نبضة كهرومغناطيسية

النبضة الكهرومغناطيسية ( EMP )، والتي تُعرف أيضًا بالاضطراب الكهرومغناطيسي العابر ( TED )، هي دفقة قصيرة من الطاقة الكهرومغناطيسية . قد يكون مصدر النبضة الكهرومغناطيسية طبيعيًا أو اصطناعيًا، وقد تحدث على شكل مجال كهرومغناطيسي ، أو مجال مغناطيسي ، أو تيار كهربائي موصل . يمكن أن يؤدي التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن النبضة الكهرومغناطيسية إلى تعطيل الاتصالات وإتلاف المعدات الإلكترونية. ^{[ 1 ]} يمكن لنبضة كهرومغناطيسية، مثل صاعقة البرق، أن تُلحق أضرارًا مادية بالمباني والطائرات. تُعد إدارة آثار النبضة الكهرومغناطيسية فرعًا من هندسة التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).

تُعتبر العاصفة الشمسية التي حدثت في أغسطس 1859، والمعروفة باسم حدث كارينغتون ، ذات أهمية تاريخية باعتبارها أول حالة مسجلة كبيرة لتلف جيومغناطيسي للبنية التحتية الكهربائية، على الرغم من أنها تُصنف فيزيائيًا على أنها اضطراب جيومغناطيسي طويل الأمد (GMD) وليس نبضة كهرومغناطيسية عابرة (EMP). ^{[ 2 ]}

في الحروب الحديثة، صُممت الأسلحة التي تُطلق نبضات كهرومغناطيسية عالية الطاقة لتعطيل ^{[ 3 ]} معدات الاتصالات، وأجهزة الحاسوب اللازمة لتشغيل الطائرات الحربية الحديثة، أو حتى لإخراج الشبكة الكهربائية بأكملها عن الخدمة في الدولة المستهدفة. ^{[ 4 ]} وقد تُنتج الأسلحة النووية أيضًا نبضات كهرومغناطيسية نووية .

النبضة الكهرومغناطيسية هي اندفاعة قصيرة للطاقة الكهرومغناطيسية. ونظرًا لقصر مدتها، فإنها تنتشر على نطاق من الترددات. وتتميز النبضات عادةً بما يلي:

• طريقة نقل الطاقة (كهربائية، مغناطيسية، إشعاعية أو موصلة)
• نطاق أو طيف الترددات الموجودة
• شكل موجة النبضة: الشكل والمدة والسعة

يرتبط طيف التردد وشكل موجة النبضة ببعضهما البعض من خلال تحويل فورييه الذي يصف كيفية جمع أشكال الموجات المكونة لتكوين طيف التردد المرصود.

أشكال موجات النبض

يصف شكل موجة النبضة كيفية تغير سعتها اللحظية (شدة المجال أو التيار) بمرور الوقت. تميل النبضات الحقيقية إلى أن تكون معقدة للغاية، لذا تُستخدم نماذج مبسطة في كثير من الأحيان. يُوصف هذا النموذج عادةً إما برسم تخطيطي أو بمعادلة رياضية.

نبضة مستطيلة

نبضة أسية مزدوجة

نبضة جيبية مخمدة

تتميز معظم النبضات الكهرومغناطيسية بحافة أمامية حادة للغاية، حيث تتصاعد بسرعة إلى أقصى مستوى لها. النموذج الكلاسيكي هو منحنى أسي مزدوج يصعد بشدة، ويصل بسرعة إلى ذروة، ثم يتلاشى ببطء. ومع ذلك، غالبًا ما تقترب النبضات الصادرة من دائرة تبديل مُتحكَّم بها من شكل نبضة مستطيلة أو "مربعة".

