El efecto Christofilos , a veces conocido como efecto Argus , se refiere al atrapamiento de electrones de armas nucleares en el campo magnético de la Tierra . Fue predicho por primera vez en 1957 por Nicholas Christofilos , quien sugirió que el efecto tenía potencial defensivo en una guerra nuclear , con tantas partículas beta atrapadas que las ojivas que volaran a través de la región experimentarían enormes corrientes eléctricas que destruirían sus componentes electrónicos de disparo. El concepto de que unas pocas ojivas amigas podían interrumpir un ataque enemigo era tan prometedor que se apresuró a incluir en el calendario estadounidense una serie de nuevas pruebas nucleares antes de que entrara en vigor una moratoria de las pruebas a finales de 1958. Estas pruebas demostraron que el efecto no era tan fuerte. como se predijo, y no lo suficiente como para dañar una ojiva. Sin embargo, el efecto es lo suficientemente fuerte como para usarse para apagar los sistemas de radar y desactivar los satélites .
Entre los tipos de energía liberada por una explosión nuclear se encuentran una gran cantidad de partículas beta , o electrones de alta energía . [1] Estos son principalmente el resultado de la desintegración beta dentro de los escombros de las porciones de fisión de la bomba, que, en la mayoría de los diseños, representa aproximadamente el 50% del rendimiento total. [2]
Debido a que los electrones están cargados eléctricamente, inducen corrientes eléctricas en los átomos circundantes cuando pasan a gran velocidad. Esto hace que los átomos se ionicen y al mismo tiempo hace que las partículas beta se ralenticen. En la atmósfera inferior, esta reacción es tan poderosa que las partículas beta disminuyen su velocidad hasta alcanzar velocidades térmicas de unas pocas decenas de metros como máximo. Esto está dentro de una típica bola de fuego de explosión nuclear, por lo que el efecto es demasiado pequeño para ser visto. [2]
A grandes altitudes, la atmósfera mucho menos densa significa que los electrones pueden viajar largas distancias. Tienen suficiente energía para que no sean recapturados por el protón que se crea en la desintegración beta, por lo que, en teoría, pueden durar indefinidamente. [1] [3]
En 1951, como parte de la primera ola de investigación sobre la energía de fusión , el investigador del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Livermore ("Livermore") Richard F. Post introdujo el concepto de espejo magnético . El espejo es un dispositivo engañosamente simple, que consiste en gran parte en una cámara de vacío cilíndrica que contiene el combustible de fusión y un electroimán enrollado alrededor de ella para formar un solenoide modificado . [4]
Un solenoide normalmente genera un campo magnético lineal a lo largo del centro de su eje, en este caso en el centro de la cámara de vacío. Cuando las partículas cargadas se colocan en un campo magnético, orbitan alrededor de las líneas de campo , lo que, en este caso, evita que se muevan hacia los lados y golpeen las paredes de la cámara. En un solenoide normal, aún serían libres de moverse a lo largo de las líneas y así escapar por los extremos. La idea de Post fue enrollar el electroimán de tal manera que el campo fuera más intenso en los extremos que en el centro de la cámara. A medida que las partículas fluyen hacia los extremos, estos campos más fuertes fuerzan a las líneas a unirse, y el campo curvo resultante hace que las partículas se "reflejen" hacia atrás, lo que lleva al nombre espejo . [4]
En un espejo magnético perfecto, las partículas de combustible rebotarían hacia adelante y hacia atrás, sin llegar nunca a los extremos ni tocar los lados del cilindro. Sin embargo, incluso en teoría, ningún espejo es perfecto; Siempre hay una población de partículas con la energía y trayectoria adecuadas que les permiten salir de los extremos a través del "cono de pérdida". [5] Esto hace que los espejos magnéticos sean sistemas inherentemente con fugas, aunque los cálculos iniciales sugirieron que la tasa de fugas era lo suficientemente baja como para que aún se pudiera usar para producir un reactor de fusión . [6]
