互动科普

卫星轨道的核爆炸

撰文/Daniel G. Dupont

1962年7月9日，美国军方研究人员在太平洋一个名为约翰斯顿岛的小环礁上用雷神弹道导弹把一枚热核武器发射到外层空间，其行动代号为“海星精华”，是美国国防部4年前开始的一连串类似的保密试验中最新的一次。但在火箭喷出一股长长的烟雾腾空而起之际，发射小组几乎没有什么人意识到即将发生的140万吨级轨道核爆炸将产生一些出人意料的长期后果。

不过，远在1300千米外的夏威夷酒店的经理们却正期盼着一场好戏开张。有关这次最新的“彩虹炸弹”试爆的消息早已流传开来，因此几家敢想敢干的度假酒店安排了屋顶观赏会，让宾客可以大饱眼福，一睹远处焰火的壮观景色。那颗弹头于当晚在400千米的高空引爆，产生一道耀眼的白色闪光，刹那间犹如正午的烈日那样把天空和海洋照得通亮，随后天空转为浅绿色，持续约1秒钟的时间。

夏威夷岛的其他居民却看到一些令人不安的后果，奥阿胡岛上的街灯突然变成一团漆黑，当地的无线电台一度关闭，电话业务也一度中断，太平洋其他地方的甚高频通信网停顿了约半分钟左右。科学家们后来才知道，“海星精华”行动发出了一股强烈的干扰性电磁脉冲，横扫爆炸点下方的广大地区。

在随后的几分种里，一片血红色的光亮在地平线上扩散开来[见69页图]。科学家们此前已预计到爆炸过程会有这一阶段，先前每一次轨道爆炸都在太空中留下大团带电粒子云，地球的磁力最终使这些高能云团变成一些环绕地球的带状区域，与天然的范艾伦辐射带[见71页图示]相仿。但是几乎没有人料到随后几个月中发生的事情，这些强烈的人造辐射带使7颗低地球轨道卫星陷于瘫痪，占当时全球低轨道卫星总数的三分之一左右。当年晚些时候，美国军方又继续进行了3次高空核爆炸。在古巴弹道危机导致大气层核禁试条约签署以后，这类试验才停了下来。

高空核爆炸警报

自早期的高空核爆炸试验结束以来，有关这类核爆炸可能给数量日益庞大的卫星带来什么威胁的问题几乎没有进行过公开讨论，而这些卫星如今在通信、导航、广播、有线电视、地表成像及气候预报等领域中正发挥着关键的作用。据卫星行业协会统计，目前约有250颗商业及军用卫星在最低轨道上运行，其中绝大多数都无法防御高空原子爆炸所释放出的辐射。随着核武器与弹道导弹技术逐渐扩散到潜在的敌对国家，甚至可能还有恐怖组织，人们越来越担忧全球卫星系统的未来。自然资源防卫理事会核项目的资深研究员Robert S. Norris说：一颗在美国上空适当高度引爆的小型原子弹头“可能对通信、电子及形形色色的系统产生极其严重的影响，给美国社会及其每一个人造成破坏性的后果”。

某个国家（或者非国家的实体）想要搞一次高空核爆炸，其条件非常简单，只要有一枚小型核武器再加上一套比飞毛腿导弹高级不了多少的常规弹道导弹系统就够了。目前已有8个国家拥有这种能力，包括美国、俄罗斯、中国、英国、法国、以色列、印度和巴基斯坦，可能还有朝鲜。五角大楼一些分析专家称，看来伊朗很快也将拥有必要的技术了。

2001年，当时还未任国防部长的拉姆斯菲尔德所领导的一个太空政策委员会警告说：“美国已成为‘太空珍珠港’事件的一个理想的候选目标。”委员会进而要求美国的领导人迅速采取行动，以减少美国遭受太空轨道突袭的危险并控制这事件所造成的后果。

虽然美国正在建设一个旨在防御远程攻击的导弹防御系统，但是该系统未经过检验，可能永远也无法万无一失地保护美国，而且该系统还会造成事与愿违的后果，即使用反导弹拦截装置来拦截带有近炸引信的核弹头目标，有可能引发破坏性的高空核爆炸。

2001年，五角大楼的解除防务威胁局（DTRA)试图对使用高空核爆炸来袭击低轨道卫星的各种假想情况的可能结果作出预测，结论令人大为震惊，只要在地面上空125到300千米的高度之间引爆一件低当量的核武器（爆炸威力为1万到2万吨，相当于广岛原子弹的级别)，“就可能使所有未采取专门措施抗御此种爆炸产生辐射的低轨道卫星在几周到数月内完全瘫痪”。马里兰大学受美国政府委托研究高空核爆炸影响的等离子体物理学家K. Dennis Papadopoulos的说法则稍有不同：“一枚在合适高度引爆的1万吨级核装置将在一个月内使90%的低轨道卫星丧失作用”。

