Войти
Эффект Христофилоса, иногда известный Эффект Аргуса относится к захвату электронов от 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, когда в ловушку оказывается так много бета-частиц, что боеголовки, пролетающие через регион, испытают огромные электрические токи, которые разрушат их электронику спускового механизма. Идея о том, что несколько дружественных боеголовок могут помешать атаке противника, была настолько многообещающей, что серия новых ядерных испытаний была включена в график США до того, как в конце 1958 г. вступил в силу мораторий на испытания. Эти испытания продемонстрировали, что Эффект оказался не таким сильным, как предполагалось, и недостаточным, чтобы повредить боеголовку. Однако этот эффект достаточно силен, чтобы его можно было использовать для затемнения радарных систем и отключения спутников.
Среди типов энергии, выделяемой ядерным взрывом, представляют собой большое количество бета-частиц или электронов высокой энергии. Это в первую очередь результат бета-распада внутри обломков от частей деления бомбы, что в большинстве конструкций составляет около 50% от общего выхода.
Поскольку электроны электрически заряжены, они индуцируют электрические токи в окружающих атомах, проходя мимо них с большой скоростью. Это заставляет атомы ионизировать, а также замедлять бета-частицы. В нижних слоях атмосферы эта реакция настолько сильна, что бета-частицы замедляются до тепловых скоростей в пределах нескольких десятков метров максимум. Это вполне соответствует типичному огненному шару ядерного взрыва, поэтому эффект слишком мал, чтобы его можно было увидеть.
Однако на больших высотах гораздо менее плотная атмосфера означает, что электроны могут свободно перемещаться на большие расстояния. У них достаточно энергии, чтобы они не были повторно захвачены протоном, который создается в бета-распаде, поэтому теоретически они могут длиться бесконечно.
Заряженные частицы (черные) естественным образом вращаются вокруг линии магнитного поля (зеленые линии). В зеркале сильное поле на концах заставляет частицы замедляться, а затем возвращать свое движение вдоль линий. В 1951 году в рамках первой волны исследований энергии синтеза, Исследователь из радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Ливерморе («Ливермор») Ричард Ф. Пост представил концепцию магнитного зеркала. Зеркало - обманчиво простое устройство, состоящее в основном из цилиндрической вакуумной камеры, в которой находится термоядерное топливо, и электромагнита, намотанного вокруг нее, образуя модифицированный соленоид.
A Соленоид обычно создает линейное магнитное поле вдоль центра своей оси, в данном случае через середину вакуумной камеры. Когда заряженные частицы помещаются в магнитное поле, они вращаются вокруг силовых линий , что в данном случае заставляет их перестать двигаться вбок. В обычном соленоиде они все еще могут свободно перемещаться по линиям и, таким образом, выходить за пределы камеры. Идея Поста заключалась в том, чтобы намотать электромагнит таким образом, чтобы поле на концах было сильнее, чем в центре камеры. По мере того, как частицы движутся к концам, эти более сильные поля сжимают линии вместе, и результирующее искривленное поле заставляет частицы "отражаться" назад, что приводит к названию зеркала.
В идеальном магнитном зеркале частицы топливо будет подпрыгивать вперед и назад, никогда не доходя до концов и не касаясь стенок цилиндра. Однако даже в теории нет идеального зеркала; всегда существует группа частиц с правильной энергией и траекторией, которая позволяет им выходить из концов через «конус потерь». Это делает магнитные зеркала по своей природе излучающими системами, хотя первоначальные расчеты показали, что скорость утечки была достаточно низкой, чтобы не вызывать беспокойства.
