지상에서 20~40 km 이상의 고도에서 핵폭발로 발생하는 전자파 펄스.

1962년 미국 하와이에서 약 1,400 km 떨어진 존스턴(Johnston) 섬 인근 약 400 km 높이에서 1 메가톤급 핵폭탄으로 고고도 핵폭발 실험이 있었다. 이로 인해 하와이 호놀룰루에서 일부 전자 장치들의 오동작이 관측되었으며, 이후 연구를 통해 고고도 핵폭발이 전자기장을 발생시킨다는 메커니즘을 확인하였다.
지상에서 20~40 ㎞ 이상의 고도에서 핵이 폭발할 때 발생하는 높은 에너지를 갖는 감마선이 대기 중의 기체를 이원화시키는 콤프턴 효과*로 전자가 발생한다. 발생한 전자가 지구 자기장에 의해서 플레밍의 왼손법칙에 따라 원운동을 반복하는 사이클로트론** 운동을 함으로써 펄스 형태의 전자파가 지상에 발생한다.

* 콤프턴 효과(compton effect): 핵폭발 시 발생되는 고에너지 방사선인 감마선(gamma ray)이 대기 중의 공기 입자들과 충돌하여 전자가 방출되는 현상을 말한다. 콤프턴 효과에 의해 발생된 전자는 콤프턴 전자(Compton Electron)라고 한다.
** 사이클로트론(cyclotron): 고주파의 전극과 자기장을 사용하여 입자를 나선 모양으로 가속시키는 입자 가속기의 일종이다.

핵이 폭발하는 높이(高度)와 핵무기를 설계하는 기법 및 수율 그리고 공기층의 화학적 특성 등에 따라 지상에서 노출되는 고고도 핵 전자파 펄스의 진폭 및 시간 영역 파형 등은 다르며, 순차적으로 발생하는 전자파 펄스를 E1(초기), E2(중기), E3(후기) 파형으로 구분한다. E1 펄스는 IEC에서 정의한 고고도 핵 전자파 펄스의 표준 파형으로 상승 시간이 2.5 ns, 반전력 펄스 폭이 23 ns, 첨두치 진폭이 50 kV/m인 특성이 있다. E2 펄스는 약 0.1 ㎲~0.01 s의 시간 영역에서 10 V/m~100 V/m의 진폭을 가지며, E3 펄스는 약 1~1000 s의 시간 영역에서 진폭이 수십 mV/m이다.
- (E1 HEMP) 핵폭발 이후 10-6초 이내의 성분으로 감마선의 콤프턴 효과로발생한 전자들이 지구 자기장에 반응하여 사이클로트론 운동으로 일정한 방향으로 흐르게 된다. 이러한 전자의 흐름으로 지상의 넓은 지역에 생성되는 전자파
- (E2 HEMP) 핵폭발 이후 1초 이내의 성분으로 대기와 중성자의 충돌로 발생한 감마선 또는 콤프턴 산란 이후에도 높은 에너지를 갖는 감마선에 의해 발생한 전자파
- (E3 HEMP) 유리화된 전자가 이온화된 대기와 결합하기 위해 플라즈마 운동을 하면서 발생한 전자파로 지자기 폭풍과 비슷한 특성을 가짐.

고고도 핵 전자파 펄스는 핵이 높은 고도(20~40 km 이상)에서 폭발하는 경우 반경 수백 km 이상에 매우 빠른 시간(2.5 ㎱) 안에 매우 높은 세기(50 kV/m)의 전기장이 발생하므로 핵심 국가 기반 시설(전력망, 정보통신망 등)에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 고고도 핵 전자파 펄스는 순차적으로 발생하는 3개의 전자파 펄스(E1, E2, E3)가 중첩되어 나타나는 것으로 볼 수 있다.
 

HEMP 시간 영역 파형과 스펙트럼 밀도(*출처: IEC 61000-2-9)

* 관련 표준
- MIL-STD-2169 Revision B (2012): High-Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP) Environment
- IEC TR 61000-1-3 (2002), Electromagnetic compatibility(EMC) - Part 1-3: General - The effects of high-altitude EMP(HEMP) on civil equipment and systems
- IEC 61000-2-9 (1996): Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2: Environment - Section 9: Description of HEMP environment - Radiated disturbance
- ANSI C63.14 (2014): American National Standard Dictionary of Electromagnetic Compatibility(EMC) including Electromagnetic Environmental Effects(E3)