EMP - Elektromagnetischer Puls von Kernexplosionen

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KRIEG IM AETHER
Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich
im Wintersemester 1973/1974
Leitung: Abteilung für Übermittlungstruppen, Oberstdivisionär A. Guisolan
EMP - Elektromagnetischer Puls von
Kernexplosionen
Referent: Dr. Kurt Appert
Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als
PDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet.
EMP - Elektromagnetischer Puls von Kernexplosionen - Vorlesung Krieg im Aether 1973/1974 (ETH Zürich)
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4-1
EMP-Elektromagnetischer
Puls von
Kernexplosionen
Dr. K. Appert
1.
Einleitung
Der EMP oder genauer der NEMP (Nuclear Electro-Magnetic Pulse) erscheint seit 1959 in der Fachliteratur.
In den USA ist er seit dieser Zeit Grund ausgedehnter Untersuchungen. Es ist den Amerikanern bis zum
Teststop im Jahre 1963 nicht gelungen, alle NEMP-Fragen mit Experimenten zu klären, so dass auch heute
noch viele theoretische Studien betrieben werden.
1950
Fig. 1
1955
1960
1965
1970
1950
1955
1960
1965
1970
Forschungserfordernisse und Vorhersagbarkeit verschiedener Waffenwirkungen in relativen Ein
heiten in den Jahren 1945 - 1970 (USA)
Fig. 1 entstammt einer amerikanischen Quelle. Darin sind die Forschungserfordernisse und die Vorhersagbarkeit verschiedener Waffeneffekte in den Jahren 1950 bis 1970 aufgezeichnet. Offensichtlich sind
seit ein paar Jahren die Primäreffekte des EMP genügend bekannt, so dass zielgerichtete Studien von
Sekundäreffekten und Schutzmassnahmen durchgeführt werden konnten.
Leider sind praktisch alle amerikanischen Arbeiten über Primäreffekte klassifiziert. Selbst im persönlichen Gespräch mit amerikanischen EMP-Spezialisten ist es sehr schwer mehr zu erfahren, als man selbst
schon weiss. Für diese strenge Geheimhaltung gibt es einen guten Grund: Die bei einer Kernexplosion auftretenden elektromagnetischen Felder können direkten Aufschluss über die Bauweise der Waffe geben. Arbeiten über Schutzmassnahmen hingegen lassen kaum solche Rückschlüsse zu. Deshalb gibt es viele Arbeiten über Schutzmassnahmen, die nicht klassifiziert sind.
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Damit ist die EMP-Situation in Europa (Frankreich ausgenommen) und speziell in der Schweiz skizziert.
Man kennt viele Schutzmassnahmen, kann sie aber oft nicht stichhaltig begründen. Deshalb wurde in den
letzten Jahren in vielen europäischen Ländern EMP-Forschung betrieben, um wenigstens zu einem qualitativen Verständnis der Primäreffekte zu kommen. Quantitativ herrscht vor allem bei der Bodenexplosion
noch grosse Unsicherheit. Zwar findet man für Spaltbomben recht gute Uebereinstimmung, ist sich dabei
aber hoffentlich bew uss t, dass überall ungefähr die gleichen Approximationen für die Berechnung gemacht wurden. Die grösste Unbekannte in all diesen Berechnungen ist die Bombe mit Fusionsanteil.
Dieser Vortrag kann also nur dazu dienen, ein qualitatives Verständnis des EMP zu vermitteln.
2.
2.1.
Grundlagen
Comptoneffekt
Bei einer Kernexplosion wird innert etwa 40- 100 nsec (Nanosekunden), also lange bevor das Bombenmaterial
auseinanderzufliegen beginnt, ungefähr 1% der gesamten Explosionsenergie in Form von Gammastrahlen abgestrahlt. Dieses eine Prozent entspricht bei einer 1-kt-Bombe der Energie, die man aufwenden müss te,
um eine Masse von 1000 Tonnen 4 km über den Erdboden zu heben. Wegen der extrem kurzen Ausstrahlungszeit haben wir es mit einem "Gamma-Sender" von 1012 MWatt zu tun.
