Zaciemnienie nuklearne

Awaria jądrowa , znana również jako awaria kuli ognia lub awaria radaru , to efekt spowodowany wybuchami broni jądrowej , który zakłóca komunikację radiową i powoduje zaciemnienie lub silne załamanie systemów radarowych, przez co nie można ich już używać do dokładnego śledzenia i naprowadzania. W atmosferze efekt jest spowodowany dużą objętością zjonizowanego powietrza wytworzonego przez energię wybuchu, natomiast nad atmosferą jest spowodowany działaniem wysokoenergetycznych cząstek beta uwolniony z rozkładających się szczątków bomby. Na dużych wysokościach efekt może rozprzestrzeniać się na duże obszary, setki kilometrów. Efekt powoli zanika, gdy kula ognia się rozprasza.

Efekt był znany od najwcześniejszych dni testów jądrowych, kiedy systemy radarowe były używane do śledzenia grzybów jądrowych na bardzo duże odległości. Jego rozszerzone skutki po wybuchu poza atmosferą zostały po raz pierwszy zauważone w 1958 roku w ramach Hardtack i Argus , co spowodowało rozległe zakłócenia radiowe rozciągające się na tysiące kilometrów. Efekt był tak niepokojący, że zarówno Sowieci, jak i USA złamali nieformalne moratorium na testy, które obowiązywało od końca 1958 roku, aby przeprowadzić serię testów w celu zebrania dalszych informacji na temat różnych efektów występujących na dużych wysokościach, takich jak zaciemnienie i impuls elektromagnetyczny (EMP).

Awaria jest szczególnym problemem w przypadku systemów przeciwrakietowych (ABM). Eksplodując głowicę w górnych warstwach atmosfery, tuż poza zasięgiem pocisków obronnych, atakujący może zasłonić duży obszar nieba, poza którym nie widać dodatkowych zbliżających się głowic. Kiedy te głowice wyjdą z obszaru zaciemnienia, system obronny może nie mieć wystarczająco dużo czasu na opracowanie informacji o śledzeniu i zaatakowanie ich. Było to poważnym problemem w LIM-49 Nike Zeus z późnych lat pięćdziesiątych i jednym z powodów, dla których został ostatecznie anulowany. Kluczowym odkryciem ujawnionym podczas testów było to, że efekt ustępował szybciej dla wyższych częstotliwości. Późniejsze projekty obrony przeciwrakietowej wykorzystywały radary działające na wyższych częstotliwościach UHF i mikrofale w celu złagodzenia efektu.

Efekty bombowe

W atmosferze

To zdjęcie strzału testowego Hardtack II Lea zostało zrobione milisekundy po detonacji. Radiacyjna kula ognia już się uformowała, a rozszerzająca się fala uderzeniowa kontynuuje ekspansję. Kolce na dole są spowodowane efektem sztuczki z liną .

Kiedy bomba atomowa eksploduje blisko poziomu gruntu, gęsta atmosfera wchodzi w interakcję z wieloma uwalnianymi cząstkami subatomowymi. Zwykle odbywa się to w niewielkiej odległości, rzędu metrów. Energia ta podgrzewa powietrze, natychmiast jonizując je do stanu żarzenia i powodując utworzenie w przybliżeniu kulistej kuli ognia w ciągu mikrosekund.

Postępowanie z mniejszą prędkością jest rzeczywistą eksplozją, która tworzy potężną falę uderzeniową poruszającą się na zewnątrz. Energia uwolniona przez falę uderzeniową wystarczy, aby kompresja podgrzać powietrze do stanu żarzenia, tworząc drugą kulę ognia. Ta druga kula ognia nadal się rozszerza, mijając kulę promienistą. W miarę rozszerzania się ilość energii w fali uderzeniowej spada zgodnie z prawem odwrotnych kwadratów , podczas gdy dodatkowa energia jest tracona przez bezpośrednie promieniowanie w widmie widzialnym i ultrafiolecie. W końcu fala uderzeniowa traci tyle energii, że nie ogrzewa już powietrza na tyle, aby spowodować jego świecenie. W tym momencie, znanym jako ucieczka , front szoku staje się przezroczysty, a kula ognia przestaje rosnąć.