La forma del campo magnético de la Tierra, o campo geomagnético , es similar a la de un espejo magnético. El campo se expande sobre el ecuador y luego se estrecha a medida que se acerca a los polos . Un campo así reflejaría partículas cargadas de la misma manera que los espejos de Post. Esta no fue una revelación nueva; Desde hace mucho tiempo se entendió que era la base subyacente para la formación de la aurora . En el caso de la aurora, las partículas del viento solar comienzan a orbitar alrededor de las líneas de campo, rebotando hacia adelante y hacia atrás entre los polos. Con cada paso, algunas de las partículas pasan por los puntos del espejo e interactúan con la atmósfera, ionizando el aire y provocando la luz. [7]
Los electrones liberados por eventos de fisión generalmente están en el rango de 1 a 2 MeV (0,16 a 0,32 pJ ). Inicialmente, estos estarían sujetos a reflejos en lo alto de la atmósfera, donde es poco probable que reaccionen con los átomos atmosféricos y podrían reflejarse de un lado a otro durante algún tiempo. Cuando se considera una "órbita" completa desde el polo norte al sur y viceversa, los electrones naturalmente pasan más tiempo en las regiones especulares porque es allí donde se desaceleran y se invierten. Esto conduce a una mayor densidad de electrones en los puntos especulares. El campo magnético creado por los electrones en movimiento en esta región interactúa con el campo geomagnético de una manera que hace que los puntos del espejo sean empujados hacia la atmósfera. Aquí, los electrones sufren más interacciones a medida que la densidad de la atmósfera aumenta rápidamente. Estas interacciones ralentizan los electrones, por lo que producen menos campo magnético, lo que da como resultado que se alcance un punto de equilibrio en la atmósfera superior a unos 110 kilómetros (70 millas) de altitud. [8]
Usar esto como altitud promedio como base para el cálculo de la densidad del aire permitió calcular la tasa de interacción con la atmósfera. Al hacer los números, parecía que la vida media de un electrón sería del orden de 2,8 días. [9]
A modo de ilustración, Christofilos consideró la explosión de una bomba de 1 Mt (4,2 PJ ). Esto produciría 10 26 eventos de fisión, que a su vez producirían cuatro electrones por fisión. Para los puntos de espejo considerados, casi cualquier partícula beta que se desplazara aproximadamente hacia arriba o hacia abajo sería capturada, lo que estimó que era aproximadamente la mitad de ellas, dejando 2 × 10 26 electrones atrapados en el campo. Debido a la forma del campo de la Tierra y a los resultados de la regla de la mano derecha , los electrones se desplazarían hacia el este y eventualmente crearían una capa alrededor de toda la Tierra. [9]
Suponiendo que los electrones estuvieran distribuidos uniformemente, se produciría una densidad de 0,2 electrones por centímetro cúbico. Como los electrones se mueven rápidamente, cualquier objeto dentro del campo estaría sujeto a impactos de aproximadamente 1,5×10 9 electrones por segundo por centímetro cuadrado. [9] Estos impactos hacen que los electrones se desaceleren, lo que, a través de bremsstrahlung , libera radiación en el objeto. La tasa de bremsstrahlung depende de la masa atómica relativa , o Z , del material. Para un objeto con una Z promedio de 10, [a] el flujo resultante es de aproximadamente 100 roentgen /hora, en comparación con la dosis letal media de aproximadamente 450. Christofilos señaló que esto sería un riesgo significativo para los viajeros espaciales y sus equipos electrónicos. [9]
A medida que los vehículos de reentrada (RV) de los misiles balísticos intercontinentales se acercan a sus objetivos, viajan a unos 8 kilómetros por segundo (5 mi/s), o alrededor de 28.000 kilómetros por hora (17.000 mph). Un RV que viajara a través de la capa del espejo, donde los electrones son más densos, estaría en medio del campo eléctrico durante unos diez segundos. Debido a la alta velocidad de una ojiva , el aparente pico de voltaje induciría una enorme corriente en cualquiera de sus componentes metálicos. Esto podría ser tan alto como para derretir la estructura del avión, pero, de manera más realista, podría destruir el gatillo o los mecanismos de guía. [10] [11] [b]
La densidad del campo es mayor en los puntos especulares, de los cuales siempre hay dos para una determinada explosión, los llamados conjugados magnéticos . La explosión puede tener lugar en cualquiera de estos dos puntos, y el campo magnético hará que se concentren también en el otro punto. Christofilos señaló que el punto conjugado para la mayor parte de los Estados Unidos continentales está en el Pacífico Sur , en el extremo oeste de Chile , donde tales explosiones no se notarían. Por lo tanto, si se hiciera explotar una serie de bombas de este tipo en estos lugares, se formaría un enorme cinturón de radiación sobre Estados Unidos, que podría desactivar las ojivas de un ataque soviético . [12]
