Efekt Christofilosa

Efekt Christofilosa , czasami nazywany efektem Argusa , odnosi się do uwięzienia elektronów z broni jądrowej w polu magnetycznym Ziemi . Po raz pierwszy przewidział to w 1957 roku Nicholas Christofilos , który zasugerował, że efekt ten ma potencjał obronny w wojnie nuklearnej , kiedy tak wiele cząstek beta zostaje uwięzionych, że głowice przelatujące przez region doświadczają ogromnych prądów elektrycznych, które zniszczyłyby ich elektronikę wyzwalającą. Pomysł, że kilka przyjaznych głowic mogłoby zakłócić atak wroga, był tak obiecujący, że seria nowych prób nuklearnych została przyspieszona w harmonogramie USA, zanim moratorium na testy weszło w życie pod koniec 1958 roku. Testy te wykazały, że efekt nie był tak silny zgodnie z przewidywaniami i niewystarczające, aby uszkodzić głowicę. Jednak efekt jest na tyle silny, że można go wykorzystać do zaciemnienia systemów radarowych i wyłączenia satelitów .

Pojęcie

Elektrony z wybuchów jądrowych

Wśród rodzajów energii uwalnianych podczas wybuchu jądrowego znajduje się duża liczba cząstek beta , czyli elektronów o wysokiej energii . Są one głównie wynikiem rozpadu beta w gruzach z rozszczepionych części bomby, co w większości projektów stanowi około 50% całkowitej wydajności.

Ponieważ elektrony są naładowane elektrycznie, indukują prądy elektryczne w otaczających je atomach, gdy przechodzą przez nie z dużą prędkością. Powoduje to jonizację atomów, a jednocześnie powoduje spowolnienie cząstek beta. W niższych warstwach atmosfery reakcja ta jest tak potężna, że ​​cząstki beta zwalniają do prędkości termicznych w ciągu najwyżej kilkudziesięciu metrów. To dobrze mieści się w typowej kuli ognia wybuchu jądrowego, więc efekt jest zbyt mały, aby można go było zobaczyć.

Na dużych wysokościach znacznie mniej gęsta atmosfera oznacza, że ​​elektrony mogą swobodnie podróżować na duże odległości. Mają wystarczająco dużo energii, aby nie zostały ponownie przechwycone przez proton, który powstaje w rozpadzie beta, więc teoretycznie mogą trwać w nieskończoność.

Efekt lustra

Naładowane cząstki (kolor czarny) naturalnie krążą wokół linii pola magnetycznego (linie zielone). W zwierciadle silne pole na końcach powoduje, że cząstki spowalniają, a następnie odwracają swój ruch wzdłuż linii.

W 1951 r., w ramach pierwszej fali badań nad energią termojądrową , badacz z University of California Radiation Laboratory w Livermore („Livermore”) , Richard F. Post, przedstawił koncepcję lustra magnetycznego . Lustro jest zwodniczo prostym urządzeniem, składającym się głównie z cylindrycznej komory próżniowej , w której znajduje się paliwo termojądrowe, oraz elektromagnesu owiniętego wokół niej, tworząc zmodyfikowany solenoid .

Solenoid normalnie generuje liniowe pole magnetyczne wzdłuż środka swojej osi, w tym przypadku w środku komory próżniowej. Kiedy naładowane cząstki są umieszczane w polu magnetycznym, krążą one wokół linii pola , co w tym przypadku uniemożliwia im poruszanie się na boki i uderzanie w ściany komory. W normalnym elektromagnesie nadal mogłyby swobodnie poruszać się wzdłuż linii, a tym samym uciekać z końców. Pomysł Posta polegał na nawinięciu elektromagnesu w taki sposób, aby pole było silniejsze na końcach niż w środku komory. Gdy cząstki płyną w kierunku końców, te silniejsze pola zmuszają linie do siebie, a powstałe zakrzywione pole powoduje, że cząsteczki „odbijają się” z powrotem, co prowadzi do nazwy lustro .

