1.2 Cas particulier de l’IEMN-HA
1.2.1 Origine et importance de l’IEMN-HA
L’Impulsion ÉlectroMagnétique Nucléaire - Haute Altitude (IEMN-HA ou NEMP en anglais : Nuclear ElectroMagnetic Pulse) est un phénomène électromagnétique lié à l’explosion d’une arme nucléaire à une altitude supérieure à 50 kilomètres (figure 1.21). Contrairement à une explosion nucléaire à basse altitude, les effets mécaniques ou thermiques au niveau du sol sont inexistants et seul un champ électromagnétique très intense et très bref est généré. Ce champ vient perturber ou endommager le matériel électronique.
Figure 1.21 – Onde IEMN-HA lors d’une explosion haute altitude
Comme détaillé sur la figure 1.21, physiquement, les rayons gamma produits lors de l’explosion de l’arme nucléaire interagissent avec les molécules de l’atmosphère par effet Compton (effet photoélectrique). Des électrons Compton sont alors créés et leur déviation par le champ magnétique terrestre produit un fort rayonnement électromagnétique impulsionnel, appelé E1 pour onde initiale, sur une surface au sol importante.
L’IEMN-HA se décompose en trois parties qui produisent des effets différents [18, 26]. Ces différentes composantes du champ électrique sont présentées sur la figure1.22 :
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E1 (onde initiale - de 0 à 1 ms) caractérise le champ électrique de très forte amplitude qui se propage à très grande vitesse et pendant une très courte durée, produisant deseffets destructeurs sur les composants électroniques. E1 est produit par la déviation des électrons Compton par le champ magnétique terrestre,
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E2 (onde intermédiaire - de 1 à 100 ms) caractérise les effets électromagnétiques dont les caractéristiques sont proches de celles de la foudre. E2 provient d’une ionisation supplémentaire, après E1, de rayons gamma différés,•
E3 (onde finale - de 100 ms à quelques minutes) caractérise une impulsion qui se propage à une vitesse relativement lente, de très faible amplitude et de très longue durée. Ces caractéristiques sont proches de celles d’une tempête géomagnétique, comme celle causée par les éruptions solaires. E3 impacte principalement les lignes aériennes de plusieurs milliers de kilomètres telles que celles du réseau électrique américain. E3 est issue de la magnétohydrodynamique qui décrit les interactions de la boule de feu de l’explosion (plasma composé de gaz chauds ionisés et de débris de la tête nucléaire) sous l’action d’un champ magnétique. Ce plasma déplace momentanément le champ géomagnétique, qui reprend ensuite sa place. La vitesse de ce changement du champ géomagnétique est la source d’E3 [4].Figure 1.22 – Les trois composantes de l’IEMN-HA [27]
Dans cette thèse, uniquement la composante E1 est considérée car elle est la plus destructrice pour les composants électroniques et donc pour les systèmes électroniques de manière générale.
La composante E1 est assimilée à une forme bi-exponentielle détaillée sur la figure 1.23. Cette forme est décrite par l’équation (1.1) où k, E01, a et b sont des scalaires définis dans les normes civiles ou militaires [27,28,29].
E1(t) = k E01 (e−at− e−bt) (1.1)
La composante E1 de l’IEMN-HA est définie par un temps de montée de quelques nanosecondes, une durée à mi-hauteur de quelques dizaines de nanosecondes et une
Figure 1.23 – Forme d’onde de l’IEMN-HA issue de la norme IEC 61000-2-9 et MIL-STD-464 [27]
amplitude crête de plusieurs dizaines de kilovolts par mètre.
Du fait de ces caractéristiques, l’IEMN est un phénomène majeur car elle couvre une zone très vaste et occupe un large spectre de fréquences : du quasi continu jusqu’au gigaherz ; avec des niveaux importants, de plusieurs dizaines de kilovolts par mètre (figure1.24).
