Efecto Christofilos

Entre los tipos de energía liberada por una explosión nuclear se encuentra una gran cantidad de partículas beta , o electrones de alta energía . ^{[ 1 ]} Estas son principalmente el resultado de la desintegración beta dentro de los restos de las partes de fisión de la bomba, que, en la mayoría de los diseños, representa aproximadamente el 50% del rendimiento total. ^{[ 2 ]}

Debido a que los electrones tienen carga eléctrica, inducen corrientes eléctricas en los átomos circundantes al pasar a gran velocidad. Esto provoca la ionización de los átomos y, al mismo tiempo, la desaceleración de las partículas beta. En la atmósfera inferior, esta reacción es tan potente que las partículas beta se desaceleran hasta alcanzar velocidades térmicas en unas pocas decenas de metros como máximo. Esto se encuentra dentro del rango típico de una bola de fuego nuclear, por lo que el efecto es demasiado pequeño para ser visible. ^{[ 2 ]}

A grandes altitudes, la atmósfera, mucho menos densa, permite que los electrones viajen largas distancias. Tienen suficiente energía como para no ser recapturados por el protón creado en la desintegración beta, por lo que, en teoría, pueden durar indefinidamente. ^{[ 1 ] [ 3 ]}

En 1951, como parte de la primera ola de investigación sobre la energía de fusión , el investigador Richard F. Post, del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Livermore ("Livermore") , introdujo el concepto de espejo magnético . El espejo es un dispositivo engañosamente simple, que consiste principalmente en una cámara de vacío cilíndrica que contiene el combustible de fusión y un electroimán enrollado a su alrededor para formar un solenoide modificado . ^{[ 4 ]}

Un solenoide normalmente genera un campo magnético lineal a lo largo del centro de su eje, en este caso, en el centro de la cámara de vacío. Cuando las partículas cargadas se colocan en un campo magnético, orbitan alrededor de las líneas de campo , lo que, en este caso, les impide moverse lateralmente y chocar contra las paredes de la cámara. En un solenoide normal, aún podrían moverse libremente a lo largo de las líneas y, por lo tanto, escapar por los extremos. La idea de Post fue enrollar el electroimán de tal manera que el campo fuera más fuerte en los extremos que en el centro de la cámara. A medida que las partículas fluyen hacia los extremos, estos campos más fuertes fuerzan las líneas a juntarse, y el campo curvo resultante hace que las partículas se "reflejen", de ahí el nombre de espejo . ^{[ 4 ]}

En un espejo magnético perfecto, las partículas de combustible rebotarían de un lado a otro, sin llegar a los extremos ni tocar las paredes del cilindro. Sin embargo, incluso en teoría, ningún espejo es perfecto; siempre existe una población de partículas con la energía y la trayectoria adecuadas que les permiten salir por los extremos a través del "cono de pérdida". ^{[ 5 ]} Esto hace que los espejos magnéticos sean inherentemente sistemas con fugas, aunque los cálculos iniciales sugirieron que la tasa de fuga era lo suficientemente baja como para que aún se pudiera utilizar para producir un reactor de fusión . ^{[ 6 ]}

La forma del campo magnético terrestre, o campo geomagnético , es similar a la de un espejo magnético. El campo se expande sobre el ecuador y luego se estrecha al acercarse a los polos . Dicho campo reflejaría las partículas cargadas de la misma manera que los espejos de Post. Esto no fue una revelación nueva; ya se sabía desde hacía tiempo que era la base subyacente de la formación de las auroras . En el caso de las auroras, las partículas del viento solar comienzan a orbitar alrededor de las líneas del campo, rebotando de un lado a otro entre los polos. Con cada pasada, algunas de las partículas se filtran más allá de los puntos de reflexión e interactúan con la atmósfera, ionizando el aire y causando la luz. ^{[ 7 ]}

Los electrones liberados por eventos de fisión generalmente tienen una energía de entre 1 y 2 MeV (0,16 a 0,32 pJ ) . Inicialmente, estos electrones experimentan reflexión en las capas altas de la atmósfera, donde es improbable que reaccionen con los átomos atmosféricos y podrían reflejarse repetidamente durante un tiempo. Al considerar una órbita completa desde el polo norte hasta el polo sur y viceversa, los electrones pasan naturalmente más tiempo en las regiones de reflexión, ya que es allí donde disminuyen su velocidad y cambian de dirección. Esto conlleva un aumento de la densidad electrónica en los puntos de reflexión. El campo magnético creado por los electrones en movimiento en esta región interactúa con el campo geomagnético, lo que provoca que los puntos de reflexión se desplacen hacia la atmósfera. Allí, los electrones experimentan más interacciones a medida que la densidad atmosférica aumenta rápidamente. Estas interacciones ralentizan los electrones, de modo que producen un campo magnético menor, alcanzando así un punto de equilibrio en la atmósfera superior, a unos 110 kilómetros (70 millas) de altitud. ^{[ 8 ]}   