W idealnym zwierciadle magnetycznym cząsteczki paliwa odbijałyby się tam iz powrotem, nigdy nie docierając do końców ani nie dotykając boków cylindra. Jednak nawet w teorii żadne lustro nie jest idealne; zawsze istnieje populacja cząstek o odpowiedniej energii i trajektorii, które pozwalają im wypłynąć z końców przez „stożek strat”. To sprawia, że ​​zwierciadła magnetyczne są z natury nieszczelne, chociaż wstępne obliczenia sugerowały, że szybkość wycieku była na tyle niska, że ​​nadal można by go użyć do wyprodukowania reaktora termojądrowego .

Efekt Christofilosa

W pobliżu biegunów pole ziemskie staje się gęstsze, tworząc naturalne zwierciadło magnetyczne. To zdjęcie z 1962 roku odzwierciedla brak wiedzy na temat ogólnego kształtu pola w tamtym czasie.

Kształt pola magnetycznego Ziemi lub pola geomagnetycznego jest podobny do kształtu lustra magnetycznego. Pole rozszerza się na zewnątrz nad równikiem, a następnie pochyla się w dół, gdy zbliża się do biegunów . Takie pole odbijałoby zatem naładowane cząstki w taki sam sposób, jak lustra Posta. To nie było nowe objawienie; już od dawna uważano, że jest to podstawowa podstawa powstawania zorzy polarnej . W przypadku zorzy polarnej cząsteczki wiatru słonecznego zaczynają krążyć wokół linii pola, odbijając się tam iz powrotem między biegunami. Przy każdym przejściu niektóre cząsteczki przedostają się przez punkty zwierciadeł i wchodzą w interakcję z atmosferą, jonizując powietrze i powodując światło.

Elektrony uwalniane podczas rozszczepienia mają na ogół energię w zakresie od 1 do 2 MeV (0,16 do 0,32 pJ ). Początkowo podlegałyby one odbijaniu wysoko w atmosferze, gdzie jest mało prawdopodobne, aby reagowały z atomami atmosferycznymi i przez pewien czas mogą odbijać się tam iz powrotem. Kiedy weźmie się pod uwagę pełną „orbitę” z bieguna północnego na południe iz powrotem, elektrony naturalnie spędzają więcej czasu w obszarach lustrzanych, ponieważ tam zwalniają i cofają się. Prowadzi to do zwiększonej gęstości elektronów w punktach lustrzanych. Pole magnetyczne wytwarzane przez poruszające się elektrony w tym regionie oddziałuje z polem geomagnetycznym w sposób, który powoduje wpychanie punktów lustrzanych w atmosferę. Tutaj elektrony przechodzą więcej interakcji, ponieważ gęstość atmosfery szybko rośnie. Te interakcje spowalniają elektrony, więc wytwarzają mniej pola magnetycznego, co skutkuje osiągnięciem punktu równowagi w górnej atmosferze na wysokości około 110 kilometrów (70 mil).

Wykorzystanie tego jako średniej wysokości jako podstawy do obliczenia gęstości powietrza pozwoliło obliczyć szybkość interakcji z atmosferą. Analizując liczby, okazało się, że średni czas życia elektronu byłby rzędu 2,8 dnia.

Przykład

The Christofilos effect would produce an area of highly charged particles at a selected location. It was believed that by flying through this region at high speeds, the warheads or guidance systems of attacking missiles might be damaged.

Jako ilustrację Christofilos rozważał eksplozję bomby o masie 1 Mt (4,2 PJ ). Dałoby to 10 26 zdarzeń rozszczepienia, które z kolei wytwarzają cztery elektrony na rozszczepienie. Biorąc pod uwagę punkty lustrzane, prawie każda cząstka beta poruszająca się z grubsza w górę lub w dół zostałaby wychwycona, co oszacował na około połowę z nich, pozostawiając 2 × 10 26 elektronów uwięzionych w polu. Ze względu na kształt pola ziemskiego i skutki działania reguły prawej ręki elektrony dryfowałyby na wschód i ostatecznie utworzyłyby powłokę wokół całej Ziemi.

