Quelltext der Seite Elektromagnetischer Puls

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Der '''elektromagnetische Impuls''' oder auch '''elektromagnetische Puls''' ({{EnS|''electromagnetic pulse''}}, abgekürzt '''EMP''') bezeichnet eine kurzzeitige breitbandige [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung]], die bei einem einmaligen, hochenergetischen Ausgleichsvorgang abgegeben wird.   

Ein energetisch hoch angeregtes System klingt unter Aussendung des elektromagnetischen Impulses in den Grundzustand ab. Ursache sind meist elektrostatische Aufladungsprozesse etwa durch [[Gewitter]] oder [[Kernwaffenexplosion|Kernwaffenexplosionen]], aber auch in speziellen [[Elektrische Schaltung|elektrischen Schaltungen]]. Im sichtbaren Spektrum kann dieser Prozess als Lichtblitz wahrgenommen werden.

Durch die Wechselwirkung der niederfrequenten elektromagnetischen Strahlungsanteile mit freien Ladungsträgern in Metallen und Halbleitern werden dort starke, kurzzeitig schwankende Ströme [[elektromagnetische Induktion|induziert]]. In nicht oder unzureichend abgeschirmten elektrischen Geräten kann dies zu Fehlfunktionen bis hin zum Totalausfall oder sogar zur Zerstörung einzelner elektronischer Bauteile führen. Für technische Anwendungen wird der Begriff meist auf das hier relevante Frequenzspektrum mit Wellenlängen zwischen 10&nbsp;mm und 10&nbsp;km beschränkt.

[[Datei:E-4 advanced airborne command post EMP  sim.jpg|mini|[[Boeing E-4|Boeing E-4B]] in einem [[Elektromagnetischer Impuls#Nuklearer elektromagnetischer Impuls .28NEMP.29|NEMP]]-Simulator]]

== Allgemeines ==
Der Begriff ''Impuls'' ist in diesem Kontext nicht mit dem Begriff des ''mechanischen [[Impuls]]es'' aus dem Bereich der [[Physik]] zu verwechseln. 

Mathematisch ist ein Impuls als eine einmalige Zeitfunktion ''f(t)'' (vgl. [[Impulsfunktion]]) einer physikalischen Größe wie Feldstärke, Spannung oder Druck darstellbar. Wird ein Impuls mit der [[Periode (Physik)|Periode]] ''T'' laufend wiederholt, spricht man von einem ''Puls'' mit der Pulsfrequenz ''f''&nbsp;=&nbsp;1/''T''. Diese Begriffsdefinition folgt der deutschsprachigen Fachliteratur, insbesondere sei dazu auf ''Theoretische Elektrotechnik''<ref>Karl Küpfmüller: ''Theoretische Elektrotechnik und Elektronik'', 14. Auflage 1993, Springer Verlag, ISBN 3-540-56500-0</ref> von [[Karl Küpfmüller]] verwiesen.

In der englischsprachigen Literatur wird hingegen meist kein Unterschied zwischen den Begriffen ''Impuls'' und ''Puls'' gemacht. Die im Deutschen übliche begriffliche Trennung hat jedoch Vorteile für das Verständnis. Insbesondere kann ein Puls durch eine Überlagerung einer diskreten Reihe [[harmonische]]r Schwingungen dargestellt werden. Für einen Impuls benötigt man eine kontinuierliche Überlagerung von harmonischen Schwingungen. Ein einzelner Impuls weist somit ein kontinuierliches Spektrum auf, während ein periodisch wiederholter Impuls ein diskretes Linienspektrum aufweist.

== Natürliche Quellen und ihre Auswirkungen ==
=== Blitz (LEMP) ===
{{Hauptartikel|Blitz}}
[[Blitz]]e sind natürliche [[Elektrostatische Entladung|Entladungsvorgänge]] in der [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]], welche zu einer massiven elektromagnetischen Beeinflussung vor allem im Bereich des Blitzkanals und des Einschlagpunktes führen. Diese Wirkung kann durch metallische Leitungen weitergeleitet werden und somit weitreichende Schäden bewirken. Dieser elektromagnetische Impuls wird auch ''Lightning Electromagnetic Pulse'' (''LEMP'') genannt.

=== Magnetohydrodynamischer EMP ===
Dieser Impuls mit einer vergleichsweise langen Dauer, im Bereich von Sekunden bis zu einigen Minuten, wird durch natürliche thermische Ausgleichsvorgänge in der [[Erdatmosphäre]] ausgelöst. Ursache ist eine Wechselwirkung zwischen dem [[Erdmagnetfeld]] und ionisierten Gasmassen in der Erdatmosphäre. 
Bei diesem Impuls kann es zur induktiven Einkopplung niederfrequenter Ströme in räumlich weitflächig ausgedehnten [[Stromnetz|Energieversorgungsnetzen]] kommen, welche beispielsweise zu [[Sättigungsmagnetisierung|Sättigungserscheinungen]] in [[Transformator|Leistungstransformatoren]] führen kann. Die Folge können [[Stromausfall|Stromausfälle]] sein.