Utilizando esta altitud promedio como base para el cálculo de la densidad del aire, se pudo calcular la tasa de interacción con la atmósfera. Al realizar los cálculos, se observó que la vida media de un electrón sería del orden de 2,8 días. ^{[ 9 ]}

Como ejemplo, Christofilos consideró la explosión de una bomba de 1 Mt (4,2 PJ ) . Esta produciría 10²⁶ ^eventos de fisión, que a su vez generan cuatro electrones por fisión. Para los puntos de simetría considerados, casi cualquier partícula beta que se desplace aproximadamente hacia arriba o hacia abajo sería capturada, lo que, según sus estimaciones, representaría aproximadamente la mitad de ellas, dejando 2 × 10²⁶ ^electrones atrapados en el campo. Debido a la forma del campo terrestre y a los resultados de la regla de la mano derecha , los electrones se desplazarían hacia el este y, finalmente, crearían una capa alrededor de toda la Tierra. ^{[ 9 ]}  

Suponiendo que los electrones se distribuyeran uniformemente, se produciría una densidad de 0,2 electrones por centímetro cúbico. Debido a que los electrones se mueven rápidamente, cualquier objeto dentro del campo estaría sujeto a impactos de aproximadamente 1,5 × 10⁹ ^electrones por segundo por centímetro cuadrado. ^{[ 9 ]} Estos impactos hacen que los electrones se ralenticen, lo que, a través de la radiación de frenado , libera radiación en el objeto. La tasa de radiación de frenado depende de la masa atómica relativa , o Z , del material. Para un objeto con una Z promedio de 10, ^{[ a ]} ​​el flujo resultante es de aproximadamente 100 roentgen /hora, en comparación con la dosis letal media de aproximadamente 450 roentgen. Christofilos señaló que esto representaría un riesgo significativo para los viajeros espaciales y sus equipos electrónicos. ^{[ 9 ]} 

Cuando los vehículos de reentrada (VR) de los ICBM se acercan a sus objetivos, viajan a unos 8 kilómetros por segundo (5 mi/s) , o alrededor de 28.000 kilómetros por hora (17.000 mph) . Un VR que viaje a través de la capa espejo, donde los electrones son más densos, estaría en medio del campo eléctrico durante unos diez segundos. Debido a la alta velocidad de una ojiva , el pico de voltaje aparente induciría una corriente enorme en cualquiera de sus componentes metálicos. Esta podría ser tan alta como para fundir la estructura del avión, pero, más realistamente, podría destruir el mecanismo de activación o de guiado. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ b ]}  

La densidad del campo es máxima en los puntos simétricos, de los cuales siempre hay dos para una explosión dada, los llamados conjugados magnéticos . La explosión puede ocurrir en cualquiera de estos dos puntos, y el campo magnético hará que se concentre también en el otro punto. Christofilos señaló que el punto conjugado para la mayor parte del territorio continental de Estados Unidos se encuentra en el Pacífico Sur , muy al oeste de Chile , donde tales explosiones no serían detectadas. Por lo tanto, si se detonara una serie de bombas de este tipo en estas ubicaciones, se formaría un enorme cinturón de radiación sobre Estados Unidos, que podría inutilizar las ojivas de un ataque soviético . ^{[ 12 ]}

Para los planificadores militares, resultaba de interés adicional la posibilidad de utilizar este efecto como arma ofensiva. En caso de un ataque de las fuerzas estadounidenses contra la Unión Soviética, las ubicaciones conjugadas del sur se encuentran generalmente en el Océano Índico , donde no serían detectadas por el radar de alerta temprana soviético . Una serie de explosiones provocaría un apagón masivo del radar sobre Rusia, degradando su sistema de misiles antibalísticos (ABM) sin previo aviso. Dado que se esperaba que estos efectos duraran hasta cinco minutos, aproximadamente el tiempo que un radar de línea de visión en Rusia tendría para detectar las ojivas, una sincronización precisa del ataque podría inutilizar el sistema ABM. ^{[ 11 ]}