Zakładając, że elektrony byłyby równomiernie rozłożone, powstałaby gęstość 0,2 elektronów na centymetr sześcienny. Ponieważ elektrony poruszają się szybko, każdy obiekt w polu byłby poddany uderzeniom z prędkością około 1,5 × 10 9 elektronów na sekundę na centymetr kwadratowy. Te uderzenia powodują spowolnienie elektronów, które poprzez bremsstrahlung uwalniają promieniowanie do obiektu. Szybkość bremsstrahlung zależy od masy atomowej lub Z materiału. W przypadku obiektu o średnim Z równym 10, wynikowy strumień wynosi około 100 rentgenów na godzinę, w porównaniu ze średnią dawką śmiertelną wynoszącą około 450. Christofilos zauważył, że byłoby to znaczne ryzyko dla podróżników kosmicznych i ich sprzętu elektronicznego.

Gdy pojazdy powrotne (RV) z międzykontynentalnych rakiet międzykontynentalnych zbliżają się do swoich celów, poruszają się z prędkością około 8 kilometrów na sekundę (5 mil / s), czyli około 28 000 kilometrów na godzinę (17 000 mil na godzinę). RV podróżujący przez warstwę lustrzaną, gdzie elektrony są najgęstsze, znajdowałby się zatem w środku pola elektrycznego przez około dziesięć sekund. Ze względu na głowicy , pozorny skok napięcia indukowałby ogromny prąd w każdym z jej metalowych elementów. Może to być tak wysokie, że stopi płatowiec, ale bardziej realistycznie może zniszczyć mechanizm spustowy lub naprowadzający.

Gęstość pola jest największa w punktach zwierciadlanych, których zawsze są dwa na dany wybuch, tzw. koniugaty magnetyczne . Eksplozja może mieć miejsce w jednym z tych dwóch punktów, a pole magnetyczne spowoduje ich koncentrację również w drugim punkcie. Christofilos zauważył, że punkt koniugatu dla większości kontynentalnych Stanów Zjednoczonych znajduje się na południowym Pacyfiku , daleko na zachód od Chile , gdzie takie eksplozje nie zostałyby zauważone. Tak więc, gdyby ktoś zdetonował serię takich bomb w tych miejscach, nad Stanami Zjednoczonymi utworzyłby się ogromny pas promieniowania, który mógłby wyłączyć głowice sowieckiego ataku .

Dodatkowym zainteresowaniem planistów wojskowych była możliwość wykorzystania tego efektu jako broni ofensywnej. W przypadku ataku sił amerykańskich na Związek Radziecki, południowe lokalizacje koniugatów znajdują się na ogół na Oceanie Indyjskim , gdzie nie byłyby widoczne dla sowieckiego radaru wczesnego ostrzegania . Seria eksplozji spowodowałaby masową awarię radarów nad Rosją, degradując bez ostrzeżenia jej rakiet antybalistycznych (ABM). Ponieważ spodziewano się, że efekty te utrzymają się do pięciu minut, mniej więcej tyle czasu, ile radar w linii wzroku w Rosji musiałby zobaczyć głowice, staranne wyczucie czasu ataku może sprawić, że system ABM będzie bezużyteczny.

Historia

Tło

Christofilos rozpoczął swoją karierę w dziedzinie fizyki , czytając artykuły prasowe w firmie zajmującej się windami podczas okupacji Grecji przez państwa Osi, kiedy nie miał nic innego do roboty. W okresie powojennym rozpoczął serwis napraw wind, w tym czasie zaczął rozwijać koncepcję znaną dziś jako silne ogniskowanie , kluczowe osiągnięcie w historii akceleratorów cząstek . W 1949 roku wysłał list opisujący ten pomysł do Berkeley Lab , ale odrzucili go po znalezieniu drobnego błędu. W 1952 roku pomysł został opracowany niezależnie w Brookhaven National Laboratory , które opublikowało na ten temat. Przekonany, że ukradli ten pomysł, Christofilos udał się do Stanów Zjednoczonych, gdzie udało mu się zdobyć pracę w Brookhaven.