Вблизи полюсов поле Земли становится более плотным, образуя естественное магнитное поле. зеркало. Это изображение, сделанное в 1962 году, отражает незнание общей формы поля в то время. Форма магнитного поля Земли, или геомагнитного поля, аналогична форме магнитного поля. зеркало. Поле раздувается над экватором, а затем сгибается, приближаясь к полюсам . Таким образом, такое поле отражало бы заряженные частицы так же, как и зеркала Поста. Само по себе это не было новым открытием, поскольку уже давно считалось, что это лежит в основе формирования полярного сияния. В случае полярного сияния частицы солнечного ветра начинают вращаться вокруг силовых линий, отскакивая назад и вперед между полюсами. При каждом прохождении некоторые частицы проходят 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. Первоначально они будут отражаться высоко в атмосфере, где они вряд ли будут реагировать с атмосферными атомами и какое-то время могут отражаться взад и вперед. Однако, поскольку электроны проводят больше времени в областях зеркал, в то время как они замедляются и меняют направление, магнитное поле, создаваемое движущимися электронами в этой области, взаимодействует с геомагнитным полем таким образом, что точки зеркала вынуждены опускаться вниз. атмосфера. Здесь электроны подвергаются большему количеству взаимодействий, поскольку плотность атмосферы быстро увеличивается. Эти взаимодействия замедляют электроны, поэтому они производят 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 Расчет плотности воздуха позволил рассчитать скорость взаимодействия с атмосферой. Посчитав цифры, оказалось, что среднее время жизни электрона будет порядка 2,8 суток.
В качестве иллюстрации Христофилос рассмотрел взрыв 1 мегатонны бомбить. Это приведет к 10 событиям деления, которые, в свою очередь, произведут четыре электрона за одно деление. Для рассматриваемых точек зеркала почти любая бета-частица, движущаяся вверх или вниз, будет захвачена, что, по его оценке, составляет около половины из них, оставляя 2 × 10 электронов в ловушке в поле. Из-за формы поля Земли и результатов правила правой руки электроны будут дрейфовать на восток и в конечном итоге создать оболочку вокруг всей Земли.
Если предположить, что электроны были при равномерном распределении получается плотность 0,2 электрона на кубический сантиметр. Поскольку электроны движутся быстро, любой объект в поле будет подвергаться ударам примерно 1,5 × 10 электронов в секунду на квадратный сантиметр. Эти удары вызывают замедление электронов, которые посредством тормозного излучения испускают излучение в объект. Скорость тормозного излучения зависит от 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, равной около 450. Христофилос отметил, что это будет значительным риск для космических путешественников и их электронного оборудования.
Когда возвращаемые аппараты (RV) с межконтинентальных баллистических ракет приближаются к своим целям, они движутся со скоростью около 8 километров в секунду (5 миль / с), или около 28000 километров в час (17000 миль в час). RV, проходящий через зеркальный слой, где электроны наиболее плотные, будет, таким образом, находиться в центре электрического поля в течение примерно десяти секунд. Из-за высокой скорости боеголовки, кажущийся выброс напряжения вызовет сильный ток в любом из ее металлических компонентов. Оно может быть настолько высоким, что расплавит планер, но, что более реалистично, может разрушить спусковой механизм или механизмы наведения.
Плотность поля наибольшая в точках отражения, которых всегда две для данного взрыв, так называемые магнитные конъюгаты. 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 Соединенных Штатов находится в южной части Тихого океана, далеко к западу от Чили, где такие взрывы не будут 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.
дополнительных Военного планирования интересовала возможность использования этого эффекта в качестве наступательного оружия. В случае нападения американских войск на Советский Союз южные сопряженные точки обычно находятся в Индийском океане, где они не будут видны советским радаром раннего предупреждения. Серия взрывов вызовет массовое отключение радиолокационных станций над Россией, без предупреждения вырвав ее систему противоракетной обороны (ПРО). Поскольку предполагалось, что эти эффекты будут длиться до пяти минут, примерно столько же, сколько потребуется радару прямой видимости в России, чтобы увидеть боеголовки, тщательное определение времени атаки может сделать систему ПРО бесполезной.
Христофилос начал свою карьеру в физике, читая статьи журнала в компании лифтов во время оккупация Греции осью, когда ему больше нечего было делать. В послевоенную эпоху он начал службу по ремонту лифтов, во время которой он начал разрабатывать концепцию, известную сегодня как сильная фокусировка, ключевой шаг в истории ускорителей элементарных частиц. В 1949 году он отправил письмо с описанием идеи в Лабораторию Беркли, но они отклонили его после обнаружения незначительной ошибки. В 1952 году идея была независимо развита в Брукхейвенской национальной лаборатории, которая опубликовала материалы по этой теме. Убежденный, что они украли идею, Христофилос поехал в США, где ему удалось получить награду в размере 10 долларов и работу в Брукхейвене.
