電磁パルス

電磁パルス（EMP ）は、過渡的電磁妨害（TED ）とも呼ばれ、電磁エネルギーの短時間のバーストです。EMPの発生源は自然または人工的であり、電磁場、電場、磁場、または伝導電流として発生します。EMPによって引き起こされる電磁干渉は、通信を妨害し、電子機器に損傷を与える可能性があります。^[1]落雷などのEMPは、建物や航空機などの物体に物理的な損傷を与える可能性があります。EMPの影響の管理は、電磁両立性（EMC）工学の1分野です。

電磁パルスによる最初の被害は、1859年8月の太陽嵐、いわゆるカリントン・イベントで記録された。^[2]

現代の戦争では、高エネルギーEMPを発射する兵器は、通信機器や現代の戦闘機を操作するために必要なコンピューターを混乱させ^たり、標的国の電力​​網全体を使用不能にしたりするように設計されています。^[3]

電磁パルスは、電磁エネルギーの短い波です。持続時間が短いということは、さまざまな周波数に広がることを意味します。パルスは、一般的に次のような特徴があります。

• エネルギー伝達のモード（放射、電気、磁気、伝導）。
• 存在する周波数の範囲またはスペクトル。
• パルス波形: 形状、持続時間、振幅。

周波数スペクトルと脈波波形は、フーリエ変換を介して相互に関連付けられます。フーリエ変換は、成分波形が観測された周波数スペクトルにどのように加算されるかを表します。

EMP エネルギーは、次の 4 つの形式のいずれかで転送されます。

• 電界
• 磁場
• 電磁放射
• 電気伝導

マクスウェル方程式によれば、電気エネルギーのパルスには必ず磁気エネルギーのパルスが伴う。典型的なパルスでは、電気形式か磁気形式のいずれかが優勢となる。非線形マクスウェル方程式は、電場成分と磁場成分が不連続な時間依存の自己相似電磁衝撃波解を持つことができることが示される。^[5]

一般的に、放射線のみが長距離に作用し、磁場と電場は短距離に作用します。太陽の磁気フレアなど、いくつかの例外があります。

電磁エネルギーのパルスは、通常、発生源に応じて、非常に低い周波数から上限までの多くの周波数で構成されます。EMP として定義される範囲は、「DC [直流] から日光」と呼ばれることもあり、光学 (赤外線、可視光線、紫外線) および電離 ( X 線およびガンマ線) の範囲を含む最高周波数は除外されます。

一部の種類の EMP イベントは、雷や火花などの光学的な痕跡を残すことがあります。しかし、これらは空気中の電流の流れによる副作用であり、EMP 自体の一部ではありません。

パルスの波形は、その瞬間的な振幅 (電界強度または電流) が時間とともにどのように変化するかを表します。実際のパルスは非常に複雑になる傾向があるため、単純化されたモデルがよく使用されます。このようなモデルは通常、図または数式で記述されます。

ほとんどの電磁パルスは非常に鋭い立ち上がりを持ち、最大レベルまで急速に上昇します。典型的なモデルは、急激に上昇し、すぐにピークに達し、その後ゆっくりと減衰する二重指数曲線です。ただし、制御されたスイッチング回路からのパルスは、多くの場合、長方形または「正方形」のパルスの形状に近似します。

EMP イベントは通常、周囲の環境または物質に対応する信号を誘発します。結合は通常、比較的狭い周波数帯域で最も強く発生し、特徴的な減衰正弦波をもたらします。視覚的には、二重指数曲線の長寿命エンベロープ内で増大および減衰する高周波正弦波として示されます。減衰正弦波は、結合モードの伝達特性により、通常、元のパルスよりもエネルギーがはるかに低く、周波数の広がりが狭くなります。実際には、EMP テスト機器は、高エネルギーの脅威パルスを再現するのではなく、これらの減衰正弦波を直接注入することがよくあります。

デジタル クロック回路などのパルス列では、波形が一定の間隔で繰り返されます。このような規則的で反復的な列を特徴付けるには、1 つの完全なパルス サイクルで十分です。

EMP は、発生源が短時間のエネルギー パルスを放出する場所で発生します。エネルギーは通常、その性質上広帯域ですが、周囲の環境では比較的狭帯域の減衰正弦波応答を励起することがよくあります。一部のタイプは、反復的で規則的なパルス列として生成されます。