Średnicę kuli ognia dla bomby eksplodującej nad ziemią można oszacować za pomocą wzoru:

${\ Displaystyle D = (Y {\ Frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}) ^ {\ Frac {1} {3}}}$ kilometrów

Gdzie $stosunkiem$ wydajność w megatonach i $jest$ gęstości powietrza na poziomie morza do gęstości Wysokość. Tak więc bomba o mocy 1 megatony TNT (4,2 PJ) eksplodowała na wysokości około 5000 stóp (1500 m) rozszerzy się do około 1 kilometra (3300 stóp). Współczynnik można obliczyć w szerokim zakresie, zakładając zależność wykładniczą: ${\ Displaystyle {\ Frac {\ rho _ {0}} {\ rho}}}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ rho} {\ rho _ {0}}} = e ^ {-} {\ Frac {h} {22000}}}$

gdzie jest $wybuchu$ w stopach. Tak więc ten sam wybuch na wysokości 50 000 stóp (15 000 m) będzie miał ciśnienie około 0,1 atmosfery, w wyniku czego powstanie kula ognia o średnicy około 2150 metrów (7050 stóp), czyli około dwa razy większa niż w pobliżu ziemi. W przypadku wybuchu na dużej wysokości, powiedzmy 250 000 stóp (76 km), kula ognia rozszerzy się do około 46 kilometrów (29 mil) średnicy.

Poza atmosferą

Szczątki bomby ze Starfish Prime podążały za liniami magnetycznymi Ziemi, tworząc tę ​​kulę ognia w kształcie wachlarza. Poniżej cząstki beta uwolnione przez te szczątki powodują powstanie czerwonego dysku jonizacyjnego pokrywającego większą część nieba.

Kiedy bomba eksploduje poza atmosferą, na ogół na dowolnej wysokości powyżej około 100 kilometrów (330 000 stóp), brak interakcji z powietrzem zmienia charakter formacji kuli ognia. W tym przypadku różne cząstki subatomowe mogą podróżować na dowolne odległości i nadal wyprzedzać rozszerzające się szczątki bomby. Brak atmosfery oznacza również, że nie tworzy się fala uderzeniowa, a kulę ognia tworzą tylko świecące szczątki bomby. W tego rodzaju eksplozjach sama kula ognia nie jest znaczącym problemem radarowym, ale interakcje cząstek z atmosferą pod nimi powodują szereg efektów wtórnych, które są równie skuteczne w blokowaniu radaru jak kula ognia na małej wysokości.

Z prostych przyczyn geometrycznych około połowa cząstek uwolnionych w wyniku eksplozji będzie podróżować w kierunku Ziemi i wchodzić w interakcje z górnymi warstwami atmosfery, podczas gdy druga połowa będzie podróżować w górę w przestrzeń kosmiczną. Cząsteczki wnikają w atmosferę na głębokość zależną od ich energii:

Cząsteczki	Energia	Wysokość
szczątki rozszczepienia		150 kilometrów
promienie rentgenowskie	4 keV	80 kilometrów
cząstki beta	1 MeV	60 kilometrów
promienie gamma	3 MeV	30 kilometrów
neutrony	1 MeV	30 kilometrów

Dwa z tych efektów są szczególnie godne uwagi. Pierwszy wynika z promieniowania gamma, które pojawia się jako wybuch bezpośrednio pod eksplozją i natychmiast jonizuje powietrze, powodując ogromny impuls elektronów poruszających się w dół. Neutrony, docierające nieco później i rozciągnięte w czasie, powodują podobne efekty, ale mniej intensywne iw nieco dłuższym czasie. Te promienie gamma i neutrony są źródłem jądrowego impulsu elektromagnetycznego (EMP), który może uszkodzić elektronikę, która nie jest chroniona przed jego skutkami.

