Эффект Христофилоса

Эффект Христофилоса , иногда известный как Аргуса эффект , относится к захвату электронов ядерного оружия в магнитном поле Земли . Впервые это было предсказано в 1957 году Николасом Христофилосом , который предположил, что этот эффект имеет защитный потенциал в ядерной войне так много бета-частиц , поскольку в ловушку попадает боеголовки , что пролетающие через регион будут испытывать огромные электрические токи, которые разрушат их спусковую электронику. Идея о том, что несколько дружественных боеголовок могут сорвать атаку противника, была настолько многообещающей, что серия новых ядерных испытаний была включена в график США еще до того, как в конце 1958 года вступил в силу мораторий на испытания . Эти испытания показали, что эффект был далеко не таким сильным. как и предполагалось, и недостаточно, чтобы повредить боеголовку. Однако эффект достаточно силен, чтобы его можно было использовать для отключения радиолокационных систем и вывода из строя спутников .

Концепция

Электроны от ядерных взрывов

Среди видов энергии , выделяемой при ядерном взрыве, имеется большое количество бета-частиц высокой энергии , или электронов . В первую очередь это результат бета-распада в обломках делящихся частей бомбы, который в большинстве конструкций составляет около 50% от общей мощности.

Поскольку электроны электрически заряжены, они индуцируют электрические токи в окружающих атомах, проходя мимо них на высокой скорости. атомов Это приводит к ионизации , а также к замедлению бета-частиц. В нижних слоях атмосферы эта реакция настолько мощна, что бета-частицы замедляются до тепловых скоростей максимум на расстоянии нескольких десятков метров. Это вполне соответствует типичному огненному шару ядерного взрыва, поэтому эффект слишком мал, чтобы его можно было увидеть.

На больших высотах гораздо менее плотная атмосфера означает, что электроны могут свободно путешествовать на большие расстояния. У них достаточно энергии, чтобы их не захватил протон, образующийся при бета-распаде, поэтому теоретически они могут существовать бесконечно.

Зеркальный эффект

Заряженные частицы (черные) естественным образом вращаются вокруг линий магнитного поля (зеленые линии). В зеркале сильное поле на концах заставляет частицы замедлять, а затем менять направление своего движения вдоль линий.

В 1951 году в рамках первой волны исследований термоядерной энергии исследователь радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Ливерморе («Ливермор») Ричард Ф. Пост представил концепцию магнитного зеркала . Зеркало представляет собой обманчиво простое устройство, состоящее в основном из цилиндрической вакуумной камеры , в которой находится термоядерное топливо, и намотанного вокруг него электромагнита , образующего модифицированный соленоид .

Соленоид обычно генерирует линейное магнитное поле вдоль центра своей оси, в данном случае посередине вакуумной камеры. Когда заряженные частицы помещаются в магнитное поле, они вращаются вокруг силовых линий , что в данном случае не позволяет им двигаться вбок и ударяться о стенки камеры. В обычном соленоиде они все равно могли бы свободно перемещаться по линиям и, таким образом, выходить за концы. Идея Поста заключалась в том, чтобы намотать электромагнит таким образом, чтобы на концах поле было сильнее, чем в центре камеры. Когда частицы движутся к концам, эти более сильные поля сжимают линии вместе, и возникающее в результате искривленное поле заставляет частицы «отражаться» обратно, что приводит к названию « зеркало» .

В идеальном магнитном зеркале частицы топлива будут прыгать взад и вперед, никогда не достигая концов и не касаясь стенок цилиндра. Однако даже теоретически ни одно зеркало не является идеальным; всегда существует популяция частиц с нужной энергией и траекторией, которые позволяют им вытекать из концов через «конус потерь». Это делает магнитные зеркала по своей сути негерметичными системами, хотя первоначальные расчеты предполагали, что скорость утечки была достаточно низкой, чтобы ее все еще можно было использовать для создания термоядерного реактора .

Эффект Христофилоса

Вблизи полюсов поле Земли становится более плотным, образуя естественное магнитное зеркало. Это изображение 1962 года отражает отсутствие знаний об общей форме поля в то время.

Форма магнитного поля Земли, или геомагнитного поля , аналогична форме магнитного зеркала. Поле расширяется над экватором, а затем сужается по мере приближения к полюсам . Таким образом, такое поле будет отражать заряженные частицы так же, как зеркала Поста. Это не было новым откровением; Уже давно считалось, что это основная основа формирования полярных сияний . В случае полярного сияния частицы солнечного ветра начинают вращаться вокруг силовых линий, подпрыгивая взад и вперед между полюсами. При каждом проходе некоторые частицы просачиваются мимо точек зеркала и взаимодействуют с атмосферой, ионизируя воздух и вызывая свет.