Христофилос вскоре стал больше интересоваться ядерным синтезом, чем конструкцией ускорителя элементарных частиц. В то время в программе США активно работали над тремя основными проектами: магнитное зеркало, стелларатор и z-пинч. На зеркало часто смотрели неблагоприятно из-за присущей ему неплотности - побочного эффекта открытых силовых линий. 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 магнитным полем и привело к "закрытию" результирующего поля, решив самую большую проблему зеркала.
В то же время В течение этого периода в США разрабатывались планы проверить наличие ожидаемого заряженного слоя напрямую с помощью спутника Explorer 1 в рамках Международного геофизического года (МГГ). Перед запуском Explorer 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 преимущества.
Среди тех, кто беспокоился о советских достижениях, был Христофилос, который в том же месяце опубликовал свою идею во внутренней служебной записке. Когда Explorer был запущен в январе 1958 года, он подтвердил существование того, что стало известно как радиационные пояса Ван Аллена. Это вызвало новую панику в оборонном ведомстве, когда некоторые пришли к выводу, что пояса Ван Аллена были вызваны не частицами Солнца, а секретными советскими высотными ядерными испытаниями концепции Христофилоса.
Идея Христофилоса сразу вызвала большой интерес; если бы 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 концепции. Группа согласилась с тем, что основная концепция верна, но многие практические вопросы могут быть решены только путем прямых испытаний взрывами на больших высотах.
К тому времени планировалось проведение серии ядерных испытаний 1958 года, Операция Hardtack, уже близился к завершению. Это включало несколько высотных взрывов, произведенных над испытательным полигоном в южной части Тихого океана. Поскольку они были относительно близко к экватору, правильная точка ввода магнитного поля находилась на относительно большой высоте, намного выше, чем 75 километров (47 миль) Shot Teak. Это ограничило бы полезность эти взрывы для проверки эффекта Христофилоса. Потребуется новая серия взрывов для проверки эффекта.
Срочность процесса планирования усугубили продолжающиеся в Женеве переговоры между США и СССР по организации того, что в конечном итоге стало частичным ядерным оружием. Договор о запрещении испытаний. В то время казалось, что запрет на испытания может вступить в силу в северном полушарии осенью 1958 года. Советы отреагируют негативно, если США начнут высотные испытания во время переговоров. Перед разработчиками была поставлена задача завершить испытания к 1 сентября 1958 года.
Запуск спутника также привел к формированию Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA) в феврале 1958 года, первоначально с миссией централизации различных американских ракетных проектов. Вскоре его устав был расширен, чтобы рассмотреть тему обороны в целом, особенно защиты от ракетного нападения, что, как пояснил Sputnik, вполне возможно. Научный директор ARPA, Герберт Йорк, сформировал голубой ленточный комитет под названием «Проект 137», чтобы «определять проблемы, которым сейчас не уделяется должного внимания». Комитет из двадцати двух человек в мире физики возглавил Джон Арчибальд Уиллер, который популяризировал термин черная дыра.
Йорк проинформировал президента Эйзенхауэра о концепт Christofilos и 6 марта 1958 года получил разрешение на проведение отдельной серии испытаний. Следующие два месяца велось интенсивное планирование. У Кристофилоса не было допуска Q, и он не мог участвовать в планировании. Тем не менее, группа проекта 137 приняла Кристофилос в Форт Макнейр 14 июля 1958 года для обсуждения планов.
Для достижения сентябрьских сроков, оружия и оборудования необходимо будет извлечь как можно больше из существующих запасов. Это привело к тому, что единственной подходящей пусковой установкой была Lockheed X-17, которая производилась для испытаний на вход в атмосферу и была доступна в некотором количестве. К сожалению, ограниченная высота полета X-17 означала, что он не мог достичь необходимой высоты, чтобы поразить точки отражения в южной части Тихого океана над полигоном. Единственной областью, где поле зрения было достаточно низким, чтобы X-17 мог легко поразить, была аномалия Южной Атлантики, где пояс Ван Аллена опускается до 200 километров (660 000 футов).
Планирование тестов обычно занимало год или больше, поэтому тесты обычно проводились близко расположенными «сериями». Напротив, испытания операции «Аргус» прошли путь от первоначального утверждения президентом 6 марта 1958 года до реальных испытаний всего за пять месяцев. Среди прочего, испытания должны были быть полностью засекреченными от начала до завершения, это были первые испытания баллистических ракет с корабля в море и единственные испытания ядерного оружия в атмосфере в Атлантическом океане. Окончательные планы были утверждены президентом 1 мая 1958 года.
