以下文章来源于书生谈兵2018 ，作者书生谈兵2018
1962年7月9日，美国在太平洋约翰斯顿岛上空400公里进行了一次超高空大威力核爆炸试验，代号“海盘车”，当量为140万吨。结果发生了一些“怪事”：位于1400公里外的檀香山地区几百个防盗报警器莫名其妙同时响起，电线上的续电器像爆米花似的被烧掉跳开，夏威夷岛上的照明变压器也被烧毁，30多条线路上的路灯全部熄灭，美国核试验站的无线电通讯也中断了20分钟。事后查明这是由核电磁脉冲（NEMP）引起的破坏效应。自此之后核电磁脉冲才引起人们的重视，并将其列为核武器的第五种毁伤效应。
核电磁脉冲的原理
实际上早在1945年7月美国爆炸第一颗原子弹之前，著名物理学家费米就曾预言了核爆炸会产生电磁脉冲（EMP）现象，但并没有引起人们的注意（其实自然界的核爆炸也一样能产生电磁脉冲，例如超新星爆炸、太阳的耀斑、黑子活动等，有时对太空中的人造卫星也造成一定破坏）。进入60年代以后，人们之所以开始重视并积极研究核电磁脉冲，是因为半导体器件和集成电路越来越广泛的被使用（包括应用在核武器上），并且发展势头很快，和之前老式的电子管器件不同，这些精密电子元器件和电路系统对核电磁脉冲极为敏感，于是一场核电磁脉冲和电子技术的对抗就此展开。
核电磁脉冲是怎么产生的呢？这需要从微观层面进行解释。核爆炸产生的高能γ光子和周围空气中的原子相互作用（γ射线和与大气相互作用的空域称为源区），γ光子能把原子中的电子打出来，成为自由电子，这种自由电子称为康普顿电子。康普顿电子的运动速度接近光速，这些瞬间产生的、数量巨大的自由电子形成一股强大的电子流离开爆心向外运动；而正离子由于质量远大于电子，所以很难被加速，运动速度就很慢，于是就滞留在爆心周围，这样就形成了一个由爆心向外的强电场（源区）。由于爆炸周围环境是不对称的（如大气密度、地球磁场等），康普顿电子流在各方向也不对称，随着电子流的增长和消失，从而使源区激励出了随时间变化的脉冲电磁场，也就是说这个电场能够立即向外发射高强度的电磁信号，于是就产生了核电磁脉冲。所以简要过程是核爆炸——γ射线——康普顿效应——电子流——电磁脉冲。
不过在稠密大气层内的核爆炸瞬间产生的高能光子会立即被周围空气吸收（低空核爆炸，γ射线在与气体分子发生康普顿碰撞之前，仅能平均向外运动约200米，少数能运动几公里远），形成火球，自由电子也仅能向外运动很短距离，所以中低空核爆炸形成的电磁脉冲源区半径只有几公里到十几公里，影响范围不大（我国第一颗氢弹空爆时，曾使场区内的无线电中断了几个小时）。
但是超高空的核爆炸就完全不同。深入太空的核爆炸，由于接近真空的环境，导致核武器释放的巨大能量没有稠密大气层来吸收，于是X射线和γ射线四散辐射开来（其中X射线所占的能量比重最大，可达70～80%，但产生电磁脉冲主要是γ射线的功劳）。这其中向下辐射的高能γ光子和高空大气层中的原子相互作用——从距地面约40公里处开始，到约20公里高度时大致完成，所以这厚达20公里的大气层就是高空核电磁脉冲的源区（取决于爆炸高度和爆炸当量，源区半径可达2000公里以上，大致呈中间厚边缘薄的圆饼状），由于大气密度很低，产生的康普顿电子可以向外运动很长距离，并且在地球磁场的作用下形成螺旋电流（电子围绕磁力线运动），由此就激励出了覆盖范围很广的强大的高空电磁脉冲（HEMP）。
核电磁脉冲的毁伤效应