DTRA的报告透露，点空原子爆炸可以使地球低轨道部分区段的峰值辐射水平升高3到4个数量级。国防部研究小组引用的模型表明，辐射通量可能在两年的时间里保持在髙水平上。受害区域内的所有卫星其放射性辐照的积累速率将远远超过设计指，从而降低它们的电子切换速度并增加耗电量。这项研究指出，最先遭殃的子系统极有可能卫星的高度控制电子装置或其通信线路，“最终有源电子装置失灵，整个系统无法履行它的任务”。即使某些无保护措施的卫星可以挺过这一关，使用寿命也将大大缩短。

与此同时，由于辐射水平维持在高位，无法发射新卫星来替代失效卫星。报告指出，“载人航天计划也将停顿一年或更长时间，以待辐射水平逐渐降下来。”报告还认为，一次高空核煤炸的副作用可能使更换成本高达1000亿美元以上，而且这项估计还没有把损失如此之多极其重要的空间资产给全球经济造成的破坏考虑进去。然而，长期以来一直在众议院武装部队委员会高调鼓吹导弹与核武器防御系统的宾夕法尼亚州众议员Gurt Weldon却告诫说，尽管有了这份最新的详尽研究，人们对高空核爆炸的重视程度“离它所应该受到的屯视还相差很远。”

低地轨道高风险

美国和前苏联在1950与1%0年代进行的高空核爆炸试验现在仍然足供当代科学家考察的唯一一批有关高空核爆炸现象的实例。研究人员知道，核爆炸火球是一个发出超音速激波或冲击波的迅速膨胀开来的炽热气体球，与此同时，火球以热辐射、高能X射线和伽玛射线、快中子以及裂变装置本身的离子化残余等形式向四面八方发射出大量能量。在近地处，大气吸收了爆炸发出的辐射，这一过程把空气加热到使火球熊熊燃烧所需的极高温度，空气分子也住一定程度上阻碍了电磁脉冲的产生。近地核爆炸所带来的任何直接破坏都是由毁灭性的冲击波、狂风和地狱般的高热量造成的。

高空核爆炸产生的效果则迥然不同。在空间下层区域，核爆炸产生的火球比近地核爆炸的火球膨胀大得多，也快得多，而它发出的辐射所到达的范围也远得多。

据Papadopoulos说，核爆炸产生的强烈电磁脉冲包含几种成份，在开始的几十纳秒中，发财出相当于核弹头爆炸威力千分之-左右的高能伽玛时线，其能量为100力到300万电子伏；进人大气层的伽玛射线与空气分子碰撞，后者吸收伽马射线的能量后产生大量正离子和反冲电子（也称为康普顿电子）；碰撞能产生百万电子伏能量的康普顿电子，这些电子随后加速并沿着地球磁场线作螺旋运动，由此形成的短暂电磁场和电流产生频率为15兆到250兆赫的射频辐射，这种高空电磁脉冲出现在地面上方30到50千米的范围内。

辐射区域的大小与核爆炸的髙度及当量有关。Papadopoulos声称，在200千米高度上发生的100万吨级核爆炸，辐射区域直径为600千米左右。高空电磁脉冲可以产生超过1千伏的电势，足以令地面上任何处于直接视线范围内的敏感电气设施瘫痪。他又指出，在轨道高度上，电磁脉冲场相当小，通常不会产生多少干扰。

在解密文件中、美国政府的科学家们估计，裂变核弹的爆炸力至少有70%通常表现为X射线。这些X射线以及同时产生出来的伽玛射线和高能中子流将投射在视线范围内的所有物体上，给邻近的卫星造成严重破坏。这些辐射的能量随距离的增大而递减，因此离爆炸火球越远的卫黾所受到的影响也就越小。

高空核爆炸爆炸所产生的“软”X射线即低能X射线不管碰到什么空间飞行器都不会深入其内，但它们将在空间飞行器的外表面产生极大的热觉，这种高热本身也可能危害飞行器内的精密电子装置。软X射线也可能使太阳能电池退化.削弱卫星的发电能力，还可能损坏探测器或望远镜光圈。而高能X射线在碰到卫里或其他系统元件时会产生很强的内部电子通量，随之而来的强电流和高电压可能烧毁灵敏的电子电路。