=== Elektrostatische Entladungen ===
Bei der [[Funke (Entladung)|Funkenentladung]] elektrostatisch geladener Körper entstehen [[transiente]] Spannungen und Ströme, verknüpft mit transienten elektrischen und magnetischen Feldern, welche einen elektromagnetischen Impuls erzeugen.

Die Vorgänge und Gegenmaßnahmen werden unter dem Begriff [[Elektrostatische Entladung|ESD]] zusammengefasst. Durch derartige Entladungen kann es zur Schädigung oder Zerstörung von elektronischen Bauteilen kommen.

Für Prüfzwecke können solche Entladungsvorgänge auch durch [[Kondensator (Elektrotechnik)|Hochspannungskondensatoren]] erzeugt werden. Hierzu wird ein Kondensator auf die Testspannung aufgeladen und dann über einen definierten Widerstand in das zu prüfende Bauteil entladen. Man simuliert damit die Handhabung eines Bauteiles durch eine elektrostatisch aufgeladene Person (''human body model''). Je nach Koppelnetzwerk und Größe des Kondensators können verschieden starke Impulse bzw. Impulsformen für Prüfzwecke erzeugt werden.

== Künstliche Quellen und ihre Auswirkungen ==

=== Geschaltete Induktivitäten ===
Durch hohe Stromimpulse in Spulen lassen sich starke elektromagnetische Impulse erzeugen. Beispiele sind Magnetspulen zur Untersuchung der Wirkung von hohen Magnetfeldern auf Materie. Diese Spulen können bei Feldern bis etwa 100&nbsp;[[Tesla (Einheit)|Tesla]] wiederverwendet werden, bei höheren Feldern werden sie jedoch zerstört. Zum mechanischen Schutz und zur magnetischen Abschirmung sind entsprechende Labore in dicken Stahlbetongebäuden untergebracht. Die durch Kondensatorentladung erzeugten Stromimpulse erreichen einige 100&nbsp;Kiloampere, die Dauer liegt im Bereich von Millisekunden.

In [[Railgun]]s und Wirbelstrombeschleunigern liegen ähnliche Verhältnisse vor.

Durch Impuls-[[Teslatransformator]]en werden starke elektromagnetische Felder im [[Mittelwelle]]nbereich erzeugt.

Auch das Abschalten von [[Induktivität]]en führt zu elektromagnetischen Impulsen. Durch das Bestreben des elektrischen Stromes, beim Ausschaltvorgang weiter durch die Induktivität fließen zu wollen, entstehen an der Spule sehr hohe Spannungen, welche zu Funkenbildung führen können. Die Störimpulse breiten sich auf Leitungen aus, verursachen Signalstörungen und haben unter Umständen ähnliche Auswirkungen wie elektrostatische Entladungen. Solche Impulse treten beispielsweise beim Abschalten von [[Elektromotor]]en, [[Schütz (Schalter)|Schützen]] und anderen induktiven Bauteilen auf. Eine häufige Störquelle dieser Art ist die Zündanlage von Otto-Motoren, in welcher der Effekt des Spannungsanstieges jedoch wie bei einem [[Funkeninduktor]] ausgenutzt wird.

=== Laserstrahlung ===
Auch starke [[Laserpuls]]e lösen bei der Wechselwirkung mit Materie einen EMP aus. Laboratorien zu Forschungszwecken mit Laser-Strahlungsleistungen bis in den [[Petawatt]]bereich weisen daher einen Strahlenschutz und entsprechende weitere Maßnahmen zum Schutz der Kommunikationsnetze auf.

== Waffen  und ihre Auswirkungen ==

=== Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP) ===
[[Datei:EMP simplator Krtland AFB New Mexico.jpg|mini|Militärisches EMP-Testgelände [[ATLAS-I]] mit einer [[Boeing B-52]] als Testobjekt auf der [[Kirtland Air Force Base]], USA]]
[[Datei:Nuklear Elektro Magnetischer Puls.svg|hochkant=1.2|links|mini|Das Bild zeigt die Wirkungskette eines in über 100&nbsp;km eingesetzten Nuklearsprengkopfes und die Entstehung des daraus folgenden EMP.]]
Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls, abgekürzt ''NEMP'' (engl. nuclear electromagnetic pulse) oder auch ''HEMP'' (high altitude nuclear electromagnetic pulse) wird indirekt als Folge von intensiver [[Gammastrahlung]] in einigen 100&nbsp;km Höhe über der Erdatmosphäre im Zusammenhang mit dem [[Erdmagnetfeld]] in der Atmosphäre durch den [[Compton-Effekt]] ausgelöst. Eine solch starke [[transiente]] Gammastrahlungsquelle ist derzeit nur durch eine [[Kernwaffenexplosion]] zu erzeugen.

