核停電

核爆弾が地表近くで爆発すると、濃密な大気が放出された多くの素粒子と相互作用します。これは通常、数メートル程度の短い距離で起こります。このエネルギーによって空気が加熱され、すぐに電離して白熱し、数マイクロ秒以内にほぼ球形の火球が形成されます。^{[ 2 ]}

実際の爆発はよりゆっくりとした速度で進行し、強力な衝撃波が外側に向かって伝播します。衝撃波によって放出されるエネルギーは、空気を圧縮加熱して白熱させ、2つ目の火球を作り出すのに十分です。この2つ目の火球は膨張を続け、放射性の火球を追い越します。膨張するにつれて、衝撃波のエネルギー量は逆二乗法則に従って減少し、さらに可視光線と紫外線スペクトルの直接放射によってエネルギーが失われます。最終的に、衝撃波は空気を十分に加熱して発光させることができないほど多くのエネルギーを失います。その時点はブレークアウェイと呼ばれ、衝撃波面は透明になり、火球は成長を停止します。^{[ 2 ]}

地上から離れた場所で爆発した爆弾の火球の直径は、次の式を使用して推定できます。^{[ 3 ]}

${\displaystyle D=(Y{\frac {\rho _{0}}{\rho }})^{\frac {1}{3}}}$キロメートル

どこ${\displaystyle Y}$はメガトン単位の収量であり、${\displaystyle {\frac {\rho _{0}}{\rho }}}$海面高度における空気密度と高高度における空気密度の比です。したがって、1メガトンのTNT（4.2 PJ）爆弾が約5,000フィート（1,500メートル）の爆発高度で爆発した場合^{[ a ]} 、約1キロメートル（3,300フィート）まで膨張します。^{[ 4 ]}この比は   ${\displaystyle {\frac {\rho _{0}}{\rho }}}$指数関数的な関係を仮定することで、広範囲にわたって計算できる。

${\displaystyle {\frac {\rho }{\rho _{0}}}=e^{-{\frac {h}{22000}}}}$

どこ${\displaystyle h}$は爆発の高度をフィートで表したものです。^{[ 3 ]}したがって、 50,000 フィート (15,000 m)での同じ爆発では、圧力は約 0.1 気圧となり、直径約2,150 メートル (7,050フィート)の火球が発生し、地上付近の火球の約 2 倍の大きさになります。250,000フィート (76 km)のような高高度での爆発の場合、火球は直径約46 キロメートル (29マイル)にまで拡大します。 ^{[ 4 ]}    

爆弾が大気圏外、一般的には高度約100キロメートル（330,000フィート）以上で爆発すると、空気との相互作用がなくなるため、火球の形成の性質が変わります。この場合、さまざまな亜原子粒子は任意の距離を移動でき、膨張する爆弾の残骸よりも速く移動し続けます。大気がないということは、衝撃波も発生せず、光る爆弾の残骸自体だけが火球を形成することを意味します。このような爆発では、火球自体はレーダーにとって大きな問題ではありませんが、粒子が下方の大気と相互作用することで、低高度の火球と同様にレーダーを遮断する効果のある多くの二次的な影響が生じます。^{[ 3 ]} 

単純な幾何学的理由から、爆発によって放出された粒子の約半分は地球に向かって移動し、大気の上層部と相互作用し、残りの半分は宇宙空間へと上昇します。^{[ 3 ]}粒子は、そのエネルギーに応じて、大気圏をある深さまで貫通します。^{[ 5 ]}

これらの影響のうち、特に注目すべきものが2つあります。1つ目は、爆発の真下から一気に到達し、空気を瞬時に電離して、下向きに移動する電子の巨大なパルスを引き起こすガンマ線によるものです。中性子は、わずかに遅れて到達し、時間的に引き伸ばされるため、同様の効果を引き起こしますが、強度は弱く、持続時間もやや長くなります。これらのガンマ線と中性子は、核電磁パルス（EMP）の発生源であり、その影響から遮蔽されていない電子機器に損傷を与える可能性があります。^{[ 3 ]}

2つ目の重要な影響は、高エネルギーのベータ粒子によって引き起こされます。これらは、核融合炉心を取り囲むウランタンパーの放射性崩壊によって絶えず生成されているため、この影響の大きさは、爆弾の大きさと宇宙空間での物理的な拡散に大きく依存します。ベータ粒子は軽量で電荷を帯びているため、地球の磁場に沿って移動します。そのため、上昇するベータ粒子は地球に戻ってきますが、必ずしも同じ場所に戻るとは限りません。^{[ 6 ]}

