Un pulso electromagnético ( PEM ), también conocido como perturbación electromagnética transitoria ( TED ), es una breve explosión de energía electromagnética . El origen de un PEM puede ser natural o artificial, y puede ocurrir como un campo electromagnético , como un campo eléctrico , como un campo magnético o como una corriente eléctrica conducida . La interferencia electromagnética causada por un PEM puede interrumpir las comunicaciones y dañar los equipos electrónicos. [1] Un PEM como un rayo puede dañar físicamente objetos como edificios y aviones. La gestión de los efectos del PEM es una rama de la ingeniería de compatibilidad electromagnética (CEM).
El primer daño registrado causado por un pulso electromagnético se produjo con la tormenta solar de agosto de 1859, o el Evento Carrington . [2]
En la guerra moderna, las armas que lanzan un pulso electromagnético de alta energía están diseñadas para interrumpir [3] los equipos de comunicaciones, las computadoras necesarias para operar aviones de guerra modernos o incluso dejar fuera de servicio toda la red eléctrica de un país objetivo. [4]
Un pulso electromagnético es una breve oleada de energía electromagnética. Su corta duración significa que se propagará a lo largo de un rango de frecuencias. Los pulsos se caracterizan típicamente por:
El espectro de frecuencia y la forma de onda del pulso están interrelacionados a través de la transformada de Fourier , que describe cómo las formas de onda de los componentes pueden sumarse para formar el espectro de frecuencia observado.
La energía EMP puede transferirse en cualquiera de cuatro formas:
Según las ecuaciones de Maxwell , un pulso de energía eléctrica siempre estará acompañado de un pulso de energía magnética. En un pulso típico, predominará tanto la forma eléctrica como la magnética. Se puede demostrar que las ecuaciones de Maxwell no lineales pueden tener soluciones de ondas de choque electromagnéticas autosimilares dependientes del tiempo donde los componentes de campo eléctrico y magnético tienen una discontinuidad. [5]
En general, sólo la radiación actúa en distancias largas, mientras que los campos magnéticos y eléctricos actúan en distancias cortas. Hay algunas excepciones, como una llamarada magnética solar .
Un pulso de energía electromagnética comprende normalmente muchas frecuencias, desde muy bajas hasta un límite superior, según la fuente. El rango definido como PEM, a veces denominado "corriente continua (CC) a luz del día", excluye las frecuencias más altas, que comprenden los rangos óptico ( infrarrojo , visible , ultravioleta ) e ionizante ( rayos X y gamma ).
Algunos tipos de eventos EMP pueden dejar un rastro óptico, como rayos y chispas, pero estos son efectos secundarios del flujo de corriente a través del aire y no son parte del EMP en sí.
La forma de onda de un pulso describe cómo cambia su amplitud instantánea (intensidad de campo o corriente) con el tiempo. Los pulsos reales tienden a ser bastante complicados, por lo que se suelen utilizar modelos simplificados. Este tipo de modelo suele describirse en un diagrama o como una ecuación matemática.
La mayoría de los pulsos electromagnéticos tienen un borde de ataque muy pronunciado, que aumenta rápidamente hasta alcanzar su nivel máximo. El modelo clásico es una curva doblemente exponencial que asciende abruptamente, alcanza rápidamente un pico y luego decae más lentamente. Sin embargo, los pulsos de un circuito de conmutación controlado suelen aproximarse a la forma de un pulso rectangular o "cuadrado".
Los eventos EMP suelen inducir una señal correspondiente en el entorno o material circundante. El acoplamiento suele producirse con mayor intensidad en una banda de frecuencia relativamente estrecha, lo que da lugar a una onda sinusoidal amortiguada característica . Visualmente, se muestra como una onda sinusoidal de alta frecuencia que crece y decae dentro de la envolvente de mayor duración de la curva doblemente exponencial. Una onda sinusoidal amortiguada suele tener una energía mucho menor y una dispersión de frecuencia más estrecha que el pulso original, debido a la característica de transferencia del modo de acoplamiento. En la práctica, los equipos de prueba EMP suelen inyectar estas ondas sinusoidales amortiguadas directamente en lugar de intentar recrear los pulsos de amenaza de alta energía.
En un tren de pulsos, como el de un circuito de reloj digital, la forma de onda se repite a intervalos regulares. Un solo ciclo de pulso completo es suficiente para caracterizar un tren regular y repetitivo de este tipo.
Un pulso electromagnético se produce cuando la fuente emite un pulso de energía de corta duración. La energía suele ser de banda ancha por naturaleza, aunque a menudo excita una respuesta de onda sinusoidal amortiguada de banda relativamente estrecha en el entorno circundante. Algunos tipos se generan como trenes de pulsos repetitivos y regulares .