Die Gammastrahlung besteht wie Licht- und Röntgenstrahlen aus Strahlung elektromagnetischer Energiequanten. Der Unterschied liegt einzig in der Energie pro Quant. Sie ist bei den Gammas viel grösser
als bei Licht- und Röntgenstrahlen. Bei einer Spaltexplosion hat die Energie eines Gammas die Grössenordnung von 1 Me V, dh also, es hat so viel Energie, wie eine Elementarladung bei der Beschleunigung
über eine Million Volt erhält. 1 MeV pro Gamma bedeutet, dass bei einer 1-kt-Explosion etwa 1 0 " einzelne Gammaquanten entstehen. Es sei noch bemerkt, dass die Gammas trotz ihrer elektromagnetischen
Natur in keiner Weise direkt in elektromagnetische Wechselwirkung mit Kabeln und Apparaten als Ganzes
treten können, da ihre Frequenz in der Gegend von 1 0 20 Hz liegt. Es ist zweckdienlich, das Gamma als
Teilchen mit IMeV Energie anzuschauen.
Man verfolge nun den Weg eines einzelnen Gammaquants durch die Luft. Es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit in radialer Richtung von der Bombe weg. Irgendwo auf seinem Weg stösst es aber mit einem Elektron
eines Luftmoleküls oder -atoms zusammen und schleudert dieses aus seinem Atomverband heraus.
Atom
Waffe
Fig. 2
in der
Luft
Comptoneffekt
Zu erkennen ist hier die Explosion und die radial weggehenden Gammaquanten. Rechts ist schematisch ein
Luftatom dargestellt mit seinem positiven Atomkern und den diesen umkreisenden Elektronen. Eines dieser
Elektronen wird nun von dem auftreffenden Gammaquant weggeschleudert. Dieser Effekt wird Comptoneffekt
genannt, das fortfliegende Elektron Comptonelektron. Die in Fig. 2 angegebenen Reichweiten (300 m für
Gamma, 1 m für Comptonelektron) gelten in Luft bei Atmosphärendruck. Diese Reichweiten sind umgekehrt
proportional zur Luftdichte und sind als Mittelwerte zu verstehen.
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Das Elektron hat bei seinem Start beinahe Lichtgeschwindigkeit, da es etwa die Hälfte der Energie des
Gammas Ubernimmt. Es bewegt sich praktisch in der gleichen radialen Richtung, in der sich das Gammaquant bewegt hat. Wegen seiner negativen elektrischen Ladung bedeutet die Bewegung des Elektrons einen
elektrischen Strom, den Comptonstrom. Dieser wiederum hat elektromagnetische Felder zur Folge, den EMP.
Eine 24-kt-Spaltbombe
zB erzeugt in 553 m Entfernung bei Atmosphärendruck eine Comptonstromdichte von
2
etwa 4 k A / m .
( t - f )
Fig. 3
2.2.
in s
Die Radialkomponente J r der Comptonstromdichte in Funktion der retardierten
Zeit im Abstand 553 m von einer 24-kt-Explosion.
Sekundärelektronen und Luftleitfähigkeit
Bei oberflächlicher Betrachtung der EMP-Entstehung könnte man Angst bekommen: Je grösser die Bombe,
desto mehr Gammas, desto mehr Comptonelektronen, desto grösserer Strom, desto grösserer EMP. Das ist
glücklicherweise nicht so. Der Grund dafür sind die sogenannten Sekundärelektronen, von denen jedes
Comptonelektron etwa 15000 entstehen lässt.
Das Comptonelektron fliegt nämlich nach seiner Entstehung (Fig. 4) nicht etwa unbehelligt durch die
Luft, sondern stösst allenthalben auf Luftmoleküle, aus denen es weitere Elektronen freimacht, eben
die Sekundärelektronen.
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15000 sekundäre
© —
©-•- O —
Elektronen
©
—
© — © — © * - ©
©
O
© © © ©
Fig. 4
© © © ©
Das Comptonelektron erzeugt in Luft sekundäre
Ionenpaare.
Es ist allerdings ohne Kenntnis der Physik dieses Stossprozesses nicht verständlich, warum es sich hier
nur um "schwache" Stösse handelt: Das Comptonelektron verliert bei jedem Stoss nur etwa 1/15000 seiner
Energie und fliegt praktisch in der gleichen Richtung weiter. Es kommt bei Atmosphärendruck nach etwa
4 nsec bzw 1 m Weg zur Ruhe.
