万物有科学

    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、电子设备随之失控。这时有其中一人幡然醒悟，急忙给队友报信，是“EMP”攻击！

    EMP其实并不是武器的名字，而是物理现象“电磁脉冲”（ElectroMagnetic Pulse）的英文简称。

    不伤人只毁电子设备

    EMP是如何做到的

    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。

    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设备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。

    我们熟知的核武器也属于EMP武器。核爆过程中所产生的γ射线在向四周辐射的过程中，能够和空气中的氧、氮原子撞击，产生带负电的电子以及极强的电磁场。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，这样会在地球空间环境中产生效应，在地球电离层中造成非常大范围的影响。

    电离层是我们头顶上空几十到上千公里范围内的、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，虽然被电离的只是少部分中性分子，但已经多到足够对电磁波传播产生影响。

    1901年12月12日，商人马可尼让公司职员在英国发射摩尔斯码，自己则来到加拿大的圣约翰市，指挥助手用风筝把无线电接收天线送到约150米高空，成功接收到了从英国发来的摩尔斯码信号，从而证明了高空中存在能够反射无线电波的电离层。

    电离层中的空气密度非常低——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磁场的作用。电离层中的电子和离子会根据地球磁场在不同地区的不同形态，出现反射、漂移等微观层面的运动。一些区域的电子和离子可能产生堆积，形成电势差，并作用于地球磁场。

    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，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。

    论EMP攻击

    自然界才是个中高手

    事实上，并非只有人类有能力操控这种物理现象，大自然也能进行EMP攻击。

    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具规模和破坏力的自然界EMP武器的扳机。太阳风暴包含许多电磁活动过程，会对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这一风险的担忧。

    那么，这种“纯天然”的“EMP武器”是怎么运作的呢？

    太阳风暴爆发期间，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对地球磁层（地球磁场在宇宙空间中控制的区域）造成冲击，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，进而产生变化的磁场，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”。研究人员通常用Dst指数衡量地磁场扰动的强烈程度，Dst指数平时往往是负几或者负几十，也有正值，数值都不大，但是在强扰动下，该指数会变成负50以下，乃至负几百。

    当地磁场出现剧烈扰动时，会在地球电离层中产生快速变化的强电流，这些强电流又会引发变化的感应磁场，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。当地磁场扰动达到一定程度时，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，这种电流过程足以对电路元件产生剧烈伤害。

    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连锁反应，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。

    （来源：科普中国）