Электроны, высвобождаемые в результате деления, обычно находятся в диапазоне от 1 до 2 МэВ (от 0,16 до 0,32 пДж ). Первоначально они будут отражаться высоко в атмосфере, где они вряд ли вступят в реакцию с атомами атмосферы и могут отражаться взад и вперед в течение некоторого времени. Если рассматривать полную «орбиту» от северного полюса к югу и обратно, электроны, естественно, проводят больше времени в зеркальных областях, потому что именно здесь они замедляются и разворачиваются. Это приводит к увеличению плотности электронов в точках зеркала. Магнитное поле, создаваемое движущимися электронами в этой области, взаимодействует с геомагнитным полем таким образом, что точки зеркала сбрасываются в атмосферу. Здесь электроны подвергаются большему взаимодействию, поскольку плотность атмосферы быстро увеличивается. Эти взаимодействия замедляют электроны, поэтому они создают меньше магнитного поля, в результате чего точка равновесия достигается в верхних слоях атмосферы на высоте около 110 километров (70 миль).

Использование этого значения в качестве средней высоты в качестве основы для расчета плотности воздуха позволило рассчитать скорость взаимодействия с атмосферой. Подсчитав цифры, оказалось, что среднее время жизни электрона будет порядка 2,8 дней.

Пример

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.

В качестве иллюстрации Христофилос рассмотрел взрыв бомбы мощностью 1 Мт (4,2 ПДж ). Это даст 10 ²⁶ события деления, которые, в свою очередь, производят четыре электрона за деление. Для рассматриваемых зеркальных точек почти любая бета-частица, движущаяся примерно вверх или вниз, будет захвачена, что, по его оценкам, составляет около половины из них, оставляя 2 × 10 ²⁶ электроны, запертые в поле. Из-за формы поля Земли и результатов правила правой руки электроны будут дрейфовать на восток и в конечном итоге создадут оболочку вокруг всей Земли.

Если предположить, что электроны распределены равномерно, то получится плотность 0,2 электрона на кубический сантиметр. Поскольку электроны движутся быстро, любой объект в поле будет подвергаться ударам силой примерно 1,5×10 ⁹ электронов в секунду на квадратный сантиметр. Эти удары заставляют электроны замедляться, что за счет тормозного излучения испускает излучение в объект. Скорость тормозного излучения зависит от относительной атомной массы или Z материала. Для объекта со средним Z равным 10, результирующий поток составляет около 100 рентген /час по сравнению со средней смертельной дозой около 450. Христофилос отметил, что это будет представлять значительный риск для космических путешественников и их электронного оборудования.

Когда возвращаемые аппараты (БН) межконтинентальных баллистических ракет приближаются к своим целям, они двигаются со скоростью около 8 километров в секунду (5 миль в секунду), или около 28 000 километров в час (17 000 миль в час). Таким образом, летательный аппарат, проходящий через зеркальный слой, где электроны наиболее плотны, будет находиться в центре электрического поля примерно десять секунд. Из-за боеголовки высокой скорости кажущийся всплеск напряжения может вызвать огромный ток в любом из ее металлических компонентов. Оно может быть настолько высоким, что расплавит планер, но, что более реалистично, может разрушить спусковой крючок или механизмы наведения.

Плотность поля наибольшая в зеркальных точках, которых для данного взрыва всегда две, так называемые магнитные сопряжения . Взрыв может произойти в любой из этих двух точек, и магнитное поле заставит их сконцентрироваться и в другой точке. Христофилос отметил, что точка сопряжения для большей части континентальной части США находится в южной части Тихого океана , далеко на западе от Чили , где такие взрывы не были бы замечены. Таким образом, если бы кто-то взорвал серию таких бомб в этих местах, над США образовался бы массивный радиационный пояс, который мог бы вывести из строя боеголовки советской атаки .

Дополнительный интерес для военных планировщиков представляла возможность использования этого эффекта в качестве наступательного оружия. В случае нападения американских войск на Советский Союз южные сопряженные пункты обычно находятся в Индийском океане , где они не будут видны советским радарам раннего предупреждения . Серия взрывов приведет к массовому отключению радаров над Россией, что без предупреждения ухудшит ее систему противоракетной обороны (ПРО). Поскольку ожидалось, что эти последствия будут сохраняться в течение пяти минут (примерно столько же времени, в течение которого радар прямой видимости в России должен был увидеть боеголовки), тщательное планирование атаки могло сделать систему ПРО бесполезной.