Drugi ważny efekt jest powodowany przez wysokoenergetyczne cząstki beta. Są one stale tworzone przez rozpad radioaktywny uranu, który otacza rdzeń termojądrowy, więc wielkość tego efektu jest w dużej mierze funkcją rozmiaru bomby i jej fizycznego rozproszenia w przestrzeni. Ponieważ beta są zarówno lekkie, jak i naładowane elektrycznie, podążają za polem magnetycznym Ziemi. To zwraca w górę poruszające się beta z powrotem na Ziemię, chociaż być może nie w tym samym miejscu.

W przeciwieństwie do gamma, które jonizują tylko atomy, w które uderzają, szybko poruszająca się beta indukuje ogromne pola magnetyczne w atomach, które mijają w pobliżu, powodując ich jonizację, spowalniając beta. Każda beta może zatem powodować wielokrotne jonizacje, a także sama być wolnym elektronem. Powoduje to znacznie większy, ale rozłożony impuls prądowy elektronów o niższej energii uwalnianych z tych cząsteczek powietrza. Ponieważ reakcja zachodzi między 50 a 60 km, wynikiem jest dysk zjonizowanego powietrza o grubości około 10 km i (zwykle) kilkuset kilometrach średnicy.

Dodatkowo beta, które poruszają się mniej więcej równolegle do ziemskich pól magnetycznych, zostaną uwięzione i spowodują podobne efekty, gdy pole magnetyczne przecina atmosferę. Na dowolnej długości geograficznej występują dwa miejsca, w których to się dzieje, na północ i południe od równika, a efekt jest maksymalizowany przez wybuch bomby w jednym z tych miejsc w celu wytworzenia możliwie silnego sygnału w obszarze koniugatu magnetycznego . Znany jako efekt Christofilosa , był przedmiotem poważnych badań pod koniec lat pięćdziesiątych, ale efekt był słabszy niż oczekiwano.

Efekty zaciemnienia

Po związaniu z atomami i cząsteczkami mechanika kwantowa powoduje, że elektrony w naturalny sposób przyjmują zestaw różnych poziomów energii. Niektóre z nich odpowiadają fotonom o różnych energiach, w tym o częstotliwościach radiowych. W metalach poziomy energii są tak blisko siebie rozmieszczone, że elektrony w nich reagują na prawie każdy foton o częstotliwości radiowej, co czyni je doskonałymi materiałami na anteny . To samo dotyczy swobodnych elektronów, ale w tym przypadku nie ma żadnych nieodłącznych poziomów energii, a elektrony będą reagować na prawie każdy foton.

W ognistych kulach

W nuklearnej kuli ognia powietrze jest zjonizowane i składa się z mieszaniny jąder i wolnych elektronów. Te ostatnie tak silnie załamują fale radiowe, że tworzą lustrzaną powierzchnię, gdy gęstość elektronów przekracza wartość krytyczną. Gdy kula ognia wypromieniowuje energię i ochładza się, jony i elektrony ponownie formują się z powrotem w atomy, a efekt powoli zanika w ciągu sekund lub minut. Nawet gdy się ochładza, chmura osłabia sygnały, być może do tego stopnia, że ​​czyni ją bezużyteczną dla radarów.

Całkowite odbicie od kuli ognia występuje, gdy częstotliwość radiowa jest mniejsza niż częstotliwość plazmy :

${\ Displaystyle f_ {p} = 8970N_ {e} ^ {\ Frac {1} {2}}}$ Hz

gdzie $wolnych$ elektronów na centymetr sześcienny. Dla sygnału o długości fali 1 m (300 MHz) ma to miejsce, gdy gęstość wynosi 10 ⁹ swobodnych elektronów na centymetr sześcienny. Nawet przy bardzo niskich gęstościach jonizacja spowoduje załamanie energii radiowej, osłabiając ją zgodnie z:

