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 su electrónica de activación. El concepto de que unas pocas ojivas amigas podrían interrumpir un ataque enemigo era tan prometedor que una serie de nuevas pruebas nucleares se apresuraron a incluirse en el programa de EE. UU. antes de que entrara en vigencia una moratoria de pruebas a fines 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 ser utilizado para apagar los sistemas de radar y desactivar los satélites .
Entre los tipos de energía liberados 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 restos de las porciones de fisión de la bomba, que, en la mayoría de los diseños, representa aproximadamente el 50% del rendimiento total. [2]
Como los electrones están cargados eléctricamente, inducen corrientes eléctricas en los átomos circundantes cuando pasan a gran velocidad por ellos. Esto hace que los átomos se ionicen y, al mismo tiempo, hace que las partículas beta disminuyan su velocidad. En la atmósfera inferior, esta reacción es tan potente que las partículas beta disminuyen su velocidad hasta alcanzar velocidades térmicas en 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 permite que los electrones puedan viajar largas distancias. Tienen suficiente energía para que no sean capturados 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 Richard F. Post del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Livermore ("Livermore") introdujo el concepto de espejo magnético . El espejo es un dispositivo engañosamente simple, que consiste principalmente 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 medio 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 lateralmente 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 fuerte en los extremos que en el centro de la cámara. A medida que las partículas fluyen hacia los extremos, estos campos más fuertes fuerzan las líneas a unirse, y el campo curvo resultante hace que las partículas se "reflejen" hacia atrás, lo que lleva al nombre de espejo . [4]
En un espejo magnético perfecto, las partículas de combustible rebotarían de un lado a otro, 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 la trayectoria adecuadas que les permiten fluir hacia afuera por los extremos a través del "cono de pérdida". [5] Esto hace que los espejos magnéticos sean sistemas inherentemente permeables, aunque los cálculos iniciales sugirieron que la tasa de fugas era lo suficientemente baja como para que aún se pudiera utilizar 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 hacia afuera sobre el ecuador y luego se estrecha a medida que se acerca a los polos . Un campo de este tipo reflejaría partículas cargadas de la misma manera que los espejos de Post. Esta no era una revelación nueva; ya se sabía desde hacía tiempo 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 de un lado a otro entre los polos. Con cada paso, algunas de las partículas se filtran más allá de los puntos del espejo e interactúan con la atmósfera, ionizando el aire y causando la luz. [7]
Los electrones liberados por los eventos de fisión están generalmente 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 hasta el sur y viceversa, los electrones naturalmente pasan más tiempo en las regiones de espejo porque es allí donde están desacelerando y revirtiendo. Esto conduce a una mayor densidad de electrones en los puntos de espejo. 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 de espejo sean forzados a descender hacia la atmósfera. Aquí, los electrones experimentan más interacciones a medida que la densidad de la atmósfera aumenta rápidamente. Estas interacciones desaceleran los electrones para que produzcan menos campo magnético, lo que resulta en un punto de equilibrio que se alcanza en la atmósfera superior a unos 110 kilómetros (70 mi) de altitud. [8]
El uso de esta altitud media como base para el cálculo de la densidad del aire permitió calcular la tasa de interacción con la atmósfera. Al hacer los cálculos, resultó que la vida media de un electrón sería del orden de 2,8 días. [9]
Como ejemplo, Christofilos consideró la explosión de una bomba de 1 Mt (4,2 PJ ). Esto produciría 10 26 eventos de fisión, que a su vez producen cuatro electrones por fisión. Para los puntos de espejo considerados, casi cualquier partícula beta que viaje aproximadamente hacia arriba o hacia abajo sería capturada, lo que estimó que sería aproximadamente la mitad de ellas, dejando 2×10 26 electrones atrapados en el campo. Debido a la forma del campo de la Tierra y 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 se distribuyeran uniformemente, se produciría una densidad de 0,2 electrones por centímetro cúbico. Debido a que 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 disminuyan su velocidad, lo que, a través de la radiación de frenado , libera radiación en el objeto. La tasa de radiación de frenado 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 su equipo electrónico. [9]