История

Фон

Христофилос начал свою карьеру в области физики , читая журнальные статьи в лифтовой компании во время оккупации Греции странами Оси, когда ему больше было чем заняться. В послевоенное время он открыл службу по ремонту лифтов, за это время начал разрабатывать концепцию, известную сегодня как сильная фокусировка , — ключевое достижение в истории ускорителей элементарных частиц . В 1949 году он отправил письмо с описанием своей идеи в лабораторию Беркли, но они отклонили его, обнаружив незначительную ошибку. В 1952 году идея была независимо развита в Брукхейвенской национальной лаборатории , опубликовавшей публикацию по этой теме. Убежденный, что они украли эту идею, Христофилос отправился в США, где ему удалось получить работу в Брукхейвене.

Вскоре Христофилос стал больше интересоваться усилиями по ядерному синтезу, чем разработкой ускорителей частиц. В то время в американской программе активно работали три основных проекта: магнитное зеркало, стелларатор и z-пинч . Зеркало часто рассматривалось неблагоприятно из-за присущей ему неплотности, побочного эффекта его открытых линий поля. Христофилос разработал новую концепцию для решения этой проблемы, известную как Astron . Он состоял из зеркала с соответствующим ускорителем частиц, который инжектировал электроны за пределы традиционной области зеркала. Их быстрое движение сформировало второе магнитное поле, которое смешалось с полем электромагнита и привело к «закрытию» результирующего поля, что решило самую большую проблему зеркала.

Спутник и Эксплорер

В тот же период в США планировалось проверить наличие ожидаемого заряженного слоя непосредственно с помощью спутника Explorer 1 в рамках Международного геофизического года (МГГ). Перед запуском «Эксплорера» Советы удивили всех, запустив «Спутник-1» в октябре 1957 года. Это событие вызвало почти панику в оборонных кругах США, где многие пришли к выводу, что Советы достигли непреодолимого научного лидерства.

Среди тех, кто был обеспокоен советскими успехами, был Христофилос, который в том же месяце опубликовал свою идею во внутренней записке. Когда «Эксплорер» был запущен в январе 1958 года, он подтвердил существование так называемых радиационных поясов Ван Аллена . Это привело к новой панике в оборонном ведомстве, когда некоторые пришли к выводу, что пояса Ван Аллена возникли не из-за солнечных частиц, а из-за секретных советских высотных ядерных испытаний по концепции Христофилоса.

Планирование начинается

Идея Христофилоса сразу же вызвала большой интерес; Если бы эта концепция сработала на практике, у США была бы «волшебная пуля», которая могла бы сделать советский флот межконтинентальных баллистических ракет бесполезным. В феврале 1958 года Джеймс Райн Киллиан , председатель недавно сформированного Президентского научного консультативного комитета (PSAC), созвал рабочую группу в Ливерморе для изучения этой концепции. Группа согласилась, что основная концепция верна, но многие практические вопросы можно решить только путем прямых испытаний взрывами на больших высотах.

К тому времени планирование серии ядерных испытаний 1958 года, операции «Хардтак I» , уже приближалось к завершению. Это включало несколько высотных взрывов, произведенных над испытательным полигоном в южной части Тихого океана. Поскольку они находились относительно близко к экватору, правильная точка выброса магнитного поля находилась на относительно большой высоте, намного выше, чем 75 километров (47 миль) Шот-Тик. Это ограничило бы полезность этих взрывов для проверки эффекта Христофилоса. Для проверки эффекта потребуется новая серия взрывов.

Актуальность процесса планирования усугублялась продолжающимися в Женеве переговорами между США и СССР по заключению того, что в конечном итоге стало Договором о частичном запрещении ядерных испытаний . В то время казалось, что запрет на испытания может вступить в силу в северном полушарии . осенью 1958 года Советы отреагировали бы негативно, если бы США начали высотные испытания во время переговоров. Перед проектировщиками была поставлена ​​задача завершить испытания к 1 сентября 1958 года.