تُحدث أحداث النبض الكهرومغناطيسي عادةً إشارةً مقابلةً في البيئة أو المادة المحيطة. ويحدث الاقتران عادةً بقوةٍ أكبر ضمن نطاق ترددي ضيق نسبيًا، مما يؤدي إلى موجة جيبية متضائلة مميزة . وتظهر هذه الموجة بصريًا على شكل موجة جيبية عالية التردد تنمو وتتلاشى ضمن الغلاف الأطول لمنحنى أسي مزدوج. تتميز الموجة الجيبية المتضائلة عادةً بطاقة أقل بكثير وانتشار ترددي أضيق من النبضة الأصلية، وذلك بسبب خاصية نقل نمط الاقتران. عمليًا، غالبًا ما تقوم أجهزة اختبار النبض الكهرومغناطيسي بحقن هذه الموجات الجيبية المتضائلة مباشرةً بدلًا من محاولة إعادة إنتاج نبضات التهديد عالية الطاقة.

في سلسلة النبضات، كما هو الحال في دوائر الساعة الرقمية، يتكرر شكل الموجة على فترات منتظمة. وتكفي دورة نبضة كاملة واحدة لتوصيف هذه السلسلة المنتظمة والمتكررة.

ينشأ النبض الكهرومغناطيسي عندما يُصدر المصدر نبضة طاقة قصيرة المدة. عادةً ما تكون هذه الطاقة واسعة النطاق بطبيعتها، على الرغم من أنها غالبًا ما تُثير استجابة موجية جيبية مُخمدة ذات نطاق ضيق نسبيًا في البيئة المحيطة. بعض أنواع هذه النبضات تتولد على شكل سلاسل نبضات متكررة ومنتظمة .

تنشأ أنواع مختلفة من النبضات الكهرومغناطيسية من تأثيرات طبيعية، وبشرية، وأسلحة.

تشمل أنواع أحداث النبض الكهرومغناطيسي الطبيعية ما يلي:

• النبضة الكهرومغناطيسية للبرق (LEMP). عادةً ما يكون التفريغ عبارة عن تدفق تيار أولي قد يصل إلى ملايين الأمبيرات ، يليه سلسلة من النبضات ذات الطاقة المتناقصة.
• التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، نتيجة اقتراب جسمين مشحونين من بعضهما البعض أو حتى تلامسهما.
• النبض الكهرومغناطيسي النيزكي. هو تفريغ الطاقة الكهرومغناطيسية الناتج إما عن اصطدام نيزك بمركبة فضائية أو عن التفكك الانفجاري لنيزك أثناء مروره عبر الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• الانبعاث الكتلي الإكليلي (CME)، والذي يُشار إليه أحيانًا باسم النبض الكهرومغناطيسي الشمسي. هو عبارة عن انفجار من البلازما ومجال مغناطيسي مصاحب، ينطلق من الإكليل الشمسي ويتحرر في الرياح الشمسية . ^{[ 8 ]}

تشمل أنواع أحداث النبض الكهرومغناطيسي (المدنية) التي من صنع الإنسان ما يلي:

• عملية التبديل للدوائر الكهربائية، سواء كانت معزولة أو متكررة (مثل سلسلة نبضات).
• يمكن للمحركات الكهربائية أن تولد سلسلة من النبضات حيث تقوم نقاط التلامس الكهربائية الداخلية بتكوين وفصل الاتصالات أثناء دوران المحرك.
• يمكن لأنظمة إشعال محركات البنزين أن تُحدث سلسلة من النبضات عند تنشيط شمعات الإشعال أو إطلاقها.
• عمليات التبديل المستمرة للدوائر الإلكترونية الرقمية.
• ارتفاعات مفاجئة في التيار الكهربائي . يمكن أن تصل هذه الارتفاعات إلى عدة كيلوفولت، وهو ما يكفي لإتلاف المعدات الإلكترونية غير المحمية بشكل كافٍ.

تشمل أنواع النبضات الكهرومغناطيسية العسكرية ما يلي:

• النبضة الكهرومغناطيسية النووية (NEMP)، نتيجة انفجار نووي. ومن أنواعها النبضة الكهرومغناطيسية النووية عالية الارتفاع (HEMP)، التي تُنتج نبضة ثانوية نتيجة تفاعل الجسيمات مع الغلاف الجوي للأرض ومجالها المغناطيسي.
• أسلحة النبض الكهرومغناطيسي غير النووي (NNEMP).

