Pulso eletromagnético

Pulso eletromagnético
NEMP (pulso eletromagnético nuclear) gerado pela detonação de uma ogiva nuclear a mais de 100 km de altitude.
Outros nomes	Perturbação eletromagnética transitória
Fenômeno	pulso, transiente
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Um pulso eletromagnético (PEM; em inglês: electromagnetic pulse, EMP), também referido como uma perturbação eletromagnética transitória (PET; em inglês: transient electromagnetic disturbance, TED), é uma breve explosão de energia eletromagnética. A origem de um PEM pode ser natural ou artificial e pode ocorrer como um campo eletromagnético, um campo elétrico, um campo magnético ou como uma corrente elétrica conduzida. A interferência eletromagnética causada por um PEM pode interromper comunicações e danificar equipamentos eletrônicos.^[1] Um PEM, como o de um raio [en], pode danificar fisicamente objetos como edifícios e aeronaves. O gerenciamento dos efeitos do PEM é um ramo da engenharia de compatibilidade eletromagnética (EMC).

O primeiro dano registrado de um pulso eletromagnético ocorreu com a tempestade solar de agosto de 1859, ou o Evento Carrington.^[2]

Na guerra moderna, armas que disparam um PEM de alta energia são projetadas para interromper^[3] equipamentos de comunicação, computadores necessários para operar aviões de guerra modernos, ou até mesmo colocar toda a rede elétrica de um país alvo fora de serviço.^[4] Armas nucleares também podem produzir pulsos eletromagnéticos nucleares [en].^[5]

Um pulso eletromagnético é um curto surto de energia eletromagnética. Sua curta duração significa que ele se espalhará por uma gama de frequências. Os pulsos são tipicamente caracterizados por:

• O modo de transferência de energia (elétrica, magnética, radiada ou conduzida)
• O alcance ou espectro de frequências presente
• Forma de onda do pulso: forma, duração e amplitude

O espectro de frequência e a forma de onda do pulso estão inter-relacionados através da Transformada de Fourier, que descreve como formas de onda componentes podem se somar ao espectro de frequência observado.

Ver artigo principal: Eletromagnetismo

A energia do PEM pode ser transferida em qualquer uma das quatro formas:

• Campo elétrico
• Campo magnético
• Radiação eletromagnética
• Condução elétrica

De acordo com as Equações de Maxwell, um pulso de energia elétrica será sempre acompanhado por um pulso de energia magnética. Em um pulso típico, ou a forma elétrica ou a magnética dominará. Pode-se mostrar que as Equações de Maxwell não lineares podem ter soluções de onda de choque eletromagnética dependentes do tempo e autossimilares, onde os componentes do campo elétrico e magnético têm uma descontinuidade.^[6]

Em geral, apenas a radiação atua em longas distâncias, com os campos magnético e elétrico atuando em curtas distâncias. Existem algumas exceções, como uma erupção magnética solar.

Um pulso de energia eletromagnética compreende tipicamente muitas frequências, desde muito baixas até algum limite superior, dependendo da fonte. A faixa definida como PEM, às vezes referida como "DC [corrente contínua] à luz do dia", exclui as frequências mais altas que compreendem as faixas óptica (infravermelho, visível, ultravioleta) e ionizante (raios X e raios gama).

Alguns tipos de eventos de PEM podem deixar um rastro óptico, como raios e faíscas, mas estes são efeitos colaterais do fluxo de corrente através do ar e não fazem parte do PEM em si.

A forma de onda de um pulso descreve como sua amplitude instantânea (intensidade de campo ou corrente) muda ao longo do tempo. Pulsos reais tendem a ser bastante complicados, então modelos simplificados são frequentemente usados. Tal modelo é tipicamente descrito em um diagrama ou como uma equação matemática.

Pulso retangular

Pulso exponencial duplo

Pulso senoidal amortecido

A maioria dos pulsos eletromagnéticos tem uma borda de ataque muito acentuada, aumentando rapidamente até seu nível máximo. O modelo clássico é uma curva exponencial dupla que sobe abruptamente, atinge rapidamente um pico e depois decai mais lentamente. No entanto, pulsos de um circuito de comutação controlado frequentemente se aproximam da forma de um pulso retangular ou "quadrado".

