Дэниел Дюпон: Ядерные взрывы на орбите

9 июля 1962 г. в США на атолле Джонстон в Тихом океане прошли испытания термоядерного взрыва в космосе. Запуск ядерной боеголовки с использованием баллистической ракеты Thor, под кодовым названием „Морская звезда – 1“, был последним в серии подобных экспериментов, проводившихся на протяжении четырёх лет министерством обороны США. Но в тот момент, когда ракета прочертила в небе дымный след, мало кто мог предположить, насколько неожиданными окажутся последствия высотного взрыва мощностью 1,4 мегатонны.

Тем временем на Гавайях, примерно в 1300 км от места событий, информация о последнем взрыве „радужной бомбы“ просочилась в печать, и население островов с нетерпением ожидало начала „фейерверка“. Когда боеголовка взорвалась на высоте 400 км, ослепительная вспышка на мгновения озарила море и небо подобно полуденному солнцу, после чего небеса на секунду приобрели светло-зелёный цвет.

Однако большинство жителей Гавайских островов наблюдали менее приятные последствия взрыва. На острове Оаху внезапно погасло уличное освещение, перестала приниматься местная радиостанция, а также пропала телефонная связь. Где-то в Тихом океане на полминуты нарушилась работа высокочастотных систем радиосвязи. Позже учёные установили, что „Морская звезда“ послала в пространство электромагнитный импульс (ЭМИ) гигантской разрушительной силы, который захлестнул огромную территорию вокруг эпицентра взрыва.

В течение нескольких минут небо над горизонтом окрасилось в кроваво-красный цвет.

Учёные с нетерпением ожидали именно этого момента. Во всех предыдущих высотных испытаниях в космосе возникало облако заряженных частиц, которое через некоторое время деформировалось магнитным полем Земли и вытягивалось вдоль её естественных радиационных поясов, обрисовывая их структуру. Но никто не ожидал того, что случилось в последующие месяцы: интенсивные искусственные радиационные пояса вывели из строя семь спутников, обращавшихся на низких околоземных орбитах, — треть существовавшего тогда космического флота.

Тревога: высотные ядерные взрывы!

Сегодня ИСЗ используются в связи, навигации, телевидении и радиовещании. Согласно данным Ассоциации спутниковой промышленности, на низких орбитах обращается около 250 коммерческих и военных спутников, и большинство из них абсолютно беспомощно перед радиацией, которую может вызвать высотный атомный взрыв. Стремительное увеличение производства ядерного оружия и баллистических ракет вызывает опасения и заставляет задуматься о будущем мировой спутниковой системы. Один небольшой ядерный заряд, взорванный на выбранной высоте над США, „может повлиять на связь, электронику и другие системы, что нанесёт непоправимый ущерб экономике страны“, — утверждает Роберт Норрис (Robert Norris), старший научный сотрудник Совета по охране природных ресурсов, принимающий участие в ядерной программе.

США, Россия, Китай, Великобритания, Франция, Израиль, Индия, Пакистан и, возможно, Северная Корея сейчас обладают такими возможностями.

Система противоракетной обороны, которую создаёт США, чтобы оградить себя и своих союзников от атак с использованием ракет дальнего действия, не слишком надёжна и скорее всего не способна полностью защитить эти страны. Грубо говоря, если против ракеты с ядерной боеголовкой и дистанционным взрывателем применить противоракету, то этим можно спровоцировать высотный ядерный взрыв.

В 2001 г. Управление обороны Пентагона по снижению угрозы (Defense Threat Reduce Agency, DTRA) попыталось оценить возможные последствия испытаний для низкоорбитальных спутников. Результаты неутешительные: одного небольшого ядерного заряда (от 10 до 20 килотонн — как бомба, сброшенная на Хиросиму), взорванного на высоте от 125 до 300 км, „достаточно, чтобы на несколько недель или даже месяцев вывести из строя все спутники, не имеющие специальной защиты от радиации“.