EMP には、自然現象、人為的現象、武器による影響など、さまざまな種類があります。

自然発生的な EMP イベントの種類は次のとおりです。

• 雷電磁パルス (LEMP)。放電は通常、おそらく数百万アンペアの初期電流の流れで、その後にエネルギーが減少する一連のパルスが続きます。
• 静電気放電(ESD) は、2 つの帯電物体が接近したり接触したりすることによって発生します。
• 流星EMP。宇宙船への流星体の衝突、または地球の大気圏を通過する流星体の爆発的破壊によって生じる電磁エネルギーの放出。 ^{[6] [7]}
• コロナ質量放出（CME）は太陽EMPとも呼ばれる。太陽コロナから放出され、太陽風に放出されるプラズマとそれに伴う磁場の爆発。^[8]

（民間の）人為的 EMP イベントの種類には次のものがあります。

• 電気回路のスイッチング動作。孤立しているか反復的（パルス列など）であるかは関係ありません。
• 電気モーターは、アーマチュアが回転すると内部の電気接点が接続したり切断したりするため、一連のパルスを生成できます。
• ガソリンエンジンの点火システムは、スパークプラグが通電または点火されると、一連のパルスを生成することがあります。
• デジタル電子回路の継続的なスイッチング動作。
• 電力線サージ。最大数キロボルトに達する可能性があり、保護が不十分な電子機器に損傷を与えるほどです。

軍事用 EMP の種類は次のとおりです。

• 核爆発の結果として生じる核電磁パルス(NEMP)。この変種が高高度核 EMP (HEMP) で、これは地球の大気と磁場との粒子の相互作用により二次パルスを生成します。
• 非核電磁パルス（NNEMP）兵器。

雷は、通常、主放電に至る前に低エネルギーの「先導」放電が発生し、その後、間隔を置いていくつかの小さな放電が発生するという点で珍しい。^{[9] [10]}

ESD イベントは数 kV の高電圧を特徴としますが、小さな電流が目に見える火花を引き起こすこともあります。技術的には、雷は非常に大きな ESD イベントですが、ESD は小さな局所的な現象として扱われます。また、ヴァンデグラフ発電機から受けるショックのように、ESD は人為的に発生することもあります。

ESD イベントは、高電圧パルスを注入して電子回路を損傷するだけでなく、人々に不快なショックを与える可能性があります。このような ESD イベントは火花を発生させ、火災や燃料蒸気の爆発を引き起こす可能性があります。このため、航空機に燃料を補給したり、燃料蒸気を空気中にさらしたりする前に、まず燃料ノズルを航空機に接続して、静電気を安全に放電します。

電気回路のスイッチング動作により、電気の流れに急激な変化が生じます。この急激な変化は EMP の一種です。

単純な電気源には、リレー、ソレノイド、電動モーターのブラシ接点などの誘導負荷があります。これらは通常、存在する電気接続にパルスを送り、エネルギー パルスを放射します。振幅は通常小さく、信号は「ノイズ」または「干渉」として扱われる場合があります。回路のスイッチを切るか「開く」と、電流の流れが突然変化します。これにより、開いた接点の電界に大きなパルスが発生し、アーク放電や損傷を引き起こす可能性があります。このような影響を制限するために、設計上の機能を組み込む必要があることがよくあります。

真空管やバルブ、トランジスタ、ダイオードなどの電子デバイスも、非常に高速にオンとオフを切り替えるため、同様の問題が発生することがあります。単発のパルスは、ソリッドステート スイッチや、たまにしか使用されないその他のデバイスによって発生することがあります。ただし、現代のコンピューターに搭載されている何百万個ものトランジスタは、1 GHz を超える周波数で繰り返し切り替えるため、連続しているように見える干渉が発生することがあります。

核電磁パルスは、核爆発によって生じる突発的な電磁放射線のパルスである。その結果生じる急速に変化する電界と磁界は、電気/電子システムと結合して、損傷を与える電流と電圧サージを引き起こす可能性がある。^[11]

放出される強力なガンマ線は周囲の空気をイオン化し、空気の原子が最初に電子を失い、その後再び電子を獲得することで二次的な EMP を発生させることもあります。

NEMP兵器は、主な被害メカニズムとして EMP 効果を最大限にするように設計されており、影響を受けやすい電子機器を広範囲にわたって破壊できるものもあります。

高高度電磁パルス（HEMP）兵器は、地表より遥か上空で爆発するように設計されたNEMP弾頭です。爆発により中層成層圏にガンマ線の爆風が放出され、二次的効果としてイオン化します。その結果生じた高エネルギーの自由電子が地球の磁場と相互作用して、通常、低高度の密度の高い空気で生成されるものよりはるかに強力なEMPを生成します。