Eventos de PEM geralmente induzem um sinal correspondente no ambiente ou material circundante. O acoplamento geralmente ocorre mais fortemente sobre uma banda de frequência relativamente estreita, levando a uma onda senoidal amortecida [en] característica. Visualmente, é mostrada como uma onda senoidal de alta frequência crescendo e decaindo dentro do envelope de vida mais longa da curva exponencial dupla. Uma onda senoidal amortecida tem tipicamente muito menos energia e uma dispersão de frequência mais estreita do que o pulso original, devido à característica de transferência do modo de acoplamento. Na prática, equipamentos de teste de PEM frequentemente injetam essas ondas senoidais amortecidas diretamente, em vez de tentar recriar os pulsos de ameaça de alta energia.

Em um trem de pulsos, como o de um circuito de relógio digital, a forma de onda é repetida em intervalos regulares. Um único ciclo de pulso completo é suficiente para caracterizar tal trem regular e repetitivo.

Um PEM surge onde a fonte emite um pulso de energia de curta duração. A energia é geralmente de banda larga por natureza, embora frequentemente excite uma resposta de onda senoidal amortecida [en] de banda relativamente estreita no ambiente circundante. Alguns tipos são gerados como trens de pulsos [en] repetitivos e regulares.

Diferentes tipos de PEM surgem de efeitos naturais, artificiais e de armas.

Os tipos de eventos naturais de PEM incluem:

• Pulso eletromagnético de raios (LEMP). A descarga é tipicamente um fluxo de corrente inicial de talvez milhões de amps, seguido por um trem de pulsos de energia decrescente.
• Descarga eletrostática (ESD), como resultado de dois objetos carregados se aproximando ou mesmo entrando em contato.
• PEM meteórico. A descarga de energia eletromagnética resultante do impacto de um meteoroide com uma espaçonave ou da ruptura explosiva de um meteoroide passando pela atmosfera da Terra.^[7][8]
• Ejeção de massa coronal (CME), às vezes referida como PEM solar. Uma explosão de plasma e campo magnético acompanhante, ejetada da coroa solar e liberada no vento solar.^[9]

Os tipos de eventos de PEM artificiais (civis) incluem:

• Ação de comutação de circuitos elétricos, sejam isolados ou repetitivos (como um trem de pulsos).
• Motores elétricos podem criar um trem de pulsos à medida que os contatos elétricos internos fazem e desfazem conexões enquanto a armadura gira.
• Sistemas de ignição de motores a gasolina podem criar um trem de pulsos à medida que as velas de ignição são energizadas ou disparadas.
• Ações de comutação contínuas de circuitos eletrônicos digitais.
• Surtos em linhas de energia. Estes podem ser de até vários quilovolts, o suficiente para danificar equipamentos eletrônicos insuficientemente protegidos.

Os tipos de PEM militar incluem:

• Pulso eletromagnético nuclear [en] (NEMP), como resultado de uma explosão nuclear. Uma variante disso é o PEM nuclear de alta altitude (HEMP), que produz um pulso secundário devido a interações de partículas com a atmosfera da Terra e o campo magnético.
• Armas de pulso eletromagnético não nuclear (NNEMP).

Ver artigo principal: Raio

O raio é incomum porque normalmente tem uma descarga preliminar "líder" de baixa energia, acumulando-se até o pulso principal, que por sua vez pode ser seguido em intervalos por várias explosões menores.^[10][11]

Ver artigo principal: Descarga eletrostática

Eventos de ESD são caracterizados por altas tensões de muitos kV, mas pequenas correntes que às vezes causam faíscas visíveis. A ESD é tratada como um fenômeno pequeno e localizado, embora tecnicamente um relâmpago seja um evento de ESD muito grande. A ESD também pode ser feita pelo homem, como no choque recebido de um Gerador de Van de Graaff.

Um evento de ESD pode danificar circuitos eletrônicos ao injetar um pulso de alta tensão, além de dar às pessoas um choque desagradável. Tal evento de ESD também pode criar faíscas, que por sua vez podem inflamar incêndios ou explosões de vapor de combustível. Por esta razão, antes de reabastecer uma aeronave ou expor qualquer vapor de combustível ao ar, o bocal de combustível é primeiro conectado à aeronave para descarregar com segurança qualquer estática.

A ação de comutação de um circuito elétrico cria uma mudança brusca no fluxo de eletricidade. Essa mudança brusca é uma forma de PEM.