Diferentes tipos de EMP surgen de efectos naturales, artificiales y de armas.
Los tipos de eventos EMP naturales incluyen:
Los tipos de eventos EMP provocados por el hombre (civiles) incluyen:
Los tipos de EMP militar incluyen:
Los relámpagos son inusuales porque generalmente tienen una descarga preliminar "líder" de baja energía que se acumula hasta el pulso principal, que a su vez puede ser seguido a intervalos por varias ráfagas más pequeñas. [9] [10]
Los eventos de ESD se caracterizan por altos voltajes de muchos kV, pero pequeñas corrientes a veces causan chispas visibles. La ESD se trata como un fenómeno pequeño y localizado, aunque técnicamente un rayo es un evento de ESD muy grande. La ESD también puede ser provocada por el hombre, como en el caso de la descarga recibida de un generador Van de Graaff .
Un evento de ESD puede dañar los circuitos electrónicos al inyectar un pulso de alto voltaje, además de provocar una descarga desagradable en las personas. Un evento de ESD de este tipo también puede crear chispas, que a su vez pueden provocar incendios o explosiones de vapor de combustible. Por este motivo, antes de reabastecer un avión o exponer cualquier vapor de combustible al aire, primero se conecta la boquilla de combustible al avión para descargar de forma segura cualquier electricidad estática.
La acción de conmutación de un circuito eléctrico crea un cambio brusco en el flujo de electricidad. Este cambio brusco es una forma de pulso electromagnético.
Las fuentes eléctricas simples incluyen cargas inductivas como relés, solenoides y contactos de escobillas en motores eléctricos. Estos suelen enviar un pulso a través de cualquier conexión eléctrica presente, además de radiar un pulso de energía. La amplitud suele ser pequeña y la señal puede tratarse como "ruido" o "interferencia". La desconexión o "apertura" de un circuito provoca un cambio abrupto en el flujo de corriente. Esto, a su vez, puede provocar un gran pulso en el campo eléctrico a través de los contactos abiertos, lo que provoca la formación de arcos eléctricos y daños. A menudo es necesario incorporar características de diseño para limitar dichos efectos.
Los dispositivos electrónicos, como los tubos o válvulas de vacío, los transistores y los diodos, también pueden encenderse y apagarse muy rápidamente, lo que provoca problemas similares. Los pulsos puntuales pueden deberse a interruptores de estado sólido y otros dispositivos que se utilizan solo ocasionalmente. Sin embargo, los muchos millones de transistores de una computadora moderna pueden conmutar repetidamente a frecuencias superiores a 1 GHz, lo que provoca interferencias que parecen continuas.
Un pulso electromagnético nuclear es el pulso abrupto de radiación electromagnética resultante de una explosión nuclear . Los campos eléctricos y magnéticos resultantes, que cambian rápidamente, pueden acoplarse con sistemas eléctricos y electrónicos para producir sobretensiones y corrientes dañinas . [11]
La intensa radiación gamma emitida también puede ionizar el aire circundante, creando un EMP secundario ya que los átomos del aire primero pierden sus electrones y luego los recuperan.
Las armas NEMP están diseñadas para maximizar dichos efectos EMP como mecanismo de daño principal, y algunas son capaces de destruir equipos electrónicos susceptibles en un área amplia.
Un arma de pulso electromagnético de gran altitud (HEMP, por sus siglas en inglés) es una ojiva NEMP diseñada para detonarse muy por encima de la superficie de la Tierra. La explosión libera una ráfaga de rayos gamma en la estratosfera media , que se ioniza como efecto secundario y los electrones libres energéticos resultantes interactúan con el campo magnético de la Tierra para producir un EMP mucho más fuerte que el que se produce normalmente en el aire más denso a altitudes más bajas.
El pulso electromagnético no nuclear (NNEMP) es un pulso electromagnético generado por armas sin el uso de tecnología nuclear. Los dispositivos que pueden lograr este objetivo incluyen un gran banco de condensadores de baja inductancia descargado en una antena de bucle único, un generador de microondas y un generador de compresión de flujo bombeado explosivamente . Para lograr las características de frecuencia del pulso necesarias para un acoplamiento óptimo en el objetivo, se agregan circuitos de modelado de ondas o generadores de microondas entre la fuente de pulso y la antena . Los vircadores son tubos de vacío que son particularmente adecuados para la conversión de microondas de pulsos de alta energía. [12]
Los generadores NNEMP pueden transportarse como carga útil de bombas, misiles de crucero (como el misil CHAMP ) y drones , con efectos mecánicos, térmicos y de radiación ionizante disminuidos, pero sin las consecuencias del despliegue de armas nucleares.