Christofilos comenzó su carrera en física leyendo artículos científicos en una empresa de ascensores durante la ocupación de Grecia por las potencias del Eje, cuando no tenía mucho más que hacer. En la posguerra, fundó un servicio de reparación de ascensores, durante el cual empezó a desarrollar el concepto conocido hoy como enfoque fuerte , un avance clave en la historia de los aceleradores de partículas . En 1949, envió una carta describiendo la idea al Laboratorio Berkeley, pero la rechazaron tras encontrar un pequeño error. En 1952, la idea se desarrolló de forma independiente en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , que publicó un artículo sobre el tema. Convencido de que le habían robado la idea, Christofilos viajó a Estados Unidos, donde consiguió un trabajo en Brookhaven. ^{[ 13 ]}

Christofilos pronto se interesó más en los esfuerzos de fusión nuclear que en el diseño de aceleradores de partículas. En ese momento, había tres diseños principales en desarrollo en el programa estadounidense: el espejo magnético, el estelarador y el z-pinch . El espejo solía ser visto con malos ojos debido a su inherente fuga, un efecto secundario de sus líneas de campo abiertas. Christofilos desarrolló un nuevo concepto para abordar este problema, conocido como Astron . Este consistía en un espejo con un acelerador de partículas asociado que inyectaba electrones fuera del área tradicional del espejo. Su rápido movimiento formaba un segundo campo magnético que se mezclaba con el del electroimán y hacía que el campo neto resultante se "cerrara", solucionando así el mayor problema del espejo. ^{[ 14 ]}

Durante ese mismo período, Estados Unidos planeaba comprobar directamente la presencia de la esperada capa cargada mediante el satélite Explorer 1, en el marco del Año Geofísico Internacional (AGI). Antes del lanzamiento del Explorer, los soviéticos sorprendieron a todos con el lanzamiento del Sputnik 1 en octubre de 1957. Este suceso provocó un pánico casi generalizado en los círculos de defensa estadounidenses, donde muchos concluyeron que los soviéticos habían alcanzado una ventaja científica insuperable. ^{[ 10 ]}

Entre los preocupados por los avances soviéticos se encontraba Christofilos, quien publicó su idea en un memorando interno ese mismo mes. ^{[ 15 ]} Cuando el Explorer fue lanzado en enero de 1958, confirmó la existencia de lo que se conoció como los cinturones de radiación de Van Allen . ^{[ 16 ]} Esto provocó un nuevo pánico dentro del estamento de defensa cuando algunos concluyeron que los cinturones de Van Allen no se debían a las partículas del Sol, sino a pruebas nucleares secretas soviéticas a gran altitud del concepto de Christofilos. ^{[ 10 ]}

La idea de Christofilos despertó de inmediato un gran interés; si el concepto funcionaba en la práctica, Estados Unidos tendría una «bala mágica» que podría inutilizar la flota soviética de misiles balísticos intercontinentales (ICBM). ^{[ 10 ]} En febrero de 1958, James Rhyne Killian , presidente del recién formado Comité Asesor Científico del Presidente (PSAC), convocó a un grupo de trabajo en Livermore para explorar el concepto. El grupo coincidió en que el concepto básico era sólido, pero que muchos problemas prácticos solo podrían resolverse mediante pruebas directas con explosiones a gran altitud. ^{[ 17 ]}

Para entonces, la planificación de la serie de pruebas nucleares de 1958, Operación Hardtack I , ya estaba casi terminada. Esto incluía varias explosiones a gran altitud lanzadas sobre el campo de pruebas del Pacífico Sur. Dado que estas se encontraban relativamente cerca del ecuador, el punto de inyección adecuado para el campo magnético estaba a una altitud relativamente elevada, mucho mayor que los 75 kilómetros (47 millas) de Shot Teak. Esto limitaría la utilidad de estas explosiones para probar el efecto Christofilos. Sería necesaria una nueva serie de explosiones para probar el efecto. ^{[ 18 ]} 

A la urgencia del proceso de planificación se sumaron las negociaciones en curso en Ginebra entre Estados Unidos y la URSS para acordar lo que finalmente se convertiría en el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares . En ese momento, parecía que la prohibición de ensayos podría entrar en vigor en el otoño de 1958 en el hemisferio norte. ^{[ 19 ]} Los soviéticos reaccionarían negativamente si Estados Unidos comenzaba los ensayos a gran altitud mientras se llevaban a cabo las negociaciones. ^{[ 16 ]} A los planificadores se les encomendó la tarea de completar los ensayos antes del 1 de septiembre de 1958. ^{[ 19 ]}

