전자기 펄스

3. 발생 원인

전자기 펄스(EMP)는 다양한 원인에 의해 발생하며, 에너지가 짧은 시간 동안 펄스 형태로 방출되는 현상이다. 이 에너지는 광대역이지만, 주변 환경에 따라 특정 주파수 대역에서 강하게 나타나기도 한다.

EMP는 크게 자연적 발생, 인위적 발생, 군사적 발생으로 나눌 수 있다.

• 자연적 발생:
• 번개 전자기 펄스(LEMP): 번개는 수백만 암페어의 전류와 함께 여러 개의 펄스를 발생시킨다.
• 정전기 방전(ESD): 두 물체가 접촉하거나 가까워질 때 발생하며, 높은 전압을 특징으로 한다.
• 운석 EMP: 운석이 우주선과 충돌하거나 대기권에서 폭발할 때 전자기 에너지를 방출한다.^[6][7]
• 코로나 질량 방출(CME): 태양 코로나에서 플라스마와 자기장이 폭발적으로 방출되는 현상으로, 태양 EMP라고도 한다.^[8]
• 인위적 발생:
• 전기 회로의 스위칭 동작, 전동기, 가솔린 엔진 점화 시스템, 디지털 전자 회로: 전기 회로가 켜지거나 꺼질 때, 회전자의 연결과 차단이 반복될 때, 점화 플러그에 에너지가 공급될 때, 지속적인 스위칭 동작으로 인해 전류 흐름이 급격하게 변하면서 EMP가 발생한다.
• 전력선 서지: 수 킬로볼트의 전압이 발생하여 전자 장비를 손상시킬 수 있다.
• 군사적 발생:
• 핵 전자기 펄스(NEMP): 핵폭발의 결과로 발생하며, 고고도 핵 EMP(HEMP)는 지구 대기와 자기장과의 상호 작용으로 2차 펄스를 생성한다.
• 비핵 전자기 펄스(NNEMP) 무기: 핵폭발 없이 전자기 펄스를 발생시키는 무기이다.

3. 1. 자연적 발생

3. 2. 인위적 발생

3. 3. 군사적 발생

4. 고도별 EMP

핵폭발에 의한 EMP는 폭발 고도에 따라 다른 특성을 보인다.

번개의 경우 주파수는 1MHz 이하이고 전계 강도는 10 - 수백 kV/m 정도이다. 펄스의 상승 시간은 고고도 핵폭발의 3자릿수 정도 느리다.^[33]

고고도 전자기펄스(HEMP, High-altitude Electromagnetic Pulse) 무기는 지구 표면 상공에서 폭발하도록 설계된 NEMP 탄두이다. 폭발은 중간 성층권으로 감마선 폭발을 방출하고, 이는 2차 효과로 이온화되며, 그 결과 생성된 고에너지 자유 전자는 지구의 자기장과 상호 작용하여 일반적으로 저고도의 더 조밀한 공기에서 생성되는 것보다 훨씬 강력한 EMP를 생성한다.

5. 영향

1859년 캐링턴 사건 당시 유럽과 북미 전역의 전신 시스템이 마비되었고, 전신용 철탑에서 불꽃이 튀는 등의 피해가 발생했다.^[34] 20세기 중반에는 가솔린 엔진의 점화 시스템으로 인한 간섭이 일반적인 문제였다. 이는 라디오에 잡음을 발생시키고, 텔레비전 화면에 줄무늬를 표시했다.

크고 강력한 EMP는 피해 장치에 고전류와 고전압을 유도하여 일시적으로 기능을 방해하거나 영구적으로 손상시킬 수 있다. 강력한 EMP는 자기 테이프 및 컴퓨터 하드 드라이브와 같은 자기 물질에 직접 영향을 미쳐 저장된 데이터를 손상시킬 수도 있다.

핵폭발로 발생하는 EMP의 경우, 군사용 전자 장비는 금속 박막 등으로 케이블을 차폐하거나, 과부하가 예상되는 곳에 반도체 대신 진공관을 사용하는 등, EMP에 대한 방호 조치가 되어 있는 것도 있다.