核电磁脉冲对电子、通信和电气设备的破坏效应类似于雷击，会造成电子系统（他们工作时的电压一般都很低）的暂时中断、复位、或数字电路的长期混乱、或电子部件运转失灵及烧毁。它的作用时间很短，不到1秒钟，但场强通常可达几万伏/米（作为对比，大功率雷达附近的场强也只有200伏/米左右），比雷电场强大一千倍以上。核电磁脉冲携带的能量可以通过天线、电缆或其它金属导体甚至孔缝进入电子系统和供电系统，使其产生很高的电压和很强的电流，从而造成干扰、损伤甚至永久破坏。实际上，每一个导电体除非充分屏护起来，否则对电磁脉冲来说就起着天线的作用。而且核电磁脉冲具有很宽的频谱，范围从甚低频直到微波，覆盖了几乎所有军用、民用的无线电工作频段，这说明脉冲很容易通过各种输入端进入电子系统，造成程度不同的破坏。核电磁脉冲的能谱不仅横贯整个电磁带宽，而且能量传递速度还特别快，只需要几十毫微秒（1毫微秒等于十亿分之一秒），这就导致避雷针或其他防护性功率旁路开关对这种冲击作出响应之前，电磁脉冲就已通过该系统，破坏了途经的敏感电子器件。此外核电磁脉冲还能穿透一定厚度的土层，取决于电磁波频率和土壤的电导率，穿透深度最大可达约12米。
可见核电磁脉冲是极难防御的，几乎无孔不入。例如对计算机的破坏除了烧毁元器件外，还可能将计算机中的信息抹去，或形成假信号；在一次空爆核试验中，核电磁脉冲就曾将一枚导弹上计算机存贮的信号洗掉——核电磁脉冲可以在导线上激励出电流，这些电流进入磁头就能抹去存储在磁带或磁盘上的部分信息，同样也能使铁氧体磁芯存储器或比较敏感的电荷转移器件中的信息丢失——这枚导弹外表看仍然是完好的，但已经不能正常执行任务了；另一种是相反的情况，那就是核电磁脉冲使电子系统引进了附加信号，从而使其工作性质改变，导致工作紊乱，操纵失灵等。显而易见，核电磁脉冲的这些毁伤效应对现代战争中最核心的C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察）系统构成了特别严重的威胁。因此如果真的爆发核大战，通过高空核爆炸在敌国上空产生核电磁脉冲很可能是最先实施的核打击方式，它可以使敌人在瞬间变成瞎子和聋子，甚至神经中枢也遭到致命破坏，这样后续的打击就容易多了。核电磁脉冲不仅毁伤大气层内的目标，对在太空中飞行的卫星和弹道导弹等目标同样具有很强的破坏作用。例如在一次高空核爆炸试验中，核电磁脉冲曾使几颗人造卫星的太阳能电池和电子设备受损，提前停止工作。另外还需注意，高空核爆产生的大量电子和其他带电粒子，被地球磁场捕获后能形成一条人工辐射带，对经过的卫星构成潜在威胁，可能导致卫星电子设备功能失效或使卫星使用寿命缩短。
核武器的爆炸高度越高，当量越大，核电磁脉冲的影响范围就越广。80公里高度的核爆，核电磁脉冲的影响距离可达960公里，高度160公里时影响距离为1440公里。如果在美国本土中心上空320公里爆炸一枚100万吨当量的核弹头，那么核电磁脉冲的破坏范围将覆盖整个美国，48个州的未加保护的电子网络会立即短路。如果在我国兰州地区上空400公里爆炸一枚同样威力的核弹，那么核电磁脉冲同样将使我国绝大部分地区受到影响（即半径2250公里的范围内）。由此可见核电磁脉冲对电子系统的干扰和破坏能力是无比强大的，是其他电子战武器无可比拟的，但通过试验没有发现对人体等有生目标有直接杀伤作用。