Christofilos wkrótce bardziej zainteresował się syntezą jądrową niż projektowaniem akceleratorów cząstek. W tym czasie w amerykańskim programie aktywnie pracowano nad trzema głównymi projektami: zwierciadłem magnetycznym, stellaratorem i zaciskiem Z. Lustro było często postrzegane niekorzystnie ze względu na nieodłączną nieszczelność, efekt uboczny jego otwartych linii pola. Christofilos opracował nową koncepcję rozwiązania tego problemu, znaną jako Astron . Składało się to ze zwierciadła z powiązanym akceleratorem cząstek, który wstrzykiwał elektrony poza tradycyjny obszar zwierciadła. Ich szybki ruch utworzył drugie pole magnetyczne, które zmieszało się z polem elektromagnesu i spowodowało „zamknięcie” powstałego pola sieciowego, rozwiązując największy problem lustra.

Sputnika i Explorera

W tym samym okresie Stany Zjednoczone planowały przetestować obecność spodziewanej warstwy naładowanej bezpośrednio za pomocą satelity Explorer 1 w ramach Międzynarodowego Roku Geofizycznego (IGY). Przed wystrzeleniem Explorera Sowieci zaskoczyli wszystkich, wystrzeliwując Sputnika 1 w październiku 1957 roku. Wydarzenie to wywołało niemal panikę w amerykańskich kręgach obronnych, gdzie wielu uznało, że Sowieci osiągnęli nie do pokonania przewagę naukową.

Wśród tych, którzy martwili się sowieckimi postępami, był Christofilos, który w tym samym miesiącu opublikował swój pomysł w wewnętrznej notatce. Kiedy Explorer wystartował w styczniu 1958 roku, potwierdził istnienie tak zwanych pasów promieniowania Van Allena . Doprowadziło to do nowej paniki w establishmentu obronnym, kiedy niektórzy doszli do wniosku, że pasy Van Allena nie były spowodowane cząsteczkami Słońca, ale tajnymi sowieckimi testami nuklearnymi na dużych wysokościach koncepcji Christofilosa.

Rozpoczyna się planowanie

Pomysł Christofilosa natychmiast wzbudził duże zainteresowanie; gdyby koncepcja zadziałała w praktyce, Stany Zjednoczone miałyby „magiczną kulę”, która mogłaby uczynić radziecką flotę międzykontynentalnych międzykontynentalnych rakiet balistycznych bezużyteczną. W lutym 1958 roku James Rhyne Killian , przewodniczący niedawno utworzonego Prezydenckiego Komitetu Doradczego ds. Nauki (PSAC), zwołał grupę roboczą w Livermore w celu zbadania tej koncepcji. Grupa zgodziła się, że podstawowa koncepcja była słuszna, ale wiele praktycznych problemów można było rozwiązać jedynie poprzez bezpośrednie testy z eksplozjami na dużych wysokościach.

W tym czasie planowanie serii testów jądrowych z 1958 r., Operacja Hardtack I , było już bliskie ukończenia. Obejmowało to kilka eksplozji na dużych wysokościach rozpoczętych na poligonie testowym na południowym Pacyfiku. Ponieważ znajdowały się one stosunkowo blisko równika, właściwy punkt wstrzyknięcia pola magnetycznego znajdował się na stosunkowo dużej wysokości, znacznie powyżej 75 kilometrów (47 mil) Shot Teak. Ograniczyłoby to przydatność tych eksplozji do testowania efektu Christofilosa. Potrzebna byłaby nowa seria eksplozji, aby przetestować efekt.

Pilności procesu planowania dodawały trwające w Genewie negocjacje między Stanami Zjednoczonymi a ZSRR w celu uzgodnienia tego, co ostatecznie przekształciło się w Traktat o częściowym zakazie prób z bronią jądrową . W tamtym czasie wydawało się, że jesienią 1958 roku na półkuli północnej może zostać wprowadzony zakaz prób. Sowieci zareagowaliby negatywnie, gdyby Stany Zjednoczone rozpoczęły testy na dużych wysokościach podczas negocjacji. Planiści otrzymali zadanie zakończenia testów do 1 września 1958 roku.

Wystrzelenie Sputnika zaowocowało również utworzeniem w lutym 1958 r. Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych (ARPA), której początkowo misją była centralizacja różnych amerykańskich projektów rozwoju rakiet. Jego statut został wkrótce rozszerzony, aby wziąć pod uwagę ogólny temat obrony, zwłaszcza obrony przed atakiem rakietowym, co do której Sputnik jasno stwierdził, że jest to realna możliwość. Dyrektor naukowy ARPA, Herbert York , utworzył komitet niebieskiej wstążki pod nazwą „Projekt 137”, aby „zidentyfikować problemy, którym obecnie nie poświęca się należytej uwagi”. Dwudziestodwuosobowemu komitetowi kto jest kim w świecie fizyki przewodniczył John Archibald Wheeler , który spopularyzował termin czarna dziura .