Денис Пападопулос (К. Dennis Papadopoulos), специалист по физике плазмы из Мэрилендского университета, иного мнения: „10-килотонная ядерная бомба, взорванная на специально рассчитанной высоте, может привести к потере 90% всех низкоорбитальных спутников примерно на месяц“.

Согласно отчёту управления, в некоторых точках околоземного пространства в результате высотного ядерного взрыва уровень радиации может увеличиться на 3–4 порядка и оставаться повышенным в течение двух лет. Все спутники, оказавшиеся в зоне с повышенным фоном, будут накапливать радиацию гораздо быстрее, чем предполагалось при проектировании, что значительно снизит быстродействие электроники и приведёт к росту потребления энергии.

Вероятно, в первую очередь откажет система ориентации или связи, и спутники уже не смогут выполнять свои задачи или их срок службы значительно сократится. К тому же высокий уровень радиации помешает запуску ремонтных бригад.

„Пилотируемые космические полеты должны быть прекращены на год или более, пока уровень радиации не снизится“, — отмечается в отчёте. Подсчитано, что издержки на замену аппаратуры, выведенной из строя последствиями высотного ядерного взрыва, составят более $ 100 млрд. (Не считая общих экономических потерь от утраты возможностей, предоставляемых космической техникой!) „К сожалению, мы не придаём угрозе высотных ядерных взрывов того значения, которого она заслуживает“, — предостерегает Курт Велдон (Curt Weldon), сторонник развёртывания системы ПРО и ядерной обороны, член комитета по вооружениям палаты представителей конгресса США.

Низкая орбита — высокий риск

Сегодня изучаются последствия американских и советских ядерных испытаний в космосе, проводившихся в 1950-х и 1960-х гг. Известно, что ядерный взрыв в атмосфере создаёт быстро расширяющееся облако раскалённого газа (плазмоид), которое посылает вовне ударную волну.

В то же время оно испускает во всех направлениях чудовищное количество энергии в виде теплового излучения, высокоэнергичных рентгеновских и гамма-квантов, быстрых нейтронов и ионизированных остатков самой ядерной боеголовки. Вблизи Земли атмосфера поглощает излучение, из-за чего воздух нагревается до экстремально высокой температуры. Этого достаточно, чтобы „мягко посадить“ ядерное облако на Землю. Молекулы воздуха ослабляют генерацию электромагнитного импульса.

Поэтому основные разрушения от ядерного взрыва, произведённого недалеко от поверхности, вызваны ударными волнами, стирающими всё с лица Земли, ветрами неимоверной силы и поистине адской жарой.

Магнитные окрестности Земли

Высотные ядерные взрывы (обычно более 40 км) сопровождаются совершенно другими эффектами. Поскольку они происходят практически в безвоздушном пространстве, облако плазмы расширяется гораздо быстрее и достигает большего размера, чем это было бы у поверхности, а излучение проникает гораздо дальше.

Денис Пападопулос объясняет, что возникающий при этом сильный электромагнитный импульс имеет сложную структуру. В первые несколько десятков наносекунд около 0,1% энергии, произведённой взрывом, высвечивается в виде гамма-излучения с энергией квантов от 1 до 3 МэВ (мегаэлектронвольт, единица измерения энергии). Мощный поток гамма-квантов ударяет в земную атмосферу, где они сталкиваются с молекулами воздуха и отрывают от них электроны (отскакивание электрона при столкновении с гамма-квантом физики называют эффектом Комптона).

Так образуется лавина комптоновских электронов с энергиями порядка 1 МэВ, которые движутся по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Создающиеся нестабильные электрические поля и токи генерируют на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли электромагнитное излучение в диапазоне радиочастот от 15 до 250 МГц.