하지만 한국은 북한 핵미사일이 폭발할 때 발생하는 EMP에 대한 대비가 거의 전무한 것으로 알려져 있다. 특히 후쿠시마 원전 사태와 같이, 원전 가동에 필수적인 전기 공급이 차단되면, 원전은 스스로 냉각을 못해 자체 폭발하여 대규모 방사능 재앙을 일으킬 수 있는데, 한국의 원전은 북한 핵미사일의 EMP 공격에 아무런 대비가 없는 것으로 알려져 있다.^[35]

6. 제어

모든 전자파 간섭과 마찬가지로, EMP의 위협은 제어 조치의 대상이다. 이는 위협이 자연적이든 인위적이든 마찬가지이다.

따라서 대부분의 제어 조치는 EMP 영향에 대한 장비의 감수성과, 경화 또는 피해로부터의 보호에 초점을 맞춘다. 무기 이외의 인위적 소스 또한 방출되는 펄스 에너지의 양을 제한하기 위해 제어 조치의 대상이다.

EMP 및 기타 RF 위협이 존재하는 상황에서 장비의 올바른 작동을 보장하는 분야는 전자기적합성(EMC)으로 알려져 있다.

6. 1. 시험 시뮬레이션

7. 안전

고강도 전자기 펄스(EMP) 신호는 인체에 위협이 될 수 있으며, 감전된 전기 전도체와의 직접 접촉을 피해야 한다.^[23] 매우 높은 전기장 강도는 공기의 절연 파괴를 일으켜 낙뢰와 유사한, 잠재적으로 치명적인 아크 전류가 흐를 수 있지만, 최대 200 kV/m의 전기장 강도는 안전하다고 간주된다.^[23]

에드 젠트(Edd Gent)의 연구에 따르면, 대규모 EMP 공격은 지역적인 정전을 유발할 가능성이 높지만, 전국적인 전력망 마비는 일으키지 않을 것이며, 복구 시간은 다른 대규모 정전과 유사할 것이라고 한다.^[24] 미국의 경우, 국방수권법(National Defense Authorization Act)의 일환으로 EMP 공격으로부터 미국에 대한 위협을 평가하기 위한 위원회에 대한 자금 지원을 갱신했다.^[25]

요시다 레이지(Yoshida Reiji)의 연구에 따르면, 고고도 EMP 공격이 일본의 전력, 통신 및 운송 시스템을 손상시키거나 파괴하고 은행, 병원 및 원자력 발전소의 기능을 마비시킬 것이라고 경고했다.^[26] 특히, 후쿠시마 원전 사태와 같이, 원전 가동에 필수적인 전기 공급이 차단되면, 원전은 스스로 냉각을 못해서 자체 폭발하여 대규모 방사능 재앙을 일으킬 수 있다. 한국의 원전은 북한 핵미사일의 폭발로 인한 EMP 공격에 아무런 대비가 없는 것으로 알려져 있어서, 북한 핵미사일이 직접 원전을 파괴하지 않더라도 EMP 공격 효과에 따라 전국의 모든 원전이 냉각제를 공급하지 못하여 자체 폭발할 수 있다는 것이다.^[35]

8. 대중문화

1981년까지, 전자기 펄스에 대한 다수의 기사가 대중매체에 실리면서 EMP 현상에 대한 지식이 대중문화에 퍼져나갔다.^{[27][28][29][30]} 이후 EMP는 다양한 픽션과 대중문화의 다른 측면에서 사용되었다. 대중매체는 종종 EMP의 영향을 잘못 묘사하여 대중과 전문가들 사이에서 오해를 불러일으켰다. 미국에서는 이러한 오해를 바로잡기 위한 공식적인 노력이 이루어졌다.^[31][32]

윌리엄 R. 포스트천(William R. Forstchen)의 소설 ''원 세컨드 애프터''와 그 후속작인 ''원 이어 애프터(One Year After)'', ''더 파이널 데이(The Final Day)'', ''파이브 이어스 애프터(Five Years After)''는 미국이 전쟁에서 패하고 EMP 공격으로 "미국을 암흑시대로 되돌리는" 상황에서 존 매더슨(John Matherson)이라는 가상의 인물과 노스캐롤라이나주 블랙 마운틴(Black Mountain)의 그의 공동체의 이야기를 그린다.