De interés adicional para los planificadores militares fue la posibilidad de utilizar este efecto como arma ofensiva. En el caso de un ataque de las fuerzas estadounidenses a la Unión Soviética, las ubicaciones conjugadas del sur generalmente se encuentran en el Océano Índico , donde no serían vistas por el radar de alerta temprana soviético . Una serie de explosiones provocaría un apagón masivo de radar sobre Rusia, degradando su sistema de misiles antibalísticos (ABM) sin previo aviso. Dado que se esperaba que estos efectos duraran hasta cinco minutos, aproximadamente el tiempo que un radar con línea de visión en Rusia tendría para ver las ojivas, una sincronización cuidadosa del ataque podría inutilizar el sistema ABM. [11]
Christofilos comenzó su carrera en física mientras leía artículos de revistas en una empresa de ascensores durante la ocupación del Eje en Grecia, cuando tenía poco más que hacer. En la posguerra, puso en marcha un servicio de reparación de ascensores, tiempo durante el cual comenzó a desarrollar el concepto hoy conocido como enfoque fuerte , un desarrollo clave en la historia de los aceleradores de partículas . En 1949, envió una carta describiendo la idea al Laboratorio de Berkeley , pero la rechazaron tras encontrar un error menor. En 1952, la idea se desarrolló de forma independiente en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , que publicó sobre el tema. Convencido de que le habían robado la idea, Christofilos viajó a Estados Unidos, donde consiguió un trabajo en Brookhaven. [13]
Christofilos pronto se interesó más en los esfuerzos de fusión nuclear que en el diseño de aceleradores de partículas. En ese momento, se estaba trabajando activamente en tres diseños principales en el programa estadounidense: el espejo magnético, el stellarator y el z-pinch . El espejo a menudo era visto desfavorablemente debido a su inherente filtración, un efecto secundario de sus líneas de campo abiertas. Christofilos desarrolló un nuevo concepto para abordar este problema, conocido como Astron . Consistía en un espejo con un acelerador de partículas asociado que inyectaba electrones fuera del área del espejo tradicional. Su rápido movimiento formó un segundo campo magnético que se mezcló con el del electroimán y provocó que el campo neto resultante se "cerrara", solucionando el mayor problema del espejo. [14]
Durante el mismo período, Estados Unidos estaba haciendo planes para probar la presencia de la capa cargada esperada directamente utilizando el satélite Explorer 1 como parte del Año Geofísico Internacional (IGY). Antes del lanzamiento del Explorer, los soviéticos sorprendieron a todos con el lanzamiento del Sputnik 1 en octubre de 1957. Este evento casi causó pánico en los círculos de defensa estadounidenses, donde muchos concluyeron que los soviéticos habían logrado una ventaja científica insuperable. [10]
Entre los preocupados por los avances soviéticos estaba Christofilos, quien publicó su idea en un memorando interno ese mismo mes. [15] Cuando el Explorer se lanzó en enero de 1958, confirmó la existencia de lo que se conoció como los cinturones de radiación de Van Allen . [16] Esto llevó a un nuevo pánico dentro del establishment de defensa cuando algunos concluyeron que los cinturones de Van Allen no se debían a las partículas del Sol, sino a pruebas nucleares secretas soviéticas a gran altitud del concepto de Christofilos. [10]
La idea de Christofilos despertó inmediatamente un intenso interés; Si el concepto funcionara en la práctica, Estados Unidos tendría una "bala mágica" que podría inutilizar la flota soviética de misiles balísticos intercontinentales. [10] En febrero de 1958, James Rhyne Killian , presidente del recientemente formado Comité Asesor Científico del Presidente (PSAC), convocó un grupo de trabajo en Livermore para explorar el concepto. El grupo estuvo de acuerdo en que el concepto básico era sólido, pero muchas cuestiones prácticas sólo podrían resolverse mediante pruebas directas con explosiones a gran altura. [17]
