科幻場景中的EMP武器
（來源：vignette.wikia.nocookie.net）
許多軍事愛好者對這種叫作EMP的新式武器並不陌生。EMP其實並不是這種武器的名字，而是物理現象「電磁脈衝」（ElectroMagnetic Pulse）的英文簡稱。人們只是把「EMP武器」簡稱為「EMP」。
被EPM攻擊之後，只有電子設備會失控，電子設備以外的事物，包括人、建築等卻幾乎可以毫髮無損。電磁脈衝指的是突發的、寬帶電磁輻射的高強度脈衝。空間中的電磁場無色無形，但是，電磁場發生變化，可以在電路中產生電流（變壓器的原理）。
對於用電設備或電子設備來說，電磁脈衝劇烈變化的交變電磁場與其中的電子線路發生耦合，會在瞬時產生很強的電流和浪湧，甚至能直接破壞元件。因為這個特徵，EMP武器一般常用於只摧毀對方的軍事抵抗從而進行俘虜和佔領的行動。
我們熟知的核武器也是EMP武器。核爆過程中所產生的γ射線向四周輻射的過程中，和空氣中的氧、氮原子相撞擊，產生帶負電的電子以及極強的電磁場，所以在爆炸周圍一定範圍內的電磁脈衝非常強烈。不過，地面附近的空氣密度很大，中性分子、原子很多，產生的電子難以擴散，對地磁場產生的影響很有限。但是如果在空中可就不一樣了，一些國家曾嘗試過「高空核爆」，也就是在地面幾十至上百公裡以上引爆核彈，這樣就會在地球空間環境中產生效應，並造成非常大範圍的影響，而這個空間區域也就是我們下面要講的地球電離層。
高空核爆的EMP攻擊
（來源：geopoliticalfutures.com）
電離層是我們頭頂上空幾十到上千公裡的、部分電離的大氣。「部分電離」指的是大氣中性分子在太陽輻射下電離成帶電的電子和離子，但其中的成分依然以中性為主，所以被電離的只是一部分，但這一部分已經多到足夠對電磁波傳播產生影響。
1901年12月12日，商人馬可尼的公司在英國發射摩爾斯碼的「S」，自己則在加拿大的聖約翰市指揮助手們用風箏把無線電接收天線帶到約150米高空，並且成功接收到了發來的信號，由於直線傳播是不能到達球形地面的另一端的，這證明了高空中存在能夠反射無線電波的電離層。
馬可尼1901年的無線電實驗
（來源：wikimedia.org）
電離層中空氣的密度非常低——氣壓大概是地面的百萬分之一，但卻有著一定數量的帶電粒子，它們毫無疑問會受到地球的磁場的作用。電離層中的電子和離子在區域分布上受磁場制約，集體大規模運動會受中性風和磁場綜合效應的控制，它們會繞著磁力線旋轉，並根據地球磁場在不同地區的形態不同，出現反射、漂移等微觀層面的運動。一些區域的電子和離子由於發生率、損失率還有碰撞頻率等作用，可能產生堆積，形成電勢差，並作用於地球磁場。此外還有許多其他效應。
這時候，如果高空核爆突然帶來許多新的電子和離子，它們也同樣會被地球磁場捕捉，加入到這些電離層行動中。它們的湧入會造成一定範圍內電磁場強烈的變化，產生極大範圍的擴散電子脈衝。根據報導，1962年6月9日，美國在太平洋強斯頓環礁上空500千米爆炸了一顆140萬噸當量核彈頭，造成1280千米之外的夏威夷瓦胡島上出現大面積停電、電話中斷、收音機不響、各種電子儀器故障，這讓專家們都震驚於在電離層中孵化出的EMP的強大威力。後來根據計算，當量1000噸的氫彈如在40千米高空爆炸，可能影響整個歐洲。
高空EMP的影響範圍非常大
（來源：geopoliticalfutures.com）
正是看到EMP武器的威力和前景，一些國家投入到相關的研發，據稱1991年海灣戰爭期間美軍就在E-8「聯合星」飛機上攜帶和使用了EMP武器。1998年，俄羅斯發明了重8公斤的小型強電流電子加速器，爆炸時發出X射線、高功率微波，可破壞電子設備。近年來一些關於EMP武器的信息層出不窮，才催生出科幻影視、遊戲場景中對普及的小型化EMP武器的想像。
事實上，並非只有我們人類有能力操控這種物理現象，大自然也能進行EMP攻擊。
人類希望讓EMP武器小巧而可控，但大自然可不管這些，它肆意妄為仿佛是調皮的孩子。如果說高空核爆只是人類扣動扳機後，由地球電離層進行放大的EMP武器，那麼太陽風暴則毫無疑問是更加具有規模和破壞力的自然界的EMP武器的扳機。太陽風暴包含著許多電磁活動過程，會對我們人類在地球修建的電網、電子設備產生致命的攻擊。
著名電影《2012》創作的靈感，就來自科學家對強大太陽風暴影響地球空間環境，進而損害人類電網、電子設備這一風險的提醒。
強太陽風暴時太陽噴出的物質
（來源：https://3iom3142cnb81rlnt6w4mtlr-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2016/05/fig12-702x336.jpg）
那麼這種「純天然」的「EMP武器」是怎麼運作的呢？
太陽爆發期間，它的大量物質噴發進入宇宙中，也就是「日冕物質拋射」。來自太陽的高速等離子體攜帶著太陽的磁場衝擊地球磁層（地球磁場在宇宙空間中控制的區域），會使磁層壓縮變形。太陽等離子通常攜帶著南北方向轉動的磁場，當磁場轉為南向時，和地磁場發生強的相互作用，會將巨大的能量帶入到地球磁層（不過一般是大量進入地球背面），帶電粒子因為磁層的過程注入到被稱為環電流的地球周圍的電流當中，變化的電流會產生變化的磁場，從而引起全球範圍劇烈的地磁擾動。
這些過程也會引起電離層以及其中磁場的劇烈變化，因此被稱為「電離層暴」。人們用Dst指數衡量地磁場擾動的強烈程度，這個指數是全球通用的。Dst 指數平時往往是負幾或者幾十，也有正值，都不大，但是在強擾動下會變成-50以下，乃至負幾百。
2020年6月全球的Dst指數
磁暴時，劇烈變化的地磁場會在地球電離層中產生快速變化的強電流，它們再感應出變化磁場，就會形成對地面的「EMP攻擊」。這些變化的空間磁場在地面、長距離高壓輸電線、變壓器接地點組成的迴路中產生電流，這便是地磁感應電流（GeomagneticallyInduced Current，簡稱 GIC）。在大磁暴時，輸電網絡中產生的地磁感應電流可以達到幾十到幾百安培。正如我們前邊介紹的，這種電流過程足以對電路元件產生傷害。
這種現象當然並非只是科學家的憑空想像。1989年3月13日，一次太陽風暴引發了地球一系列的效應，最終極大地損害了加拿大魁北克地區的電網，導致該地區出現大範圍的斷電事故，受直接影響的居民人數達到600萬人，停電時長達到9個小時，造成了高達數千萬美元的經濟損失，這次事件被稱為「魁北克事件」。
由此可見，自然界的EMP攻擊才是真正的EMP「大神」呀。
出品：科普中國
製作：王錚（中國科學院國家空間科學中心）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
本文來源於」中國科普博覽「公眾號（kepubolan），轉載請註明公眾號出處來源：中國科普博覽
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