Medens varmestråling, trykbølge og radioaktiv stråling har været kendte virkninger af en atomeksplosion siden atombombens fremkomst, er man i de senere år blevet opmærksom på endnu en effekt, den elektromagnetiske puls, der består af en transient bølge af kraftige elektromagnetiske felter. Disse felter kan skabe midlertidig »black-out« i radiokommunikation og trådløse styringssystemer eller total ødelæggelse af elektrisk og elektronisk udstyr. Finder sprængningen sted i stor højde d.v.s i den øverste del af atmosfæren, vil ødelæggelse fra de atomvåbenstørrelser, der eksisterer idag, kunne ske ud til en afstand på ca. 6000 km, hvilket svarer til et område på ca. 100 millioner kvadratkilometer. Behovet for effektive beskyttelsesforanstaltninger er således stort. Major J. C. I. Mogensen, Teknikerliniens Befalingsmandsskole, redegør her for denne effekt.
Ødelæggelse af taktisk kommunikation efter atomvåben-sprængning i den øvre del af atmosfæren
Indledning
En atombombes sprængning på kam ppladsen vil frem kalde de klassiske virkninger fra en varmestråling, en radioaktiv stråling og en trykbølge. Disse virkninger kan bl.a. give anledning til ødelæggelse af kommunikationssystemer. Omfanget af ødelæggelserne vil være en funktion af afstanden til og højden af sprængningen. For en sprængning i atmosfæren vil rækkevidden for ødelæggelserne kun være få kilom eter regnet fra eksplosionsstedets lodrette projektion på jordoverfladen. Udover disse traditionelle virkninger, kan en anden effekt, den såkaldte elektromagnetiske puls (EMP) give anledning til signalforringelse eller direkte »black-out« og ødelæggelse af elektroniske systemer. Denne virkning er langt alvorligere end de førstnævnte på grund af dens store rækkevidde. Betragtes en sprængning i atmosfæren, vil ødelæggelsesradius på jordoverfladen være op til 6000 km afhængig af atomvåbnets størrelse. Foretages sprængningen specielt i den øverste del af atmosfæren, kan EM P blive den eneste virksomme effekt. Denne anvendelse af et kernevåben må antages sandsynlig med det form ål blot at ødelægge varslingssystemer og raketstyringssystemer samt almindeligt telekommunikationsudstyr uden at forrette anden skade. EMP kan opfattes som en energirig impuls, der frem bringer støj signaler, overstyrer kommunikationsudstyrs effektfølsomme HF-dele eller inducerer ødelæggende strømme i næsten alle typer af elektronisk udstyr afhængig af afstanden til sprængningsstedet. Elem enter som dioder, transistorer, kapaciteter og modstande kan helt eller delvis ødelægges. Ledningers isolationsmateriale og coaxialkablers dielektrikum kan gennembrændes, og der kan ske sletning eller ændringer af hukommelseselementer som f.eks. ringkem er og magnetbånd, der arbejder på basis af magnetisk flux, hvilket bl.a. har stor betydning for anvendelsen af computere i militært udstyr
EMP ved lav sprængningshøjde.