既然电磁脉冲的的威力这么大，人们当然想研制一种专门的核电磁脉冲弹（EMP弹）。核电磁脉冲是由γ射线引起的，所以核电磁脉冲弹的设计思路就是要尽量增加核弹爆炸时γ射线所占的能量比重，一种方法是把中子弹的外壳换成一种特殊材料，这种材料的原子核能与中子相互作用瞬间产生大量γ光子，可使γ射线的能量占到核爆炸总能量的40%。除了γ射线能量增大外，另一项更重要的设计要求是使核电磁脉冲尽量定向发射，这样在高效打击敌人时才不至于误伤己方或友军。实际上阻碍核电磁脉冲武器走向战场的最大障碍之一恰恰是它的巨大破坏力。这种武器的毁伤范围达到纵横几千公里，而且从地下十几米到太空中几千公里高度内的所有电子系统几乎统统都不放过，这种不分敌我、棍扫一大片的打击方式不可避免会严重误伤自己。越是发达国家的军队，越是依赖卫星系统的支持，所以尤其不能容忍卫星受到破坏，这就使得高空核电磁脉冲武器很难被使用。
增强X射线弹
高空核爆炸除了释放出大量γ射线，更多的是X射线（分为软X射线和硬X射线），这些主要辐射难道就没有毁伤效应吗？当然不是。所以我们有必要简要介绍一下高空核爆炸。因为大气密度随着高度上升基本上是按指数规律衰减的，所以核爆炸高度越高，冲击波所占的能量份额就越低，而光辐射的能量比重却快速升高。海拔80公里以下的高空核爆炸，外观景象和空中核爆炸相似，只是火球尺寸更大。海拔80公里以上的核爆炸，由于大气密度不足地面的十万分之一，X射线的能量可占核爆炸总能量的70～80%。这些X射线向下传播，被距地面60～80公里的大气所吸收，于是大气被加热，会形成温度约1万度且与爆心脱离的“饼状火球”，火球的尺寸要比空中核爆炸大得多。例如1958年美国进行过一次高空核爆试验，当量为380万吨，起爆后0.3秒火球半径就达到了9公里，3.5秒后膨胀到14.5公里。
X射线不仅仅是产生“火球”那么简单，它实际上是高空核爆炸的主要毁伤因素之一。软X射线和硬X射线对目标有不同的破坏作用。当软X射线照射到空间飞行目标（如弹道导弹）上时，能量被目标表面材料吸收（烧蚀作用），于是产生压力很大的热击波，对目标壳体造成层裂破坏。同时X射线的能量也能使目标壳体表面气化，这些高压气体向外喷射，产生向内的冲量，引发很强的振动，可以造成目标整体结构破坏。弹道导弹弹头壳体的表皮是起热屏障层作用的，一旦被软X射线烧蚀破坏，就意味着弹头高速再入大气层时会因为失去保护而被烧毁。而能量更高的硬X射线则可以穿透弹头壳体，直接照射在内部电子系统上，致使电子器件的焊点和导线熔化，甚至还能使裂变材料也熔化，同时还产生电离辐射效应（电子材料中的中性原子或分子受到辐射而电离，致使电学性能发生变化的现象），造成微电子器件永久损伤。另外，X射线（以及γ射线）辐射量在一定范围内时，可以使金属飞行器壳体表面产生光电子，导致系统表面出现电流，从而激励出很强的系统电磁脉冲。电磁脉冲的能量可以使弹头内的电子系统产生瞬时电流和过电压，从而对半导体器件和集成电路造成永久性破坏。
由此可见高空核爆产生的大量高能X射线其实是一种较理想的拦截弹道导弹的武器，于是人们就开始研制一种突出X射线毁伤作用的增强X射线弹。由于弹道导弹抵御软X射线的攻击相对更容易（采用一些抗核加固措施），所以增强X射线弹的设计思路就是要尽量增加硬X射线的所占比例，X射线光子的能量越高，杀伤力就越强。这就需要通过调整设计（尽量增强聚变），使核爆炸的表面温度达到上亿度，因为只有这么高的温度才能释放出以硬X射线为主的光辐射。实际上超级大国在冷战时期就研制过增强X射线弹。美国于1974年10月部署的“卫兵”战略防御系统中的“斯帕坦”导弹就采用了W71型增强X射线弹弹头。这种导弹拦截高度达160～320公里，拦截距离为640～960公里，弹头威力达500万吨当量，能将80%的能量以X射线的形式瞬间释放出来，对弹道导弹核弹头的杀伤半径为8公里。但是，正如前面所介绍的，高空核爆也能产生核电磁脉冲，“斯帕坦”导弹又是在本国领土上空爆炸的，所以一旦实际使用对自己造成的巨大伤害也是可想而知的，再加上其他缺点，美国仅仅部署了10个月就将其撤除了。