Fontes elétricas simples incluem cargas indutivas como relés, solenoides e contatos de escova em motores elétricos. Estes tipicamente enviam um pulso por quaisquer conexões elétricas presentes, bem como irradiam um pulso de energia. A amplitude é geralmente pequena e o sinal pode ser tratado como "ruído" ou "interferência". O desligamento ou "abertura" de um circuito causa uma mudança abrupta na corrente que flui. Isso pode, por sua vez, causar um grande pulso no campo elétrico através dos contatos abertos, causando arco elétrico e danos. Muitas vezes é necessário incorporar recursos de projeto para limitar tais efeitos.

Dispositivos eletrônicos como tubos de vácuo ou válvulas, transistores e diodos também podem ligar e desligar muito rapidamente, causando problemas semelhantes. Pulsos únicos podem ser causados por interruptores de estado sólido e outros dispositivos usados apenas ocasionalmente. No entanto, os muitos milhões de transistores em um computador moderno podem comutar repetidamente em frequências acima de 1 GHz, causando interferência que parece ser contínua.

Um pulso eletromagnético nuclear é o pulso abrupto de radiação eletromagnética resultante de uma explosão nuclear. Os campos elétricos e magnéticos resultantes, que mudam rapidamente, podem se acoplar a sistemas elétricos/eletrônicos para produzir correntes e surtos de tensão [en] danosos.^[5][12]

A intensa radiação gama emitida também pode ionizar o ar circundante, criando um PEM secundário à medida que os átomos de ar perdem seus elétrons e depois os recuperam.

Armas de NEMP [en] são projetadas para maximizar tais efeitos de PEM como o mecanismo de dano primário, e algumas são capazes de destruir equipamentos eletrônicos suscetíveis em uma ampla área. Equipamentos eletroeletrônicos como lâmpadas incandescentes, receptores de rádio com antenas internas e válvulas termiônicas, possuem relativa imunidade aos NEMP.^[5] Provavelmente como forma de prevenção a danos, as forças militares do Pacto de Varsóvia utilizaram equipamentos de comunicação valvulados até fins dos anos 1980.^[5]

Uma arma de pulso eletromagnético de alta altitude (HEMP) é uma ogiva NEMP projetada para ser detonada muito acima da superfície da Terra. A explosão libera uma rajada de raios gama na média estratosfera, que ioniza como um efeito secundário, e os elétrons livres energéticos resultantes interagem com o campo magnético da Terra para produzir um PEM muito mais forte do que é normalmente produzido no ar mais denso em altitudes mais baixas.

O pulso eletromagnético não nuclear (NNEMP) é um pulso eletromagnético gerado por armas sem o uso de tecnologia nuclear. Dispositivos que podem atingir este objetivo incluem um grande banco de capacitores de baixa indutância descarregado em uma antena de loop único, um gerador de micro-ondas e um gerador de compressão de fluxo bombeado explosivamente [en]. Para atingir as características de frequência do pulso necessárias para o acoplamento [en] ideal no alvo, circuitos de modelagem de onda ou geradores de micro-ondas são adicionados entre a fonte de pulso e a antena. Vircators [en] são tubos de vácuo que são particularmente adequados para a conversão de micro-ondas de pulsos de alta energia.^[13]

Geradores NNEMP podem ser transportados como carga útil de bombas, mísseis de cruzeiro (como o míssil CHAMP [en]) e drones, com efeitos mecânicos, térmicos e de radiação ionizante diminuídos, mas sem as consequências da implantação de armas nucleares.

O alcance das armas NNEMP é muito menor que o do PEM nuclear. Quase todos os dispositivos NNEMP usados como armas requerem explosivos químicos como sua fonte de energia inicial, produzindo apenas um milionésimo da energia de explosivos nucleares de peso semelhante.^[14] O pulso eletromagnético de armas NNEMP deve vir de dentro da arma, enquanto as armas nucleares geram PEM como um efeito secundário.^[15] Esses fatos limitam o alcance das armas NNEMP, mas permitem uma discriminação de alvos mais fina. O efeito de pequenas bombas eletrônicas (e-bombs) provou ser suficiente para certas operações terroristas ou militares.^{[carece de fontes?]} Exemplos de tais operações incluem a destruição de sistemas de controle eletrônico críticos para a operação de muitos veículos terrestres e aeronaves.^[16]

O conceito do gerador de compressão de fluxo bombeado explosivamente para gerar um pulso eletromagnético não nuclear foi concebido já em 1951 por Andrei Sakharov na União Soviética,^[17] mas as nações mantiveram o trabalho sobre o PEM não nuclear classificado até que ideias semelhantes surgiram em outras nações.