York poinformował prezydenta Eisenhowera o koncepcji Christofilosa i 6 marca 1958 r. Otrzymał zgodę na przeprowadzenie oddzielnej serii testów. Intensywne planowanie zostało przeprowadzone w ciągu najbliższych dwóch miesięcy. Christofilos nie miał zezwolenia Q i nie mógł brać udziału w planowaniu. Mimo to grupa Projektu 137 zorganizowała spotkanie Christofilosa w Fort McNair 14 lipca 1958 r. W celu omówienia planów.

Testowanie

Główny artykuł: Operacja Argus

Aby dotrzymać wrześniowego terminu, broń i sprzęt musiałyby pochodzić w jak największym stopniu z istniejących zapasów. Doprowadziło to do tego, że jedyną odpowiednią wyrzutnią był Lockheed X-17 , który był produkowany do testów ponownego wejścia i był dostępny w pewnej ilości. Niestety, ograniczone możliwości wysokościowe X-17 oznaczały, że nie mógł on osiągnąć wymaganej wysokości, aby trafić w lustrzane punkty na południowym Pacyfiku nad terenami testowymi. Jedynym obszarem, w którym pole było wystarczająco niskie, aby X-17 mógł z łatwością trafić, była Anomalia Południowego Atlantyku , gdzie Pas Van Allena opada na głębokość zaledwie 200 kilometrów (660 000 stóp).

Planowanie testów zwykle trwało rok lub dłużej, dlatego testy zwykle odbywały się w ściśle rozmieszczonych „seriach”. W przeciwieństwie do tego, Operacji Argus przeszły od wstępnego zatwierdzenia przez Prezydenta 6 marca 1958 r. Do rzeczywistych testów w zaledwie pięć miesięcy. Między innymi testy miały być utrzymywane w całkowitej tajemnicy od początku do końca, były pierwszymi testami pocisków balistycznych ze statku na morzu i były jedyną atmosferyczną próbą jądrową na Oceanie Atlantyckim . Ostateczne plany zostały zatwierdzone przez Prezydenta 1 maja 1958 r.

Aby zmierzyć efekt, w sierpniu wystrzelono Explorer IV i Explorer V , chociaż tylko IV dotarł na orbitę. Operacja Argus została przeprowadzona na przełomie sierpnia i września 1958 r. Trzy bomby atomowe o niskiej wydajności zostały zdetonowane nad południowym Atlantykiem na wysokości 480 kilometrów (300 mil). Bomby uwolniły naładowane cząstki, które zachowywały się dokładnie tak, jak przewidział Christofilos, będąc uwięzionymi wzdłuż linii sił. Ci, którym udało się dostać wystarczająco daleko w atmosferę na północy i południu, wywołali małą burzę magnetyczną.

Wynik

Testy te wykazały, że możliwość wykorzystania efektu jako systemu obronnego nie zadziałała. Jednak dokładne szczegóły dotyczące braku skuteczności pozostają nieobecne w dostępnych źródłach. Większość odniesień stwierdza, że ​​​​efekt nie trwał wystarczająco długo, aby był użyteczny, a raport ARPA stwierdza, że ​​​​„szybko się rozproszył”, a zatem miałby niewielką wartość jako system przeciw głowicom bojowym. Jednak inne źródła podają, że efekt utrzymywał się przez ponad sześć dni w ostatnim teście.

Wydanie publiczne

Pod koniec czerwca 1958 roku Hanson Baldwin , zdobywca nagrody Pulitzera , korespondent wojskowy The New York Times , otrzymał kuszące wskazówki dotyczące dużej operacji wojskowej Stanów Zjednoczonych. Obecnie uważa się, że wyciekło to z University of Iowa prowadzonego przez Jamesa Van Allena , które pracowało z ARPA nad Argusem przez cały ten okres. Baldwin zapytał o tę sprawę swojego kolegę, reportera naukowego, Waltera Sullivana (dziennikarza) . Sullivan rozmawiał z Richardem Porterem, przewodniczącym panelu IGY ds. rakiet i satelitów, który był „przerażony” ilością informacji, które odkrył Baldwin. Godzinę później [ kiedy? ] Sullivan otrzymał telefon od ARPA, prosząc go o wstrzymanie się z tą historią do czasu zakończenia testów.