참조

_[1] 간행물 Royal Air Force Common Core and Deployment Skills Aide-Memoire AP 3242B VOL 5, ABBREVIATIONS
_[2] 웹사이트 Electromagnetic pulses in history https://www.telegrap[...] 2023-02-12
_[3] 웹사이트 DHS Combats Potential Electromagnetic Pulse (EMP) Attack https://www.dhs.gov/[...] 2021-05-03
_[4] 논문 An Assessment of Threats to the American Power Grid 2019-05-29
_[5] 논문 Self-similar shock wave solutions of the nonlinear Maxwell equations http://iopscience.io[...] 2014
_[6] 논문 Electromagnetic pulses generated by meteoroid impacts on spacecraft 2010
_[7] 웹사이트 Meteoric Airbursts: General Principles http://qdl.scs-inc.u[...] QDL blog 2014-12-30
_[8] 웹사이트 EMPACT America, Inc. – Solar EMP http://www.empactame[...] 2015-11-23
_[9] 논문 Measured close lightning leader step electric field derivative waveforms http://www.lightning[...] 2011
_[10] 웹사이트 A Basic Primer in Lightning Effects and Protection http://www.weighing-[...] weighing-systems.com 2015-09-08
_[11] 뉴스 America's utilities prepare for a nuclear threat to the grid https://www.economis[...] 2017-09-21
_[12] 논문 The Electromagnetic Bomb - A Weapon of Electrical Mass Destruction https://apps.dtic.mi[...] 2012-01-12
_[13] 뉴스 Aircraft could be brought down by DIY 'E-bombs' https://www.newscien[...] 2009-04-01
_[14] 논문 Scientific Collaborations Between Los Alamos and Arzamas-16 Using Explosive-Driven Flux Compression Generators https://sgp.fas.org/[...] 2009-10-24
_[15] 웹사이트 What is EMI & RFI? And How Can You Stop Electric & Ignition Interference? https://www.onallcyl[...] 2024-08-09
_[16] 간행물 Fundamentals of Electrostatic Discharge Compliance Magazine 2015-06-25
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_[18] 논문 Reminiscences of High-Power Electromagnetics https://ece-research[...] 2007-05
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_[21] 웹사이트 SUMMA Foundation – Carl Baum, Electrical and Computer Engineering Department, University of New Mexico https://ece-research[...]
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_[25] 웹사이트 Can America's Power Grid Survive an Electromagnetic Attack? https://www.bloomber[...] 2021-05-03
_[26] 웹사이트 Threat of North Korean EMP attack leaves Japan vulnerable https://www.japantim[...] 2021-05-03
_[27] 간행물 EMP: A Sleeping Electronic Dragon Science News 1981-05-09
_[28] 간행물 EMP: Defensive Strategies Science News 1981-05-16
_[29] 간행물 The Chaos Factor Science 83 1983-01
_[30] 뉴스 U.S. Fears One Bomb Could Cripple the Nation https://www.nytimes.[...] New York Times 1983-06-28
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_[32] 영상 Hollywood vs. EMP Manitou Motion Picture Company 2009
_[33] 서적 防衛用ITのすべて (防衛技術選書―兵器と防衛技術シリーズ) 防衛技術協会 2017-07-15
_[34] 간행물 Fundamentals of Electrostatic Discharge Compliance Magazine 2015-05-01
_[35] 뉴스 세계적 EMP 석학 "한전 시뮬레이션 헛일" 이투뉴스 2017-07-06