Die Sekundärelektronen befinden sich im Vergleich mit den Comptonelektronen in Ruhe. Sie verhalten sich
ähnlich wie die freien Elektronen in einem Metall. Genauso wie jene das Metall zum Leiter m a c h e n , machen
die Sekundärelektronen die Luft zum Leiter. Jetzt gilt also: Je grosse r die B o mb e , desto grösser der
Compto nstro m, desto me h r Sekundärelektronen, desto besser die Leitfähigkeit der Luft. Weil elektromagnetische Felder in leitenden Medien gedämpft w e r d e n , ist es nicht mehr so s i ch e r, dass auch der EMP desto
grö sser wir d.
3.
3.1.
Verschiedene Formen des EMP
Symmetrische Explosion
Betrachten w i r zunächst das einfachste EMP-M odell , eine kugelsymmetrische Explosion in einer homogenen
Atmosphä re. Die Gammaquanten werden radial abgestrahlt und erzeugen eine kugelsymmetrische Stromverteilung.
Wegen der Symmetrie entsteht kein Magnetfeld sondern nur ein radiales ele ktr isch es, das von der Ladungstrennung (Atomrumpf-Co mptone lektron, Fig. 41bzw vom Comptonstrom her rüh rt. Die zeitliche Verknüpfung
zwischen Comptonstromdichte j c
, Leitfähigkeit a und Radialfeld E wird durch die Maxwellsche Gleichung
0 = j c (r,t) + crlr.t) E(r,t) •
a E
'['
3t
U
gegeben. Die frühe zeitliche Abhängigkeit von Comptonstrom und Luftleitfähigkeit wird vom Gammaoutput
der Waffe bes timm t, da die Flugzeit der Comptonelektronen kürzer als die charakteristische Dauer des
Gammaoutputs ist. Zu Beginn der Gammae instra hlung, wenn der Term a E noch klein ist gegenüber den a n d e r n ,
wächst E mit dem Zeitintegral des Comptonstromes. Sobald aber a und E eine gewisse Grösse erreicht h a b e n ,
beginnt der Leitungsst-rom CTE dem Comptonstrom entgegenzulaufen. Sind diese beiden Ströme g l e i ch , wächst
E nicht m e h r weiter: Es hat sich die Sättigungsfeldstärke eingestellt. Solche Feldstärken liegen in der
Gegend von 200 kV/ m, können aber bei extrem hohen Tonnagen oder bei Fusionsbomben überschritten werd en.
Sie können in wenigen Nanosekunden erreicht werden und 10 Mikrosekunden andauern. Bei 10 kt beträgt ihre
Reichweite etwa 1 km.
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3.2.
Bodenexplosion
Explodiert die Bombe auf dem B o d e n , so ergibt sich ein ganz anderes Bild. Aus gro sser Entfernung erscheint die Explosion als ein v e r t i k a l strah lender D i p ol , da die Kugel Symmetrie durch den Erdboden zerstört wir d. Das Strahlungsfeld dieser Antenne erreicht grosse Entfernungen.
t (Ais)
Fig. 5
Das einzige bekannte gemessene EMP -Sig nal.
Fig. 5 zeigt die elektrische Komponente des Strahlungsfeldes einer Boden- oder bodennahen Explosion unbekannten Kalibers in 45 km Entfernung. Es ist dies die einzige bekannte Messung eines EMP-Feld es. Die
T at s ac h e, dass diese Messung veröffentlicht w u r d e , ist allerdings nicht weiter erstau nlich , weil solche
Felder mit Hilfe von einfachen Modellen für die Explosion errechnet werden können. Da die Comptonströme
und die Luftleitfähigkeit sich selbst bei grossen Kalibern n u r bis in Entfernungen von einigen Kilometern
ers tre cke n, ist das Feld in 45 km Entfernung ein reines Stra hlung sfeld, dh man befindet sich in der
Wellenzone der Antenne.
Wesentlich schwieriger zu berechnen ist die Nahzone oder Quellenzone. Anschaulich handelt es sich um
Fig. 5
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Schematische Darstellung der Ströme bei einer Bodenexplosion.
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Sehr nahe an der Explosion ist die Luft besser leitend als der Boden. Der Strom der Sekundärelektronen
wird also durch die Luft zurückfliessen, und es werden sich ähnliche Sättigungsverhältnisse einstellen
wie bei der symmetrischen Explosion.
Von einem bestimmten Abstand an, den wir Ionisierungsradius r j o n
der Boden besser leitend als die Luft.