Papadopoulos说，过了这一阶段后，接踵而来的是爆炸产生的离子化炸弹碎片与地球磁场相互作用，把辐射区域向外推至半径100到200千米的范围。这一运动的电磁场产生低频电场脉冲.这些缓慢振荡的电磁波在地球表面和电离层底部来回反射，绕着地球到处传播。虽然它们的电场强度不大（小于1毫伏/米），但却可以在松距离的地面和水下电缆中产生高电压，对电力线路造成广泛的破坏。在“海星精华”试验后，这种效应曾导致夏威夷诸岛上的电力和电话网发生故障。

这些直接的影响过去后，高空核爆炸释放出的大团高能电子和质子云将在地球磁场的加速作用下进入磁层，使地球周围天然存在的范艾伦辐射带的范围进一步扩大。这些带电粒子还会渗入天然辐射带之间的区域，形成一些人造辐射带。此现象名为Christofilos效应，是科学家Nicholas Christofilos在1950年代中期所预言的，美国在1950年代后期进行的一系列代号为“百眼巨人”的高空核爆炸试验证实了他的假设。Christofilos认为，人造辐射带可能会阻断无线电通信，甚至能使入侵的弹道导弹失去作用，因而具有潜在的军事用途。

保护卫星

五角大楼数十年来一直在研究如何保护其轨道设施免遭核爆炸的影响。许多关键的军用卫星被安排在许多不同的轨道上，据认为这样就比较安全，不会受核事件的危害。此外，工程师们还给军用卫星装上了防护屏，以增强其抗御辐射的能力。这些金属屏蔽形成了所谓“法拉第笼”（即不让外部电磁场进入的密闭导电盒），从而起到保护内部脆弱电子装置的作用。卫星制造商用金属屏蔽层（通常为铝制）把敏感元件包起来，便可以挡住电荷流。铝板的厚度从0.1厘米以下到1厘米不等。地面上的武器、通信和其他关键系统也要采取措施来阻断电磁脉冲的影响。

强化卫星的花费相当昂贵。保护措施规模越大，所花的钱就越多，而所用的保护材料也越重，较重的卫星其发射成本也髙得多。美国国防部人士证实，单在设计阶段，强化措施就使卫星动辄以成百万上千万美元计的成本上升2%到3%。一些估算表明，安装屏蔽板和强化部件的成本以及这些额外重量的发射成本合起来可把卫星的总成本抬髙20%到50%。最后，能够承受相当于天然辐射水平100倍左右的高空核爆炸强烈辐射的电子元件，其工作带宽仅及商用处理器工作带宽的十分之一，这一事实带来的结果是使运行成本猛增一个数量级。

不过Papadopoulos指出，屏蔽层所能起的作用也只有那么多。设计人员声称，高空核爆炸辐射所造成的最大问题是百万电子伏能量的电子产生的深层电介质带电，当高能粒子穿透太空飞行器的外壳或保护屏蔽层，在半导体器件或太阳能电池的电介质半导体材料内潜藏下来时便会发生这种破坏性的电荷积聚，这些入侵者可导致虚假的系统电压和毁坏性的放电。Papadopoulos解释说，如果金属屏蔽层超过1厘米厚，电磁保护作用便会显著下降，因为高能粒子的碰撞可能引起强烈的电磁轫致辐射，从而造成广泛的破坏（当带电粒子与另一物体碰撞而迅速减速时，便会产生轫致辐射。）

从事卫星屏蔽业务的Maxwell技术公司的Larry Longden说，空间飞行器也可以通过其他途径加以保护，比如可以在卫星上安装探测是否存在有害辐射的传感器。配备这种装置的卫星一旦遇险，该装置便可提醒它关掉电脑处理器和电子电路，等待危险期过去。不过据战略与预算评估中心的资深研究员BarryWatts说，尽管民用卫星面临诸多风险，美国国防部至今仍未能劝说美国的卫星制造商们自觉地强化其卫星。

清理烂摊子

如果眼下美国的某个对手在太空引爆核装置的计划得逞，美国不知道该如何处理其长远后果。不过，现今正在研究的各种清理方法或许能担当此项任务。空军研究实验室的一位项目主管Greg Ginet说：其中一种方法，采取“比天然过程见效更快”的人工措施来清除有害辐射。该实验室的研究人员以及国防尖端研究项目局资助的其他一些研究人员正在考察庄太空产生甚低频波能否更快地把高空核爆炸带来的辐射清除出轨道区。

Papadopoulos说：为了弄懂这一方法的工作原理，不妨作一个比拟，地球的辐射帶在某些方面可以比作足漏桶，行星的磁力使高能粒子（即等离子体）进人桶内，粒子从桶内漏出去的速率取决十邻近的甚低频电磁波的强度（电磁波的频率为1赫至20千赫)。然而，核爆炸使这些補满得溢了出来，从而形成人工辐射带。将等离子体更迅速地从磁层清除出去的关键在于提髙辐射泄露到大气层中的速率，这一过程相当干把補底的漏洞开得更大。