${\ Displaystyle F_ {a} = 1,4 ^ {1-5 {\ Frac {(2 \ pi f_ {p} )^{2}}{(2\pi f)^{2}}}+f_{c}^{2}}}$ decybeli/km

gdzie jest $częstotliwością plazmy$ powyżej, jest $displaystyle$ sygnału radiowego i jest częstotliwością kolizji atomów $f_ {p}}$ w powietrzu. Ta ostatnia jest funkcją gęstości, a więc wysokości:

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

gdzie $to$ gęstość powietrza na wysokości wybuchu, a $to$ gęstość na poziomie morza (1 atm Ponieważ kula ognia może rozciągać się do setek kilometrów na dużych wysokościach, oznacza to, że typowe tłumienie 1 dB na kilometr przez kulę ognia na średnich i dużych wysokościach, które rozszerza się do 10 km, całkowicie osłabi sygnał, powodując śledzenie obiektów na dalekiej strony niemożliwe.

Poza atmosferą

Skutki egzoatmosferycznego uwalniania beta są trudniejsze do oceny, ponieważ wiele zależy od geometrii wybuchu. Możliwe jest jednak określenie gęstości produktów rozszczepienia, a tym samym związku między rozmiarem dysku jonizacyjnego a jego wytrzymałością, biorąc pod uwagę wydajność produktów eksplozji w megatonach: ${\ displaystyle Y}$

${\ Displaystyle y = {\ Frac {Y} {2 \ pi d ^ {2}}}}$ ton / jednostkę powierzchni

gdzie $średnicą$ dysku dla danej eksplozji.

Żywotność zaciemnienia

Kiedy eksplozja ma miejsce w atmosferze, kula ognia szybko się formuje i początkowo wydziela znaczną energię w postaci światła widzialnego i UV. To szybko schładza kulę ognia do około 5000 ° C, w którym to momencie proces chłodzenia znacznie spowalnia. Od tego momentu głównym efektem chłodzenia jest wymiana ciepła z otaczającą masą powietrza. Proces ten trwa nawet kilka minut, a ponieważ na wyższych wysokościach jest mniej powietrza, kula ognia pozostaje zjonizowana przez dłuższy czas.

Na wyższych wysokościach, od 100 000 do 200 000 stóp (30–60 km), gęstość powietrza nie jest wystarczająca, aby mieć znaczący wpływ, a kula ognia nadal ochładza się radiacyjnie. $Ogólnie$ proces jest opisywany przez stałą rekombinacji radiacyjnej , która wynosi około 10-12 ^{sześciennych} na sekundę Jeśli początkowa gęstość elektronów wynosi 10 ¹² , gęstość 10 ⁹ elektronów/cm ² pojawi się dopiero po 1000 sekundach, około 17 minutach.

W przypadku eksplozji czysto egzoatmosferycznych beta powodujące zaciemnienie dysku jest stale wytwarzane przez zdarzenia rozszczepienia w szczątkach bomby. Zależy to od okresu półtrwania reakcji rzędu sekund. Aby utrzymać zaciemnienie, należy spełnić równanie:

${\ Displaystyle yt ^ {- 1,2}> 10 ^ {- 2}}$

Aby stworzyć całkowite zaciemnienie, z 10 ⁹ wolnymi elektronami na centymetr sześcienny, potrzeba około 10 ton produktów rozszczepienia na kilometr kwadratowy. Można to osiągnąć za pomocą jednej typowej bomby 1 Mt.

Zaciemnienie i obrona przeciwrakietowa

Zaciemnienie jest szczególnym problemem w systemach obrony przeciwrakietowej, gdzie efekt ten można wykorzystać do pokonania radarów naziemnych poprzez wytworzenie dużych nieprzezroczystych obszarów, za którymi nie widać zbliżających się głowic. W zależności od czasu reakcji przechwytywaczy może to uczynić je bezużytecznymi, ponieważ zbliżające się głowice pojawiają się ponownie zbyt późno, aby przechwytywacz mógł opracować gąsienicę i wystrzelić pocisk.

