Apagão nuclear - Nuclear blackout

O apagão nuclear , também conhecido como apagão da bola de fogo ou apagão do radar , é um efeito causado por explosões de armas nucleares que perturba as comunicações de rádio e faz com que os sistemas de radar sejam apagados ou fortemente refratados para que não possam mais ser usados ​​para rastreamento e orientação precisos. Na atmosfera, o efeito é causado pelo grande volume de ar ionizado criado pela energia da explosão, enquanto acima da atmosfera é devido à ação de partículas beta de alta energia liberadas dos destroços da bomba em decomposição. Em grandes altitudes, o efeito pode se espalhar por grandes áreas, centenas de quilômetros. O efeito desaparece lentamente conforme a bola de fogo se dissipa.

O efeito era conhecido desde os primeiros dias dos testes nucleares, quando sistemas de radar foram usados ​​para rastrear as nuvens de cogumelo nuclear a distâncias muito longas. Seus efeitos prolongados quando explodiu fora da atmosfera foram notados pela primeira vez em 1958 como parte dos testes nucleares Hardtack e Argus , que causaram interferência de rádio generalizada que se estendeu por milhares de quilômetros. O efeito foi tão desconcertante que tanto os soviéticos quanto os EUA quebraram a moratória de testes informais que estava em vigor desde o final de 1958 para executar uma série de testes para reunir mais informações sobre os vários efeitos de alta altitude, como blecaute e pulso eletromagnético (EMP).

O apagão é uma preocupação particular para sistemas de mísseis antibalísticos (ABM). Ao explodir uma ogiva na atmosfera superior, logo além do alcance dos mísseis defensivos, um atacante pode cobrir uma ampla área do céu além da qual outras ogivas se aproximando não podem ser vistas. Quando essas ogivas emergem da área de blecaute, pode não haver tempo suficiente para o sistema defensivo desenvolver informações de rastreamento e atacá-las. Essa era uma preocupação séria para o programa LIM-49 Nike Zeus do final dos anos 1950 e uma das razões pelas quais foi finalmente cancelado. Uma descoberta importante revelada nos testes foi que o efeito desapareceu mais rapidamente para frequências mais altas. Projetos posteriores de defesa contra mísseis usaram radares operando em frequências mais altas na região de UHF e micro - ondas para mitigar o efeito.

Efeitos de bomba

Dentro da atmosfera

Esta imagem da foto de teste Hardtack II Lea foi tirada milissegundos após a detonação. A bola de fogo radiativa já se formou e a onda de choque em expansão continua a expansão. Os espinhos na parte inferior são devido ao efeito de truque da corda .

Quando uma bomba nuclear explode perto do nível do solo, a densa atmosfera interage com muitas das partículas subatômicas sendo liberadas. Isso normalmente ocorre a uma curta distância, da ordem de metros. Essa energia aquece o ar, prontamente ionizando-o até a incandescência e causando a formação de uma bola de fogo quase esférica em microssegundos.

Prosseguindo em uma velocidade mais lenta está a explosão real, que cria uma poderosa onda de choque se movendo para fora. A energia liberada pela onda de choque é suficiente para aquecer por compressão o ar até ficar incandescente, criando uma segunda bola de fogo. Esta segunda bola de fogo continua a se expandir, passando pela radiativa. À medida que se expande, a quantidade de energia na onda de choque cai de acordo com a lei do inverso do quadrado , enquanto a energia adicional é perdida por meio da radiação direta no espectro visível e ultravioleta. Eventualmente, a onda de choque perde tanta energia que não aquece mais o ar o suficiente para fazê-lo brilhar. Nesse ponto, conhecido como quebra , a frente de choque torna-se transparente e a bola de fogo para de crescer.

O diâmetro da bola de fogo de uma bomba explodida longe do solo pode ser estimado usando a fórmula:

quilômetros

Onde está o rendimento em megatons e é a razão entre a densidade do ar ao nível do mar e a densidade do ar na altitude. Assim, uma bomba de 1 megatonelada de TNT (4,2 PJ) explodiu em uma altitude de explosão de cerca de 5.000 pés (1.500 m) e se expandirá para cerca de 1 quilômetro (3.300 pés). A proporção pode ser calculada em uma ampla faixa, assumindo uma relação exponencial:

onde está a altitude da explosão em pés. Portanto, a mesma explosão a 50.000 pés (15.000 m) terá uma pressão de cerca de 0,1 atmosferas, resultando em uma bola de fogo da ordem de 2.150 metros (7.050 pés) de diâmetro, cerca de duas vezes o tamanho de uma perto do solo. Para uma explosão de alta altitude, digamos 250.000 pés (76 km), a bola de fogo se expandirá para cerca de 46 quilômetros (29 mi) de diâmetro.