El alcance de las armas NNEMP es mucho menor que el de las PEM nucleares. Casi todos los dispositivos NNEMP utilizados como armas requieren explosivos químicos como fuente de energía inicial, produciendo sólo una millonésima parte de la energía de los explosivos nucleares de peso similar. [13] El pulso electromagnético de las armas NNEMP debe provenir del interior del arma, mientras que las armas nucleares generan PEM como efecto secundario. [14] Estos hechos limitan el alcance de las armas NNEMP, pero permiten una discriminación más precisa del objetivo. El efecto de las pequeñas bombas electrónicas ha demostrado ser suficiente para ciertas operaciones terroristas o militares. [ cita requerida ] Ejemplos de tales operaciones incluyen la destrucción de sistemas de control electrónico críticos para el funcionamiento de muchos vehículos terrestres y aeronaves. [15] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s ) ]
El concepto de generador de compresión de flujo bombeado explosivamente para generar un pulso electromagnético no nuclear fue concebido ya en 1951 por Andrei Sakharov en la Unión Soviética, [16] pero las naciones mantuvieron clasificado el trabajo sobre EMP no nuclear hasta que surgieron ideas similares en otras naciones.
Los eventos electromagnéticos menores, y especialmente los trenes de pulsos, causan niveles bajos de ruido eléctrico o interferencia que pueden afectar el funcionamiento de dispositivos susceptibles. Por ejemplo, un problema común a mediados del siglo XX era la interferencia emitida por los sistemas de encendido de los motores de gasolina, [17] que causaba que los aparatos de radio crepitaran y que los televisores mostraran rayas en la pantalla. La norma CISPR 25 se estableció para fijar los estándares de umbral que los vehículos deben cumplir en relación con las emisiones de interferencia electromagnética (EMI).
A un nivel de alto voltaje, un pulso electromagnético puede inducir una chispa, por ejemplo, a partir de una descarga electrostática al cargar combustible en un vehículo con motor de gasolina. Se sabe que estas chispas causan explosiones de combustible y aire, por lo que se deben tomar precauciones para evitarlas. [18]
Un pulso electromagnético grande y enérgico puede inducir corrientes y voltajes elevados en la unidad víctima, alterando temporalmente su funcionamiento o incluso dañándola permanentemente. [ cita requerida ]
Un pulso electromagnético potente también puede afectar directamente a los materiales magnéticos y corromper los datos almacenados en medios como cintas magnéticas y discos duros de ordenadores . Los discos duros suelen estar protegidos por carcasas metálicas pesadas. Algunos proveedores de servicios de eliminación de activos informáticos y recicladores de ordenadores utilizan un pulso electromagnético controlado para borrar dichos medios magnéticos. [19]
Un evento electromagnético de gran magnitud, como un rayo o la explosión de un arma nuclear, también puede dañar directamente objetos como árboles, edificios y aeronaves, ya sea por efectos de calentamiento o por los efectos disruptivos del gran campo magnético generado por la corriente. Un efecto indirecto pueden ser los incendios eléctricos causados por el calentamiento. La mayoría de las estructuras y sistemas diseñados requieren algún tipo de protección contra los rayos. Un buen medio de protección es un escudo de Faraday diseñado para proteger ciertos elementos de su destrucción. [ cita requerida ]
Al igual que cualquier interferencia electromagnética , la amenaza de un pulso electromagnético está sujeta a medidas de control, independientemente de que la amenaza sea natural o provocada por el hombre.
Por lo tanto, la mayoría de las medidas de control se centran en la susceptibilidad de los equipos a los efectos de los pulsos electromagnéticos y en su endurecimiento o protección frente a daños. Las fuentes artificiales, distintas de las armas, también están sujetas a medidas de control para limitar la cantidad de energía de pulsos emitida.
La disciplina de garantizar el correcto funcionamiento del equipo en presencia de EMP y otras amenazas de RF se conoce como compatibilidad electromagnética (EMC).
Para probar los efectos del EMP en sistemas y equipos diseñados, se puede utilizar un simulador EMP.
Los pulsos inducidos tienen una energía mucho menor que los pulsos de amenaza y, por lo tanto, son más fáciles de crear, pero son menos predecibles. Una técnica de prueba común es utilizar una pinza amperimétrica en sentido inverso para inyectar una serie de señales de onda sinusoidal amortiguada en un cable conectado al equipo que se está probando. El generador de onda sinusoidal amortiguada puede reproducir la serie de señales inducidas que es probable que se produzcan.