W przypadku przechwytywaczy krótkiego zasięgu, takich jak Sprint , zaciemnienie nie stanowi poważnego problemu, ponieważ całe przechwytywanie ma miejsce na odległościach i wysokościach poniżej, gdzie kule ognia stają się wystarczająco duże, aby zablokować znaczny obszar nieba. Przy nominalnym zasięgu Sprinta wynoszącym 45 kilometrów (28 mil), jego własna kilkukilotonowa głowica wytworzyłaby kulę ognia o średnicy około 1 kilometra (3000 stóp), co odpowiada kątowi (1 km/45 km) 2 ≈ ^0,0005 steradianów ( sr ). Na tej samej wysokości eksplozja o wysokości 1 Mt utworzyłaby kulę ognia o średnicy około 10 kilometrów (6 mil), czyli około 0,05 sr, co nadal nie stanowi poważnego problemu.

Tylko atak składający się z kilkudziesięciu dużych głowic byłby na tyle znaczący, aby spowodować problem z myśliwcem przechwytującym krótkiego zasięgu. Ale tak samo byłoby z głowicami pocisków przechwytujących, gdyby eksplodowały blisko siebie, co byłoby typowe, ponieważ „konieczne było wystrzelenie więcej niż jednego pocisku obronnego na każdy nadlatujący niebezpieczny obiekt… [aby] zapewnić wystarczająco wysokie prawdopodobieństwo [ataku] ] zabić”. Takie kwestie zostały zbadane w Operation Dominic z 1962 roku . Wniosek z tych testów był taki, że jedynym rozwiązaniem takiego profilu ataku byłoby użycie sieci wielu systemów radarowych je razem i wybierając ten, który ma najlepszy widok na cele. To znacznie zwiększyłoby koszt systemu ABM, ponieważ radary były jednymi z najdroższych elementów systemów takich jak Nike-X .

W przypadku pocisków o większym zasięgu, takich jak Spartan , te same eksplozje na dużych wysokościach stanowiły poważniejszy problem. W tym przypadku oczekiwano, że pocisk będzie przechwytywał z odległości nawet 500 kilometrów (300 mil), na odległość, której dotarcie zajęło trochę czasu. Pojedyncza eksplozja poza atmosferą mogłaby pokryć obszar dyskiem o średnicy nawet 400 kilometrów (250 mil) na wysokości około 60 kilometrów (40 mil). Głowica pojawiająca się zza tego sygnału byłaby zbyt blisko, aby Spartanin mógł ją zaatakować głowicą rentgenowską, która opierała się na eksplozji mającej miejsce poza atmosferą. Obrona musiałaby albo poradzić sobie z kolejnymi głowicami za pomocą ich broni krótkiego zasięgu, takiej jak Sprint, albo zaatakować każdą zbliżającą się głowicę z dużej odległości na wypadek, gdyby mogła to być część takiego ataku z zaciemnieniem. Wyrafinowane ataki z wieloma eksplozjami z powodu utraty przytomności budziły pewne obawy.

Istnieje bezpośredni związek między długością fali radaru a rozmiarem anteny potrzebnej do zapewnienia danej rozdzielczości. Oznacza to, że korzystanie z wyższych częstotliwości dla radarów poszukiwawczych ma przewagę, ponieważ będą one w stanie rozpoznać obiekt o danej wielkości, taki jak głowica bojowa lub fragmenty wzmacniacza, z mniejszej anteny. Jednak generowanie energii radiowej przy niższych częstotliwościach jest generalnie tańsze, co kompensuje wadę rozdzielczości, umożliwiając budowę mocniejszych radarów. Kompromis między tymi dwoma efektami wymaga starannej optymalizacji.