Der er frem sat flere teorier for dannelsen af EMP ved atomvåbensprængninger, men den, der giver størst overensstemmelse mellem teori og praksis, er den såkaldte »Compton model«-teori. Under kernereaktioner, der fører til eksplosionen, udsendes der gammastråler og neutroner. Ialt afgives 0,2 % af eksplosionsenergien i denne såkaldte initialstråling. De udsendte gammastråler bevæger sig radiæ rt bort fra eksplosionsstedet med lysets hastighed. På deres vej støder de ind i atmosfærens atomer og river elektronerne løs herfra. Den model, efter hvilken m an forestiller sig denne proces, kaldes »Compton modellen«. Ved løsrivningen vil gammastrålingen miste energien, og de løsrevne elektroner, Com ptonelektroneme, vil bevæge sig i stort set samme retning som den oprindelige gammastråling, d.v.s. at strålingen kan opfattes som en partikelstråling og teorien for sammenstød mellem sfæriske legemer kan anvendes. I modsætning til elektronen vil resten af atomet d.v.s. den positivt ladede ion forblive i den oprindelige position. Der opstår således en ladningsseparation med en positiv rum ladning omkring kernen af eksplosionen og i en større afstand en negativ ladning, der bevæger sig radiæ rt bart. Dette svarer til en elektrisk strøm, Comptonstrømmen, som er rettet radiæ rt mod centrum. Comptonelektronerne vil miste deres energi ved sammenstød med luftens atomer, som derved ioniseres d.v.s. m ister en elektron. Den energi, der er bundet i gammastrålingen, er så stor, at ca. 30.000 ionpar bliver dannet af hver comptonelektron. Derved underbygges ladningsadskillelsen yderligere, men samtidig bliver luften ledende mellem de to rum ladninger og en strøm, ledningsstrømmen, vil opstå med en retning modsat comptonstrømmen drevet af det elektriske felt. Ledningsstrømmen vil således udlade det felt som er opbygget. Det kan vises, at de to strømme holder hinanden i balance ved en feltstyrke på ca. 105 V/m afhængig af gammastrålingens energi. Hvis eksplosionen var helt symmetrisk, og der var en kuglesymmetrisk fordeling af luften rundt om, ville der kun opstå et elektrisk felt. Disse forudsætninger er i praksis aldrig opfyldt især ikke ved sprængning ved jordoverfladen. Ved en sådan, i denne forbindelse ikke ideel sprængning, vil det elektriske felt være ledsaget af et magnetisk felt afhængigt af nettostrømmen og graden af asymmetrien. En kernevåbensprængning vil således i praksis altid ledsages af et elektromagnetisk felt. En beregning af tids variationen af felter er mulig via bl.a. Maxwell’s ligninger, når udsendelsen af gamma- og til dels også neutronstrålingen er kendt. Dette er im idlertid kun muligt på datamaskine d.v.s. ad numerisk vej. Tilstrækkelige oplysninger er for nærværende ikke til rådighed i tilgængelig litteratur.
EMP ved stor eksplosionshøjde.
Foretages sprængningen i stor højde, bliver forholdene noget anderledes, idet andre mekanismer end Compton-effekten vil give væsentlige bidrag. Forskellen ligger i, at der i dette tilfælde ikke er tæ t atmosfære til absorption af den udsendte stråling, således at andre fysiske processer vil få betydning. Af en række af effekterne skal to nævnes: Comptoneffekt i bom behylstret og absorption af gamma- og røntgenstrålingen i den øverste del af atmosfæren. Det forudsættes, at sprængningen finder sted over atmosfæren. Den første effekt opstår ved, at de producerede gammastråler ioniserer atomer i rester af bombehylstret. Dette sker naturligvis også ved eksplosioner i lav højde, men er der af sekundær betydning. De løsrevne elektraner skaber en strøm, med en ladningsadskillelse til følge. En ledningsstrøm genereres som anført i forrige afsnit, og der dannes herved et elektromagnetisk felt. Den anden genereringsmekanisme er af større betydning. En del af den udsendte røntgen- og gammastråling vil først absorberes i den tæ ttere del af atmosfæren og dér gøre luften ledende. For røntgenstrålers vedkommende vil absorption ske i ca. 70-110 km højde, medens de mere gennem trængende gammastråler først absorberes i ca. 20-40 km højde. Absorptionsmekanismen for røntgenstråler er den såkaldte fotoeffekt, der i lighed med Comptoneffekten producerer frie elektroner. Disse er dog ikke nær så energirige og har dermed kortere rækkevidde. Deres evne til at producere strømme og elektriske felter er således ringere. Til gengæld indeholder røntgenstrålingen 10.000 gange mere energi end gammastrålingen. De elektroner som frigøres ved foto- og Comptoneffekten vil stort set følge strålingens udbredelsesretning d.v.s. være rettet radiæ rt bort fra eksplosionsstedet. Derved skabes i grove træ k et vertikalt rettet elektrisk felt. Dette forårsager som ovenfor en ledningsstrøm, hvorved forholdene er identiske med de, der hersker omkring en eksplosion i lav højde. Der udsendes et elektromagnetisk felt.
Bølgeform og frekvensspektrum.