Запуск «Спутника» также привел к созданию в феврале 1958 года Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA), первоначально с миссией по централизации различных проектов разработки ракет в США. Вскоре его устав был расширен, чтобы рассмотреть тему обороны в целом, особенно защиту от ракетного нападения, которая, как ясно показал Sputnik, была реальной возможностью. Научный директор ARPA Герберт Йорк сформировал комитет под названием «Проект 137», чтобы «выявлять проблемы, которым сейчас не уделяется должного внимания». Комитет из двадцати двух человек, определявший «кто есть кто в мире физики», возглавлялся Джоном Арчибальдом Уилером , который популяризировал термин «черная дыра» .

Йорк проинформировал президента Эйзенхауэра о концепции Христофилоса и 6 марта 1958 года получил добро на проведение отдельной серии испытаний. В течение следующих двух месяцев велось интенсивное планирование. Христофилос не имел допуска Q и не мог участвовать в планировании. Тем не менее группа Проекта 137 организовала встречу Христофилоса с ними в Форт-Макнейре 14 июля 1958 года для обсуждения планов.

Тестирование

Основная статья: Операция Аргус

Для достижения сентябрьского срока необходимо будет забрать оружие и технику в максимально возможной степени из существующих запасов. В результате единственной подходящей пусковой установкой стала Lockheed X-17 , которая производилась для повторных испытаний и была доступна в некотором количестве. К сожалению, ограниченные возможности высоты Х-17 означали, что он не мог достичь необходимой высоты для поражения зеркальных точек в южной части Тихого океана над полигоном. Единственной областью, поле которой было достаточно низким, чтобы X-17 мог легко поразить ее, была Южно-Атлантическая аномалия , где пояс Ван Аллена опускается на глубину 200 километров (660 000 футов).

Планирование испытаний обычно занимало год или больше, поэтому испытания обычно проводились близко расположенными «сериями». Напротив, испытания операции «Аргус» прошли путь от первоначального одобрения президента 6 марта 1958 года до реальных испытаний всего за пять месяцев. Среди прочего, испытания должны были храниться в полной секретности от начала до завершения, были первыми испытаниями баллистических ракет с корабля в море и единственной операцией по ядерным испытаниям в атмосфере в Атлантическом океане . Окончательные планы были одобрены президентом 1 мая 1958 года.

Чтобы измерить эффект, в августе были запущены «Эксплорер IV» и «Эксплорер V» , хотя на орбиту достиг только IV. Операция «Аргус» проводилась в конце августа - начале сентября 1958 года. Три атомные бомбы малой мощности были взорваны над южной Атлантикой на высоте 480 километров (300 миль). Бомбы выпустили заряженные частицы, которые вели себя точно так, как предсказывал Христофилос, будучи захваченными вдоль силовых линий. Те, кому удалось пройти достаточно далеко в атмосферу на севере и юге, устроили небольшую магнитную бурю.

Исход

Эти испытания показали, что возможность использования эффекта в качестве защитной системы не работает. Однако точные сведения об отсутствии эффективности в доступных источниках отсутствуют. В большинстве источников говорится, что эффект длился недостаточно долго, чтобы быть полезным. в отчете ARPA делается вывод, что она «быстро рассеялась» и, следовательно, не будет иметь особой ценности в качестве системы противодействия боеголовкам. Однако другие источники утверждают, что во время последнего теста эффект сохранялся более шести дней.

Публичный релиз

В конце июня 1958 года Хэнсон Болдуин , , лауреат Пулитцеровской премии военный корреспондент The New York Times , получил дразнящие намеки на крупную военную операцию США. Сейчас считается, что утечка информации произошла из лаборатории Университета Айовы, которой руководил Джеймс Ван Аллен , которая на протяжении всего этого периода работала с ARPA над Аргусом. своего коллегу-научного репортера Уолтера Салливана (журналиста) Болдуин спросил об этом . Салливан поговорил с Ричардом Портером, председателем группы МГГ по ракетам и спутникам, который был «в ужасе» от того, сколько информации узнал Болдуин. Час спустя, Салливану позвонили из ARPA и попросили придержать эту историю до завершения испытаний.

К концу года, когда испытания были завершены, а от этой концепции практически отказались, Христофилос смог открыто говорить о этой концепции на собрании Американского физического общества в октябре 1958 года , опустив лишь детали, согласно которым будет использоваться атомная бомба. создать радиацию. На декабрьском заседании Американской ассоциации содействия развитию науки Салливан услышал, что статья на эту тему под названием «Искусственная модификация радиационного пояса Земли» готовится к публикации. Салливан и Болдуин поняли, что вот-вот потеряют свою «совесть», поэтому Салливан написал Йорку с просьбой о разрешении, поскольку было ясно, что другие репортеры узнают об испытаниях. Йорк обсудил этот вопрос с Джеймсом Киллианом , председателем Президентского научного консультативного комитета (PSAC), который добавил, что Ван Аллан также сильно настаивает на правах на публикацию.