По словам Дениса Пападопулоса, для мегатонной бомбы, взорванной на высоте 200 км, диаметр излучающей области будет примерно 600 км. Высотный ЭМИ может создать разность потенциалов, достаточную, чтобы разрушить любые чувствительные электрические цепи и приборы, находящиеся на земле в пределах прямой видимости. „Но на высокой орбите поле, создаваемое ЭМИ, не так сильно и в целом создаёт меньше помех“, — добавляет он.

Учёные утверждают, что, по крайней мере, 70% энерговыделения атомной бомбы приходится на электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне, которое, как и сопутствующее ему гамма-излучение и нейтроны с высокой энергией, проникает сквозь все предметы, встречаемые на пути. Энергия излучения уменьшается с расстоянием, поэтому спутники, находящиеся далеко от места взрыва, страдают меньше, чем оказавшиеся поблизости.

Последствия высотного ядерного взрыва

„Мягкий рентген“ — рентгеновские лучи с низкой энергией, которые также образуются при высотном ядерном взрыве, — не проникает внутрь космического аппарата, но нагревает его оболочку, что может вывести из строя электронную начинку спутника. К тому же мягкий рентген разрушает покрытие солнечных батарей, значительно ухудшая их способность вырабатывать энергию, а также портит оптические поверхности датчиков положения и телескопов. Рентгеновское излучение более высокой энергии, воздействуя на спутник, вызывает образование потоков электронов, которые приводят к возникновению сильных электрических токов и напряжений, способных попросту сжечь чувствительные электросхемы.

Как считает Денис Пападопулос, ионизованное вещество самой боеголовки вступает во взаимодействие с магнитным полем Земли, которое выталкивается из области радиусом 100–200 км, и его движение приводит к возникновению низкочастотных электрических колебаний.

Эти медленно осциллирующие волны отражаются от поверхности Земли и нижних слоёв ионосферы, в результате чего эффективно распространяются вокруг земного шара. Несмотря на то что амплитуда электрического поля невелика (менее милливольта на метр), на больших расстояниях, например, на концах наземных или подводных линий электропередач, может возникнуть значительное напряжение, что вызовет многочисленные пробои в электрических цепях. Именно этот эффект вызвал аварии в электрических и телефонных сетях Гавайев после эксперимента „Морская звезда“.

После проявления первых последствий взрыва на сцену выходит сам плазмоид. Это облако энергичных электронов и протонов ускоряется магнитным полем в магнитосфере Земли, в результате естественные радиационные пояса, окружающие планету, увеличатся в размерах. Кроме того, некоторые частицы „убегают“ из этих областей и образуют искусственные радиационные пояса в промежутке между естественными. Этот эффект назван в честь Николаса Христофилоса (Nicholas Christofilos), предсказавшего его в середине 1950-х гг. В конце 1950-х гг. США произвели серию ядерных взрывов в космосе (проект „Аргус“), полностью подтвердивших гипотезу Христофилоса, считавшего, что искусственные радиационные пояса смогут блокировать радиосвязь или даже выводить из строя попадающие в них баллистические ракеты.

Защита спутников

Пентагон уже несколько десятилетий разрабатывает программу защиты своих космических аппаратов. Многие военные спутники были переведены на высокие орбиты, считающиеся относительно безопасными в случае ядерного взрыва. На некоторые спутники установили специальные экраны, защищающие электронику от радиации, по сути, это Фарадеевы клетки — замкнутые металлические оболочки, не пропускающие внутрь внешнее электромагнитное поле. (Обычно чувствительные элементы спутника окружают оболочкой из алюминия толщиной от 1 мм до 1 см).

В рамках испытания проекта „Царь-рыба“ американская баллистическая ракета Thor подняла ядерную боеголовку (мощностью менее 1 мегатонны) на высоту 97 км. Красное свечение — результат ударного возбуждения атомов кислорода. Необычная структура, наблюдаемая в нижней части фотографии, — результат взаимодействия высокоэнергичных электронов с молекулами воздуха. В 1962 г. этот взрыв на три часа нарушил радиосвязь в районе Тихого океана.