Naturen af den genererede røntgen- og gammastråling er i store træ k kendt. Intensiteten vil stige kraftigt til en størsteværdi i løbet af få m ikrosekunder og derefter aftage noget langsommere. Derved vil de udsendte felter få samme tidsforløb d.v.s. få karakter af en puls. For at give indtryk af hurtigheden i opbygningen kan det nævnes, at feltet fra en kernevåbensprængning opbygges 10 gange hurtigere end feltet ved en lynudladning. Undersøgelser viser, at den elektriske feltstyrke i nærheden af eksplosionsstedet vil variere med tiden for et våben af lidt over middelstørrelse som vist ved fig. 1. Pulsen kan således karakteriseres ved tre param etre: en størsteværdi på ca. 100 kV/m (for almindelige radiobølger er niveauet ca. 0,01 V/m, en opbygningstid på ca. 20 nanosekunder, samt en tid til halvering af størsteværdien på ca. 450 nanosekunder. Med dette ekstrem t korte tidsforløb må frekvensindholdet være stort. Det viser sig da også, at samtlige frekvenser fra nogle få hertz og op til
1-4 GHz er ligeligt repræsenteret eller stort set alle frekvenser op til radarfrekvenser.
Udbredelse af felterne.
Det elektromagntiske felt, der kan skabe ødelæggelser, d.v.s. det felt, der når jordens overflade, vil have en m indre størsteværdi og have en større varighed i tid. Der er en række faktorer, der har betydning for svækkelse af feltet. Den væsentligste er sprængningshøjden og dermed afstanden til sprængningsstedet. Udstrækningen i tid fremkommer derimod ved, at dæmpningen er frekvensafhængig og er størst ved høje frekvenser. For sprængninger i den øverste del af atmosfæren vil feltstyrken i en afstand på over 10 km kunne beregnes ved:
106 / R V/m
hvor R betyder afstanden. E r sprængningshøjden på 100 km, bliver feltstyrken på 104 V/m på jordoverfladen lodret under eksplosionsstedet d.v.s. stadig et felt af betragtelig størrelse. Tallene gælder igen for et våben af lidt over middelstørrelse. Felterne karakteriseres, ud over ved feltstyrken, også ved deres polarisation og udbredelsesretning. Disse afhænger af sprængningsstedet, observationsstedet og retningen af det geo-magnetiske felt. Som tom m elfingerregel kan fastslås, at udbredelsesretningen vil være radiæ rt bort fra sprængningsstedet, og at det elektriske felt er polariseret således, at det står vinkelret på både udbredelsesretningen og jordens m agnetfelt ved observationsstedet. Det kan nævnes, at polarisationen har betydning ved induktion af strømme i f.eks. højspændingsnet. Står således det elektriske felt vinkelret på lederen, vil der teoretisk ikke induceres strøm, medens den maksimale strøm vil blive induceret, hvis feltet er parallelt med lederen. I praksis er et net vidt forgrenet og ikke retlinjet over store afstande, således at ovennævnte ikke får den store betydning.
Ødelæggelse af udstyr.
EMP ødelæggende virkning skyldes to ting: størrelsen af feltstyrken samt den brede frekvensdækning. Disse forhold forårsager, at der induceres kraftige spændinger i alt metal som f.eks. i høj spændingssy stemer og antenner for at nævne de to vigtigste indkoblings veje for EMP til elektronisk udstyr. Høj spændingssy stemer, som strømforsyner m ilitæ rt elektronisk udstyr, er en potentiel kilde for ødelæggelser. Den inducerede spænding og deraf følgende strøm kan udbrede sig f.eks. i radiomodtagere gennem disses strømforsyninger, hvorved der kan opstå betydelige skader over store områder. Induceres ekstrem t store spændinger i telekommunikationsudstyrs antenner, vil de tilsluttede HF-forstærkere blive ødelagt ved sammenbrud af aktive elem enter m.v., men den store ødelæggelsesradius af elektronisk udstyr skyldes dog først og fremmest EMP brede frekvensdækning. Selv på meget store afstande, hvor EMP feltstyrke er aftaget til en ikke ødelæggende størrelse i sig selv, kan ødelæggelse alligevel optræde ved, at den frekvens, hvortil HF-delen i elektronisk udstyr er afstemt, bliver anslået. Netop ved denne frekvens er forstærkningen stor, og kredsløbet er meget effektfølsomt, således at selv en feltstyrke blot nogle gange større end feltstyrken i det ønskede radiosignal, kan virke ødelæggende. De mest udsatte elementer i telekommunikationsudstyr er halvlederne. Dioder, transistorer og mikrokredsløb er ekstrem t følsomme overfor energirige pulser. Resultatet af