Fora da atmosfera

Os destroços da bomba de Starfish Prime seguiram as linhas magnéticas da Terra, criando esta bola de fogo em forma de leque. Abaixo, as partículas beta liberadas por esses detritos causam um disco de ionização vermelho cobrindo grande parte do céu.

Quando a bomba explode fora da atmosfera, geralmente em qualquer altitude acima de cerca de 100 quilômetros (330.000 pés), a falta de interação com o ar muda a natureza da formação da bola de fogo. Nesse caso, as várias partículas subatômicas podem viajar distâncias arbitrárias e continuar a ultrapassar os detritos da bomba em expansão. A falta de atmosfera também significa que nenhuma onda de choque se forma, e são apenas os próprios destroços da bomba brilhante que formam a bola de fogo. Nesse tipo de explosão, a bola de fogo em si não é um problema de radar significativo, mas as interações das partículas com a atmosfera abaixo delas causam uma série de efeitos secundários que são tão eficazes no bloqueio do radar quanto uma bola de fogo em baixa altitude.

Por razões geométricas simples, cerca de metade das partículas liberadas pela explosão estarão viajando em direção à Terra e interagirão com as camadas superiores da atmosfera, enquanto a outra metade viajará para o espaço. As partículas penetram na atmosfera em uma profundidade dependendo de sua energia:

Partículas Energia Altitude
restos de fissão 150 quilômetros
raios X 4 keV 80 quilômetros
partículas beta 1 MeV 60 quilômetros
raios gama 3 MeV 30 quilômetros
nêutrons 1 MeV 30 quilômetros

Dois desses efeitos são particularmente notáveis. O primeiro é devido aos gamas, que chegam como uma explosão diretamente abaixo da explosão e prontamente ionizam o ar, causando um enorme pulso de elétrons que se movem para baixo. Os nêutrons, chegando um pouco mais tarde e esticados no tempo, causam efeitos semelhantes, mas menos intensos e por um tempo um pouco mais longo. Esses gamas e nêutrons são a fonte do pulso eletromagnético nuclear , ou EMP, que pode danificar os componentes eletrônicos que não estão protegidos de seus efeitos.

O segundo efeito importante é causado pelas partículas beta de alta energia. Eles estão constantemente sendo criados pela decadência radioativa do adulterador de urânio que envolve o núcleo de fusão, de modo que a magnitude desse efeito é em grande parte uma função do tamanho da bomba e de sua dispersão física no espaço. Como os betas são leves e carregados eletricamente, eles seguem o campo magnético da Terra. Isso retorna betas que se movem para cima de volta à Terra, embora talvez não no mesmo local.

Ao contrário dos gama, que ionizam apenas os átomos que atingem, um beta em movimento rápido induz enormes campos magnéticos nos átomos que passam nas proximidades, fazendo-os ionizar enquanto desacelera o beta. Cada beta pode, portanto, causar ionizações múltiplas, além de ser um elétron livre por conta própria. Isso causa um pulso de corrente muito maior, mas espalhado, de elétrons de menor energia liberados dessas moléculas de ar. Como a reação ocorre entre 50 e 60 km, o resultado é um disco de ar ionizado com cerca de 10 km de espessura e (normalmente) várias centenas de quilômetros de diâmetro.

Além disso, os betas que estão viajando aproximadamente paralelos aos campos magnéticos da Terra serão aprisionados e causarão efeitos semelhantes onde o campo magnético intercepta a atmosfera. Em qualquer longitude dada, há dois locais onde isso ocorre, norte e sul do equador, e o efeito é maximizado explodindo a bomba em um desses locais para criar um sinal o mais forte possível na área do conjugado magnético . Conhecido como efeito Christofilos , esse foi o assunto de pesquisas sérias no final dos anos 1950, mas o efeito era menos poderoso do que o esperado.

Efeitos de blecaute

Quando ligada a átomos e moléculas, a mecânica quântica faz com que os elétrons assumam naturalmente um conjunto de níveis de energia distintos. Alguns deles correspondem a fótons de energias diferentes, incluindo frequências de rádio. Nos metais, os níveis de energia estão tão próximos que os elétrons neles respondem a quase todos os fótons de radiofrequência, o que os torna excelentes materiais de antena . O mesmo é verdade para elétrons livres, mas, neste caso, não há nenhum nível de energia inerente, e os elétrons reagirão a quase qualquer fóton.