En ese momento, la planificación de la serie de pruebas nucleares de 1958, Operación Hardtack I , ya estaba a punto de completarse. Esto incluyó varias explosiones a gran altitud lanzadas sobre el campo de pruebas del Pacífico Sur. Como estaban relativamente cerca del ecuador, el punto de inyección adecuado para el campo magnético estaba a una altitud relativamente alta, mucho más alta que los 75 kilómetros (47 millas) de Shot Teak. Esto limitaría la utilidad de estas explosiones para probar el efecto Christofilos. Sería necesaria una nueva serie de explosiones para probar el efecto. [18]
A la urgencia del proceso de planificación se sumaron las negociaciones en curso en Ginebra entre Estados Unidos y la URSS para acordar lo que eventualmente se convirtió en el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares . En ese momento, parecía que una prohibición de pruebas podría entrar en vigor en el otoño de 1958 en el hemisferio norte . [19] Los soviéticos reaccionarían negativamente si Estados Unidos comenzara pruebas a gran altitud mientras se llevaban a cabo las negociaciones. [16] A los planificadores se les encomendó la tarea de completar las pruebas antes del 1 de septiembre de 1958. [19]
El lanzamiento del Sputnik también dio lugar a la formación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA) en febrero de 1958, inicialmente con la misión de centralizar los diversos proyectos de desarrollo de misiles estadounidenses. Su estatuto pronto se amplió para considerar el tema de la defensa en general, especialmente la defensa contra ataques con misiles que el Sputnik dejó claro que era una posibilidad real. El director científico de ARPA, Herbert York , formó un comité especial bajo el nombre de "Proyecto 137" para "identificar problemas que ahora no reciben la atención adecuada". El comité de veintidós hombres para determinar quién es quién en el mundo de la física estaba presidido por John Archibald Wheeler , quien popularizó el término agujero negro . [10]
York informó al presidente Eisenhower sobre el concepto de Christofilos y, el 6 de marzo de 1958, recibió luz verde para realizar una serie de pruebas separadas. [10] Durante los dos meses siguientes se llevó a cabo una intensa planificación. [17] Christofilos no tenía autorización Q y no pudo ser parte de la planificación. No obstante, el grupo del Proyecto 137 organizó una reunión de Christofilos con ellos en Fort McNair el 14 de julio de 1958 para discutir los planes. [dieciséis]
Para cumplir el plazo de septiembre, sería necesario extraer la mayor cantidad posible de armas y equipos de las existencias existentes. Esto dio como resultado que el único lanzador adecuado fuera el Lockheed X-17 , que estaba en producción para pruebas de reentrada y estaba disponible en cierta cantidad. Desafortunadamente, la capacidad de altitud limitada del X-17 significó que no pudo alcanzar la altitud requerida para alcanzar puntos espejo en el Pacífico Sur sobre los campos de pruebas. La única área que tenía un campo lo suficientemente bajo como para que el X-17 impactara fácilmente fue la Anomalía del Atlántico Sur , donde el Cinturón de Van Allen desciende hasta 200 kilómetros (660.000 pies). [20]
La planificación de las pruebas normalmente llevaba un año o más, razón por la cual las pruebas normalmente se realizaban en "series" muy cercanas entre sí. Por el contrario, las pruebas de la Operación Argus pasaron de la aprobación inicial por parte del Presidente el 6 de marzo de 1958 a las pruebas reales en sólo cinco meses. Entre otras novedades, las pruebas debían mantenerse en completo secreto desde el principio hasta su finalización, fueron las primeras pruebas de misiles balísticos desde un barco en el mar y fueron la única operación de prueba nuclear atmosférica en el Océano Atlántico . [21] Los planes finales fueron aprobados por el presidente el 1 de mayo de 1958. [22]
Para medir el efecto, en agosto se lanzaron el Explorer IV y el Explorer V , aunque sólo el IV alcanzó la órbita. [15] La Operación Argus se llevó a cabo a finales de agosto y principios de septiembre de 1958. Se detonaron tres bombas atómicas de bajo rendimiento sobre el Atlántico sur a una altura de 480 kilómetros (300 millas). Las bombas liberaron partículas cargadas que se comportaron exactamente como Christofilos había predicho, quedando atrapadas a lo largo de las líneas de fuerza. Aquellos que lograron penetrar lo suficiente en la atmósfera hacia el norte y el sur formaron una pequeña tormenta magnética. [dieciséis]