(Fig. 7) nennen wollen, ist dann aber
c
o
1,5
1,0
0,5
0
10°
101
10 2
10 3
1
Y (kt)
Fig. 7
Der Ionisierungsradius r .
in Funktion der Tonnage.
Von dort an werden die Sekundärelektronen den Ausgleichsstrom über den Boden zu führen trachten (Fig. 6 ) .
Diese Stromschleife induziert ein die Explosion umlaufendes, zum Erdboden paralleles Magnetfeld. Das elektrische Feld hat eine senkrechte und eine parallele Komponente. Die Scheitelwerte haben die Grössenordnungen von einigen kA/m für das Magnetfeld bzw bis gegen 100 kV/m für das elektrische Feld.
Es kann aber nicht genügend betont werden, dass diese Zahlenwerte für reine Spaltbomben gelten. Felder
•von Bomben mit Fusionsanteil könnten durchaus höher sein. Sehr unsicher ist auch der zeitliche Verlauf
von Feldern in der Nahzone, da er stark vom geheimgehaltenen Gamma- und Neutronenoutput der Waffe abhängt.
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Fig. 8
Ein berechnetes EMP-Signal in 500 m Abstand von einer 24-kt-Bodenexplosion.
Es ist die Radialkomponente E des elektrischen Feldes am Boden in Funktion
der retardierten Zeit gezeigt.
In Figur 8 ist ein berechnetes elektrisches Feld (Tangentialkomponente am Boden) im Abstand von 500 m
von einem 24-kt-Spaltbombenmodel1 gezeigt.
3.3.
Hochexplosion
Es soll nun versucht werden, die spezielle Entstehungsweise des EMP-Hoch zu beschreiben. Nehmen wir dazu
a n, dass eine Nuklearexplosion in 100 km Höhe stattfindet. Im Zeitraum von zB 100 nsec werden die prompten
Gammas frei und fliegen in Richtung Erde. Da die Luft dort oben um eine Million dünner ist als am Erdboden, treffen die Gammas auf ihrem Weg zur Erde zunächst nicht auf ein Luftmolekül. Je dichter die Luft
aber w i r d , desto grösser wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Gamma einen Comptonstoss erleidet.
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Fig. 9
Die Gammas werden vornehmlich in 20 bis 40 km Höhe absorbiert.
Der weitaus grösste Teil der Gammas wird zwischen 20 und 40 km Höhe absorbiert. Das ist die sogenannte
Gammadepositionsschicht. Sie hat die Form eines riesig ausgedehnten Fladens unterhalb der Explosion.
Explosion
G a m m ad e po s it i on s s ch i ch t
Fig. 10
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Die Gammadepositionsschicht.
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Wegen der in der Gammadepositionsschicht herrschenden Luftdichte, die 15 bis 250 mal geringer ist als
am Boden, dauert es dort oben 15 bis 250 mal länger bis die Comptonelektronen zur Ruhe kommen. Im Mittel,
in 30 km Höhe, haben die Comptonelektronen eine Flugzeit von etwa 300 nsec. Hier zeigt sich schon eine
ganz wesentliche Eigenschaft des EMP-Hoch: Da die entstehenden Comptonelektronen auf jeden Fall 300 nsec
lang fliegen und damit während dieser Zeit einen Comptonstrom erzeugen , kommt es nicht auf die spezielle
Zeitfunktion des Gammaoutputs der Bombe a n , solange der Output während weniger als 300 nsec stattfindet.
Im Gegensatz dazu sind bei der Bodenexplosion gerade kurze Gammaspitzen eine enorme Gefahr.
Auf welche Weise erzeugen nun die in 30 km Höhe fliegenden Comptonelektronen ein elektromagnetisches
Feld am Boden? Genau gleich wie eine Antenne wegen der in ihr fliessenden Ströme elektromagnetische
Wellen aussendet, senden die fliegenden Comptonelektronen, die ja nichts anderes als Ströme sind, elektromagnetische Wellen aus. Der logische Weg zur Berechnung der Felder am Boden wäre also der , das Signal eines einzelnen Elektrons zu berechnen und daraus dann das Summen-Signal aller in der Gammadepositionsschicht (Fig. 10) fliegenden Elektronen. So einfach das Problem auf diese Weise zu formulieren ist,
so schwierig ist e s , dieses zu lösen. Denn das Signal eines einzelnen Elektrons läuft ja nicht durch das
Vakuum, sondern durch die auch von andern Comptonelektronen leitend gemachte Luft, die das Signal dämpft.