Em bolas de fogo

Dentro de uma bola de fogo nuclear, o ar é ionizado, consistindo em uma mistura de núcleos e elétrons livres. Este último refrata tão fortemente as ondas de rádio que forma uma superfície semelhante a um espelho quando a densidade do elétron está acima de um valor crítico. À medida que a bola de fogo irradia energia e esfria, os íons e elétrons voltam a se formar em átomos e o efeito desaparece lentamente em um período de segundos ou minutos. Mesmo ao esfriar, a nuvem atenua os sinais, talvez a ponto de torná-la inútil para o uso do radar.

A reflexão total da bola de fogo ocorre quando a frequência de rádio é menor que a frequência do plasma :

Hz

onde é o número de elétrons livres por centímetro cúbico. Para um sinal de comprimento de onda de 1 m (300 MHz), isso ocorre quando a densidade é de 10 9 elétrons livres por centímetro cúbico. Mesmo em densidades muito baixas, a ionização irá refratar energia de rádio, atenuando-a de acordo com:

decibéis / km

onde é a frequência do plasma como acima, é a frequência do sinal de rádio e é a frequência de colisão dos átomos no ar. Este último é uma função da densidade e, portanto, da altitude:

× Hz

onde é a densidade do ar na altitude de explosão e é a densidade ao nível do mar (1 atm). Uma vez que a bola de fogo pode se expandir para centenas de quilômetros em grandes altitudes, isso significa que uma atenuação típica de 1 dB por quilômetro através de uma bola de fogo em altitudes médias a altas que se expande para 10 km atenuará completamente o sinal, fazendo com que objetos de rastreamento lado impossível.

Fora da atmosfera

Os efeitos da liberação do beta exoatmosférico são mais difíceis de avaliar porque muito depende da geometria da explosão. No entanto, é possível determinar a densidade dos produtos de fissão e, portanto, a relação entre o tamanho do disco de ionização e sua força, considerando o rendimento dos produtos para uma explosão de em megatons:

toneladas / unidade de área

onde é o diâmetro do disco para uma determinada explosão.

Blackout vitalício

Quando a explosão ocorre na atmosfera, a bola de fogo se forma rapidamente e inicialmente emite uma energia considerável na forma de luz visível e ultravioleta. Isso resfria rapidamente a bola de fogo para cerca de 5000 ° C, ponto no qual o processo de resfriamento diminui consideravelmente. A partir daí, o efeito de resfriamento primário é através da transferência térmica com a massa de ar circundante. Esse processo leva vários minutos e, como há menos ar em altitudes mais elevadas, a bola de fogo permanece ionizada por períodos mais longos.

Em altitudes mais elevadas, de 30 a 60 km (100.000 a 200.000 pés), a densidade do ar não é suficiente para ser um efeito significativo, e a bola de fogo continua a esfriar radiativamente. Geralmente o processo é descrito por uma constante de recombinação de irradiação , que é de cerca de 10 -12 centímetros cúbicos por segundo. Se a densidade de electrões inicial é 10 12 , uma densidade de 10 9  electrões / cm 2 não ocorrerá até 1.000 segundos, cerca de 17 minutos.

Para explosões puramente exoatmosféricas, os betas que causam o blackout disk são continuamente produzidos pelos eventos de fissão nos destroços da bomba. Isso está sujeito à meia-vida das reações, da ordem de segundos. Para manter um apagão, é necessário satisfazer a equação:

Para criar um blecaute completo, com 10 9 elétrons livres por centímetro cúbico, são necessários cerca de 10 toneladas de produtos de fissão por quilômetro quadrado. Isso pode ser alcançado com uma única bomba típica de 1 Mt.

Blackout e defesa antimísseis

O apagão é uma preocupação especial em sistemas de defesa antimísseis, onde o efeito pode ser usado para derrotar radares baseados em terra, produzindo grandes áreas opacas atrás das quais ogivas se aproximando não podem ser vistas. Dependendo do tempo de reação dos interceptores, isso pode torná-los inúteis, pois as ogivas que se aproximam reaparecem tarde demais para que o interceptor desenvolva uma pista e dispare seu míssil.

Para interceptores de curto alcance como Sprint , blecaute não é uma preocupação séria porque toda a interceptação ocorre em intervalos e altitudes abaixo de onde as bolas de fogo crescem o suficiente para bloquear uma área significativa do céu. No alcance nominal do Sprint de 45 quilômetros (28 mi), sua própria ogiva de poucos quilotons produziria uma bola de fogo de talvez 1 quilômetro (3.000 pés) de diâmetro, o que representa um ângulo de (1 km / 45 km) 2 ≈ 0,0005  esteradianos (sr ) Na mesma altitude, uma explosão de 1 Mt criaria uma bola de fogo da ordem de 10 quilômetros (6 mi) de diâmetro, ou cerca de 0,05 sr, ainda sem uma preocupação séria.