El lanzamiento del Sputnik también propició la creación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA) en febrero de 1958, inicialmente con la misión de centralizar los diversos proyectos de desarrollo de misiles estadounidenses. Su mandato pronto se amplió para abarcar el tema de la defensa en general, especialmente la defensa contra ataques con misiles, una posibilidad real que el Sputnik dejó clara. El director científico de la ARPA, Herbert York , formó un comité de élite denominado "Proyecto 137" para "identificar problemas que no recibían la atención adecuada". El comité, compuesto por veintidós figuras destacadas del mundo de la física, estuvo presidido por John Archibald Wheeler , quien popularizó el término agujero negro . ^{[ 10 ]}

York informó al presidente Eisenhower sobre el concepto de Christofilos y, el 6 de marzo de 1958, recibió autorización para realizar una serie de pruebas por separado. ^{[ 10 ]} Durante los dos meses siguientes se llevó a cabo una intensa planificación. ^{[ 17 ]} Christofilos no tenía autorización Q y no podía formar parte de la planificación. No obstante, el grupo del Proyecto 137 organizó una reunión entre Christofilos y ellos en Fort McNair el 14 de julio de 1958 para discutir los planes. ^{[ 16 ]}

Para cumplir con el plazo de septiembre, las armas y el equipo debían obtenerse en la medida de lo posible de las existencias disponibles. Esto resultó en que el único lanzador adecuado fuera el Lockheed X-17 , que estaba en producción para pruebas de reentrada y estaba disponible en cierta cantidad. Desafortunadamente, la limitada capacidad de altitud del X-17 significaba que no podía alcanzar la altitud requerida para impactar puntos espejo en el Pacífico Sur sobre los campos de pruebas. La única área que tenía un campo lo suficientemente bajo para que el X-17 impactara fácilmente era la Anomalía del Atlántico Sur , donde el Cinturón de Van Allen desciende hasta los 200 kilómetros (660 000 pies) . ^{[ 20 ]} 

La planificación de las pruebas solía durar un año o más, razón por la cual estas generalmente se realizaban en "series" muy próximas entre sí. En contraste, las pruebas de la Operación Argus pasaron de la aprobación inicial del Presidente el 6 de marzo de 1958 a las pruebas propiamente dichas en tan solo cinco meses. Entre otros hitos, las pruebas debían mantenerse en absoluto secreto desde su inicio hasta su finalización, fueron las primeras pruebas de misiles balísticos desde un buque en alta mar y la única operación de prueba nuclear atmosférica en el Océano Atlántico . ^{[ 21 ]} Los planes finales fueron aprobados por el Presidente el 1 de mayo de 1958. ^{[ 22 ]}

Para medir el efecto, se lanzaron el Explorer IV y el Explorer V en agosto, aunque solo el IV alcanzó la órbita. ^{[ 15 ]} La Operación Argus se llevó a cabo a finales de agosto y principios de septiembre de 1958. Se detonaron tres bombas atómicas de baja potencia sobre el Atlántico Sur a una altura de 480 kilómetros (300 millas) . Las bombas liberaron partículas cargadas que se comportaron exactamente como Christofilos había predicho, quedando atrapadas a lo largo de las líneas de fuerza. Aquellas que lograron llegar lo suficientemente lejos en la atmósfera, tanto al norte como al sur, crearon una pequeña tormenta magnética. ^{[ 16 ]} 

Estas pruebas demostraron que la posibilidad de utilizar el efecto como sistema defensivo no funcionó. Sin embargo, en las fuentes disponibles no se encuentran detalles exactos sobre la falta de efectividad. La mayoría de las referencias indican que el efecto no duró lo suficiente como para ser útil, ^{[ 16 ] [ 10 ]} y un informe de ARPA concluyó que se "disipó rápidamente" y, por lo tanto, tendría poco valor como sistema anti-ojivas. ^{[ 23 ]} Sin embargo, otras fuentes indican que el efecto persistió durante más de seis días en la última prueba. ^{[ 22 ]}

A finales de junio de 1958, Hanson Baldwin , corresponsal militar del New York Times y ganador del Premio Pulitzer , recibió indicios tentadores de una importante operación militar estadounidense. Se cree que esta información se filtró desde el laboratorio de la Universidad de Iowa dirigido por James Van Allen , que colaboraba con ARPA en el proyecto Argus durante ese período. Baldwin consultó con su colega, el periodista científico Walter Sullivan, sobre el asunto. Sullivan habló con Richard Porter, presidente del Panel del Año Geofísico Internacional sobre Cohetes y Satélites, quien se mostró horrorizado por la cantidad de información que Baldwin había descubierto. Una hora después de hablar con Porter, Sullivan recibió una llamada de ARPA, pidiéndole que no publicara la noticia hasta que concluyeran las pruebas. ^{[ 24 ]}