Eine wesentliche Vereinfachung ergibt sich, wenn man sich zunächst nur für Phänomene, die sich innerhalb
einer Mikrosekunde abspielen, interessiert. Die Approximation, die daraus resultiert, nennt man "Hochfrequenzapproximation" .
Berücksichtigt werden nur jene Elektronen, deren Signale spätestens eine Mikrosekunde nach dem ersten
Signal beim Beobachter D am Boden (Fig. 11) eintreffen.
Fig. 11
Signale, die nicht längs dem Sehstrahl EABD laufen, kommen
"zu spät".
Da sowohl die Ganmas wie die von den Elektronen ausgesandten Signale mit Lichtgeschwindigkeit laufen,
stellt sich die einfache Frage: Wie gross darf der Umweg Uber C sein, den ein von E nach D laufender
Lichtblitz macht , wenn er höchstens eine Mikrosekunde nach einem auf dem Sehstrahl EABD laufenden bei
D eintreffen soll? Alle Punkte C (bzw Elektronen), die ausserhalb des gestrichelt gezeichneten Zylinders
(Achse: Sehstrahl, Radius: wenige km) liegen, ergeben einen zu grossen Umweg.
Da sich in der Atmosphäre die physikalischen Grössen nur um einen Faktor 3 ändern, wenn man 10 km steigt
oder fällt , betrachtet man sie als über einen Zylinderquerschnitt q konstant bleibend. Somit muss man
nur die Signale der Elektronen auf dem Sehstrahl EABD kennen, um den EMP bei D berechnen zu können.
Bis jetzt wurde in Analogie zu einer Antenne angenommen, dass die fliegenden Comptonelektronen elektromagnetische Wellen aussenden. Dieses Aussenden soll nun näher betrachtet werden.
Da ein linearer Strom bzw eine lineare Antenne in Richtung ihrer Ausdehnung keine elektromagnetischen
Wellen aussendet, kann in der Hochfrequenzapproximation kein EMP bei D (Fig. 11) am Boden erwartet werd en,
solange sich die Elektronen in der gleichen Richtung wie die Gammas (Fig. 2) bewegen , nämlich entlang dem
Sehstrahl. Um in D etwas zu bekommen, müssen die Elektronenbahnen gedreht werden.
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Diese Wirkung hat das magnetische Erdfeld ßj,. Es lenkt die entlang dem Sehstrahl startenden Elektronen
im Uhrzeigersinn um sich herum ab.
Fliegen
die Elektronen exakt parallel zum Magnetfeld, so werden sie nicht abgelenkt. Deshalb findet man
1
in E (ßodenfusspunkt der Feldlinie, die durch E geht) keinen hochfrequenten EMP. Das ist der Grund
für die merkwürdige Abstandsabhängigkeit des EMP-Hoch: Direkt unterhalb der Explosion, im Bodennull-1
punkt N , ist ein schwacher EMP zu finden, weil wegen der grossen Steilheit des Magnetfeldes (63°) E
beinahe mit N zusammenfällt. Auch bei der Hochexplosion gibt es einen Sättigungsvorgang.
Man beachte zunächst die Flugzeiten von Elektronen in verschiedenen Höhen a , b , c (Fig. 12). Die untersten fliegen am wenigsten lang, haben demnach am schnellsten ihre Sekundärelektronen hergestellt.
Zuunterst in der Gammadepositionsschicht erreicht die Luft also am schnellsten ihre volle Leitfähigkeit, ihren vollen Dämpfungscharakter. Ist diese Leitfähigkeit genügend gross , so geht nicht mehr das
geringste elektromagnetische Signal hindurch, es können noch so grosse Ströme oberhalb dieses "Metallschirms" fliessen. Auf diese Weise wird einesteils die Amplitude des auf der Erde ankommenden Signals
limitiert und andernteils auch seine Dauer: Je grösser die Bombe, desto schneller geht der Vorgang unter
ihr zu.
Fig. 13
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Zeitlicher Verlauf des elektrischen Feldes E für verschiedene
Tonnagen V , die in grosser Höhe explodieren.
