电磁脉冲|能让电子设备瞬间失控的电磁脉冲攻击，大自然也会
科幻影视、游戏场景中 ， 常会出现这样的画面：一名士兵扔出一颗手雷 ， 但是想象中的爆炸、烟火和碎片并没有出现 ， 而是会闪过一道脉冲式的光芒 ， 一定范围内的武器、电子设备也随之失控 ， 在不伤害人的情况下就让敌人的战斗力瞬间瓦解 。 然后其中一人幡然醒悟 ， 急忙给队友报信 ， 是“EMP”攻击！
科幻场景中的EMP武器
（来源：vignette.wikia.nocookie.net）
许多军事爱好者对这种叫作EMP的新式武器并不陌生 。 EMP其实并不是这种武器的名字 ， 而是物理现象“电磁脉冲”（ElectroMagnetic Pulse）的英文简称 。 人们只是把“EMP武器”简称为“EMP” 。
Part. 1
不伤人 ， 只毁电子设备 ， EMP是如何做到的？
被EPM攻击之后 ， 只有电子设备会失控 ， 电子设备以外的事物 ， 包括人、建筑等却几乎可以毫发无损 。 电磁脉冲指的是突发的、宽带电磁辐射的高强度脉冲 。 空间中的电磁场无色无形 ， 但是 ， 电磁场发生变化 ， 可以在电路中产生电流（变压器的原理） 。
对于用电设备或电子设备来说 ， 电磁脉冲剧烈变化的交变电磁场与其中的电子线路发生耦合 ， 会在瞬时产生很强的电流和浪涌 ， 甚至能直接破坏元件 。 因为这个特征 ， EMP武器一般常用于只摧毁对方的军事抵抗从而进行俘虏和占领的行动 。
我们熟知的核武器也是EMP武器 。 核爆过程中所产生的γ射线向四周辐射的过程中 ， 和空气中的氧、氮原子相撞击 ， 产生带负电的电子以及极强的电磁场 ， 所以在爆炸周围一定范围内的电磁脉冲非常强烈 。 不过 ， 地面附近的空气密度很大 ， 中性分子、原子很多 ， 产生的电子难以扩散 ， 对地磁场产生的影响很有限 。 但是如果在空中可就不一样了 ， 一些国家曾尝试过“高空核爆” ， 也就是在地面几十至上百公里以上引爆核弹 ， 这样就会在地球空间环境中产生效应 ， 并造成非常大范围的影响 ， 而这个空间区域也就是我们下面要讲的地球电离层 。
高空核爆的EMP攻击
（来源：geopoliticalfutures.com）
【电磁脉冲|能让电子设备瞬间失控的电磁脉冲攻击，大自然也会】电离层是我们头顶上空几十到上千公里的、部分电离的大气 。 “部分电离”指的是大气中性分子在太阳辐射下电离成带电的电子和离子 ， 但其中的成分依然以中性为主 ， 所以被电离的只是一部分 ， 但这一部分已经多到足够对电磁波传播产生影响 。
【电磁脉冲|能让电子设备瞬间失控的电磁脉冲攻击，大自然也会】1901年12月12日 ， 商人马可尼的公司在英国发射摩尔斯码的“S” ， 自己则在加拿大的圣约翰市指挥助手们用风筝把无线电接收天线带到约150米高空 ， 并且成功接收到了发来的信号 ， 由于直线传播是不能到达球形地面的另一端的 ， 这证明了高空中存在能够反射无线电波的电离层 。
马可尼1901年的无线电实验
（来源：wikimedia.org）
电离层中空气的密度非常低——气压大概是地面的百万分之一 ， 但却有着一定数量的带电粒子 ， 它们毫无疑问会受到地球的磁场的作用 。 电离层中的电子和离子在区域分布上受磁场制约 ， 集体大规模运动会受中性风和磁场综合效应的控制 ， 它们会绕着磁力线旋转 ， 并根据地球磁场在不同地区的形态不同 ， 出现反射、漂移等微观层面的运动 。 一些区域的电子和离子由于发生率、损失率还有碰撞频率等作用 ， 可能产生堆积 ， 形成电势差 ， 并作用于地球磁场 。 此外还有许多其他效应 。
这时候 ， 如果高空核爆突然带来许多新的电子和离子 ， 它们也同样会被地球磁场捕捉 ， 加入到这些电离层行动中 。 它们的涌入会造成一定范围内电磁场强烈的变化 ， 产生极大范围的扩散电子脉冲 。 根据报道 ， 1962年6月9日 ， 美国在太平洋约翰斯顿岛上空500千米爆炸了一颗140万吨当量核弹头 ， 造成1280千米之外的夏威夷瓦胡岛上出现大面积停电、电话中断、收音机不响、各种电子仪器故障 ， 这让专家们都震惊于在电离层中孵化出的EMP的强大威力 。 后来根据计算 ， 当量1000吨的氢弹如在40千米高空爆炸 ， 可能影响整个欧洲 。