A finales de año, con las pruebas terminadas y el concepto prácticamente abandonado, Christofilos pudo hablar abiertamente sobre el tema en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en octubre de 1958 , omitiendo únicamente el detalle de que se usaría una bomba atómica para generar la radiación. En la reunión de diciembre de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , Sullivan se enteró de que se estaba preparando para su publicación un artículo sobre el tema, titulado "Modificación artificial del cinturón de radiación de la Tierra". Sullivan y Baldwin se dieron cuenta de que estaban a punto de perder su primicia, así que Sullivan escribió a York solicitando autorización, ya que era evidente que otros periodistas estaban al tanto de las pruebas. York habló del asunto con James Killian , presidente del Comité Asesor Científico de los Presidentes (PSAC), quien añadió que Van Allen también estaba presionando mucho para obtener los derechos de publicación. ^{[ 24 ]}

Más tarde, Sullivan reforzó su argumento de que la información saldría a la luz de todos modos llamando a las estaciones de monitoreo del Año Geofísico Internacional y preguntando sobre los registros de auroras boreales durante agosto y septiembre. Le dijeron que hubo un "evento bastante notable" que no correspondía a ninguna tormenta solar conocida. Envió otra carta a York, señalando que las pistas sobre el proyecto ya eran públicas y simplemente esperaban a que alguien atara cabos. York lo llamó al Pentágono y le pidió nuevamente que esperara. Sullivan concluyó que esto ya no se debía a una necesidad militar, sino a una cuestión política; las negociaciones para la prohibición de pruebas estaban en curso y la repentina publicación de la noticia de que Estados Unidos había realizado nuevas pruebas en el espacio sería un problema grave. Sullivan y Baldwin volvieron a guardar silencio sobre la historia. ^{[ 24 ]}

In February 1959, Killian was in New York giving a speech. Sullivan attended and at the end handed him a letter. The two sat down and Killian read it. The letter outlined the fact that an increasing amount of information was leaking about the tests and that the Times had been patiently waiting on approval from the Pentagon that appeared not to be forthcoming. Meanwhile, scientists working on the project were becoming increasingly vocal about the publication of the data, and a late February meeting of the Argus scientists and managers resulted in arguments. At a PSAC meeting, Killian finally agreed to release the data at the April meeting of the National Academy of Sciences, but still did not tell the Times.^[24]

Baldwin and Sullivan had had enough; they went to the top of the Times hierarchy, publisher Arthur Hays Sulzberger, president Orvil E. Dryfoos, and managing editor Turner Catledge, who approved publication. On 18 March 1959, Sullivan tried to call Killian but reached his assistant instead, while Baldwin spoke with ARPA director Roy Johnson. The two wrote the story that night, waiting for the phone call that would again kill the story. The phone never rang and the story was published the next day.^[24]

In 2008, science writer Mark Wolverton noted ongoing concerns about the use of the Christofilos effect as a way to disable satellites.^[16]

• Christofilos, Nicholas (agosto de 1959). "El experimento Argus" . Journal of Geophysical Research . 64 (8): 869– 875. Bibcode : 1959JGR....64..869C . doi : 10.1029/JZ064i008p00869 .
• Post, Richard (10 de agosto de 1987). Sistemas de fusión por espejo magnético (Informe técnico).
• Jones, CB (30 de abril de 1982). Operación Argus 1958 (PDF) (Informe técnico). Agencia Nuclear de Defensa . Archivado (PDF) del original el 13 de diciembre de 2021.
• Glasstone, Samuel; Dolan, Philip (1977). Los efectos de las armas nucleares (PDF) . Departamento de Defensa . Bibcode : 1977enw..book.....G .
• Neufeld, Michael (2008). Von Braun: Soñador del espacio, ingeniero de guerra . Vintage Books . ISBN 9780307389374.
• Jacobsen, Annie (2015). El cerebro del Pentágono . Little, Brown . ISBN 9780316371650.
• Garvin, Richard; Bethe, Hans (marzo de 1968). "Sistemas antimisiles balísticos" (PDF) . Scientific American . 218 (3): 21– 31. Bibcode : 1968SciAm.218c..21G . doi : 10.1038/scientificamerican0368-21 . Consultado el 13 de diciembre de 2014 .
• Wolverton, Mark (mayo de 2008). "Cosas antiguas y rarezas: cinturón de radiación de fabricación casera" . Revista Air & Space .
• Wolverton, Mark (24 de noviembre de 2018). "Cómo el mundo se enteró de las pruebas nucleares a gran altura del Pentágono" . The Atlantic .