Bis zum [[Vertrag zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser|Verbot oberirdischer Kernwaffentests]] fanden solche Explosionen tatsächlich statt und beschädigten oder zerstörten in den betroffenen Gebieten Versorgungsnetze und Schiffe, so beim [[Kernwaffentest]] [[Starfish Prime]] über dem [[Pazifik]] am 9. Juli 1962.

Durch hochenergetische [[Gammaquant]]en im Energiebereich von einigen [[Elektronenvolt|MeV]] aufwärts, die bei einer solchen Nuklearexplosion emittiert werden, kommt es an den [[Molekül]]en der obersten Schichten der Erdatmosphäre zu einer als [[Stoßionisation]] bezeichneten schlagartigen Ionisierung. Dabei werden aus den Molekülen Elektronen ''herausgeschlagen'', von denen ein großer Anteil die ursprüngliche Bewegungsrichtung des aufgetroffenen Gammaquants erhält und sich somit in Richtung dichterer Atmosphärenschichten bewegt. Ein Teil dieser freien Primärelektronen verursacht wegen ihrer hohen Energie weitere Stoßionisationen und setzt dabei weitere Sekundärelektronen frei. Die auf die Erde zufliegenden negativen Elektronen und die zurückgebliebenen positiven Luftionen bilden einen transienten elektrischen [[Dipol]]. Aufgrund der Ablenkung der bewegten Ladungsträger im [[Erdmagnetfeld]] als Folge der [[Lorentzkraft]] entsteht dabei ein transienter magnetischer Dipol.

Diese zeitlich und räumlich schnell veränderliche Ladungs- und Stromverteilung der Dipole in oberen Atmosphärenschichten erzeugt ein breitbandiges, transientes Wellenfeld, welches erst den eigentlichen elektromagnetischen Impuls ergibt, der für Beeinträchtigungen von elektronischen Geräten und elektrischen Anlagen verantwortlich ist.

Ein NEMP ist im Unterschied zum LEMP durch die besonders steile Anstiegsgeschwindigkeit und somit Breitbandigkeit gekennzeichnet. Bereits nach 4&nbsp;ns werden 90 % des Maximalwerts erreicht.

Der genormte NEMP, wie er in Prüflaboratorien zum Prüfen von Abschirmungen verwendet wird, weist als Maximalwert eine elektrische Feldstärke von 50&nbsp;kV/m und eine magnetische Feldstärke von 133&nbsp;A/m auf.

Ähnliche Effekte treten auch bei nuklearen Explosionen in Bodennähe auf. Dort ist die Wirkung des NEMP allerdings auf einen kleineren räumlichen Bereich beschränkt und durch die thermischen und mechanischen Effekte der Nuklearexplosion überlagert.

=== Weitere EMP-Waffen ===
Elektromagnetische Impulse können elektrische und vor allem elektronische Bauteile im Wirkungsbereich zerstören und werden daher vom Militär auch in Form bodengebundener EMP-Waffen eingesetzt (siehe auch: [[elektronische Kampfführung]]). Als Strahlungsquelle dient hierfür z.&nbsp;B. die gerichtete [[Mikrowellen]]strahlung von relativistischen [[Magnetron]]s, die, aus Kondensatoren gespeist, Spitzenleistungen im [[Terawatt]]bereich liefern.

== Gefahrensituation ==
Die [[Schutzkommission beim Bundesminister des Innern]] schreibt 2011: {{Zitat|Der EMP kann alle elektronisch gestützten Maschinen vom Flugzeug bis zum Herzschrittmacher stören oder zerstören, er gefährdet die zentralen Systeme von Rundfunk, Rettungswesen, Krankenhäusern, Energieversorgung und Bahntransport – mit entsprechender Gefahr für das Warnwesen, die Patientenversorgung und Evakuierungen.|ref=<ref>Schutzkommission beim Bundesministerium des Innern: [http://www.nokrima.de/media/d80fea2f4f78819affff8a93fffffff0.pdf ''Vierter Gefahrenbericht''] 2011, ISBN 978-3-939347-35-4.</ref>}} Zu einem vergleichbaren Ergebnis kam eine amerikanische Kommission 2008.<ref>[http://www.empcommission.org/docs/A2473-EMP_Commission-7MB.pdf Report of the Commission to Assess the Threat to the UnitedStates from Electromagnetic Pulse (EMP) Attak, 2008].</ref>