高空EMP的影响范围非常大
（来源：geopoliticalfutures.com）
正是看到EMP武器的威力和前景 ， 一些国家投入到相关的研发 ， 据称1991年海湾战争期间美军就在E-8“联合星”飞机上携带和使用了EMP武器 。 1998年 ， 俄罗斯发明了重8公斤的小型强电流电子加速器 ， 爆炸时发出X射线、高功率微波 ， 可破坏电子设备 。 近年来一些关于EMP武器的信息层出不穷 ， 才催生出科幻影视、游戏场景中对普及的小型化EMP武器的想象 。
事实上 ， 并非只有我们人类有能力操控这种物理现象 ， 大自然也能进行EMP攻击 。
Part. 2
论EMP攻击 ， 自然界才是高手
人类希望让EMP武器小巧而可控 ， 但大自然可不管这些 ， 它肆意妄为仿佛是调皮的孩子 。 如果说高空核爆只是人类扣动扳机后 ， 由地球电离层进行放大的EMP武器 ， 那么太阳风暴则毫无疑问是更加具有规模和破坏力的自然界的EMP武器的扳机 。 太阳风暴包含着许多电磁活动过程 ， 会对我们人类在地球修建的电网、电子设备产生致命的攻击 。
著名电影《2012》创作的灵感 ， 就来自科学家对强大太阳风暴影响地球空间环境 ， 进而损害人类电网、电子设备这一风险的提醒 。
强太阳风暴时太阳喷出的物质
（来源：https://3iom3142cnb81rlnt6w4mtlr-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2016/05/fig12-702x336.jpg）
那么这种“纯天然”的“EMP武器”是怎么运作的呢？
太阳爆发期间 ， 它的大量物质喷发进入宇宙中 ， 也就是“日冕物质抛射” 。 来自太阳的高速等离子体携带着太阳的磁场冲击地球磁层（地球磁场在宇宙空间中控制的区域） ， 会使磁层压缩变形 。 太阳等离子通常携带着南北方向转动的磁场 ， 当磁场转为南向时 ， 和地磁场发生强的相互作用 ， 会将巨大的能量带入到地球磁层（不过一般是大量进入地球背面） ， 带电粒子因为磁层的过程注入到被称为环电流的地球周围的电流当中 ， 变化的电流会产生变化的磁场 ， 从而引起全球范围剧烈的地磁扰动 。
这些过程也会引起电离层以及其中磁场的剧烈变化 ， 因此被称为“电离层暴” 。 人们用Dst指数衡量地磁场扰动的强烈程度 ， 这个指数是全球通用的 。 Dst 指数平时往往是负几或者几十 ， 也有正值 ， 都不大 ， 但是在强扰动下会变成-50以下 ， 乃至负几百 。
2020年6月全球的Dst指数
（来源：国际地磁数据中心）
磁暴时 ， 剧烈变化的地磁场会在地球电离层中产生快速变化的强电流 ， 它们再感应出变化磁场 ， 就会形成对地面的“EMP攻击” 。 这些变化的空间磁场在地面、长距离高压输电线、变压器接地点组成的回路中产生电流 ， 这便是地磁感应电流（GeomagneticallyInduced Current ， 简称 GIC） 。 在大磁暴时 ， 输电网络中产生的地磁感应电流可以达到几十到几百安培 。 正如我们前边介绍的 ， 这种电流过程足以对电路元件产生伤害 。
这种现象当然并非只是科学家的凭空想象 。 1989年3月13日 ， 一次太阳风暴引发了地球一系列的效应 ， 最终极大地损害了加拿大魁北克地区的电网 ， 导致该地区出现大范围的断电事故 ， 受直接影响的居民人数达到600万人 ， 停电时长达到9个小时 ， 造成了高达数千万美元的经济损失 ， 这次事件被称为“魁北克事件” 。
由此可见 ， 自然界的EMP攻击才是真正的EMP“大神”呀 。
出品：科普中国
制作：王铮（中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
（本文中标明来源的图片已获得授权）
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编辑：xx
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