Estas pruebas demostraron que la posibilidad de utilizar el efecto como sistema defensivo no funcionó. Sin embargo, las fuentes disponibles aún no aportan detalles exactos sobre la falta de eficacia. La mayoría de las referencias afirman que el efecto no duró lo suficiente como para ser útil, [16] [10] y un informe de ARPA concluyó que "se disipó rápidamente" y, por lo tanto, tendría poco valor como sistema antiojiva. [23] Sin embargo, otras fuentes afirman que el efecto persistió durante más de seis días en la última prueba. [22]
A finales de junio de 1958, Hanson Baldwin , corresponsal militar del New York Times ganador del premio Pulitzer , recibió tentadores indicios de una importante operación militar estadounidense. Ahora se cree que esto se filtró desde el laboratorio de la Universidad de Iowa dirigido por James Van Allen , que estuvo trabajando con ARPA en Argus durante este período. Baldwin preguntó a su colega científico Walter Sullivan (periodista) sobre el asunto. Sullivan habló con Richard Porter, presidente del Panel del IGY sobre cohetes y satélites, quien estaba "horrorizado" por la cantidad de información que Baldwin había descubierto. Una hora después, [ ¿cuándo? ] Sullivan recibió una llamada de ARPA, pidiéndole que retuviera la historia hasta que se completaran las pruebas. [24]
A finales de año, una vez terminadas las pruebas y el concepto en gran medida abandonado, Christofilos pudo hablar abiertamente sobre el concepto en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en octubre de 1958 , omitiendo sólo el detalle de que una bomba atómica se usaría para crear la radiación. En la reunión de diciembre de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , Sullivan escuchó que se estaba preparando para su publicación un artículo sobre el tema, titulado "Modificación artificial del cinturón de radiación de la Tierra". Sullivan y Baldwin se dieron cuenta de que estaban a punto de perder la "primicia", por lo que Sullivan escribió a York pidiendo autorización, ya que estaba claro que otros reporteros se estaban enterando de las pruebas. York discutió el asunto con James Killian , presidente del Comité Asesor Científico del Presidente (PSAC), quien agregó que Van Allan también estaba presionando duramente por los derechos de publicación. [24]
Más tarde, Sullivan dejó claro su punto de vista sobre la información que sale de todos modos llamando a las estaciones de monitoreo del IGY y preguntando sobre los registros de auroras durante agosto y septiembre. Le dijeron que hubo un "evento bastante notable" que no correspondía a ninguna tormenta solar conocida. Envió otra carta a York, señalando que las pistas sobre el proyecto ya eran públicas y simplemente estaban esperando a que alguien conectara los puntos. York lo llamó al Pentágono y le pidió nuevamente que esperara. Sullivan concluyó que esto ya no se debía a una necesidad militar sino política; Las negociaciones sobre la prohibición de los ensayos estaban en curso y la repentina publicación de la noticia de que Estados Unidos había realizado nuevos ensayos en el espacio sería un problema grave. Sullivan y Baldwin una vez más se sentaron en la historia. [24]
En febrero de 1959, Killian estaba en Nueva York dando un discurso. Sullivan asistió y al final le entregó una carta. Los dos se sentaron y Killian lo leyó. La carta destacaba el hecho de que se estaba filtrando una cantidad cada vez mayor de información sobre las pruebas y que el Times había estado esperando pacientemente una aprobación del Pentágono que parecía no llegar. Mientras tanto, los científicos que trabajaban en el proyecto hablaban cada vez más sobre la publicación de los datos, y una reunión a finales de febrero [ se necesita aclaración ] dio lugar a discusiones. En una reunión del PSAC, Killian finalmente acordó publicar los datos en la reunión de abril de la Academia Nacional de Ciencias , pero aún no se lo dijo al Times . [24]
Baldwin y Sullivan ya estaban hartos; fueron a la cima de la jerarquía del Times , el editor Arthur Hays Sulzberger , el presidente Orvil E. Dryfoos y el editor en jefe Turner Catledge , quienes aprobaron la publicación. El 18 de marzo de 1959, Sullivan intentó llamar a Killian pero contactó a su asistente, mientras Baldwin hablaba con el director de ARPA, Roy Johnson. Los dos escribieron la historia esa noche, esperando la llamada telefónica que volvería a acabar con la historia. El teléfono nunca sonó y la historia se publicó al día siguiente. [24]
En 2008, el escritor científico Mark Wolverton señaló las preocupaciones actuales sobre el uso del efecto Christofilos como forma de desactivar los satélites. [dieciséis]
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