Zaciemnienie radaru dodatkowo komplikuje te kwestie. Nieodłącznym elementem powyższego wzoru jest fakt, że wyższe częstotliwości są zaciemniane przez krótsze czasy. Sugeruje to, że radary dalekiego zasięgu powinny wykorzystywać możliwie najwyższą częstotliwość, chociaż jest to trudniejsze i droższe. US PAR został początkowo zaprojektowany do działania w regionie VHF, aby był niezwykle wydajny, a jednocześnie stosunkowo tani, ale na etapie projektowania przeniósł się do regionu UHF, aby pomóc złagodzić ten efekt. Nawet wtedy byłby mocno osłabiony.

Oznacza to, że eksplozje egzoatmosferyczne są bardzo skuteczne przeciwko radarom wczesnego ostrzegania dalekiego zasięgu, takim jak PAR czy sowiecki Dniestr . Pojedyncza głowica o masie 1 Mt zdetonowana na wysokości 250 km znajdowałaby się około 600 kilometrów (400 mil) w dół, biorąc pod uwagę typowe trajektorie, i można by oczekiwać, że utworzy dysk jonizacyjny o średnicy 300 kilometrów (200 mil). Jak widać z radaru, byłby to kąt (300 km/600 km) ² ≈ 0,3 sr, wystarczająco dużo, aby ukryć wszelkie głowice zbliżające się podobnymi ścieżkami. Pozwoliłoby to np. na ukrycie jednej głowicy z danego pola rakietowego wszystkimi kolejnymi z tego samego pola. Chociaż nie wpłynęłoby to bezpośrednio na działanie myśliwców przechwytujących, będąc poza zasięgiem nawet Spartan z bardzo dalekiego zasięgu, takie operacje mogłyby poważnie zakłócić kierunek nalotu i ogólne planowanie bitwy. Co więcej, ponieważ eksplozja ma miejsce poza zasięgiem myśliwców, nie ma prostego sposobu jej powstrzymania.

Znaczna niepewność

Chociaż powyższe wzory są prawdopodobnie przydatne w dyskusjach z tyłu koperty, należy wziąć pod uwagę, że przeprowadzono niewiele rzeczywistych testów tych efektów z powodu różnych zakazów testowania. W historii testów w USA tylko siedem testów z odpowiednim oprzyrządowaniem odbyło się w górnych warstwach atmosfery na wysokości od 10 do 25 kilometrów (33 000–82 000 stóp), które byłyby odpowiednie dla późnej fazy zaciemnienia, a tylko dwa zostały przetestowane na wysokościach egzoatmosferycznych . Żaden z tych testów nie zawierał wielokrotnych wybuchów, których można by się spodziewać po każdym ataku celowo powodującym awarię.

Notatki

Bibliografia

• Bell Labs (październik 1975). Badania i rozwój ABM w Bell Laboratories, historia projektu (raport techniczny) . Źródło 13 maja 2015 r .
•   Ostrza, David; Syrakuzy, Józef (2014). Historia amerykańskich testów jądrowych i ich wpływ na myśl nuklearną . Rowmana i Littlefielda. ISBN 9781442232013 .
•   Canavan, Grzegorz (2003). Obrona przeciwrakietowa XXI wieku (PDF) . Fundacja Dziedzictwa. ISBN 0-89195-261-6 .
•   Cartera, Ashtona; Schwartz, David (1984). Obrona przeciwrakietowa . Brookings Institution Press. ISBN 9780815713128 .
•   Stała, James (2013). Podstawy broni strategicznej: systemy ataku i obrony . Skoczek. ISBN 9789401506496 .
• Garwin, Richard; Bethe, Hans (marzec 1968). „Systemy przeciwrakietowe” (PDF) . Naukowy Amerykanin . 218 (3): 21–31. Bibcode : 1968SciAm.218c..21G . doi : 10.1038/scientificamerican0368-21 .
• Mock, John (styczeń – luty 1966). „Efekty jądrowe na dużych wysokościach” . Przegląd Uniwersytetu Lotniczego .
• Skutki wojny nuklearnej (PDF) . Biuro Oceny Technologii Kongresu Stanów Zjednoczonych. maj 1979.