非核電磁パルス（NNEMP）は、核技術を使用せずに兵器によって生成される電磁パルスである。この目的を達成できる装置には、単一ループアンテナに放電される大型の低インダクタンスコンデンサバンク、マイクロ波発生器、爆発的にポンプされた磁束圧縮発生器などがある。ターゲットへの最適な結合に必要なパルスの周波数特性を実現するために、波形整形回路またはマイクロ波発生器がパルス源とアンテナの間に追加される。バーカトールは、高エネルギーパルスのマイクロ波変換に特に適した真空管である。^[12]

NNEMP発生装置は爆弾、巡航ミサイル（ CHAMPミサイルなど）、ドローンの搭載物として運ぶことができ、機械的、熱的、電離放射線の影響は軽減されるものの、核兵器配備のような結果は生じない。

NNEMP兵器の射程は核EMPよりはるかに短い。兵器として使用されるほぼすべてのNNEMP装置は、最初のエネルギー源として化学爆薬を必要とし、同重量の核爆薬の100万分の1のエネルギーしか生成しない。^[13] NNEMP兵器からの電磁パルスは兵器内部から発生しなければならないが、核兵器は二次的効果としてEMPを生成する。^[14]これらの事実によりNNEMP兵器の射程は制限されるが、より細かい標的識別が可能になる。小型の電子爆弾の効果は、特定のテロリストや軍事作戦には十分であることが証明されている。^[要出典]こうした作戦の例には、多くの地上車両や航空機の運用に不可欠な電子制御システムの破壊が含まれる。^{[15] [追加出典が必要]}

非核電磁パルスを発生させるための爆発的にポンプされた磁束圧縮発生器の概念は、1951年にソ連のアンドレイ・サハロフによって考案されましたが^[16] 、他の国々で同様のアイデアが生まれるまで、各国は非核EMPの研究を機密扱いにしていました。

軽度の EMP イベント、特にパルス列は、低レベルの電気ノイズや干渉を引き起こし、影響を受けやすいデバイスの動作に影響を与える可能性があります。たとえば、20 世紀半ばによく見られた問題は、ガソリン エンジンの点火システムから放出される干渉でした。 ^[17]これにより、ラジオがパチパチと音を立て、テレビの画面に縞模様が現れました。CISPR 25 は、車両が電磁干渉 (EMI) 放出に対して満たさなければならない閾値基準を設定するために制定されました。

高電圧レベルでは、EMPは、例えばガソリンエンジン車に燃料を補給する際の静電気放電から火花を誘発する可能性があります。このような火花は燃料と空気の爆発を引き起こすことが知られており、それを防ぐために予防措置を講じる必要があります。^[18]

大規模で強力な EMP は、被害ユニットに高電流と高電圧を誘導し、一時的に機能を妨害したり、永久的な損傷を与えることもあります。^[要出典]

強力なEMPは磁性体に直接影響を与え、磁気テープやコンピュータのハードドライブなどのメディアに保存されているデータを破壊することもあります。ハードドライブは通常、重金属のケースで保護されています。一部のIT資産廃棄サービスプロバイダーやコンピュータリサイクル業者は、制御されたEMPを使用してそのような磁気メディアを消去しています。^[19]

落雷や空中核兵器などの非常に大きな EMP イベントは、加熱効果または電流によって生成される非常に大きな磁場の破壊効果によって、樹木、建物、航空機などの物体に直接損傷を与える可能性があります。間接的な影響としては、加熱による電気火災があります。ほとんどの工学構造物やシステムでは、落雷に対する何らかの保護を設計に組み込む必要があります。保護の優れた手段は、特定のアイテムが破壊されるのを防ぐように設計されたファラデー シールドです。^{[引用が必要]}

あらゆる電磁干渉と同様に、EMP の脅威も制御手段の対象となります。これは、脅威が自然発生的なものか人為的なものかに関係なく当てはまります。

したがって、ほとんどの制御対策は、EMP の影響に対する機器の感受性と、機器を強化して被害から保護することに重点を置いています。武器以外の人工発生源も、放出されるパルス エネルギーの量を制限するための制御対策の対象となります。

EMP やその他の RF の脅威が存在する状況で機器が正しく動作することを保証する分野は、電磁両立性 (EMC) として知られています。

EMP が工学システムや機器に与える影響をテストするには、EMP シミュレーターを使用することができます。

誘導パルスは脅威パルスよりもエネルギーがはるかに低いため、生成はより実用的ですが、予測は困難です。一般的なテスト手法は、電流クランプを逆に使用して、テスト対象の機器に接続されたケーブルに減衰正弦波信号の範囲を注入することです。減衰正弦波ジェネレーターは、発生する可能性のある誘導信号の範囲を再現できます。