تُسبب أحداث النبضات الكهرومغناطيسية الطفيفة، وخاصةً سلاسل النبضات، مستويات منخفضة من التشويش أو التداخل الكهربائي، مما قد يؤثر على تشغيل الأجهزة الحساسة. على سبيل المثال، كانت إحدى المشكلات الشائعة في منتصف القرن العشرين هي التداخل المنبعث من أنظمة إشعال محركات البنزين، ^{[ 17 ]} والذي تسبب في تشويش أجهزة الراديو وظهور خطوط على شاشة أجهزة التلفاز. وقد وُضع معيار CISPR 25 لتحديد معايير العتبة التي يجب أن تستوفيها المركبات فيما يتعلق بانبعاثات التداخل الكهرومغناطيسي.

عند مستوى جهد عالٍ، يمكن أن يتسبب النبض الكهرومغناطيسي في حدوث شرارة، على سبيل المثال من تفريغ كهربائي ساكن عند تزويد مركبة تعمل بمحرك بنزين بالوقود. ومن المعروف أن هذه الشرارات قد تتسبب في انفجارات خليط الوقود والهواء، ويجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لمنعها. ^{[ 18 ]}

يمكن أن يؤدي النبض الكهرومغناطيسي الكبير والنشط إلى توليد تيارات وفولتيات عالية في الوحدة المستهدفة، مما يؤدي إلى تعطيل وظيفتها مؤقتًا أو حتى إتلافها بشكل دائم.

يمكن لنبضة كهرومغناطيسية قوية أن تؤثر بشكل مباشر على المواد المغناطيسية وتتلف البيانات المخزنة على وسائط التخزين مثل الأشرطة المغناطيسية ومحركات الأقراص الصلبة . عادةً ما تكون محركات الأقراص الصلبة محمية بأغلفة معدنية سميكة. يستخدم بعض مزودي خدمات التخلص من أصول تكنولوجيا المعلومات وشركات إعادة تدوير أجهزة الكمبيوتر نبضة كهرومغناطيسية مضبوطة لمسح هذه الوسائط المغناطيسية. ^{[ 19 ]}

يمكن لحدث كهرومغناطيسي قوي للغاية، كضربة برق أو انفجار سلاح نووي في الجو، أن يُلحق أضرارًا مباشرة بأجسام مثل الأشجار والمباني والطائرات، إما عن طريق تأثيرات التسخين أو التأثيرات المُعطِّلة للمجال المغناطيسي الهائل الناتج عن التيار. ومن الآثار غير المباشرة الحرائق الكهربائية الناجمة عن التسخين. تتطلب معظم الهياكل والأنظمة الهندسية نوعًا من الحماية ضد الصواعق عند تصميمها. ومن الوسائل الجيدة للحماية درع فاراداي المصمم لحماية بعض العناصر من التلف.

كما هو الحال مع أي تداخل كهرومغناطيسي ، فإن خطر النبض الكهرومغناطيسي يخضع لإجراءات التحكم. وينطبق هذا سواء كان الخطر طبيعياً أو من صنع الإنسان.

لذا، تركز معظم تدابير التحكم على مدى تأثر المعدات بتأثيرات النبضات الكهرومغناطيسية، وعلى تحصينها أو حمايتها من الضرر. كما تخضع المصادر المصنعة، بخلاف الأسلحة، لتدابير التحكم للحد من كمية طاقة النبضات المنبعثة.

يُعرف التخصص في ضمان التشغيل الصحيح للمعدات في وجود النبض الكهرومغناطيسي وغيره من التهديدات اللاسلكية باسم التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).