Согласно некоторым оценкам, усиление спутника специальными экранирующими панелями и создание защищённых узлов системы а также выведение на орбиту дополнительной массы повышает его общую стоимость на 20–50%. Электронные компоненты, способные выдержать повышение радиационного уровня в 100 раз без ущерба для работоспособности, имеют рабочую полосу частот в 10 раз меньше, чем выпускаемые сейчас, что может на порядок увеличить расходы на эксплуатацию.

Денис Пападопулос считает, что серьёзной проблемой, возникающей при высотном ядерном взрыве, является то, что диэлектриками накапливается заряд, возникающий из-за обстрела спутника быстрыми электронами с энергией порядка 1 МэВ. Высокоэнергичные электроны проникают сквозь корпус или защитный кожух спутника и, тормозясь, застревают в полупроводниковых электронных элементах и солнечных батареях. Присутствие „чужаков“ создаёт разность потенциалов там, где её быть не должно, что ведёт к разрядке аккумуляторов и возникновению нежелательных токов, приводящих к разрушению системы. При этом, если толщина защитного экрана превышает 1 см, объясняет Денис Пападопулос, то её эффективность снижается, поскольку в этом случае столкновение с высокоэнергичной частицей провоцирует интенсивное электромагнитное тормозное излучение (т. е. излучение, возникающее при резком уменьшении скорости заряженной частицы, вызванном столкновением с другим телом).

Ларри Лонгден (Larry Longden) из компании Maxwell Technologies, производящей защиту для искусственных спутников, утверждает, что на спутнике можно установить датчик, регистрирующий уровень радиации.

При превышении допустимого предела сигналом с Земли можно будет выключить бортовой компьютер и подождать, пока снизится фон радиации.

Вслед за бомбой

Если сегодня противник взорвёт ядерную бомбу в космосе, то США не смогут полностью избежать последствий этого взрыва. Однако в будущем, похоже, это станет возможным Грэг Гине (Greg Ginet), руководитель проекта исследовательской лаборатории военно-воздушных сил, говорит, что можно ликвидировать радиацию „быстрее, чем природа сама справится с возникшей проблемой“. В рамках проекта, финансируемого Управлением перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (Defense Advanced Research Project Agency, DARPA), сейчас изучается вопрос, могут ли искусственно созданные радиоволны очень низкой частоты способствовать „выдуванию“ радиации из областей, где проходят низкие орбиты.

Для того чтобы лучше понять, как метод работает, Денис Пападопулос предлагает рассмотреть следующую аналогию. Радиационный пояс Земли в каком-то отношении напоминает протекающую чашку. Магнитные силы „закачивают“ энергичные частицы, т е плазму, в радиационные пояса. Скорость, с которой плазма „вытекает“ оттуда, зависит от амплитуды низкочастотных волн (волн с частотами от 1 Гц до 20 кГц) в ближайшей окрестности. Однако ядерный взрыв переполняет „чашку“, поэтому возникают дополнительные, искусственные радиационные пояса. Способ, с помощью которого можно быстрее удалить плазму из магнитосферы, означает увеличение скорости вытекания из „чашки“, грубо говоря, просто расширения в ней „дыры“.

Смягчение последствий высотного взрыва

Теоретически можно создать флотилии специальных спутников, которые бы генерировали низкочастотные радиоволны в непосредственной близости от радиационных поясов. Поэтому DARPA совместно с военно-воздушными силами проводит эксперименты с низкочастотными излучателями в рамках проекта HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program — Программа активного высокочастотного исследования авроральной области) в местечке Гакона на Аляске.

В HAARP учёные изучают активные образования в ионосфере и то, как можно искусственно управлять их свойствами. Проект предполагает исследования в области технологий связи с подводными лодками и другими объектами, находящимися под земной поверхностью. Важно также проверить, можно ли с помощью установок уменьшить концентрацию заряженных частиц в радиационных поясах Земли.