Pod koniec roku, kiedy testy dobiegły końca, a koncepcja została w dużej mierze porzucona, Christofilos mógł otwarcie mówić o tej koncepcji na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w październiku 1958 roku, pomijając tylko szczegół, że bomba atomowa zostanie użyta do stworzyć promieniowanie. Na grudniowym spotkaniu American Association for the Advancement of Science Sullivan dowiedział się, że artykuł na ten temat zatytułowany „Sztuczna modyfikacja pasa radiacyjnego Ziemi” jest przygotowywany do publikacji. Sullivan i Baldwin zdali sobie sprawę, że wkrótce stracą „miarkę”, więc Sullivan napisał do Yorka z prośbą o zezwolenie, ponieważ było jasne, że inni reporterzy dowiadują się o testach. York omówił tę sprawę z Jamesem Killianem , przewodniczącym Presidents Science Advisory Committee (PSAC), który dodał, że Van Allan również mocno naciskał na prawa do publikacji.

Sullivan później udowodnił, że informacje i tak się pojawiają, dzwoniąc do stacji monitorujących IGY i pytając o zapisy dotyczące zorzy polarnej w sierpniu i wrześniu. Powiedziano mu, że miało miejsce „raczej niezwykłe wydarzenie”, które nie odpowiadało żadnej znanej burzy słonecznej. Wysłał kolejny list do Yorka, zauważając, że wskazówki dotyczące projektu były już publiczne i po prostu czekały, aż ktoś połączy kropki. York wezwał go do Pentagonu i ponownie poprosił, żeby się wstrzymał. Sullivan doszedł do wniosku, że nie było to już spowodowane koniecznością wojskową, ale było polityczne; negocjacje w sprawie zakazu testów trwały, a nagłe ujawnienie wiadomości o przeprowadzeniu przez USA nowych testów w kosmosie byłoby poważnym problemem. Sullivan i Baldwin po raz kolejny siedzieli nad historią.

W lutym 1959 roku Killian był w Nowym Jorku, wygłaszając przemówienie. Sullivan był obecny i na koniec wręczył mu list. Obaj usiedli, a Killian przeczytał. W liście nakreślono fakt, że coraz więcej informacji o testach wyciekało i że Times cierpliwie czekał na zgodę Pentagonu, która najwyraźniej nie nadeszła. Tymczasem naukowcy pracujący nad projektem coraz głośniej wypowiadali się na temat publikacji danych, a spotkanie pod koniec lutego [ wymagane wyjaśnienie ] zaowocowało kłótniami. Na spotkaniu PSAC Killian ostatecznie zgodził się ujawnić dane na kwietniowym spotkaniu Narodowej Akademii Nauk , ale nadal nie powiedział o tym „Timesowi” .

Baldwin i Sullivan mieli dość; weszli na szczyt Timesa , wydawcy Arthura Haysa Sulzbergera , prezesa Orvila E. Dryfoosa i redaktora naczelnego Turnera Catledge'a , który zatwierdził publikację. 18 marca 1959 roku Sullivan próbował zadzwonić do Killiana, ale zamiast tego skontaktował się ze swoim asystentem, podczas gdy Baldwin rozmawiał z dyrektorem ARPA Royem Johnsonem. Obaj napisali tę historię tej nocy, czekając na telefon, który ponownie zabiłby tę historię. Telefon nigdy nie zadzwonił, a artykuł został opublikowany następnego dnia.

Bieżące obawy

W 2008 roku pisarz naukowy Mark Wolverton zauważył ciągłe obawy dotyczące wykorzystania efektu Christofilosa jako sposobu na wyłączenie satelitów.

Notatki

Cytaty

Ogólne odniesienia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Christofilos_effect&oldid=1118820052 ”