== Schutz ==
Der Schutz vor EMP wird auch als EMP-Härtung bezeichnet.<ref> [http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-14338290.html Schlafender Drache] www.spiegel.de, abgerufen am 8. März 2012</ref> Vor allem räumlich weit ausgedehnte elektrische Leiter, wie Energieversorgungs- und Kupfer-Telekommunikationsnetze, sind durch LEMP bzw. NEMP gefährdet. NEMP gefährden auch metallene Rohrleitungen. Während Energieversorgungsnetze kaum geschützt werden können, kann man in Kommunikationsleitungen Trennübertrager oder -verstärker einbauen oder sie durch [[Glasfasernetz]]e ersetzen. Rohrleitungen kann man zum Schutz stellenweise oder ganz aus isolierenden Werkstoffen herstellen. Anlagen können durch einen [[Faradayscher Käfig|Faradayschen Käfig]] und Schutzschaltungen ([[Galvanische Trennung]], [[Überspannungsableiter]]) auf allen elektrischen Zuleitungen geschützt werden. Bei [[Funktechnik|Funkanlagen]] lässt sich die Abschirmung allerdings nur teilweise erreichen, da deren [[Antennentechnik|Antennen]] nicht abgeschirmt werden dürfen, damit sie die elektromagnetischen Felder zum Detektor leiten können, was ihre primäre Aufgabe ist.

== EMP in den Medien ==
In diversen Film- und Fernsehproduktionen sowie Videospielen kommen immer wieder EMPs vor. Beispiele dafür sind die Fernsehserien ''[[24 (Fernsehserie)|24]]'', in deren [[24 (Fernsehserie)/Staffel 4|vierter]] und [[24 (Fernsehserie)/Staffel 8|achter Staffel]] ein EMP schwere Schäden verursacht, und ''[[Dark Angel (Fernsehserie)|Dark Angel]]'', wo ein EMP im Pilotfilm dafür sorgt, dass die USA entwicklungstechnisch zurückgeworfen werden, sowie in der deutschen Serie ''[[Einstein (Fernsehserie)|Einstein]]'', in deren Finale der ersten Staffel zwei elektromagnetische Impulse ausgelöst werden. Im Film ''[[Flucht aus L.A.]]'' wirft eine EMP-Waffe die gesamte Menschheit in ein vortechnologisches Zeitalter zurück, in ''[[Ocean’s Eleven]]'' wird durch einen EMP-Generator die Stromversorgung von Las Vegas unterbrochen. In der Filmtrilogie ''[[Matrix Revolutions|Matrix]]'' ist der Elektromagnetische Impuls die einzige wirkungsvolle Waffe gegen die sogenannten Wächter. In den Fernsehfilmen ''[[The Day After – Der Tag danach|The Day After]]'' und ''[[Threads]]'' wird die Wirkung eines NEMP thematisiert und gezeigt. Der Film ''[[James Bond 007 – Goldeneye|Goldeneye]]'' aus der [[James Bond|James-Bond-Reihe]] handelt von einem Satellitensystem, mit welchem ein EMP über einem beliebigen Ort der Welt ausgelöst werden kann, indem eine Atombombe in der oberen Atmosphäre gezündet wird. In Videospielen wie GTA Online kommen in vereinzelten Missionen (Heists) der Einsatz eines EMP vor. (vgl. Heist Humane Labs)

== Siehe auch ==
*[[Magnetischer Sturm]]

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Reinhard Breuer, Hans Lechleitner: ''Der lautlose Schlag''. München 1982
* Adolf J. Schwab: ''Elektromagnetische Verträglichkeit''. 6. Auflage, Springer Verlag, 2011
* Johannes Wilhelm e. a.: ''Nuklearer-elektro-magnetischer Puls (NEMP): Entstehung, Schutzmaßnahmen, Messtechnik''. expert-Verlag, 1985
* ''EMP protection for emergency operating centers.'' US Defense Civil Preparedness Agency, Washington D.C., 1972

== Weblinks ==
* The EMP threat: fact, fiction, and response [http://www.thespacereview.com/article/1549/1 part 1], [http://www.thespacereview.com/article/1553/1 part 2] thespacereview.com, abgerufen am 8. März 2012
* Digitaler Stillstand: Die Verletzlichkeit der digital vernetzten Gesellschaft – Kritische Infrastrukturen und Systemperspektiven, ÖAW/Institut für Technikfolgen-Abschätzung/Projektbericht Nr. 2017-01 [http://epub.oeaw.ac.at/?arp=0x00358488]

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[[Kategorie:Magnetismus]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Störquelle]]
[[Kategorie:Elektronische Kampfführung]]
[[Kategorie:Stromausfall]]
[[Kategorie:Kernwaffentechnik]]
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