قد تُشكل إشارات النبض الكهرومغناطيسي عالية المستوى خطرًا على سلامة الإنسان. في مثل هذه الحالات، يجب تجنب التلامس المباشر مع موصل كهربائي حي. عند حدوث ذلك، كما هو الحال عند لمس مولد فان دي غراف أو أي جسم آخر مشحون بشدة، يجب توخي الحذر عند إبعاد الجسم عن الجسم ثم تفريغ الشحنة من الجسم عبر مقاومة عالية، وذلك لتجنب خطر التعرض لصدمة كهربائية ضارة عند الابتعاد.

يمكن أن تتسبب شدة المجال الكهربائي العالية جدًا في انهيار الهواء وتدفق تيار قوس كهربائي قاتل محتمل يشبه البرق، ولكن تعتبر شدة المجال الكهربائي التي تصل إلى 200 كيلو فولت/متر آمنة. ^{[ 25 ]}

بحسب بحثٍ أجراه إيد جنت، خلص تقريرٌ صادرٌ عام ٢٠١٩ عن معهد أبحاث الطاقة الكهربائية ، المُموَّل من قِبَل شركات المرافق، إلى أنَّ هجومًا كهرومغناطيسيًا نبضيًا واسع النطاق قد يُسبِّب انقطاعاتٍ إقليميةً للتيار الكهربائي، لكن ليس انهيارًا شاملًا للشبكة على مستوى البلاد، وأنَّ فترات التعافي ستكون مُشابهةً لفترات انقطاعات التيار الكهربائي واسعة النطاق الأخرى. ^{[ ٢٦ ]} ولا يُعرف حتى الآن كم ستستمر هذه الانقطاعات، أو مدى الضرر الذي قد يلحق بالبلاد. ومن المُحتمل أن تتأثر الدول المُجاورة للولايات المتحدة بمثل هذا الهجوم، وذلك بحسب المنطقة المُستهدفة والسكان.

بحسب مقال لنورين مالك، ونظراً لنجاح تجارب كوريا الشمالية المتزايدة في مجال الصواريخ والرؤوس الحربية، تحرك الكونجرس الأمريكي لتجديد تمويل لجنة تقييم التهديد الذي تشكله الهجمات الكهرومغناطيسية النبضية على الولايات المتحدة كجزء من قانون تفويض الدفاع الوطني . ^{[ 27 ]}

بحسب بحث أجراه يوشيدا ريجي، في مقال نُشر عام 2016 لصالح منظمة مركز مراقبة تجارة المعلومات والأمن غير الربحية التي تتخذ من طوكيو مقراً لها، حذر أونيزوكا من أن هجوماً كهرومغناطيسياً عالي الارتفاع من شأنه أن يُلحق الضرر بأنظمة الطاقة والاتصالات والنقل في اليابان أو يدمرها ، فضلاً عن تعطيل البنوك والمستشفيات ومحطات الطاقة النووية . ^{[ 28 ]}

بحلول عام ١٩٨١، ساهمت العديد من المقالات في الصحافة الشعبية حول النبض الكهرومغناطيسي ^في نشر الوعي بهذه الظاهرة في الثقافة العامة . ^{[ ٢٩ ] [ ٣٠ ] [ ٣١ ] [ ٣٢ ]} وقد استُخدمت النبضات الكهرومغناطيسية لاحقًا في العديد من الأعمال الروائية وغيرها من جوانب الثقافة الشعبية. غالبًا ما تُصوّر وسائل الإعلام الشعبية تأثيرات النبضات الكهرومغناطيسية بشكل خاطئ، مما يُسبب سوء فهم لدى عامة الناس وحتى لدى المتخصصين. ومن بين المفاهيم الخاطئة الشائعة أن جميع المركبات المتحركة ستتوقف عن العمل، أو حتى أن جميع أنواع الأجهزة الإلكترونية ستتعطل. وقد بُذلت جهود رسمية في الولايات المتحدة لتصحيح هذه المفاهيم الخاطئة. ^{[ ٣٣ ] [ ٣٤ ] [ ٣٥ ]}

• فيلم وثائقي قصير بعنوان "الجسر: معلم من معالم الحرب الباردة" على موقع مؤسسة سوما الإلكتروني