EMP:ltä suojautuminen

1 Johdanto

Tässä harjoitustyössä esittelen sähkömagneettisen pulssin, paremmin tunnettu nimellä EMP, ominaisuuksia ja kuinka EMP:ltä voi suojautua. Työ koostuu kahdesta osasta. Aluksi kerrotaan sähkömagneettisen pulssin eri tyypeistä, niiden ominaisuuksista ja vaikutuksesta ympäristöön ja ihmisiin. Kun ymmärretään kuinka EMP toimii, voimme keskittyä suojautumiseen. Suojautumisessa keskitytään eri suojausalueisiin ja kuinka voidaan erilaisella suunnittelulla estää pahimmat vauriot ja säilyttää organisaation toimintakyky. Esittelen myös IEC:n määrittelemät suoja-alueiden tärkeimmät piirteet. Ylijännitesuojien ja suodattimien käyttö ovat tehokkain tapa estää EMP:n vaikutus laitteisiin. Työssä käydään molempien suojaustekniikoiden toimintatavat lävitse. Harjoitustyössä keskitytään enemmän yhden organisaation näkökulmaan, mutta tuon lopussa esille myös, kuinka toimitaan kansallisen kriisin iskiessä.

2 EMP

Sähkömagneettinen pulssi eli EMP (engl. ElectroMagnetic? Pulse) on korkeataajuinen sähkömagneettinen kenttä. Ydinräjähdyksessä syntyy aina gammasäteitä, jotka reagoivat ilmassa olevien atomien kanssa, jolloin atomien elektronit irtoavat nopeasti ja ionisoivat ilmakehän, jolloin syntyy sähkömagneettinen kenttä. Ensimmäisiä ydinaseita testatessa tutkijat eivät ymmärtäneet, että EMP syntyy sivutuotteena. (Luokkanen, 2009) Tämä aiheutti ongelmia datan keräämisessä, koska EMP:n vaikutuksiin ei osattu varautua. Räjähdyksen energiasta puolet ovat mekaanisia voimia kuten tärinää ja painetta, ja loput energiasta ovat lämpösäteilyä sekä radioaktiivista säteilyä. Sähkömagneettinen voimakkuus vaihtelee 50 – 150kV/m välillä(Vahti, 2002).

EMP:n tehokkuuteen vaikuttaa millä korkeudella räjähdys tapahtuu. 0-2kilometrin korkeudessa räjäytettyä ydinasetta kutsutaan EMP:ksi, ja sen vaikutus on maksimissaan 20kilometriä. High alttitude eli HEMP on ilmakehässä räjäytetty ydinase. Se on tuhoisin vaihtoehto, ja se vaikuttaa jopa 500kilometrin alueella. HEMP:n toiminta perustuu siihen että räjäytyksessä syntyvien molekyylien törmäykset synnyttävät ns. Comptonin elektroneja. Nämä elektronit reagoivat maan magneettikentän kanssa luoden alaspäin suuntautuvan sähkömagneettisen aallon. Kolmas tyyppi on SREMP, eli lähdealueen EMP, joka räjähtää noin 100metrin korkeudessa tuhoten laitteistoa korkean virtapiikin johdosta. (Luokkanen, 2009) Sähkömagneettinen voimakkuus vaihtelee 50 – 150kV/m välillä. (Vahti, 2002)

2.1 Vaikutus ympäristöön ja ihmisiin

EMP:n vaikutus kohdistuu pelkästään elektronisiin laitteisiin, joskin ydinräjähdyksessä syntyvät mekaaniset voimat tuhoavat myös muita kohteita. Räjähdyksen synnyttämä sähköinen kenttä vaikuttaa vain pienen hetken, mutta silti lähes kaikki suojaamattomat elektroniikkalaitteet kärsivät vahingoista. Tämä johtuu siitä, että EMP:n teho verrattuna normaalin signaaliin on jopa miljardi kertaa suurempi, joka aiheuttaa vastaanottimien hajoamisen. Elektroniset laitteet ovat alttiita iskulle vain jos niissä kulkee virtaa. Kommunikaatiojärjestelmät kaatuvat EMP:n vaikutuksesta, koska kaikki muut siirtomediat vahingoittuvat paitsi valokaapelit. (Luokkanen, 2009)

Ihmisiin ei kohdistu suoranaista vaaraa EMP:stä. Kuten edellisessä kappaleessa todettiin, mekaaniset voimat ovat suurempi vaara ihmisille ja ympäristölle ydinaseen räjähdyksessä kuin sähkömagneettiset pulssit. Suurimmassa vaarassa ihmisistä ovat he, jotka käyttävät sydämentahdistinta tai muita vastaavia laitteita. (Luokkanen, 2009)