opståede skader bliver enten en forandring af halvledem es param etre eller total ødelæggelse. Passive elementer som f.eks. modstande og kapaciteter er også i fare for at blive ødelagt med funktioneringsfejl til følge omend ikke i samme grad som for halvledeme. EMP virkninger på kabler er også af stor betydning. For de ellers godt beskyttede coaxialkablers vedkommende er disse im idlertid særdeles følsomme ved sammenbrud af dielektriket, hvis f.eks. et kabels signal har en sådan am plitude, at dielektrikets gennemslagsspænding kun er lidt større, kan EMP let overskride grænsen, hvilket resulterer i enten en smeltning eller et gennemslag med efterfølgende kortslutning. Sammenbrud af kabler derimod stammer prim æ rt fra en ubalanceret ledningsføring på parkabler (den ene leder er jordet), hvorved hele den inducerede spænding lægger sig mellem de to ledere. For enkeltlederes vedkommende kan isolationen smelte ved de store strømme og forårsage kortslutning m.v. Dette fænomen kan føre til sammenbrud eller smeltning af spoler og i givet fald til eksplosion i transform atorer. For yderligere at give et indtryk af ødelæggelsernes omfang kan det nævnes, at chassiser til elektroniske kredsløb kan brænde sammen eller delvis smelte, og at omstillingsborde ved hovedkvarterer og det tilhørende telefonnet kan lide samme skæbne igennem kraftige lysbuedannelser. Energien som forårsager disse voldsomme ødelæggelser må nødvendigvis være stor, hvilket målinger da også viser. For en typisk sprængning i den øverste del af atmosfæren vil den energi, der ram mer jordoverfladen være ca. 3 J/m 2 (3 Joule pr. m 2). Den modtagne energi på en bygning med et grundareal på 200 m 2 vil således være 600 Joule svarende til en konstant effekt på 0,6 kW i 1 sekund. Denne energimængde svarer til, hvad der modtages fra solen i 2 millisekunder. Im idlertid modtages EMP energien på kun 0,5 millisekunder, hvorved energitætheden er ca. 4000 gange større, med de store ødelæggelser til følge. Det skal nævnes, at EMP effekten yderligere har et langt større frekvensindhold end solenergien, som i det væsentlige kun indeholder frekvenser i og omkring det synlige område.
EMP store frekvensindhold er som tidligere nævnt en væsentlig kilde til ødelæggelse. H ertil kommer den meget ringe beskyttelse en overdækning mod et atomvåbens klassiske virkninger yder mod EMP. Undersøgelser viser, at ødelæggelsesradier for EMP er mange gange større end for de øvrige effekter, og at beskyttelse mod disse i praksis ingen indflydelse liar på virkningerne af EMP. Disse forhold illustreres ved figur 2 a., der viser ødelæggelsesradier for elektronisk udstyr i kommandocentraler, der er ubeskyttede og ved figur 2 b., der viser de tilsvarende forhold, men hvor beskyttelse mod de klassiske virkninger ved overdækning er foretaget. Det skal bemærkes, at undersøgelsen er nogle år gammel, og at nyere undersøgelser viser, at ødelæggelsesradieme for EMP må antages at være op til ca. 100 gange større.
Multiple sprængninger
I en kampsituation er det sandsynligt, at antallet af offensive og defensive atomvåbensprængninger vil være stort. Måske vil tallet kunne være flere hundrede i løbet af en time. Under henvisning til at alt elektronisk udstyr i et meget stort område vil modtage pulser fra alle sprængninger, må den samlede virkning heraf undersøges. Den simpleste måde til at anskue problem erne på, er ved at iagttage den forøgede ødelæggelsessandsynlighed ved kom bination af sandsynlighederne for ødelæggelse fra en enkelt puls. Antages virkningerne af de enkelte pulser at være uafhængige, og kaldes ødelæ ggelsess andsy nligheden for en enkelt puls for p, vil sandsynligheden for ødelæggelse ved én af n pulser være:
1 - (1 - p)n
For p = 0,1 og n = 50 er den totale ødelæggelsessandsynlighed 0,9555, hvilket i praksis svarer til sikker ødelæggelse. I virkeligheden er forholdene noget mere komplicerede bl.a. ved, at forudsætningen om uafhængighed ikke er realistisk, idet elementer, hvis de ikke ødelægges, vil kunne svækkes ved én puls, og således være m ere sårbare overfor efterfølgende pulser. Tages dette i betragtning, vil sandsynligheden for ødelæggelse ved én af n pulser blot være større end eller lig med ovennævnte udtryk. Truslen mod elektronisk udstyr ved EMP er således meget stor.