美国对电磁脉冲威胁的应对策略
进入21世纪，以芯片和其他微电子元器件为基础的各类电子系统已经渗透到人类社会的方方面面，从个人电脑、手机、电视广播通信、互联网、电子支付、汽车、飞机、空中交通管制、水电系统管理、银行金融系统、卫星及其他空间系统等等，无不严重依赖小小的芯片，发达国家甚至开始试验在人体内植入芯片，现代化的军事行动更是建立在迅速和有效的大量信息交换基础上，这样的电子信息环境使得高空核电磁脉冲具有无与伦比的破坏力。实际上，今天美国所有的电子系统，从电视到大型计算机，从电话系统到飞机和卫星，面对高空电磁脉冲都存在着脆弱性，尤其是跨美国的一体化电子银行系统和美军的战术军事通讯系统。一旦遭到这种攻击，飞机可能坠毁，广播不能工作，汽车不能开动，甚至卫星也可能被摧毁，这将造成难以估计的后果，至少能够严重削弱美国在信息时代的能力。因此美国国会已经于2004年授权成立电磁脉冲委员会，以评估美国遭受攻击时受到的危害。委员会认为，当今的美国社会，高度依赖电力、能源、电信网络、运输系统、银行系统、货物的转移、食物加工和分发能力。在任何时候，美国领土上空都有约3000架商务飞机和军用飞机在飞行。一旦受到电磁脉冲攻击，这些飞机上的电子界面和飞行线路控制系统很可能被破坏，此时的飞机要么空中相撞，要么坠向地面。现代社会离不开电力，而电磁脉冲效应对电力设施同样具有很大的破坏力，例如可以使保险丝被烧断、铜线过载、电涌放电器被烧坏等等，这将造成大面积停电，引发社会混乱。时至今日，不论是美国社会的正常运转还是美军的作战行动，都高度依赖卫星，特别是通信卫星（截止到2015年1月31日，美国有526颗在轨运行卫星，其中通信卫星320颗，占总数的61%），而这些卫星在电磁脉冲攻击面前恰恰是十分脆弱的。一旦卫星被大量破坏而不能正常工作，美国的国家安全都将受到严重的威胁。总之，高空核电磁脉冲效应能对美国重要的电信、电力、医院、银行、金融、加油/能源、运输、水和食物供应、应急服务设施、政府活动所需的设施、太空系统等重要基础设施造成大的破坏，有可能使美国社会陷入瘫痪。
进入21世纪后，大国之间的核战争已经越来越不可能了，但一些美国战略专家认为，恐怖分子和某些敌对地区军事大国（如伊朗或朝鲜）使用弹道导弹攻击美国本土的可能性并不能完全排除。伊朗研制的中程弹道导弹都可以在高空飞行的时候被遥控装置引爆，这很可能就是为高空核爆炸而准备的。因为大气层外的高空核爆炸并不直接杀伤人员，武器也没有进入美国领空，这导致美国很可能难以使用核武器进行报复，所以攻击方可以获得极高的政治和军事回报，这实际上是一种非对称战略。正因如此，一些地区大国正在发狂地开发洲际导弹能力，从而提升自己的威慑质量。而恐怖分子则可以把短程弹道导弹隐藏在货船、集装箱船、油轮中，在接近美国海岸时发射，短短5分钟后，美国就将遭到灾难性的电磁脉冲攻击。而美国目前却没有应对这种威胁的严谨的计划。因此美国专家建议，美国应该将资源用于应对更迫切的短程弹道导弹威胁上，尤其是电磁脉冲威胁。为此美国应该发展和部署三种防御力量：拥有中段反导能力的“宙斯盾”军舰、装备陆上反导导弹的岸基“宙斯盾”系统（当前部署在欧洲）、装备先进中距空对空导弹的无人机系统。