脅威パルス自体が繰り返し可能な方法でシミュレートされることもあります。パルスは、減衰正弦波注入前の被験者の反応を特徴付けるために低エネルギーで再現されるか、実際の脅威条件を再現するために高エネルギーで再現されます。小型のESD シミュレーターは手持ち式です。ベンチサイズまたは部屋サイズのシミュレーターは、生成される脅威の種類とレベルに応じてさまざまな設計があります。

最高レベルのものとしては、高エネルギー EMP シミュレーターを組み込んだ屋外の大型試験施設が、いくつかの国によって建設されている。^{[20] [21]}最大の施設では、船舶や航空機を含む乗り物全体の EMP に対する感受性を試験することができる。これらの大型 EMP シミュレーターのほぼすべてで、マルクス発電機の特殊バージョンが使用されている。^{[20] [21]例としては、ニューメキシコ州}サンディア国立研究所にある巨大な木造のATLAS-Iシミュレーター (別名 TRESTLE)があり、これはかつて世界最大の EMP シミュレーターであった。^[22]冷戦後期に米国が使用したこのシミュレーターやその他の大型 EMP シミュレーターに関する論文は、電磁パルスに関するより一般的な情報とともに、現在ニューメキシコ大学に所蔵されている SUMMA 財団によって管理されている。^{[23] [24]}米海軍には、船舶用電磁パルス放射線環境シミュレータI（EMPRESS I）と呼ばれる大規模な施設もあります。

高レベルの EMP 信号は人間の安全を脅かす可能性があります。このような状況では、通電中の電気導体に直接触れることは避けてください。ヴァンデグラフ発電機やその他の高電荷を帯びた物体に触れるなど、接触が起こった場合は、物体を離して高抵抗を通して身体を放電するように注意する必要があります。そうすることで、離れるときに有害なショックパルスが発生するリスクを回避できます。^{[引用が必要]}

非常に高い電界強度は空気の破壊を引き起こし、雷に似た潜在的に致命的なアーク電流を流す可能性があるが、200kV/mまでの電界強度は安全であると考えられている。^[25]

エド・ゲントの研究によると、電力会社が出資する電力研究所の2019年の報告書では、大規模なEMP攻撃はおそらく地域的な停電を引き起こすが、全国的な送電網の障害にはならず、復旧時間は他の大規模停電と同様になるとの結論が出ている。^[26]これらの停電がどのくらい続くのか、国全体でどの程度の被害が発生するのかは不明である。^[要出典]標的の地域や対象者によっては、米国の隣国もこのような攻撃の影響を受ける可能性がある。^[要出典]

ナウリーン・マリクの記事によると、北朝鮮のミサイルと弾頭の実験がますます成功していることを念頭に、議会は国防権限法の一環として、電磁パルス攻撃による米国への脅威を評価する委員会への資金提供を更新する動きを見せた。^[27]

吉田玲二氏の研究によると、東京に拠点を置く非営利団体情報安全保障貿易管理センターの2016年の記事で、鬼塚氏は高高度EMP攻撃により日本の電力、通信、輸送システムが損傷または破壊され、銀行、病院、原子力発電所が機能停止すると警告した。^[28]

1981年までに、一般の新聞で電磁パルスに関する多数の記事が掲載され、EMP現象の知識が大衆文化に広まりました。^{[29] [30] [31] [32]} EMPはその後、さまざまなフィクションや大衆文化の他の側面で使用されてきました。大衆メディアはEMPの影響を誤って描写することが多く、一般の人々や専門家の間でも誤解を招いています。^{[具体的に]}米国では、これらの誤解を解消するための公式の取り組みが行われています。^{[33] [34]}

ウィリアム・R・フォルスチェンの小説『ワン・セカンド・アフター』とそれに続く『ワン・イヤー・アフター』 、『ファイナル・デイ』、『ファイブ・イヤーズ・アフター』は、ジョン・マザーソンという架空の人物と、ノースカロライナ州ブラックマウンテンの彼のコミュニティの物語を描いており、アメリカが戦争に負け、EMP攻撃を受けた後、「我が国[米国]は暗黒時代に逆戻り」します。

• カタイエフ、IG (1966)。電磁衝撃波、イリフ・ブックス社、ドーセット・ハウス、スタンフォード・ストリート、ロンドン、イギリス

ウィキメディア・コモンズには、電磁パルスに関連するメディアがあります。

• TRESTLE: 冷戦のランドマーク、SUMMA Foundation のウェブサイトにある短編ドキュメンタリー映画