Sammenligning mellem EMP og lynnedslag.
Virkningen af EMP sammenlignes ofte med virkningen af lynnedslag. Den principielle årsag hertil er for at opnå en forståelse af den udstrækning, i hvilken lynbeskyttende enheder også vil kunne beskytte mod EMP. En anden årsag er, at det er m uligt at m åle EMP virkningen i forhold til et kendt begreb. Interessen samler sig her om lynnedslag i distributionsnet for elektrisk effekt. Inden sammenligningen gennemføres, er det vigtigt at gøre sig forskellene klart mellem EMP og lyn med henblik på deres evne til at inducere strømme og spændinger. Et lynnedslag må betragtes som en direkte ladningsindsprøjtning. Denne ladning, som indføres i et punkt af lederen, skaber en spændingsforskel
og frem kalder en strøm bort fra stedet ad mulige veje til jord, hvorved lederen gøres elektrisk neutral. Sædvanligvis løber ladningen således fra nedslagsstedet i begge retninger på lederen. I modsætning hertil er EMP ikke en ladningsindsprøjtning, der medbringer sit eget elektrostatiske felt. Det er derimod en induktionsproces. Strømmen induceres kontinuert og retningsbestemt langs lederen ved bølgefrontens skæring med lederen. Dette punkt bevæger sig langs lederen med en hastighed, der er lyshastigheden divideret med cosinus til vinklen mellem feltets udbredelsesretning og lederen. Herved kan induktioner foregå med en hastighed langt større end lysets. Ved en amerikansk undersøgelse (1) er målinger foretaget af inducerede lynspændinger på højspændingsledninger. Fig. 3 viser det tidsmæssige forløb af den maksimale spænding, der blev m ålt over en vis periode. Spændingen er m ålt i forhold til jord. Figuren viser, at pulsen når værdien 5000 kV på m indre end 2 mikrosekunder. Den maksimale hældning på kurven er af størrelsen 4000 kV pr. mikrosekund. På grund af afstanden mellem nedslagsstedet og observationsstedet vil pulsen være fladet
noget ud, således at en hældning ved nedslagsstedet på 10.000 kV pr. m ikrosekund må ventes. Det kan iøvrigt oplyses, at højspændingsnettet havde jordleder. Fig. 4 viser tilsvarende det forventede spændingsforløb ved en EMP fra sprængning i stor højde. Størsteværdien ses at være 4000 kV, og at denne nås på ca. 0,4 mikrosekunder. Maksimalhældningen ses at være ca. 16.000 kV pr. mikrosekund. De inducerede spændinger er for EMP og lyn af samme størrelsesorden. Det skal dog bemærkes, at den observerede lynspænding er m aksimal over et længere tidsrum. I almindelighed har lyn en meget m indre evne til at inducere spændinger. Fig. 5 viser det spændingsforløb, som svarer til strømforløbet i fig. 4. Maksimalstrømmen ses at være ca. 9 kA, hvilket er en ganske betragtelig strømstyrke.
Beskyttelsesforanstaltninger.