Позже Салливан доказал свою точку зрения по поводу того, что информация все равно выходит, позвонив на станции мониторинга МГГ и спросив о записях полярных сияний в августе и сентябре. Ему сказали, что произошло «довольно примечательное событие», которое не соответствовало ни одной известной солнечной буре. Он отправил еще одно письмо Йорку, отметив, что намеки на проект уже стали достоянием общественности и просто ждут, пока кто-нибудь соединит точки. Йорк вызвал его в Пентагон и снова попросил воздержаться. Салливан пришел к выводу, что это больше не было вызвано военной необходимостью, а было политическим; переговоры о запрещении испытаний продолжаются, и внезапная публикация новостей о том, что США провели новые испытания в космосе, станет серьезной проблемой. Салливан и Болдуин снова обсудили эту историю.

В феврале 1959 года Киллиан выступал в Нью-Йорке с речью. Салливан присутствовал и в конце вручил ему письмо. Они сели, и Киллиан прочитал это. В письме подчеркивался тот факт, что об испытаниях просачивалось все больше информации и что Times терпеливо ждала одобрения Пентагона, которого, похоже, так и не последовало. Тем временем ученые, работающие над проектом, все чаще высказывались по поводу публикации данных, и встреча в конце февраля привели к спорам. На заседании PSAC Киллиан наконец согласился обнародовать данные на апрельском заседании Национальной академии наук , но так и не сообщил Times .

Болдуину и Салливану было достаточно; они поднялись на вершину иерархии Times : издателя Артура Хейса Сульцбергера , президента Орвила Драйфуса и главного редактора Тернера Кэтледжа , которые одобрили публикацию. 18 марта 1959 года Салливан попытался позвонить Киллиану, но вместо этого позвонил своему помощнику, в то время как Болдуин разговаривал с директором ARPA Роем Джонсоном. В ту ночь они написали рассказ, ожидая телефонного звонка, который снова положит конец истории. Телефон так и не зазвонил, и история была опубликована на следующий день.

Текущие проблемы

В 2008 году научный писатель Марк Волвертон отметил сохраняющуюся обеспокоенность по поводу использования эффекта Христофилоса как способа вывести из строя спутники.

См. также

• Операция Аргус
• Операция «Аквариум»
• Договор о космосе
• Советские ядерные испытания проекта К
• Морская звезда Прайм
• Радиационный пояс Ван Аллена
• Список искусственных радиационных поясов
• Николас Христофилос

Ссылки

Общие ссылки

• Христофилос, Николас (август 1959 г.). «Эксперимент Аргус» . Журнал геофизических исследований . 64 (8): 869–875. Бибкод : 1959JGR....64..869C . дои : 10.1029/JZ064i008p00869 .
• Пост, Ричард (10 августа 1987 г.). Магнитные зеркальные термоядерные системы (Технический отчет).
• Джонс, CB (30 апреля 1982 г.). Операция Аргус 1958 г. (PDF) (Технический отчет). Оборонное ядерное агентство . Архивировано (PDF) из оригинала 13 декабря 2021 г.
• Гласстоун, Сэмюэл; Долан, Филип (1977). Эффекты ядерного оружия (PDF) . Министерство обороны .
• Нойфельд, Майкл (2008). Фон Браун: Космический мечтатель, военный инженер . Винтажные книги . ISBN  9780307389374 .
• Якобсен, Энни (2015). Мозг Пентагона . Маленький, Браун . ISBN  9780316371650 .
• Гарвин, Ричард; Бете, Ганс (март 1968 г.). «Системы противоракетной обороны» (PDF) . Научный американец . 218 (3): 21–31. Бибкод : 1968SciAm.218c..21G . doi : 10.1038/scientificamerican0368-21 . Проверено 13 декабря 2014 г.
• Вулвертон, Марк (май 2008 г.). «Старички и странности: самодельный радиационный пояс» . Журнал «Авиация и космос» .
• Вулвертон, Марк (24 ноября 2018 г.). «Как мир узнал о заоблачных ядерных испытаниях Пентагона» . Атлантика .