El apagón nuclear , también conocido como apagón de bola de fuego o apagón de radar , es un efecto causado por explosiones de armas nucleares que perturba las comunicaciones por radio y provoca que los sistemas de radar se apaguen o se refracten fuertemente, por lo que ya no se pueden utilizar para un seguimiento y orientación precisos. Dentro de la atmósfera, el efecto es causado por el gran volumen de aire ionizado creado por la energía de la explosión, mientras que sobre la atmósfera se debe a la acción de las partículas beta de alta energía liberadas por los restos de la bomba en descomposición. A grandes altitudes, el efecto puede extenderse a grandes áreas, cientos de kilómetros. El efecto se desvanece lentamente a medida que la bola de fuego se disipa.
El efecto se conocía desde los primeros días de los ensayos nucleares, cuando se utilizaban sistemas de radar para rastrear las nubes en forma de hongo nuclear a distancias muy largas. Sus efectos extendidos cuando explotó fuera de la atmósfera se notaron por primera vez en 1958 como parte de las pruebas nucleares Hardtack y Argus , [1] que causaron interferencias de radio generalizadas que se extendieron a lo largo de miles de kilómetros. El efecto fue tan desconcertante que tanto los soviéticos como los Estados Unidos rompieron la moratoria informal de pruebas que había estado vigente desde finales de 1958 para realizar una serie de pruebas y recopilar más información sobre los diversos efectos de la gran altitud, como el apagón y el pulso electromagnético (EMP).
El apagón es una preocupación particular para los sistemas de misiles antibalísticos (ABM). Al hacer explotar una ojiva en la atmósfera superior, justo más allá del alcance de los misiles defensivos, un atacante puede cubrir una amplia zona del cielo más allá de la cual no se pueden ver más ojivas acercándose. Cuando esas ojivas emergen del área de apagón, es posible que no haya tiempo suficiente para que el sistema defensivo desarrolle información de seguimiento y las ataque. Esta fue una seria preocupación para el programa LIM-49 Nike Zeus de finales de la década de 1950, y una de las razones por las que finalmente fue cancelado. Un descubrimiento clave revelado en las pruebas fue que el efecto desapareció más rápidamente para frecuencias más altas. Los diseños posteriores de defensa antimisiles utilizaron radares que operaban a frecuencias más altas en la región UHF y microondas para mitigar el efecto.
Cuando una bomba nuclear explota cerca del nivel del suelo, la densa atmósfera interactúa con muchas de las partículas subatómicas que se liberan. Esto normalmente ocurre en una distancia corta, del orden de metros. Esta energía calienta el aire, ionizándolo rápidamente hasta alcanzar la incandescencia y provocando que se forme una bola de fuego aproximadamente esférica en microsegundos. [2]
La explosión real ocurre a una velocidad más lenta, lo que crea una poderosa onda de choque que se mueve hacia afuera. La energía liberada por la onda de choque es suficiente para comprimir el calor hasta convertirlo en incandescente, creando una segunda bola de fuego. Esta segunda bola de fuego continúa expandiéndose, pasando a la radiativa. A medida que se expande, la cantidad de energía en la onda de choque disminuye según la ley del cuadrado inverso , mientras que se pierde energía adicional a través de la radiación directa en el espectro visible y ultravioleta. Al final, la onda de choque pierde tanta energía que ya no calienta el aire lo suficiente como para hacer que brille. En ese punto, conocido como ruptura , el frente de choque se vuelve transparente y la bola de fuego deja de crecer. [2]
El diámetro de la bola de fuego de una bomba que explotó lejos del suelo se puede estimar mediante la fórmula: [3]
kilómetros
¿Dónde está el rendimiento en megatones y es la relación entre la densidad del aire al nivel del mar y la densidad del aire en altitud? Por lo tanto, una bomba de 1 megatonelada de TNT (4,2 PJ) que explotó a una altitud de explosión de alrededor de 5.000 pies (1.500 m) [a] se expandirá a aproximadamente 1 kilómetro (3.300 pies). [4] La relación se puede calcular en un amplio rango suponiendo una relación exponencial:
¿Dónde está la altitud de la explosión en pies? [3] Entonces, la misma explosión a 50.000 pies (15.000 m) tendrá una presión de aproximadamente 0,1 atmósferas, lo que dará como resultado una bola de fuego del orden de 2.150 metros (7.050 pies) de diámetro, aproximadamente el doble del tamaño de una cerca del suelo. . Para una explosión a gran altitud, digamos 250.000 pies (76 km), la bola de fuego se expandirá hasta unos 46 kilómetros (29 millas) de diámetro. [4]