Med de altødelæggende strømme, som kan induceres ved EMP, må mulighederne for beskyttelse tiltræ kke sig en ganske særlig opmærksomhed. Det er allerede nævnt, at konventionel beskyttelse ved overdækning med jord eller lignende yder en uhyre ringe beskyttelse mod ødelæggelse af elektronisk udstyr. En mulig overdækning vil kun få en vis indflydelse ved de højeste frekvenser i EMP-spektret, medens de lavere frekvenser i praksis ikke dæmpes. De aktuelle felter vil absorberes i jord af en tykkelse på nogle få m eter for frekvenser i MHz-området og på nogle hundrede m eter for frekvenser omkring 100 kHz. For lavere frekvenser bliver absorptionstykkelsen endnu større. En beskyttelse må i stedet bygge på en enhed eller et elektrisk kredsløb, som er hurtig nok til at afbryde eller shunte EM P til jord for såvel spændingsforsyning som antennetilførsel til udstyr, førend disse har nået kritisk udstyr. Enheder, der idag anvendes til at shunte inducerede lynspændinger på højspændingsledninger, vil ikke være fyldestgørende. Disse enheder aktiveres af en flydende minim al strøm i en stor modstand, hvilket udløser et hurtigt bryderelæ. Aktiveringstiden er af størrelse m illisekunder, hvilket ikke er hurtigt nok til at skærme mod EMP front, men dog vil kunne yde beskyttelse mod efterfølgende pulser og delvis mod den kummulative effekt af flere pulser. Nævnte type afbryder er en relativ langsomt opererende mekanisk enhed, men den afbryder til gengæld de respektive kredsløb totalt. H urtigere reaktioner kan opnås ved rent elektroniske enheder, men disse frakobler ikke fysisk set pulsem e fra kredsløbet. En anden mulig beskyttelsesforanstaltning til at begrænse am plituden af pulsen kan opnås ved anvendelse af zener- og siliciumdioder i en filterenhed eller ved en tyristor over de respektive ledninger. Disse enheder kan begrænse eller klippe de indkommende pulser afhængigt af den fastsatte tærskelværdi. De inducerede spændinger bliver dog let større end breakdown-spændingen for disse halvledere, og endvidere kan den varme som afsættes fra strømmen virke smeltende. Værdien af denne beskyttelse er således tvivlsom. Oplysninger om mulige beskyttelsesforanstaltninger mod EMP er iøvrigt meget sparsomme i tilgængelig litteratur.
Konklusion.
Den elektromagnetiske puls, som opstår ved en atombombesprængning er i kraft af sin størrelse og virkningsradius en alvorlig trussel imod alt civilt og m ilitæ rt elektronisk udstyr. Atombombesprængninger i tilstrækkelig stor højde vil næppe anrette andet end m ateriel ødelæggelse, og det kan derfor formodes, at sådanne atombombesprængninger eventuelt ikke vil give anledning til gengældelsesaktioner eller være signalet til en generel anvendelse af taktiske atomvåben i en krigssituation. De traditionelle virkninger fra atombombesprængninger er forholdsvis velkendte, og mulige beskyttelsesforanstaltninger mod disse virkninger er vel indarbejdede, hvorimod virkningerne af EMP og beskyttelse mod EM P er et næsten ukendt område, til trods for at ødelæggelsesvirkningerne fra EMP er mange gange større. EM P er i sandhed et effektivt m iddel i den elektroniske krigsførelse og det kan måske være vanskeligt at fatte konsekvenserne af en hel eller delvis ødelæggelse af alt civilt eller m ilitæ rt elektronisk udstyr som f.eks. højspændingsnet, telefoniforbindelser, radiokædecentre, varslings-, kontrol- og styringssystemer, taktiske og strategiske telekommunikationsnet, databehandlingsudstyr, computere m.m. Selv om mulige beskyttelsesforanstaltninger mod virkningen af EMP ikke i alle tilfælde vil være tilstrækkelig effektiv og selv om disse vil være meget omkostningskrævende, bør emnet EMP overvejes alvorligt i den kommende tid og ikke mindst i forbindelse med frem tidige anskaffelser af elektronisk udstyr til forsvaret. Det skal slutteligt anføres, at en af forklaringerne på de fortsatte forsøgssprængninger med atomvåben måske er en utilstrækkelig viden om den eksakte virkning af EMP.
Litteraturhenvisninger:
1. »Effects of Electromagnetic Pulse (EMP) on a power system«. Marable, James H., Baird, James K. og Nelson, David B. Oak Ridge National Lab., Tenn. Decbr. 1972.
2. »Elektromagnetisk puls (EMP) fra atomvåpen«. Thoresen, Per. Norsk Militært Tidsskrift, p. 184-189, hæfte 4, 1968.
3. »Electromagnetic Pulse Effect on a Tactical Communications«. McGivem, Parian L. Signal, p. 29-32, April 1974.