Cuando los vehículos de reentrada (RV) de los ICBM 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 viaja a través de la capa de 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. Esta podría ser tan alta como para fundir la estructura del avión, pero, de manera más realista, podría destruir el disparador o los mecanismos de guía. [10] [11] [b]
La densidad del campo es máxima en los puntos espejo, de los cuales siempre hay dos para una explosión dada, 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 , muy al oeste de Chile , donde tales explosiones no se notarían. Por lo tanto, si uno hiciera explotar una serie de tales bombas en estos lugares, se formaría un cinturón de radiación masivo sobre los EE. UU., que podría inutilizar las ojivas de un ataque soviético . [12]
Otro aspecto de interés para los planificadores militares fue la posibilidad de utilizar este efecto como arma ofensiva. En caso de un ataque de las fuerzas estadounidenses a la Unión Soviética, las posiciones conjugadas del sur suelen estar en el océano Índico , donde no serían detectadas por el radar de alerta temprana soviético . Una serie de explosiones provocaría un apagón masivo del 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 tendría un radar de línea de visión en Rusia para detectar las ojivas, una sincronización cuidadosa del ataque podría dejar inservible 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 de Grecia, cuando no tenía mucho más que hacer. En la era de la posguerra, inició un servicio de reparación de ascensores, 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 Berkeley , pero la rechazaron después de 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 habían robado la idea, Christofilos viajó a los EE. UU., donde logró ganar 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, había tres diseños principales en los que se trabajaba activamente en el programa estadounidense: el espejo magnético, el stellarator y el z-pinch . El espejo a menudo era visto desfavorablemente debido a su inherente permeabilidad, un efecto secundario de sus líneas de campo abiertas. Christofilos desarrolló un nuevo concepto para abordar este problema, conocido como Astron . Este consistía en un espejo con un acelerador de partículas asociado que inyectaba electrones fuera del área tradicional del espejo. Su rápido movimiento formaba un segundo campo magnético que se mezclaba con el del electroimán y hacía que el campo neto resultante se "cerrara", solucionando el mayor problema del espejo. [14]
Durante el mismo período, Estados Unidos estaba elaborando planes para probar la presencia de la capa cargada esperada directamente utilizando el satélite Explorer 1 como parte del Año Geofísico Internacional (AGI). Antes del lanzamiento del Explorer, los soviéticos sorprendieron a todos con el lanzamiento del Sputnik 1 en octubre de 1957. Este evento provocó casi 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 provocó un nuevo pánico dentro del establecimiento 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 funcionaba en la práctica, Estados Unidos tendría una "bala mágica" que podría dejar inservible la flota de misiles balísticos intercontinentales soviéticos. [10] En febrero de 1958, James Rhyne Killian , presidente del recién formado Comité Asesor Científico del Presidente (PSAC), convocó a un grupo de trabajo en Livermore para explorar el concepto. El grupo estuvo de acuerdo en que el concepto básico era sólido, pero muchos problemas prácticos solo podrían resolverse mediante pruebas directas con explosiones a grandes altitudes. [17]
En ese momento, la planificación de la serie de pruebas nucleares de 1958, la Operación Hardtack I , ya estaba casi terminada. Esto incluía varias explosiones a gran altitud lanzadas sobre el campo de pruebas del Pacífico Sur. Como estas se encontraban 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. Se necesitaría 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 los EE. UU. y la URSS para acordar lo que finalmente se convirtió en el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares . En ese momento, parecía que la prohibición de ensayos podría entrar en vigor en el otoño de 1958 en el hemisferio norte. [19] Los soviéticos reaccionarían negativamente si los EE. UU. comenzaban a realizar pruebas a gran altitud mientras se llevaban a cabo las negociaciones. [16] A los planificadores se les dio la tarea de completar las pruebas para el 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 de Estados Unidos. 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 la ARPA, Herbert York , formó un comité de alto nivel bajo el nombre de "Proyecto 137" para "identificar problemas que ahora no reciben la atención adecuada". El comité de veintidós hombres de 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 del Christofilos y, el 6 de marzo de 1958, recibió el visto bueno para realizar una serie de pruebas por separado. [10] Se llevó a cabo una intensa planificación durante los dos meses siguientes. [17] El Christofilos no tenía autorización Q y no podía formar parte de la planificación. No obstante, el grupo del Proyecto 137 organizó una reunión con el Christofilos en Fort McNair el 14 de julio de 1958 para discutir los planes. [16]