Cuando la bomba explota fuera de la atmósfera, generalmente a cualquier altitud por encima de los 100 kilómetros (330.000 pies), la falta de interacción con el aire cambia la naturaleza de la formación de la bola de fuego. En este caso, las diversas partículas subatómicas pueden viajar distancias arbitrarias y seguir superando a los restos de la bomba en expansión. La falta de atmósfera también significa que no se forman ondas de choque, y son sólo los restos incandescentes de la bomba los que forman la bola de fuego. En este tipo de explosiones, la bola de fuego en sí no es un problema importante para el radar, pero las interacciones de las partículas con la atmósfera debajo de ellas causan una serie de efectos secundarios que son tan efectivos para bloquear el radar como una bola de fuego a baja altitud. [3]
Por simples razones geométricas, aproximadamente la mitad de las partículas liberadas por la explosión viajarán hacia la Tierra e interactuarán con las capas superiores de la atmósfera, mientras que la otra mitad viajará hacia el espacio. [3] Las partículas penetran en la atmósfera a una profundidad que depende de su energía: [5]
Dos de estos efectos son particularmente notables. La primera se debe a los gammas, que llegan en forma de ráfaga directamente debajo de la explosión y rápidamente ionizan el aire, provocando un enorme pulso de electrones que se mueven hacia abajo. Los neutrones, que llegan un poco más tarde y se alargan en el tiempo, provocan efectos similares pero menos intensos y durante un tiempo ligeramente más largo. Estos gammas y neutrones son la fuente del pulso electromagnético nuclear , o EMP, que puede dañar los dispositivos electrónicos que no están protegidos de sus efectos. [3]
El segundo efecto importante es causado por las partículas beta de alta energía. Estos se crean constantemente por la desintegración radiactiva del uranio que rodea el núcleo de fusión, por lo que la magnitud de este efecto es en gran medida función del tamaño de la bomba y su dispersión física en el espacio. Dado que los betas son livianos y están cargados eléctricamente, siguen el campo magnético de la Tierra. Esto devuelve a la Tierra las betas que se mueven hacia arriba, aunque quizás no en el mismo lugar. [6]
A diferencia de los gamma, que ionizan sólo los átomos que chocan, una beta que se mueve rápidamente induce enormes campos magnéticos en los átomos que pasan cerca, lo que hace que se ionicen al tiempo que ralentiza la beta. Por tanto, cada beta puede provocar múltiples ionizaciones, además de ser un electrón libre por sí solo. Esto provoca un pulso de corriente mucho mayor pero extendido de electrones de menor energía liberados de estas moléculas de aire. [7] Dado que la reacción tiene lugar entre 50 y 60 km, el resultado es un disco de aire ionizado de unos 10 km de espesor y (normalmente) varios cientos de kilómetros de diámetro. [8]
Además, las betas que viajan aproximadamente paralelas a los campos magnéticos de la Tierra quedarán atrapadas y causarán efectos similares donde el campo magnético cruza la atmósfera. En cualquier longitud dada hay dos lugares donde esto ocurre, al norte y al sur del ecuador, y el efecto se maximiza haciendo explotar la bomba dentro de uno de estos lugares para crear una señal lo más fuerte posible en el área conjugada magnética . Conocido como efecto Christofilos , este fue objeto de serias investigaciones a finales de la década de 1950, pero el efecto fue menos potente de lo esperado. [9]
Cuando se une a átomos y moléculas, la mecánica cuántica hace que los electrones asuman naturalmente un conjunto de niveles de energía distintos. Algunos de estos corresponden a fotones de diferentes energías, incluidas las radiofrecuencias. En los metales, los niveles de energía están tan espaciados que los electrones que contienen responderán a casi cualquier fotón de radiofrecuencia, lo que los convierte en excelentes materiales para antenas . Lo mismo ocurre con los electrones libres, pero en este caso, no hay ningún nivel de energía inherente y los electrones reaccionarán ante casi cualquier fotón. [10]
Dentro de una bola de fuego nuclear, el aire está ionizado y está formado por una mezcla de núcleos y electrones libres. Este último refracta las ondas de radio con tanta fuerza que forma una superficie similar a un espejo cuando la densidad de electrones supera un valor crítico. A medida que la bola de fuego irradia energía y se enfría, los iones y electrones se vuelven a formar en átomos y el efecto se desvanece lentamente durante un período de segundos o minutos. Incluso cuando se enfría, la nube atenúa las señales, tal vez hasta el punto de hacerla inútil para el uso del radar. [5]