Figure 1.24 – Forme d’onde de l’IEMN-HA associée à son spectre
La conjugaison de la très grande zone couverte et du large spectre lui permet d’impacter de nombreux systèmes, et particulièrement les lignes aériennes de distribution en électricité. Entre le début des essais nucléaires en 1945 et jusqu’en 1980, plus de 2400 essais nucléaires dont 543 essais à haute-altitude ont pu être effectués par les États-Unis, la Russie, le Royaume-Uni, la France et la Chine (figure 1.25). Depuis 1996, 36 États dont la France ont ratifié le traité d’interdiction complète des essais nucléaires (TICEN). Dorénavant, seule la simulation numérique est utilisée pour étudier les effets d’une arme nucléaire (programme simulation de la Direction des Applications Militaires). De même pour les environnements EM, des simulateurs expérimentaux permettent de générer des contraintes rayonnées ou conduites.
Depuis une trentaine d’années, la menace des impulsions électromagnétiques provoquées par une explosion en altitude d’une arme nucléaire est devenue un sujet de préoccupation pour les États Occidentaux [31]. Celle-ci n’est pourtant pas contemporaine car la production
Figure 1.25 – Chronologie et nombre d’essais nucléaires par pays [30]
d’IEM dans le cadre de frappes nucléaires était envisagée depuis les années 1945 [32, 33], notamment pour perturber les systèmes de détection adverses et neutraliser une partie des systèmes de communication.
Beaucoup de données sur les essais nucléaires, effectués aux États-Unis notamment, sont maintenant dans la littérature publique et l’essai exo-atmosphérique le plus significatif a été réalisé en Amérique en 1962 sous le nom de Starfish Prime (figure1.26). Celui-ci a consisté à l’explosion à 400 km d’altitude d’une arme nucléaire de 1,4 mégatonnes équivalent TNT. Les effets obtenus ont été plus importants que prévus car ils se sont faits sentir jusqu’à Hawaï, à 1445 km de la zone d’essai, endommageant partiellement l’éclairage public et provoquant l’interruption des émissions de radio [34]. De plus, de nombreux satellites ont également été perturbés voire détruits. Starfish Prime est cependant un cas particulier parmi les explosions nucléaires haute-altitude du fait des nombreuses particularités inhérentes à chaque explosion. En effet, en fonction de l’altitude de l’explosion, de la puissance de l’arme, de sa conception ou encore des caractéristiques du champ magnétique terrestre, les effets de l’explosion varient en intensité et en portée.
Figure 1.26 – Starfish Prime : 45 à 90 secondes après la détonation (Laboratoire National de Los Alamos)
La figure1.27présente le rayon en kilomètre de la zone touchée par une explosion nucléaire en fonction de la hauteur de l’explosion en kilomètre. Le rayon de propagation de l’impulsion
électromagnétique augmente donc avec l’altitude à laquelle l’explosion nucléaire est déclenchée [4,28].
Figure 1.27 – Rayon du cercle limite d’action de l’IEMN-HA [4]
Par exemple, une charge explosant entre 80 et 130 kilomètres d’altitude au-dessus de Paris pourrait produire une IEM dans un rayon d’au moins 800 kilomètres, et donc affecter une grande partie de l’Europe de l’ouest (figure 1.28). Du fait de leur grand rayon d’action, l’IEMN-HA inquiète donc les armées et les gouvernements. Par exemple, le Congrès américain a nommé une commission spéciale en 2004 afin d’évaluer le risque d’une frappe nucléaire haute altitude sur les États-Unis [35].
Afin de prendre en considération cette menace et de se prémunir d’un tel scénario, le sous-comité technique SC 77C de la CEI travaille sur les normes CEI 61000 qui décrivent notamment les paramètres de l’impulsion. Par ailleurs, ces normes abordent différents aspects des IEM de manière générale. La norme est divisée en plusieurs parties présentées sur la figure1.29.
Figure 1.29 – Normes développées par l’IEC SC 77C [36]
Certaines de ces parties sont détaillées et expliquées dans les articles de W. A. Radasky qui fait partie du comité SC 77C : [36,37,38].
Concernant les normes militaires qui répertorient les paramètres de la menace, beaucoup sont classifiées. Malgré tout, un certain nombre sont exposées dans [28,39].