Сейчас учёные определяют, сколько спутников требуется для создания глобальной системы подавления искусственных радиационных поясов. Им помогает работа учёных Стэнфордского университета, выполненная в 1970-1980-х гг., которые использовали излучатель низкочастотных радиоволн, расположенный в районе Южного полюса для того, чтобы посылать волны к радиационным поясам. Было замечено, что временами амплитуда волн значительно усиливалась электронами, захваченными радиационными поясами. Денис Пападопулос утверждает, что это происходит потому, что свободная энергия частиц в магнитной „ловушке“ передаётся электромагнитным волнам. Этот резонансный процесс сродни тому, что происходит в лазерах на свободных электронах, где переменное магнитное поле ускоряет электроны, которые излучают в синхротронном режиме.

Именно данный эффект лежит в основе идеи HAARP. Поскольку низкочастотные волны, излучаемые спутником, можно усилить естественным способом, без привлечения техники, то можно использовать излучатель меньшей мощности, что значительно удешевит проект. Исследователи из министерства обороны США показали, что это снизит количество требуемых спутников до 10.

Испытание Teak было проведено министерством обороны США в 1958 г., которое должно было исследовать эффекты, полезные для противоракетной обороны. Ракета типа Redstone вынесла 1,9-мегатонную атомную бомбу в верхние слои атмосферы, где её взорвали на высоте 77 км.

Учёные продемонстрировали, что установки могут генерировать колебания низких и сверхнизких частот и эффективно „впрыскивать“ их в радиационные пояса (см. иллюстрацию выше). Это было сделано путём периодических вариаций аврорального электроджета — природного токового слоя в ионосфере Земли на высоте около 100 км. Модуляция потока электронов производилась с помощью естественной антенны, излучающей волны низких и сверхнизких частот, которую создавали путём периодического включения и выключения высокочастотного передатчика, изменявшего температуру, а значит, и проводимость ионосферной плазмы.

Исследователи ожидают, что метод поможет оценить жизнеспособность плана, согласно которому будет создана система усиления радиоволн и уменьшения концентрации заряженных частиц в радиационных поясах. Космический эксперимент для проверки данной гипотезы может быть проведён в течение ближайших 10 лет.

Так ли мала угроза?

Международные кризисы могут привести к высотным ядерным взрывам. Используя методы, применяемые военными стратегами при планировании и моделировании развития конфликтных ситуаций, группа DTRA предложила два возможных сценария, которые могут быть реализованы до 2010 г. Первый: индийские бронетанковые войска пересекают границу с Пакистаном во время очередной вооружённой стычки за судьбу Кашмира, и правительство Пакистана отвечает взрывом 10-килотонной ядерной бомбы в 300 км над Нью-Дели. Согласно второму сценарию, Северная Корея перед лицом возможной агрессии принимает решение взорвать ядерную боеголовку над своей собственной территорией, при этом срабатывает американская система ПРО, которая уничтожает ракету на высоте 150 км.

Джон Пайк (John Pike), возглавляющий наблюдательную оборонную организацию „Глобальная безопасность“, считает вполне возможным сценарий развития событий, при котором Северная Корея произведёт ядерные испытания согласно своей космической программе.

Эксперты рассмотрели и другие возможные варианты. Некоторые из них предполагают высотный ядерный взрыв над территорией США, что вряд ли будет возможным. Подвижная морская платформа вполне может служить для пуска самой простой ракеты с небольшой боеголовкой, которая тем не менее способна нанести серьёзный ущерб.

Кроме того, существует проблема адекватного ответа на агрессию. Безусловно, ядерная атака на США или страны-союзницы подразумевает немедленный военный ответ. Но как быть с высотным ядерным взрывом? Курт Велдон считает:

„С нравственной точки зрения проблема стоит так: оправдывает ли ядерный взрыв в космосе вторжение на территорию агрессора и убийство людей? Будет ли ответный ядерный удар? Возможно, что нет“.