Чтобы измерить эффект, в августе были запущены Explorer IV и Explorer V, хотя только IV достигли орбита. Операция «Аргус» была проведена 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 проникнуть в атмосферу на север и юг, создали небольшую магнитную бурю.
Эти испытания продемонстрировали, что возможность использования эффекта в качестве защитной системы действительно не работает. Однако точные данные об отсутствии эффективности в доступных источниках отсутствуют. В большинстве источников указывается, что эффект длился недостаточно долго, чтобы быть полезным, а в отчете ARPA делается вывод, что он «быстро рассеивался» и, таким образом, имел бы небольшую ценность в качестве системы защиты от боеголовок. Однако другие источники утверждают, что в последнем тесте эффект сохранялся более шести дней.
В конце июня 1958 года, Хэнсон Болдуин, Обладатель Пулитцеровской премии военный корреспондент The New York Times получил дразнящие намеки на крупную военную операцию США. Сейчас считается, что эта утечка произошла из лаборатории Университета Айовы, которой руководил Джеймс Ван Аллен, которая все это время работала с ARPA на Аргусе. Болдуин спросил своего коллегу-научного репортера Уолтера Салливана (журналиста) об этом. Салливан поговорил с Ричардом Портером, председателем Группы экспертов МГГ по ракетам и спутникам, который был «в ужасе» от того, сколько информации узнал Болдуин. Через час Салливану позвонили из ARPA и попросили подождать, пока тесты не будут завершены.
К концу года, когда тесты были завершены, а концепция в значительной степени заброшена, Кристофилос смог открыто обсудить эту концепцию на собрании Американского физического общества в октябре 1958 года, опуская только детали того, что атомная бомба будет использоваться для создания излучения. На декабрьском собрании Американской ассоциации содействия развитию науки Салливан услышал, что статья по этой теме под названием «Искусственное изменение радиационного пояса Земли» готовится к публикации. Салливан и Болдуин поняли, что вот-вот потеряют свою «сенсацию», поэтому Салливан написал Йорку, прося разрешения, поскольку было ясно, что другие репортеры узнали об испытаниях. Йорк обсудил этот вопрос с Джеймсом Киллианом, председателем Президентского научного консультативного комитета (PSAC), который добавил, что Ван Аллан также настаивал на правах публикации
. Позже Салливан подтвердил свою точку зрения о том, что информация все равно выходит, позвонив на станции мониторинга IGY и спросив о записях полярных сияний в августе и сентябре. Ему сказали, что произошло «довольно примечательное событие», которое не соответствовало какой-либо известной солнечной буре. Он отправил Йорку еще одно письмо, отметив, что намеки на проект уже стали общедоступными и просто ждут, чтобы кто-то соединил точки. Йорк позвал его в Пентагон и снова попросил подождать. Салливан пришел к выводу, что это больше не было связано с 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 сели за рассказ.
В феврале 1959 года Киллиан выступал в Нью-Йорке. Салливан присутствовал и в конце вручил ему письмо. Они сели, и Киллиан прочитал это. В письме отмечался тот факт, что утечка информации об испытаниях увеличивалась, и что Times терпеливо ждала одобрения Пентагона, которое, похоже, так и не поступило. Между тем, ученые, работающие над проектом, все чаще высказывались по поводу публикации данных, и встреча в конце февраля привела к спорам. На собрании PSAC Киллиан наконец согласился опубликовать данные на апрельском заседании Национальной академии наук, но все же не сообщил Times.
Болдуину и Салливану было достаточно; они поднялись на вершину иерархии Times: издатель Артур Хейс Сульцбергер, президент Орвил Э. Драйфус и главный редактор Тернер Кэтледж, которые одобрили публикацию. 18 марта 1959 года Салливан попытался позвонить Киллиану, но вместо этого позвонил его помощнику, в то время как Болдуин разговаривал с директором ARPA Роем Джонсоном. Эти двое написали историю той ночью, ожидая телефонного звонка, который снова убьет историю. Телефон так и не зазвонил, и история была опубликована на следующий день.
В 2008 году научный писатель Марк Волвертон отметил сохраняющиеся опасения по поводу использования эффекта Христофилоса как способа отключения спутников.