La reflexión total de la bola de fuego ocurre cuando la frecuencia de radio es menor que la frecuencia del plasma : [11]
Hz
donde es el número de electrones libres por centímetro cúbico. Para una señal de 1 m de longitud de onda (300 MHz), esto ocurre cuando la densidad es de 10 9 electrones libres por centímetro cúbico. [6] Incluso a densidades muy bajas, la ionización refractará la energía de radio. La atenuación se produce mediante colisiones de electrones con neutros según: [3]
× decibeles/km
donde 8,686 es el factor de conversión a una relación de potencia en decibeles a partir de una relación de amplitud neper, es la velocidad de la luz en kilómetros por segundo, es la frecuencia del plasma como se indicó anteriormente, es la frecuencia de la señal de radio y es la frecuencia de colisión de electrones neutros. . Este último es función de la densidad y, por tanto, de la altitud: [3]
× Hz
donde es la densidad del aire a la altitud de la explosión y es la densidad al nivel del mar (1 atm). Dado que la bola de fuego puede expandirse a cientos de kilómetros a gran altitud, esto significa que una atenuación típica de 1 dB por kilómetro a través de una bola de fuego en altitudes medias y altas que se expande hasta 10 km atenuará completamente la señal, haciendo que el seguimiento de objetos en la distancia lado imposible. [12]
Los efectos de la liberación beta exoatmosférica son más difíciles de evaluar porque mucho depende de la geometría de la explosión. Sin embargo, es posible determinar la densidad de los productos de fisión y, por tanto, la relación entre el tamaño del disco de ionización y su fuerza, considerando el rendimiento de productos para una explosión de megatones: [3]
toneladas/unidad de área
¿Dónde está el diámetro del disco para una explosión dada?
Cuando la explosión se produce en la atmósfera, la bola de fuego se forma rápidamente y inicialmente desprende una energía considerable en forma de luz visible y ultravioleta. Esto enfría rápidamente la bola de fuego a unos 5.000 °C, momento en el que el proceso de enfriamiento se ralentiza considerablemente. A partir de entonces, el principal efecto de enfriamiento se produce mediante la transferencia térmica con la masa de aire circundante. Este proceso dura hasta varios minutos y, como hay menos aire en altitudes más altas, la bola de fuego permanece ionizada durante períodos más largos. [12]
En altitudes más altas, de 100.000 a 200.000 pies (30 a 60 km), la densidad del aire no es suficiente para tener un efecto significativo y la bola de fuego continúa enfriándose por radiación. Generalmente, el proceso se describe mediante una constante de recombinación radiativa , que es de aproximadamente 10 −12 centímetros cúbicos por segundo. Si la densidad electrónica inicial es 10 12 , no se producirá una densidad de 10 9 electrones/cm 2 hasta 1.000 segundos, aproximadamente 17 minutos. [12]
En el caso de explosiones puramente exoatmosféricas, las betas que causan el disco de apagón se producen continuamente por los eventos de fisión en los restos de la bomba. Esto está sujeto a la vida media de las reacciones, del orden de segundos. Para mantener un apagón, es necesario satisfacer la ecuación: [13]
Para crear un apagón completo, con 10 9 electrones libres por centímetro cúbico, se necesitan unas 10 toneladas de productos de fisión por kilómetro cuadrado. Esto se puede lograr con una sola bomba típica de 1 Mt. [13]
El apagón es una preocupación especial en los sistemas de defensa antimisiles, donde el efecto puede usarse para anular los radares terrestres al producir grandes áreas opacas detrás de las cuales no se pueden ver las ojivas que se acercan. Dependiendo del tiempo de reacción de los interceptores, esto puede volverlos inútiles ya que las ojivas que se aproximan reaparecen demasiado tarde para que el interceptor desarrolle una pista y dispare su misil. [7]
Para los interceptores de corto alcance como Sprint , el apagón no es una preocupación seria porque toda la interceptación tiene lugar en rangos y altitudes por debajo de donde las bolas de fuego crecen lo suficiente como para bloquear un área significativa del cielo. En el alcance nominal del Sprint de 45 kilómetros (28 millas), su propia ojiva de unos pocos kilotones produciría una bola de fuego de quizás 1 kilómetro (3000 pies) de ancho, lo que representa un ángulo de (1 km/45 km) 2 ≈ 0,0005 estereorradianes (sr). ). A la misma altitud, una explosión de 1 Mt crearía una bola de fuego del orden de 10 kilómetros (6 millas) de ancho, o aproximadamente 0,05 sr, lo que aún no es una preocupación grave. [7]