科学家们指出，为达到这一目的，办法之一是部署一批人为地向辐射带中注人甚低频电磁波的卫星。为此国防尖端研究项目局和美国空军正在阿拉斯加州盖科纳的高频活动极光研究基地（HAARP)对甚低颇发射机进行试验。IIAARP研究的是电离层，更具体地说是考察如何通过人工手段来操控电离层。该基地目前在进行扩建，目的之一是为五角大楼提供检验是办能減少地球辐射带中带电粒子的方法。

HAARP的研究人员打算确定全球清理系统需要多少颗卫星。他们这项工作得到斯坦福大学在1970和1980年代所进行研究的启示，该大学的科学家们通过一台放置在北极附近的发射机，将甚低频电磁波注人范艾伦带中，发现这些波有时被范艾伦带所捕获的电子显著放大。Papadopoulos指出，这一放大是通过甚低频波吸取俘获粒子的自山能而实现的。这种以共振为基础的过程类似丁-n由电子激光器中发生的电子受激效应。在自由电子激光器中，“摇摆”磁铁加速电子，使其发出同歩加速器辖射。

这种放大现象是HAARP研究内容的核心。既然可以利用天然手段来增强一组卫星发射的芮低频波，羌国需要部署的卫星数量就可以大大减少，从而节省数十亿美元的费用。美国国防部的研究人员证明，这一放大效应可以使所需的卫星数目从100颗以上减少到10颗以下。

科学家们已证明HAARP基地的设施可以产生极低频和甚低频电磁波，并把这些电磁波有效地注人到辐射带中[见74页图示]，这一过程是通过周期性地改变极光电射流的流动而实现的，极光电射流是潜藏干100千米高空电离层中的一种天然电流。对极光电射流的这种调制，其效果相当于在天空中形成一台虚拟的极低频和甚低频发射天线，周期性地开启和关闭高频发射机以改变等离子体流的温度和电导，便可实现这种调制。研究人员预I十，HAARP的设施在扩建完工后其功能将足以确定这项放大与清除方案是否有效。据Ginet透露，检验这些设想的一项空间实验可能在2000年代晚些时候展开，而一个实用的地面或卫星系统则要等若干年才会问世。

威胁有多远？

一系列的地缘政治演变前景可能导致高空核爆炸的发生。有些国家可能把高空核爆炸作为一种警告手段，以展示其决心战斗到底的气概并吓阻对手的攻击，DTRA的研究报告着重指出了这类爆炸造成的危险。利用军方规划人员的术语和模拟技术，DTRA小组探讨了时间定在2010年的两项重大地缘政治事件，一是印巴冲突，在围绕克什米尔归属问题的冲突中，印度装甲部队越过印巴边界杀入巴基斯坦境内，巴方还以颜色，在新德里上空300千米处引爆一枚1万吨级的核弹。这一高度上的核爆炸既不会造成重大的地面破坏，又足以清楚地显示巴基斯坦能够发动毁灭性的核打击；另一事件是朝鲜危机，由于担心遭到人侵，朝鲜领导人下令在本国领土上空爆炸一枚核弹头，以显示该国决心抵抗人侵，美国导弹防御系统启动，摧毁了助推火箭，但核弹头却在150千米的高空爆炸。

一家防务观察机构Globalsecurity.org的负责人John Pike设想的一种前景是，朝鲜决定在空间试验其原始的核武库。他说：“大多数人认为如果朝鲜要进行一次核试验的话，那将是地下核试验。如果要我给金正日出主意的话，我不会劝他搞地下核试验”。

专家们也考虑了其他种种可能性，包括在美国上空搞核爆炸。没有几个国家有能力从其本国领土向美国发动这样的攻击，这种举动不太可能发生。但是潜在敌手可能利用移动的海基平台向美国发射一枚原始的导弹，其上携带着当量较小但仍能造成明显破坏的原子弹头，这类情况发生的可能性极难估计（尽管看起来似乎相当微小），而它们造成的后果却是破坏性的，因此不可忽视。

除了高空核爆炸引起的巨大破坏这个问题之外，还有一个如何回应这种爆炸的问题。对美国本土或其盟国进行核攻击将会立刻招致军事报复，但对高空核爆炸该怎么办呢？Weldon考虑这个问题已有多年，他称此问题是一个“道德怪圈”，但还没有找到答案。他问道，“从道德的角度看，因为別人在空间引爆了一枚核弹头，你就该兴师问罪、大开杀戒吗？你就有理由用核打击作为回应吗？恐怕不行。”

[浦兴元/译赵庚新/校]