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高空核爆:人工生成辐射带和极光 竟成为人类认识太空的“关键”

2019-12-18 15:59:24    来源:中科院之声

同月的稍后,一个叫 Nicholas Christofilos 的美国人提出在高层大气进行核爆,并预期:(1)核爆释放的能量将增强电离层的电离程度,可以中断无线电通讯;(2)核爆产生的高能电子将被束缚在地球磁场中,可以拦截和摧毁洲际导弹。有趣的是,这一出于战争考虑的提议早于我们对空间天气的清醒认知。

随后,在1958至1962年,美国和前苏联进行了一系列的高空核爆。高度从几十公里到几百公里,核弹的TNT当量从几千顿至数百万吨。其中,1962年7月9日发生在太平洋中部、以“海星”(Starfish)为代号的高空核爆最为著名,核爆的高度为400公里,TNT当量为1.4百万吨。

美国在太平洋中部的Johnston岛进行的一系列高空核爆,代号分别为Orange、Teak、Kingfish、Checkmate、Starfish。

人工生成辐射带和极光

当时,空间科学先驱、Explorer项目科学家Van Allen及其同事被带入高空核爆这一机密项目中,目的是测试Christofilos提出的高能粒子效应。Van Allen和他的团队研制了新的Explorer系列卫星,发现这些“人工”辐射带竟能持续数年之久!与自然生成的辐射带相比,1962年“海星”(Starfish)高空核爆产生的外辐射带比较窄、弱,而内辐射带强度却高1000万倍!

1962年“海星”(Starfish)高空核爆产生的“人工”辐射带(上)与2015年观测到的、自然生成的辐射带(下)的比较。

如此高的粒子强度对穿越其中的卫星无疑具有很大的杀伤力。多颗卫星因1962年的“海星”(Starfish)高空核爆受到不同程度的损害,其中包括Ariel-1、TRAAC、Transit-4B、Tiros 5、OSO-1、Kosmos-5和Telstar-1。Christofilos的猜想得到证实,只不过由原先的防御式变成了进攻型。

“海星”高空核爆产生的高能粒子也形成了“人工”极光,远在1500公里外的火奴鲁鲁可见。与太阳风暴导致的极光相比,持续时间比较短,只有7分钟。

从火奴鲁鲁拍摄的、“海星”(Starfish)高空核爆产生的“人工”极光。

电磁脉冲

然而,高空核爆最大的杀伤力却来自意外发现的电磁脉冲(electromagnetic pulse)现象,已被证明可对现代科技社会造成灾难性后果。这是复杂的多脉冲现象,包括三重打击。

高空核爆产生的电磁脉冲现象,包括三重打击(E1、E2、E3)。

第一波打击来自核爆产生的gamma光子。这些高能光子从大气中“敲出”电子,电子沿着地球磁场螺旋运动,产生的电场与闪电相当(几万V/m)。虽然这一电场持续时间只有1微秒,但足以击穿电子器件。

第二波打击来自散射的或次级gamma光子,过程与第一波打击类似,持续时间为10毫秒左右。产生的电场大幅减弱,正常情况下对防护过的电子器件不会有大的影响,但在第一波打击的基础上会起到增效作用。

第三波打击来自核爆后的冲击波和残迹,持续时间为几百秒左右,电场强度进一步降低。但冲击波和核爆残骸导致的电离气体改变地磁场位形,造成类似地磁暴的效果,在地表产生感应电流,对电网形成威胁。

高空核爆产生的电磁脉冲可以打击大片区域。若核爆发生在俄克拉荷马400公里上空,将会打击整个美国大陆。中国的国土面积与美国相当,同样发生在中部400公里上空的核爆可以覆盖整个中国大陆。

核爆电磁脉冲的打击范围与核爆高度的关系

1962年太平洋中部的“海星”(Starfish)高空核爆对1500公里之外的夏威夷群岛造成了冲击,包括熄灭了火奴鲁鲁300多街灯和中断了岛屿之间的微波远程通讯系统。

太阳风暴与空间天气

十余年后,大尺度太阳爆发现象被发现,称为太阳风暴。随着空间探测和研究的不断深入,人们逐渐认识到太阳风暴对空间环境具有巨大影响,它直接催生了一个新兴的交叉学科,即空间天气。太阳风暴引起的空间天气效应某种程度上与高空核爆类似,具体请参见前文

“超级太阳风暴要来了,你准备好了吗?”,这里不再赘述。

SDO卫星观测到的大尺度太阳爆发

3月26日,美国总统川普签署一项行政命令,要求国土安全部、国防部、能源部、商务部和国家情报主任办公室等部门联合防范电磁脉冲的攻击。这是继2016年10月责成各大部委联合应对空间天气事件后的又一总统令,所不同的是这次把高空核爆和太阳风暴并列为现代文明的两大威胁。

现代文明的特征是高度依赖电力和电子设备。电力缺失和电子设备瘫痪将直接影响医疗、交通、通讯、金融、水和食物供应等基础设施和国防系统。这些损害并非是单方面的,更重要的是各方面之间的相互依赖将造成难以估量的雪崩效应。

相对于太阳风暴引起的空间天气,高空核爆产生的效应可称为“人为空间天气”(Anthropogenic space weather)。二者都可对现代文明造成灾难性后果。在现今社会,任何高空核爆行为都将被视为冒天下之大不韪,并会遭受核弹报复,所以高空核爆袭击的可能性很低。而太阳风暴则是必将发生、且不可避免的自然灾害。

当我们回看这一段历史,发现高空核爆与人类进入太空时代几近同步,或者说太空时代是高空核爆的诱因。更加有趣的是,高空核爆作为太空时代早期主要的活动之一,为当时人类懵懂认知、现在所谓的空间天气提供了辅证。它从侧面警醒我们,现在必须正视太阳风暴对科技社会的危害和战略应对的紧迫性。

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