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让电子设备瞬间失控 大自然做的比电影里演的还出色

2020年09月08日 15:54:48 来源:科技日报 作者:王铮

  科幻影视、游戏场景中,常会出现这样的画面:一名士兵扔出一颗手雷,但是想象中的爆炸、烟火和碎片并没有出现,而是会闪过一道脉冲式的光芒,一定范围内的武器、电子设备随之失控。这时有其中一人幡然醒悟,急忙给队友报信,是“EMP”攻击!

  EMP其实并不是武器的名字,而是物理现象“电磁脉冲”(ElectroMagnetic Pulse)的英文简称。

  不伤人只毁电子设备

  EMP是如何做到的

  电磁脉冲指的是突发的、宽带电磁辐射的高强度脉冲。空间中的电磁场无色无形,但是电磁场发生变化可以在电路中产生电流。

  对于用电设备或电子设备来说,电磁脉冲剧烈变化的交变电磁场与设备中的电子线路发生耦合,会在瞬时产生很强的电流和浪涌,甚至能直接破坏元件。

  我们熟知的核武器也属于EMP武器。核爆过程中所产生的γ射线在向四周辐射的过程中,能够和空气中的氧、氮原子撞击,产生带负电的电子以及极强的电磁场。一些国家曾尝试过“高空核爆”,也就是在地面几十至上百公里以上引爆核弹,这样会在地球空间环境中产生效应,在地球电离层中造成非常大范围的影响。

  电离层是我们头顶上空几十到上千公里范围内的、部分电离的大气。“部分电离”指的是大气中性分子在太阳辐射下电离成带电的电子和离子,虽然被电离的只是少部分中性分子,但已经多到足够对电磁波传播产生影响。

  1901年12月12日,商人马可尼让公司职员在英国发射摩尔斯码,自己则来到加拿大的圣约翰市,指挥助手用风筝把无线电接收天线送到约150米高空,成功接收到了从英国发来的摩尔斯码信号,从而证明了高空中存在能够反射无线电波的电离层。

  电离层中的空气密度非常低——气压大概是地面的百万分之一,但却有着一定数量的带电粒子,它们毫无疑问会受到地球磁场的作用。电离层中的电子和离子会根据地球磁场在不同地区的不同形态,出现反射、漂移等微观层面的运动。一些区域的电子和离子可能产生堆积,形成电势差,并作用于地球磁场。

  这时候,如果高空核爆突然带来许多新的电子和离子,它们也同样会被地球磁场捕捉,造成一定范围内电磁场强烈的变化,产生极大范围的扩散电子脉冲。

  根据报道,1962年6月9日,美国在太平洋约翰斯顿岛上空500千米爆炸了一颗140万吨当量核弹头,造成1280千米之外的夏威夷瓦胡岛上出现大面积停电、电话中断、收音机不响、各种电子仪器故障,这让专家们都震惊于在电离层中孵化出的EMP的强大威力。后来根据计算,当量1000吨的氢弹如在40千米高空爆炸,可能影响整个欧洲。

  论EMP攻击

  自然界才是个中高手

  事实上,并非只有人类有能力操控这种物理现象,大自然也能进行EMP攻击。

  如果说高空核爆只是人类扣动扳机后,由地球电离层进行放大的EMP武器,那么太阳风暴则毫无疑问是更具规模和破坏力的自然界EMP武器的扳机。太阳风暴包含许多电磁活动过程,会对人类在地球修建的电网、电子设备产生致命的攻击。

  著名电影《2012》创作的灵感,就来自科学家对强大太阳风暴影响地球空间环境这一风险的担忧。

  那么,这种“纯天然”的“EMP武器”是怎么运作的呢?

  太阳风暴爆发期间,它的大量物质喷发进入宇宙中,也就是“日冕物质抛射”。来自太阳的高速等离子体对地球磁层(地球磁场在宇宙空间中控制的区域)造成冲击,会使磁层压缩变形。太阳等离子通常携带着南北方向转动的磁场,当磁场转为南向时,和地磁场发生强的相互作用,会将巨大的能量带入到地球磁层,进而产生变化的磁场,从而引起全球范围剧烈的地磁扰动。

  这些过程也会引起电离层以及其中磁场的剧烈变化,因此被称为“电离层暴”。研究人员通常用Dst指数衡量地磁场扰动的强烈程度,Dst指数平时往往是负几或者负几十,也有正值,数值都不大,但是在强扰动下,该指数会变成负50以下,乃至负几百。

  当地磁场出现剧烈扰动时,会在地球电离层中产生快速变化的强电流,这些强电流又会引发变化的感应磁场,就会形成对地面的“EMP攻击”。这些变化的空间磁场在地面、长距离高压输电线、变压器接地点组成的回路中产生电流,这便是地磁感应电流。当地磁场扰动达到一定程度时,输电网络中产生的地磁感应电流可以达到几十到几百安培,这种电流过程足以对电路元件产生剧烈伤害。

  这种现象当然并非只是科学家的凭空想象。1989年3月13日,一次太阳风暴引发了地球一系列的连锁反应,最终极大地损害了加拿大魁北克地区的电网,导致该地区出现大范围断电事故,受直接影响的居民人数达到600万人,停电时长达到9个小时,造成了高达数千万美元的经济损失。

  王铮

[编辑: 陈嘉宜]
(本文来源:科技日报)
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