Sólo un ataque que consistiera en unas pocas docenas de ojivas grandes sería lo suficientemente significativo como para causar problemas a un interceptor de corto alcance. [7] Pero también lo harían las ojivas de los misiles interceptores si explotaran cerca unas de otras, lo cual sería típico porque era "necesario disparar más de un misil defensivo a cada objeto peligroso entrante... [para] asegurar una probabilidad suficientemente alta de [una] muerte." [1] Estas cuestiones se exploraron en la serie de pruebas de la Operación Dominic de 1962 . La conclusión de estas pruebas fue que la única solución a tal perfil de ataque sería utilizar múltiples sistemas de radar uniéndolos y seleccionando el que tenga la visión más clara de los objetivos. [14] Esto aumentaría considerablemente el costo de un sistema ABM, ya que los radares se encontraban entre los componentes más caros de sistemas como Nike-X . [1]
Contra misiles de mayor alcance como el Spartan , estas mismas explosiones a gran altitud representaron un problema más grave. En este caso, se esperaba que el misil realizara intercepciones a distancias de hasta 500 kilómetros (300 millas), una distancia que tardó algún tiempo en alcanzar. Una sola explosión fuera de la atmósfera podría cubrir el área con un disco de hasta 400 kilómetros (250 millas) de diámetro a una altitud de unos 60 kilómetros (40 millas). Una ojiva que apareciera detrás de esta señal estaría demasiado cerca para que el Spartan la atacara con su ojiva de rayos X, que dependía de que la explosión tuviera lugar fuera de la atmósfera. La defensa tendría que lidiar con las ojivas de seguimiento con sus armas de corto alcance como Sprint, o atacar cada ojiva que se acercara a larga distancia en caso de que pudiera ser parte de un ataque de apagón. Los ataques sofisticados con múltiples explosiones apagones fueron un tema de cierta preocupación. [7]
Existe una relación directa entre la longitud de onda del radar y el tamaño de la antena necesaria para proporcionar una resolución determinada. Esto significa que existe una ventaja en el uso de frecuencias más altas para los radares de búsqueda, ya que podrán detectar un objeto de tamaño determinado, como una ojiva o fragmentos de propulsor, desde una antena más pequeña. Sin embargo, generalmente es menos costoso generar energía de radio en frecuencias más bajas, lo que compensa la desventaja en resolución al permitir la construcción de radares más potentes. El equilibrio entre estos dos efectos requiere una optimización cuidadosa. [15]
El apagón del radar confunde aún más estas cuestiones. Inherente a la fórmula anterior es el hecho de que las frecuencias más altas se ocultan durante tiempos más cortos. Esto sugiere que los radares de largo alcance deberían utilizar la frecuencia más alta posible, aunque esto es más difícil y costoso. El PAR de EE. UU . fue diseñado inicialmente para operar en la región VHF para permitirle ser extremadamente potente y al mismo tiempo relativamente barato, pero durante la etapa de diseño, se trasladó a la región UHF para ayudar a mitigar este efecto. [16] Incluso entonces, estaría muy atenuado. [7]
Esto significa que las explosiones exoatmosféricas son muy efectivas contra radares de alerta temprana de largo alcance como el PAR o el Dniéster soviético . Una sola ojiva de 1 Mt detonada a 250 km de altitud estaría a unos 600 kilómetros (400 millas) de distancia dadas las trayectorias típicas, y se podría esperar que creara un disco de ionización de 300 kilómetros (200 millas) de ancho. Visto desde el radar, esto sería un ángulo de (300 km/600 km) 2 ≈ 0,3 sr, suficiente para ocultar cualquier ojiva que se acerque por trayectorias similares. Esto permitiría, por ejemplo, que una única ojiva de un campo de misiles concreto oculte todas las siguientes del mismo campo. Aunque esto no afectaría directamente la operación de los interceptores, al estar fuera del alcance incluso de los Spartan de muy largo alcance, tales operaciones podrían alterar seriamente la dirección del ataque y la planificación general de la batalla. Además, como la explosión se produce fuera del alcance de los interceptores, no existe ningún medio sencillo de detenerla. [8]
Si bien las fórmulas anteriores probablemente sean útiles para discusiones internas, es necesario considerar que se llevaron a cabo pocas pruebas reales de estos efectos debido a varias prohibiciones de pruebas. A lo largo de la historia de las pruebas en EE. UU., solo se llevaron a cabo siete pruebas con la instrumentación adecuada en altitudes de la atmósfera superior de 10 a 25 kilómetros (33 000 a 82 000 pies) que serían apropiadas para un apagón en etapa tardía, y solo dos se probaron en altitudes exoatmosféricas. . Ninguna de estas pruebas contenía múltiples ráfagas, que se esperarían de cualquier ataque que creara deliberadamente un apagón. [7]