Para cumplir con el plazo de septiembre, habría que 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 reingreso y estaba disponible en cierta cantidad. Desafortunadamente, la capacidad de altitud limitada del X-17 significaba que no podía alcanzar la altitud requerida para alcanzar puntos espejo en el Pacífico Sur sobre los campos de prueba. La única área que tenía un campo lo suficientemente bajo para que el X-17 pudiera alcanzar fácilmente era 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, por lo que las pruebas normalmente se realizaban en "series" muy espaciadas. En cambio, las pruebas de la Operación Argus pasaron de la aprobación inicial del Presidente el 6 de marzo de 1958 a las pruebas reales en sólo cinco meses. Entre otras novedades, las pruebas debían mantenerse completamente en secreto desde el principio hasta después de su finalización, eran las primeras pruebas de misiles balísticos desde un barco en el mar y eran 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 los Explorer IV y Explorer V , aunque solo 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. Las que lograron llegar lo suficientemente lejos en la atmósfera hacia el norte y el sur crearon una pequeña tormenta magnética. [16]
Estas pruebas demostraron que la posibilidad de utilizar el efecto como sistema defensivo no funcionaba. Sin embargo, las fuentes disponibles no ofrecen detalles exactos sobre la falta de eficacia. La mayoría de las referencias indican que el efecto no duró lo suficiente como para ser útil [16] [10] y un informe de la ARPA concluyó que "se disipó rápidamente" y, por lo tanto, tendría poco valor como sistema antibombas [23] . Sin embargo, otras fuentes indican que el efecto persistió durante más de seis días en la última prueba [22] .
A finales de junio de 1958, Hanson Baldwin , un corresponsal militar del New York Times ganador del premio Pulitzer , recibió pistas tentadoras sobre una importante operación militar estadounidense. Ahora se cree que esto se filtró del laboratorio de la Universidad de Iowa dirigido por James Van Allen , que estuvo trabajando con ARPA en Argus durante este período. Baldwin le preguntó a su colega reportero 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, con las pruebas terminadas y el concepto prácticamente abandonado, Christofilos pudo hablar abiertamente sobre el concepto en una reunión de octubre de 1958 de la Sociedad Estadounidense de Física , omitiendo únicamente el detalle de que se utilizaría una bomba atómica para crear la radiación. En la reunión de diciembre de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , Sullivan se enteró de 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 su "primicia", por lo que Sullivan le escribió a York pidiendo autorización, ya que estaba claro que otros periodistas se estaban enterando de las pruebas. York discutió el asunto con James Killian , presidente del Comité Asesor Científico de los Presidentes (PSAC), quien agregó que Van Allan también estaba presionando mucho para obtener los derechos de publicación. [24]
Sullivan más tarde recalcó su punto de vista sobre la información que se estaba publicando de todos modos llamando a las estaciones de monitoreo del IGY y preguntando por los registros de auroras durante agosto y septiembre. Le dijeron que había 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 uniera 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 a una cuestión política; las negociaciones para la prohibición de pruebas estaban en curso y la repentina publicación de noticias de que Estados Unidos había realizado nuevas pruebas en el espacio sería un problema grave. Sullivan y Baldwin una vez más se quedaron callados. [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 la 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 la aprobación del Pentágono que parecía no llegar. Mientras tanto, los científicos que trabajaban en el proyecto se mostraban cada vez más abiertos a la publicación de los datos, y una reunión a finales de febrero [ aclaración necesaria ] dio lugar a discusiones. En una reunión del PSAC, Killian finalmente aceptó publicar los datos en la reunión de abril de la Academia Nacional de Ciencias , pero todavía no se lo dijo al Times . [24]
Baldwin y Sullivan ya habían tenido suficiente; se dirigieron 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 en su lugar se comunicó con su asistente, mientras que Baldwin habló con el director de ARPA, Roy Johnson. Los dos escribieron la historia esa noche, esperando la llamada telefónica que mataría nuevamente 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 una forma de desactivar los satélites. [16]
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