En ocasiones, el pulso de amenaza en sí se simula de forma repetible. El pulso se puede reproducir a baja energía para caracterizar la respuesta del sujeto antes de la inyección de la onda sinusoidal amortiguada, o a alta energía para recrear las condiciones reales de amenaza. Un simulador de ESD a pequeña escala puede ser portátil. Los simuladores de mesa o de sala vienen en una variedad de diseños, según el tipo y el nivel de amenaza que se generará.
En el extremo superior de la escala, varios países han construido grandes instalaciones de prueba al aire libre que incorporan simuladores EMP de alta energía. [20] [21] Las instalaciones más grandes pueden probar vehículos completos, incluidos barcos y aviones, para su susceptibilidad a EMP. Casi todos estos grandes simuladores EMP usaban una versión especializada de un generador Marx . [20] [21] Los ejemplos incluyen el enorme simulador ATLAS-I con estructura de madera (también conocido como TRESTLE) en Sandia National Labs , Nuevo México, que en un momento fue el simulador EMP más grande del mundo. [22] Los documentos sobre este y otros grandes simuladores EMP utilizados por los Estados Unidos durante la última parte de la Guerra Fría , junto con información más general sobre pulsos electromagnéticos, ahora están al cuidado de la Fundación SUMMA, que está alojada en la Universidad de Nuevo México. [23] [24] La Marina de los EE. UU. también tiene una gran instalación llamada Simulador Ambiental de Radiación de Pulso Electromagnético para Buques I (EMPRESS I).
Las señales electromagnéticas de alto nivel pueden suponer una amenaza para la seguridad humana. En tales circunstancias, se debe evitar el contacto directo con un conductor eléctrico activo. Cuando esto ocurra, como al tocar un generador Van de Graaff u otro objeto altamente cargado, se debe tener cuidado de liberar el objeto y luego descargar el cuerpo mediante una alta resistencia, a fin de evitar el riesgo de un pulso de choque dañino al alejarse.
Los campos eléctricos de intensidad muy elevada pueden provocar la ruptura del aire y el flujo de una corriente de arco potencialmente letal similar a la de un rayo, pero intensidades de campo eléctrico de hasta 200 kV/m se consideran seguras. [25]
Según una investigación de Edd Gent, un informe de 2019 del Electric Power Research Institute , financiado por empresas de servicios públicos, concluyó que un gran ataque EMP probablemente causaría apagones regionales , pero no una falla de la red a nivel nacional, y que los tiempos de recuperación serían similares a los de otros cortes de energía a gran escala. [26] No se sabe cuánto durarían estos apagones eléctricos ni qué alcance tendrían los daños en todo el país. [ cita requerida ] Es posible que los países vecinos de los EE. UU. también se vean afectados por un ataque de este tipo, dependiendo del área y las personas a las que se dirija. [ cita requerida ]
Según un artículo de Naureen Malik, teniendo en mente las pruebas de misiles y ojivas cada vez más exitosas de Corea del Norte, el Congreso decidió renovar la financiación de la Comisión para Evaluar la Amenaza a los EE. UU. por Ataques de Pulsos Electromagnéticos como parte de la Ley de Autorización de Defensa Nacional . [27]
Según una investigación de Yoshida Reiji, en un artículo de 2016 para la organización sin fines de lucro con sede en Tokio , Centro para el Control del Comercio de Información y Seguridad, Onizuka advirtió que un ataque EMP a gran altitud dañaría o destruiría los sistemas de energía, comunicaciones y transporte de Japón , además de inutilizar bancos, hospitales y plantas de energía nuclear . [28]
En 1981, una serie de artículos sobre pulsos electromagnéticos en la prensa popular difundieron el conocimiento del fenómeno EMP en la cultura popular . [29] [30] [31] [32] Posteriormente, el EMP se ha utilizado en una amplia variedad de ficción y otros aspectos de la cultura popular. Los medios populares a menudo representan los efectos EMP de manera incorrecta, lo que causa malentendidos entre el público e incluso los profesionales. [ especificar ] Se han realizado esfuerzos oficiales en los EE. UU. para remediar estos conceptos erróneos. [33] [34]
La novela Un segundo después de William R. Forstchen y los libros siguientes Un año después , El último día y Cinco años después retratan la historia de un personaje ficticio llamado John Matherson y su comunidad en Black Mountain, Carolina del Norte, que después de que Estados Unidos pierde una guerra y un ataque EMP "envía a nuestra nación [Estados Unidos] de regreso a la Edad Oscura".
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