Apenas um ataque consistindo em algumas dezenas de ogivas grandes seria significativo o suficiente para causar um problema em um interceptor de curto alcance. Mas o mesmo aconteceria com as ogivas de mísseis interceptores se explodissem perto uma da outra, o que seria típico porque era "necessário disparar mais de um míssil defensivo em cada objeto perigoso que se aproxima ... [para] garantir uma probabilidade alta o suficiente de [a ] mate." Essas questões foram exploradas na série de testes da Operação Dominic de 1962 . A conclusão desses testes foi que a única solução para esse perfil de ataque seria usar vários sistemas de radar, interligando -os e selecionando aquele que tivesse a visão mais clara dos alvos. Isso aumentaria muito as despesas de um sistema ABM, já que os radares estavam entre os componentes mais caros de sistemas como o Nike-X .

Contra mísseis de longo alcance como o Spartan , essas mesmas explosões de alta altitude representavam um problema mais sério. Nesse caso, esperava-se que o míssil realizasse interceptações em distâncias de até 500 quilômetros (300 milhas), uma distância que demorou algum tempo para ser alcançada. Uma única explosão fora da atmosfera poderia cobrir a área com um disco de até 400 quilômetros (250 milhas) a uma altitude de cerca de 60 quilômetros (40 milhas). Uma ogiva aparecendo por trás deste sinal estaria muito perto para o Spartan atacá-la com sua ogiva de raios-X, que dependia da explosão ocorrendo fora da atmosfera. A defesa teria que lidar com as ogivas de acompanhamento com suas armas de curto alcance, como Sprint, ou atacar todas as ogivas que se aproximam de longo alcance, para o caso de fazer parte de um ataque de blecaute. Ataques sofisticados com múltiplas explosões de blecaute foram um tópico de alguma preocupação.

Existe uma relação direta entre o comprimento de onda do radar e o tamanho da antena necessária para fornecer uma determinada resolução. Isso significa que há uma vantagem em usar frequências mais altas para radares de busca, pois eles serão capazes de resolver um objeto de determinado tamanho, como uma ogiva ou fragmentos de reforço, a partir de uma antena menor. No entanto, geralmente é mais barato gerar energia de rádio em frequências mais baixas, compensando a desvantagem na resolução ao permitir a construção de radares mais poderosos. A compensação entre esses dois efeitos requer uma otimização cuidadosa.

O blecaute do radar confunde ainda mais esses problemas. Inerente à fórmula acima está o fato de que frequências mais altas são apagadas por períodos mais curtos. Isso sugere que os radares de longo alcance devem usar a frequência mais alta possível, embora isso seja mais difícil e caro. O US PAR foi inicialmente projetado para operar na região de VHF para permitir que seja extremamente poderoso e ao mesmo tempo relativamente barato, mas durante a fase de projeto, mudou-se para a região de UHF para ajudar a mitigar esse efeito. Mesmo assim, seria fortemente atenuado.

Isso significa que as explosões exoatmosféricas são muito eficazes contra radares de alerta antecipado de longo alcance como o PAR ou o Dnestr soviético . Uma única ogiva de 1 Mt detonada a 250 km de altitude estaria cerca de 600 quilômetros (400 mi) downrange dadas as trajetórias típicas, e pode-se esperar que crie um disco de ionização com 300 quilômetros (200 mi) de diâmetro. Conforme visto pelo radar, este seria um ângulo de (300 km / 600 km) 2 ≈ 0,3 sr, o suficiente para ocultar qualquer ogiva que se aproximasse por caminhos semelhantes. Isso permitiria, por exemplo, uma única ogiva de um determinado campo de mísseis esconder todas as seguintes do mesmo campo. Embora isso não afete a operação dos interceptores diretamente, estando fora do alcance até mesmo do espartano de longo alcance, tais operações podem alterar seriamente a direção do ataque e o planejamento geral da batalha. Além disso, como a explosão ocorre fora do alcance dos interceptores, não há um meio simples de detê-la.

Incerteza considerável

Embora as fórmulas acima sejam provavelmente úteis para discussões posteriores, deve-se considerar que poucos testes reais desses efeitos foram realizados devido a vários banimentos de teste. Ao longo da história dos testes nos EUA, apenas sete testes com a instrumentação apropriada ocorreram nas altitudes da atmosfera superior de 10 a 25 quilômetros (33.000-82.000 pés) que seriam apropriadas para o blecaute de estágio final, e apenas dois foram testados em altitudes exoatmosféricas . Nenhum desses testes continha várias explosões, o que seria esperado de qualquer ataque que criasse deliberadamente um apagão.

Notas

Referências

Citações

Bibliografia