Eventos menores de PEM, e especialmente trens de pulsos, causam baixos níveis de ruído elétrico ou interferência que podem afetar a operação de dispositivos suscetíveis. Por exemplo, um problema comum em meados do século XX era a interferência emitida pelos sistemas de ignição de motores a gasolina,^[18] que fazia com que aparelhos de rádio estalassem e aparelhos de TV mostrassem listras na tela. A norma CISPR 25 [en] foi estabelecida para definir padrões de limite que os veículos devem atender para emissões de interferência eletromagnética (EMI).

Em um nível de alta tensão, um PEM pode induzir uma faísca, por exemplo, de uma descarga eletrostática ao abastecer um veículo com motor a gasolina. Sabe-se que tais faíscas causam explosões de ar-combustível e precauções devem ser tomadas para evitá-las.^[19]

Um PEM grande e energético pode induzir altas correntes e tensões na unidade vítima, interrompendo temporariamente sua função ou até mesmo danificando-a permanentemente.^{[carece de fontes?]}

Um PEM poderoso também pode afetar diretamente materiais magnéticos e corromper os dados armazenados em mídias como fita magnética e discos rígidos de computador. Os discos rígidos são geralmente blindados por carcaças de metal pesado. Alguns provedores de serviços de descarte de ativos de TI [en] e recicladores de computadores usam um PEM controlado para limpar tais mídias magnéticas.^[20]

Um evento de PEM muito grande, como um raio ou uma arma nuclear detonada no ar, também é capaz de danificar objetos como árvores, edifícios e aeronaves diretamente, seja por efeitos de aquecimento ou pelos efeitos disruptivos do campo magnético muito grande gerado pela corrente. Um efeito indireto podem ser incêndios elétricos causados por aquecimento. A maioria das estruturas e sistemas de engenharia requer alguma forma de proteção contra raios a ser projetada. Um bom meio de proteção é uma gaiola de Faraday projetada para proteger certos itens de serem destruídos.^{[carece de fontes?]}

Ver artigo principal: Compatibilidade eletromagnética

Como qualquer interferência eletromagnética, a ameaça de PEM está sujeita a medidas de controle. Isso é verdade quer a ameaça seja natural ou feita pelo homem.

Portanto, a maioria das medidas de controle concentra-se na suscetibilidade do equipamento aos efeitos do PEM e no endurecimento ou proteção dele contra danos. Fontes artificiais, exceto armas, também estão sujeitas a medidas de controle para limitar a quantidade de energia de pulso emitida.

A disciplina de garantir a operação correta do equipamento na presença de PEM e outras ameaças de RF é conhecida como compatibilidade eletromagnética (EMC).

Para testar os efeitos do PEM em sistemas e equipamentos de engenharia, um simulador de PEM pode ser usado.

Os pulsos induzidos são de energia muito menor do que os pulsos de ameaça e, portanto, são mais práticos de criar, mas são menos previsíveis. Uma técnica de teste comum é usar um alicate amperímetro [en] ao contrário, para injetar uma faixa de sinais de onda senoidal amortecida em um cabo conectado ao equipamento em teste. O gerador de onda senoidal amortecida é capaz de reproduzir a faixa de sinais induzidos prováveis de ocorrer.

Às vezes, o próprio pulso de ameaça é simulado de maneira repetível. O pulso pode ser reproduzido em baixa energia para caracterizar a resposta do sujeito antes da injeção de onda senoidal amortecida, ou em alta energia para recriar as condições reais de ameaça. Um simulador de ESD em pequena escala pode ser portátil. Simuladores de bancada ou do tamanho de uma sala vêm em uma variedade de designs, dependendo do tipo e nível de ameaça a ser gerada.

No topo da escala, grandes instalações de teste ao ar livre incorporando simuladores de PEM de alta energia foram construídas por vários países.^[21][22] As maiores instalações são capazes de testar veículos inteiros, incluindo navios e aeronaves, quanto à sua suscetibilidade ao PEM. Quase todos esses grandes simuladores de PEM usaram uma versão especializada de um gerador de Marx [en].^[21][22] Exemplos incluem o enorme simulador ATLAS-I [en] de estrutura de madeira (também conhecido como TRESTLE) no Sandia National Laboratories [en], Novo México, que já foi o maior simulador de PEM do mundo.^[23] Documentos sobre este e outros grandes simuladores de PEM usados pelos Estados Unidos durante a última parte da Guerra Fria, juntamente com informações mais gerais sobre pulsos eletromagnéticos, estão agora sob os cuidados da Fundação SUMMA, hospedada na Universidade do Novo México.^[24][25] A Marinha dos EUA também possui uma grande instalação chamada EMPRESS I (Electro Magnetic Pulse Radiation Environmental Simulator for Ships I).

