios de repuestos que permitieran reparaciones rápidas. [21] [38] [49] La Comisión de EMP de los Estados Unidos no analizó a otras naciones. [ cita requerida ]

En 2011, el Consejo de Ciencias de Defensa publicó un informe sobre los esfuerzos en curso para defender sistemas militares y civiles críticos contra los EMP y otros efectos de las armas nucleares. [50]

Los servicios militares de los Estados Unidos desarrollaron, y en algunos casos publicaron, escenarios hipotéticos de ataques EMP. [51]

En 2016, el Laboratorio de Los Álamos inició la fase 0 de un estudio de varios años (hasta la fase 3) para investigar los EMP, lo que preparó la estrategia a seguir durante el resto del estudio. [52]

En 2017, el Departamento de Energía de los EE. UU. publicó el "Plan de acción de resiliencia ante pulsos electromagnéticos del DOE", [53] Edwin Boston publicó una disertación sobre el tema [54] y la Comisión EMP publicó "Evaluación de la amenaza de los pulsos electromagnéticos (EMP)". [55] La comisión EMP se cerró en el verano de 2017. [56] Encontraron que los informes anteriores habían subestimado los efectos de un ataque EMP en la infraestructura nacional, destacaron problemas con las comunicaciones del Departamento de Defensa debido a la naturaleza clasificada del material y recomendaron que el DHS, en lugar de acudir al DOE en busca de orientación y dirección, debería cooperar directamente con las partes más conocedoras del DOE. Varios informes están en proceso de ser publicados al público en general. [57]

Protegiendo la infraestructura

El problema de la protección de la infraestructura civil contra los pulsos electromagnéticos ha sido estudiado intensamente en toda la Unión Europea, y en particular en el Reino Unido. [58] [59] [60]

A partir de 2017, varias empresas eléctricas de los Estados Unidos habían participado en un programa de investigación de tres años sobre el impacto del HEMP en la red eléctrica de los Estados Unidos dirigido por una organización sin fines de lucro de la industria, el Electric Power Research Institute (EPRI). [61] [62]

En 2018, el Departamento de Seguridad Nacional de los EE. UU. publicó la Estrategia para la protección y preparación del territorio nacional contra amenazas de pulsos electromagnéticos (EMP) y perturbaciones geomagnéticas (GMD), que fue la primera articulación del departamento de un enfoque holístico, a largo plazo y basado en la asociación para proteger la infraestructura crítica y prepararse para responder y recuperarse de incidentes electromagnéticos potencialmente catastróficos. [63] [64] El progreso en ese frente se describe en el Informe de estado del programa EMP. [65]

NuScale, la pequeña empresa de reactores nucleares modulares de Oregón, EE.UU., ha logrado que su reactor sea resistente a los pulsos electromagnéticos. [66] [67]

En 1981, una serie de artículos sobre el pulso electromagnético nuclear en la prensa popular difundieron el conocimiento del fenómeno EMP nuclear en la cultura popular . [68] [69] [70] [71] El EMP se ha utilizado posteriormente en una amplia variedad de ficción y otros aspectos de la cultura popular.

Los medios de comunicación populares a menudo representan los efectos EMP de forma incorrecta, lo que provoca malentendidos entre el público e incluso entre los profesionales, y se han hecho esfuerzos oficiales en los Estados Unidos para aclarar las cosas. [43] El Comando Espacial de los Estados Unidos encargó al educador científico Bill Nye que narrara y produjera un video llamado "Hollywood vs. EMP", para que la ficción inexacta de Hollywood no confundiera a quienes deben lidiar con eventos EMP reales. [72] El video no está disponible para el público en general.

Véase también

Referencias

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Fuentes

  • Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).
  • Gurevich, Vladimir (6 de diciembre de 2014). Amenazas cibernéticas y electromagnéticas en la protección de relés moderna (Primera edición). CRC Press . ISBN 978-1482264319. LCCN  2015000591. OCLC  913991169. OL  28824950M – a través de Google Books .
  • Gurevich, Vladimir (20 de marzo de 2017). Protección de equipos críticos de subestaciones contra amenazas electromagnéticas intencionales (primera edición). Wiley . ISBN 978-1119271437. LCCN  2016036747. OCLC  973565748. OL  27417713M.
  • Gurevich, Vladimir (2021). Protección de equipos eléctricos: buenas prácticas para prevenir impactos de pulsos electromagnéticos a gran altitud. De Gruyter . doi :10.1515/9783110723144. ISBN 978-3110635966. OCLC  1090000823. OL  37286906M.
  • Vladimir, Gurevich (2023). Pulso electromagnético nuclear: guía práctica para la protección de infraestructuras críticas . Lambert Academic Publishing. ISBN 978-620-5-63396-0.

Lectura adicional

  • Una guía completa del siglo XXI sobre las amenazas de los ataques de pulsos electromagnéticos (PEM), Informe de la comisión para evaluar la amenaza que suponen para los Estados Unidos los pulsos electromagnéticos... Ataques de pulsos electromagnéticos con armas nucleares a gran altitud (CD-ROM), ISBN 978-1592483891 
  • Amenaza que plantean los pulsos electromagnéticos (PEM) a los sistemas militares y la infraestructura civil de Estados Unidos: audiencia ante el Subcomité de Investigación y Desarrollo Militar – primera sesión, audiencia celebrada el 16 de julio de 1997, ISBN 978-0160561276 
  • Radiación electromagnética y técnicas de protección, ISBN 978-0471014034 
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Pulso electromagnético .
Busque pulso electromagnético nuclear en Wikcionario, el diccionario libre.
  • GlobalSecurity.org – Pulso electromagnético: del caos a una solución manejable
  • Protección contra tormentas y pulsos electromagnéticos (EMP) para instalaciones – Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU.
  • Datos EMP de la prueba nuclear Starfish medidos por Richard Wakefield de LANL y revisión de evidencia relacionada con los efectos a 1.300 km de distancia en Hawai, también revisión de pruebas EMP rusas de 1962
  • Lea los informes del Servicio de Investigación del Congreso (CRS) sobre el cáñamo
  • Norma militar 188-125-1
  • Cómo funcionan los ataques con pulsos electromagnéticos
  • Comisión para evaluar la amenaza que suponen los ataques con pulsos electromagnéticos (EMP) para Estados Unidos
  • NEMP y la planta nuclear
  • Orden ejecutiva presidencial de EE. UU. sobre EMP
  • Gurevich, Vladimir (2021). Protección de equipos eléctricos: buenas prácticas para prevenir impactos de pulsos electromagnéticos a gran altitud. De Gruyter . doi :10.1515/9783110723144. ISBN 978-3110635966. OCLC  1090000823. OL  37286906M.
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