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Die in Fig. 13 gezeigte Sättigungsfeldstärke hat glücklicherweise nicht den wahrscheinlichen, am Boden zu erwartenden Wert. Jener beträgt eher etwa die Hälfte davon.
Man beachte, dass beim EMP-Hoch das terrestrische Magnetfeld am Boden nicht etwa verkleinert, sondern
während etwa 100 nsec um ein Mehrfaches vergrössert werden kann. Die Reichweite des EMP-Hoch ist praktisch nur durch die Erdkrümmung beschränkt. Bei einer Explosion in 200 km Höhe können zB Lissabon und
Kiew gleichzeitig ihren EMP erleben.
Damit sind die spektakulärsten EMP-Erscheinungen besprochen. Im folgenden werden weitere Entstehungsweisen von EMP kurz gestreift.
3.4. IEMP (internal EMP) in Satelliten, Raketen, Flugzeugen, elektronischen Apparaten oder einzelnen
Transistoren
Wenn Gammaquanten auf die Umhüllung solcher Systeme treffen, werden genauso wie in Luft Comptonelektronen frei, die ins Innere des Systems fliegen. Dort erzeugen sie ein elektrisches und magnetisches
Feld.
3.5.
case signal
In gewissem Sinne das Gegenteil vom IEMP ist das "case signal". In der Bombenumhüllung entstehen
Comptonelektronen, die nach aussen fliegen. Ist die Waffe asymmetrisch gebaut, entsteht eine nicht
kugelsymmetrische Comptonstromverteilung, die einen EMP abstrahlt.
3.6.
magnetic bubble
Eine Kernexplosion produziert eine Region von extrem hoher Temperatur, dh ein hochionisiertes Plasma.
Wenn sich diese Plasmablase im terrestrischen Feld ausdehnt, werden auf ihrer Oberfläche Ströme induziert, um das Magnetfeld auszuschliessen. Diese Magnetfeldstörungen sind noch in grosser Entfernung
spürbar.
3.7.
Niederfrequente Anteile des EMP-Hoch
Einesteils produziert die leitende Gammadepositionsschicht (Fig. 10) einen EMP vom Typus "magnetic
bubble" und andernteils strahlen die die Ladungstrennung abbauenden Sekundärelektronen einen EMP ab.
4.
Sekundäreffekte
Aus der Vielfalt von möglichen EMP-Sekundäreffekten will ich nur zwei spezielle Effekte erwähnen:
Das Verhalten von Uebertragungsleitungen und Antennen im Feld einer Hochexplosion und die Störung von
Funk und Radio durch die Ionisierung der Atmosphäre als Folge einer Hochexplosion. Im übrigen sei darauf hingewiesen, dass in der XI. Folge dieser Kolloquiumsvorträge "Krieg im Aether", Herr Prof. K. Berger
unter anderem das Verhalten von Stromkreisen und Kabeln im EMP-Feld einer Bodenexplosion beschrieben hat.
4.1.
Uebertragungsleitung im Feld einer Hochexplosion
Gegeben sei ein unendlich langer Leiter in konstantem Abstand über dem Erdboden. Auf diesen Leiter falle
eine ebene Welle mit einer Pulsbreite von wenigen 100 nsec. Die Frage besteht nun nach dem Einfallswink el, der den grössten Strom im Leiter zu verursachen vermag. Bei oberflächlicher Betrachtungsweise
könnte man annehmen, dass der schlimmste Fall der sei, wo die Welle senkrecht zum Leiter einfällt und
zwar mit einem elektrischen Feldvektor parallel zu diesem. So würde am ganzen Leiter simultan ein Spannungsabfall von beispielsweise 50kV/m angelegt. Da dies aber nur während sehr kurzer Zeit geschieht,
ist die Antwort des Leiters nicht sehr spektakulär. Damit ist die Sache aber nicht gerettet, denn der
senkrechte Einfall ist mitnichten der gefährlichste. Rechnet man nämlich mit einem unendlich guten Leiter , so findet man das paradoxe Resultat, dass eine zum Leiter parallel laufende ebene Welle die grössten
Ströme produziert, weil die Welle und das im System Boden-Leiter induzierte Signal mit der gleichen Geschwindigkeit laufen. Da der Leiter unendlich lang ist und wegen der unendlichen Leitfähigkeit keine
Energie verliert, genügt eine infinitesimal kleine Energieeinkoppelung pro Längeneinheit, um beträchtliche Ströme entstehen zu lassen.