Sinais de PEM de alto nível podem representar uma ameaça à segurança humana. Nessas circunstâncias, o contato direto com um condutor elétrico energizado deve ser evitado. Onde isso ocorrer, como ao tocar em um gerador de Van de Graaff ou outro objeto altamente carregado, deve-se tomar cuidado para soltar o objeto e, em seguida, descarregar o corpo através de uma alta resistência, a fim de evitar o risco de um pulso de choque prejudicial ao se afastar.^{[carece de fontes?]}

Intensidades de campo elétrico muito altas podem causar a ruptura do ar e o fluxo de uma corrente de arco potencialmente letal semelhante a um raio, mas intensidades de campo elétrico de até 200 kV/m são consideradas seguras.^[26]

De acordo com uma pesquisa de Edd Gent, um relatório de 2019 do Electric Power Research Institute [en], financiado por empresas de serviços públicos, descobriu que um grande ataque de PEM provavelmente causaria apagões regionais, mas não uma falha na rede nacional, e que os tempos de recuperação seriam semelhantes aos de outras interrupções em grande escala.^[27] Não se sabe quanto tempo esses apagões elétricos durariam, ou que extensão de danos ocorreria em todo o país.^{[carece de fontes?]} É possível que países vizinhos dos EUA também possam ser afetados por tal ataque, dependendo da área alvo e das pessoas.^{[carece de fontes?]}

De acordo com um artigo de Naureen Malik, com os testes de mísseis e ogivas cada vez mais bem-sucedidos da Coreia do Norte em mente, o Congresso agiu para renovar o financiamento da Comissão para Avaliar a Ameaça aos EUA de Ataque de Pulso Eletromagnético como parte da Lei de Autorização de Defesa Nacional [en].^[28]

De acordo com pesquisa de Yoshida Reiji, em um artigo de 2016 para o Center for Information and Security Trade Control, uma organização sem fins lucrativos com sede em Tóquio, Onizuka alertou que um ataque de PEM de alta altitude danificaria ou destruiria os sistemas de energia, comunicações e transporte do Japão, bem como desativaria bancos, hospitais e usinas nucleares.^[29]

Por volta de 1981, uma série de artigos sobre pulso eletromagnético na imprensa popular espalhou o conhecimento do fenômeno do PEM na cultura popular.^{[30][31][32][33]} O PEM foi subsequentemente usado em uma ampla variedade de ficção e outros aspectos da cultura popular. A mídia popular frequentemente descreve os efeitos do PEM incorretamente, causando mal-entendidos entre o público e até mesmo profissionais. Esforços oficiais foram feitos nos EUA para remediar esses equívocos.^[34][35]

• Na história em quadrinhos O Cavaleiro das Trevas (Frank Miller, 1986) Gotham City é atingida por um NEMP (pulso eletromagnético nuclear), após uma bomba nuclear soviética detonar, numa elevada altitude, sobre a cidade.^[36]

• No curta-metragem de animação, Blade Runner Black Out 2022 (Shinichiro Watanabe, 2017) ^[37] o replicante Iggy executa um plano para detonar uma ogiva nuclear sobre Los Angeles. A explosão da ogiva resulta num NEMP que apaga os registros de replicantes contidos no banco de dados da Tyrell Corporation. O curta, prequência de Blade Runner 2049, conta com a participação de Edward James Olmos, (dublando Gaff, mesmo personagem interpretado por ele no filme Blade Runner, de 1982) enquanto que a trilha sonora ficou a cargo de Flying Lotus.^[38] Foi lançado em 27 de setembro de 2017.^[39]

• Ambiente eletromagnético [en]
• Arma de energia dirigida
• Bomba de grafite
• Compatibilidade eletromagnética
• Gerador de compressão de fluxo bombeado explosivamente [en]
• Guerra eletrônica
• Lei da indução de Faraday
• MIL-STD-461 [en], um Padrão Militar dos Estados Unidos [en] que descreve como testar equipamentos para compatibilidade eletromagnética
• Operação Outward
• Potência pulsada [en]
• Pulso ultracurto [en]
• Tempestade geomagnética
• Transiente (oscilação)
• Vircator [en]

• Katayev, I.G. (1966). Electromagnetic Shock Waves Iliffe Books Ltd. Dorset House, Stanford Street, London, England