美国现役“宙斯盾”军舰有“提康德罗加”级和“伯克”级两种型号，截止2018年秋，“提康德罗加”级有22艘，但只有5艘具备反导能力；“伯克”级有65艘（DDG51～115），从DDG79开始为性能先进的ⅡA型，经过升级后能够对抗短程和中程弹道导弹的威胁。2011年4月15日，“标准－3”海基中段反导导弹进行了一次最具挑战性的反导试验，成功拦截了射程超过3000公里的假设敌来袭导弹。目前的“标准－3”导弹可以打击中近程弹道导弹和低轨道卫星，将来经过不断改进后可以拦截洲际导弹。这些“宙斯盾”军舰应该定期在美国沿海地区进行巡逻，一旦探测到国际水域的货船上有短程弹道导弹发射，“标准－3”导弹就可以立即实施拦截，在核弹头爆炸和产生电磁脉冲效应之前将其摧毁。只要美国具备了哪怕有限的导弹防御能力，敌人在制定利用电磁脉冲效应攻击美国的计划时，所面临的不确定性就明显增加了，这比完全不设防的状态要好得多。只要在诺克福军港附近部署一艘“宙斯盾”军舰，就可以保护美国东海岸很大的一片区域。部署的军舰越多，防御能力就越强，对敌人的威慑力也就越大。当这种威慑力大到一定程度时，敌人就不得不放弃攻击的企图。
E-4B每隔若干年都要进行核电磁脉冲模拟测试，确保通信系统在核爆炸后的电磁脉冲环境下仍能有效使用
岸基“宙斯盾”系统实际上就是把军舰上的“宙斯盾”移植到陆地上，包括“标准－3”反导导弹在内。因为美国的“宙斯盾”军舰的数量是有限的，而且需要执行各种各样的全球性任务，这意味着他们无法将防御网覆盖到所有沿海地区，所以岸基“宙斯盾”就可以作为一种补充力量，增强美国沿海地区的弹道导弹防御能力。尤其在墨西哥湾等地区，由于美国海军的“宙斯盾”军舰几乎不在墨西哥湾执行任务，所以岸基“宙斯盾”系统就成了该地区的主要防御力量。虽然美国陆地上也部署有其他弹道导弹防御系统，但他们并不适合用来拦截发动核电磁脉冲攻击的中短程弹道导弹。美国空军的陆基中段反导导弹（GBI）是井基三级固体导弹，最大速度可达8公里/秒，作战高度130～2000公里，最大作战距离超过4000公里。这很适合拦截远距离的目标，但这导致当进攻导弹飞行到较近距离时，GBI的拦截能力反而不足。因此未来需要对GBI进行全面的改进，发展两级或三级可选助推火箭，提高对远、近目标拦截的灵活性。美国陆军的末段高空区域反导导弹（THAAD，音译为“萨德”）是单级固体导弹，速度2.8公里/秒，作战高度40～150公里，最大作战距离200公里。这个性能适合拦截进入大气层内的弹道导弹目标，而核电磁脉冲弹是不进入大气层的。因此THAAD的改进方向是继续增大拦截高度和射程，采用两级火箭发动机，这样才能有效拦截大气层外的目标。而美国海军的“标准－3”海基中段反导导弹是三级固体导弹，速度3.5公里/秒，作战高度100～500公里，最大作战距离1200公里。这一性能最适合拦截发动核电磁脉冲攻击的中短程弹道导弹。但“标准－3”也有缺点，那就是它的模块化自寻的轻型动能杀伤器（MK－142）采用单色长波红外成像制导，不具备目标识别能力。因此未来改进是将拦截器导引头换成双色红外传感器，使其具备一定的目标识别能力。
拦截弹道导弹最理想的时机是在助推段和上升阶段，这就需要研制挂载有先进中距空对空导弹的无人机系统。在阿富汗、中东等地的战场上，无人机已经被证明是优秀的侦察、打击平台。将来美军如果能装备带有空对空导弹的察打一体无人机，让他们在沿海地区进行巡逻飞行，这样就有可能探测到弹道导弹的发射准备和导弹的红外特征，从而为整个防御系统提供早期预警。此时无人机要么直接对从货船上发射的导弹进行拦截，阻止弹道导弹分离核弹头；要么也可以引导“宙斯盾”防御系统对来袭导弹实施中段拦截。总之，携带先进中距空对空导弹的无人战斗航空系统将提供最主要的助推段和上升阶段弹道导弹拦截能力。
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