Ist der Leiter nicht unendlich lang und nicht ideal leitend, so muss es offensichtlich einen Einfallswinkel geben, bei dem die gefährlichsten Wirkungen entstehen.
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Fig. 14
Ein vom EMP einer Explosion in grosser
Höhe ausgelöster Stromstoss auf einer
langen Uebertragungsleitung.
Ein typischer Strompuls auf einer Uebertragungsleitung ist in Fig. 14 gezeigt. Wahrscheinlich ist das
der schlimmste zu erwartende Fall.
Die zu erwartenden Grössenordnungen von Strömen und Spannungen in angeschlossenen Transformatoren sind
stark von dessen Eigenschaften abhängig. Fig. 15 zeigt den Strom und die Spannung liberlOOQ Lastimpedanz.
400
40
350
3,5
300
3,0
250
2,5
^
>
w
Ol
c
c
\
Q.
CO
200
150
2,0
V
1,5
100
1,0
50
0,5
10"92
5 10" 8 2
5 IO" 7 2
5 10" 6 2
5 10 -5 2
5 10" 4 2
5 10 3 2
5 10" 2 2
5 10_1 2
Zeit
5 10°
(s)
Z L = 100 ohm
Fig. 15
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Spannung und Strom in einer Lastimpedanz von 100 Ohm (zß Transformator), die an die
Freileitung von Fig. 14 angeschlossen ist.
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4.2.
Antennen
Wie Uebertragungsleitungen nehmen Antennen in effektiver Weise NEMP-Energie auf. In Fig. 16 und 17 sind
einige Resultate von numerischen Rechnungen aufgezeichnet.
L = 3.05m; d =0,8 mm
r
L = 3, 0 5 m ; d = 1,6 m m
10
8
6
4
Ii
2
1
-4
0
- 2
-4
- 6
- 6
- 8
- 8
-10
-10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12
0 1
2 3 4
5 6 7 8 9
t
I
L = 12,2 m ; d = 0,8r
I
L = 12,2m ; d = 1 , 6 m m
30
24
24
18
18
12
12
6
0
vi
- 6
(frw
- 6
-12
-12
-18
-18
-24
-24
-30
-30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Fig. 16
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t
30
6
0
10 11 12
10 11 12
t
0 1
2 3 4
5 6 7 8 9
10 11 12
t
Der EMP von Hochexplosionen regt gerade Leiter (lineare Antennen, Länge L ,
Durchmesser d) zu kräftigen Schwingungen an. Die Zeiteinheit beträgt hier
10"' sec, die Stromeinheit 10 A.
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<dI/dt)Start
( d U
Fig. 17
4.3.
/d0Start
= 100 kA/yus
= 5,3 M V / ^ i s
Eine 75 m lange Monopol-Antenne wird vom EMP einer Hochexplosion
angeregt. Es sind Strom und Spannung an 50 Ohm Last gezeigt.
Störung von Funk und Radio
Die Störungen von Funk und Radio sind nur entfernte Verwandte des EMP. Selbstverständlich werden ionosphärische Verbindungen durch die Gammadepositionsschicht, wie sie beim EMP-Hoch entsteht, gestört. Beim
EMP-Hoch ist nur von MikroSekunden die Rede. Bei Funk und Radio sind jedoch nur Störungen von einigen
Minuten, Stunden oder sogar Tagen interessant.
In der Gammadepositionsschicht, dh in einer Höhe von 20 - 40 k m , bleiben die Elektronen höchstens eine
Millisekunde frei, nachher lagern sie sich an Sauerstoffmoleküle an. Die Leitfähigkeit der Gammadepositionsschicht nimmt also innert einer Millisekunde nach der Explosion um mehrere Zehnerpotenzen ab.
Der Abbau sehr grosser Elektronendichten wird zudem durch Rekombination von Elektronen mit Ionen beschleunigt.
Es sind noch andere Ionisierungsquellen vorhanden. Quellen, die nur eine Ionisierung, aber keinen
wesentlichen EMP am Boden zur Folge haben. Die zwei wichtigsten sind: Die Röntgenstrahlung und die
verzögerte Strahlung der Sprengkörperreste.