ガンマ線は衝突した原子のみを電離するのに対し、高速で移動するベータ線は、近くを通過する原子に巨大な磁場を誘起し、原子を電離させると同時にベータ線の速度を低下させる。そのため、各ベータ線は複数の電離を引き起こすことができ、またそれ自体が自由電子でもある。これにより、これらの空気分子から放出される低エネルギー電子の、はるかに大きく広がった電流パルスが発生する。^{[ 7 ]}反応は高度50～60kmで起こるため、結果として厚さ約10km、（通常）直径数百km の電離空気の円盤が形成される。 ^{[ 8 ]} 

さらに、地球の磁場とほぼ平行に移動するベータ線は、磁場が大気と交差する場所で捕捉され、同様の効果を引き起こします。任意の経度において、この現象が発生する場所は赤道の北と南の2箇所あり、磁気共役領域で可能な限り強い信号を生成するために、これらの場所のいずれかで爆弾を爆発させることで効果が最大化されます。クリストフィロス効果として知られるこの現象は、1950年代後半に本格的な研究の対象となりましたが、その効果は予想よりも弱かったのです。^{[ 9 ]}

核火球内部では、空気は電離しており、原子核と自由電子の混合物で構成されている。後者は電波を非常に強く屈折させるため、電子密度が臨界値を超えると鏡のような表面を形成する。火球がエネルギーを放射して冷えると、イオンと電子は再び原子に再構成され、その効果は数秒から数分かけて徐々に薄れていく。雲が冷えるにつれても信号は減衰し、レーダーでの使用には役に立たなくなるほどになる可能性がある。^{[ 5 ]}

火球からの全反射は、無線周波数がプラズマ周波数​​より低い場合に発生します。^{[ 11 ]}

${\displaystyle f_{p}=8970N_{e}^{\frac {1}{2}}}$Hz

どこ${\displaystyle N_{e}}$は、1立方センチメートルあたりの自由電子の数です。 波長1 m (300  MHz) の信号の場合、これは密度が 1立方センチメートルあたり 10 ^{9 個の自由電子のときに発生します。 [ 6 ]}非常に低い密度でも、電離によって電波エネルギーが屈折します。減衰は、電子と中性粒子の衝突によって次のように発生します。^{[ 3 ]}

${\displaystyle F_{a}={\frac {8.686}{2c}}{\frac {(2\pi f_{p})^{2}f_{c}}{(2\pi f)^{2}+f_{c}^{2}}}=1.4}$×${\displaystyle 10^{-5}{\frac {(2\pi f_{p})^{2}f_{c}}{(2\pi f)^{2}+f_{c}^{2}}}}$デシベル/km

ここで、8.686は、ネーパー振幅比からデシベル電力比への変換係数である。${\displaystyle c}$は光速（キロメートル毎秒）です。${\displaystyle f_{p}}$プラズマ周波数​​は上記のとおりです。${\displaystyle f}$は無線信号の周波数であり、${\displaystyle f_{c}}$は電子と中性粒子の衝突頻度です。後者は密度、つまり高度の関数です。^{[ 3 ]}

${\displaystyle f_{c}=2}$×${\displaystyle 10^{11}{\frac {p}{p_{0}}}}$Hz

どこ${\displaystyle p}$は爆発高度における空気密度であり、${\displaystyle p_{0}}$は海面（1 気圧）での密度です。火球は高高度で数百キロメートルまで膨張する可能性があるため、 中高度から高高度で10  kmまで膨張する火球を通過する際の典型的な減衰率1 dB/kmでは信号が完全に減衰し、反対側の物体を追跡することが不可能になります。^{[ 12 ]}

大気圏外ベータ線放出の影響は、爆発の形状に大きく依存するため、評価がより困難です。しかし、爆発生成物の収量を考慮することで、核分裂生成物の密度、ひいては電離円盤の大きさとその強度との関係を決定することができます。${\displaystyle Y}$メガトン単位: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle y={\frac {Y}{2\pi d^{2}}}}$トン/単位面積

どこ${\displaystyle d}$これは、特定の爆発における円盤の直径です。

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