Röntgenstrahlung
Bei einer Kernexplosion in grosser Höhe wird etwa 70% der totalen Energie in Form von Röntgenstrahlen
ausgestrahlt. Ein Röntgenquant hat eine mittlere Energie von etwa 4 keV, also etwa 250 mal weniger
Energie als ein Gammaquant. Deshalb ist die Reichweite der Röntgenstrahlen kleiner als diejenige der
Gammas. Die Röntgenabsorptionsschicht liegt also höher als die Gammaabsorptionsschicht. Sie liegt in
einer Höhe von etwa 80 km und hat die gleiche Fladenform wie die Gammaschicht. Die Elektronendichten sind
einige Zehnerpotenzen höher. Sie werden zunächst zwar schnell durch Rekombination, nachher aber viel
langsamer als in der Gammaschicht durch Anlagerung und Rekombination abgebaut.
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EMP - Elektromagnetischer Puls von Kernexplosionen - Vorlesung Krieg im Aether 1973/1974 (ETH Zürich)
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Sprengkörperreste
Wo die vom radioaktiven Zerfall der Sprengkörperreste verursachte Ionisierung entsteht, ist unsicher,
da sich die radioaktive Wolke bewegt. Je nach Explosionshöhe ist die Evolution eine andere. In 100 km
Höhe zB wird die Bewegung durch das terrestrische Feld mitbestimmt.
Wesentlich an der Ruckstandstrahlung ist, dass sie stunden- oder tagelang eine zusätzliche Ionisierung
des ionosphärischen und stratosphärischen Raumes zu erzeugen vermag.
Als Illustration sei das Beispiel einer 1 Mt-Bombe genannt, die in 40 km Höhe explodiert. Eine Stunde
nach der Explosion ist in einer Höhe von etwa 30 - 50 km und in einer Ausdehnung von der Grösse der
Schweiz,
mit einer , von der Ruckstandstrahlung erzeugten Elektronendichte von der Grössenordnung
6
10 cm"3 zu rechnen.
Störung der Verbindungen
Jede Störung der Stratosphäre oder der Ionosphäre durch zusätzliche Elektronen bedeutet eine Störung der
ionosphärischen Verbindungen. Das Ausmass der Störungen ist stark frequenzabhängig. Vom Blackout bis
zur kurzzeitig verbesserten Verbindung ist alles möglich. Sicher ist, dass ionosphärische Verbindungen
durchaus für Stunden und Tage a u sf al le n kö n ne n . Troposphärische Verbindungen hingegen werden kaum Störungen unterworfen, die länger als einige Minuten dauern.
5.
Gefährdete Objekte und Schutzmassnahmen
Grundsätzlich sind alle elektrischen Systeme einer Gefährdung durch den NEMP ausgesetzt. In ungeschützten
Kleinspannungs- und elektronischen Systemen, insbesondere wenn diese halbleiterbestückt sind, ist im
Falle von NEMP von Boden- und Hochexplosionen mit permanenten Schäden zu rechnen. Dasselbe gilt auch in
minderem Ausmass für ungeschützte Niederspannungsanlagen.
Hochspannungsanlagen sind vor allem wegen dem Ausfall ihrer Hilfsbetriebe (Niederspannung, Kleinspannung,
Elektronik, Automatik) Störungen unterworfen.
Im Nahbereich einer Bodenexplosion verhält sich eine Anlage s o , wie wenn gleichzeitig in sämtlichen Zuund Ableitungen starke Blitze einschlagen würden. Ohne Schutzmassnahme wird die Anlage stark beschädigt.
Der zu erwartende NEMP-Schadengrad hängt wesentlich von der Empfindlichkeit der verwendeten Systemkomponenten ab. Verschiedene Komponenten sind in folgender Reihenfolge zunehmend gefährdet: Hochspannung,
Niederspannung, Kleinspannung, Elektronik ohne Halbleiter, Elektronik mit Halbleiter, Elektronik mit
integrierten Schaltungen.
NEMP-Schutzmassnahmen setzen genaueste Analysen des zu schützenden Systems voraus. Die Energieeinkoppelung und deren Uebertragung im System muss studiert werden. Die Empfindlichkeit einzelner Komponenten muss in Zusammenhang mit deren Wichtigkeit für die Funktion des gesamten Systems gesetzt werden.
Erst dann können die vom Bauherrn verlangte Zuverlässigkeit und die tolerierbare Ausfallszeit die
Schutzmassnahmen bestimmen.
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