3 EMP:ltä suojautuminen

Organisaatio voi suojautua Luokkasen (2009) mukaan kahdella eri tavalla EMP:ltä. Vaihtoehtoina ovat fyysinen suojaus ja häiriönkestoisuus. Fyysisen suojaus voi olla koko rakennuksen suojaus tai pelkästään paikallinen suojaus, jossa tietty osa rakennuksesta suojataan ja sinne sijoitetaan alttiimmat laitteet. Fyysinen suojaus tapahtuu usein käyttämällä metallilevyjä tai häkkejä, joilla johdetaan EMP:n luoma sähkökenttä pois. Nykyään osa tuotteista on EMP suojattuja valmiiksi, jolla voidaan varmistaa kriittisimpien laitteiden toiminta. Suojaamiseen voidaan käyttää vaihtoehtoisia ratkaisuita, kuten valokaapelit, jotka ovat immuuneja EMP:lle optisen tiedonsiirron ansiosta.

3.1 Suojausalueet

IEC raportin (2002) mukaan suojausalueet voidaan jakaa viiteen eri alueeseen. Tasot alkavat suojaamattomasta rakennuksesta ja päätyvät herkkien laitteiden suojauksiin. Tässä luvussa käydään jokainen taso läpi.

Rakennusten suojaustaso, eli alue 1, vaatii rakennuksilta hitsatut rautavahvistustangot ulkoseiniin. Kyseiset rautatangot tulisi osittain hitsata yhteen, jolloin ne toimivat maadoituksena. (Luokkanen, 2009) Kyseisen tekniikan tarkoituksena on estää sähkökentän pääsemistä rakennuksen sisään johtamalla se maahan.

Alue 2 on huoneiden suojaus, jossa seinät ovat joko metallia tai seinät sisältävät metalliverhon. Kokonaan metallista rakennettu huone suojaa paremmin EMP iskulta kuin verhoiltu, joka sekin kestää heikon iskun. (Luokkanen, 2009) Heikoin kohta suojauksessa on sisään tulevat johdot, jotka tulee myös suojata vähintään ylijännitesuojalla tai suodattimilla. Ylijännitesuojaa ja suodattimia käsitellään tarkemmin seuraavissa alaluvussa.

Laitteistojen suojaaminen metallikoteloilla tai kehikoilla kuvastaa aluetta 3. Kotelot suojaavat korkeiden sähkömagneettisten kenttien vaikutukselta. Laitteistojen maadoitusyhteys tulisi minimoida jotta saavutetaan mahdollisimman tehokas suojaus. Kuten huoneissa, myös laitteiston kaapelit tulee suojata. Tehokkain ratkaisu on käyttää erityisiä suodattimia, jotka asennetaan kaapeleiden sisään. Suodattimet vaativat yhteyden koteloon tai kehikon metallirunkoon. (Luokkanen, 2009)

Neljäs alue on laitteiden suojaus. Se sisältää yksittäisten herkkien laitteiden suojaamista, joka on usein laitteen valmistajan vastuulla. (Luokkanen, 2009) Rajapintojen ja liittimien suojaaminen ovat yleisimpiä tapoja, joskin myös komponentteja suojataan erikseen.

3.2 Ylijännitesuojaus

Ylijännitesuojan toiminta perustuu kahden eri jännitteen vertailuun. Ylijännitesuojalla on mitoitusjännite Uc ja transienttijännite, jonka tunnus on Us. Kun transienttijännite on suurempi kuin mitoitusjännite, kosketin sulkeutuu ja ylijännitesuoja johtaa purkausvirran maahan. (Korhonen, 2009) Ideaalitapauksessa ylimenoimpedanssi on nolla, joka johtaa siihen että, suojan yli menevän jännite on myös nolla.

Ylijännitesuojien tarkoitus on estää yksittäisten, ennalta arvaamattomien purskeiden läpi pääseminen. Näitä purskeita kutsutaan transienteiksi. Transientit indusoituu salaman tai EMP:n iskusta epäsuorasti sähköverkkoon. Elektroniset laitteet ovat erittäin herkkiä transienteille, joskus vain 30 voltin ylijännite aiheuttaa vahinkoa laitteisiin. Vastaavasti erittäin suureet purskeet menevät läpi ylijännitesuojauksesta, jonka takia on tärkeää suojata laitteiston ympäristöä ja heikentää vaikuttavaa sähkökenttää. (Luokkanen, 2009)

3.3 Suodattimet

Suodattimien avulla muokataan sisään tuleva signaali laitteelle sopivaksi. Kaistanleveyden rajoittaminen on tehtävä ennen vastaanottoa, jolloin häiriöt eivät vaikuta hyötysignaalin. Yleensä suodattimet toimivat taajuuden perusteella. Tämä tarkoittaa sitä että, halutun taajuuden signaalit pääsevät läpi, kuten radiokanavaa valittaessa tapahtuu. Suodattimien toimintaa voidaan kuvata siirtofunktiolla, joka on lähtö- ja tulosignaalin suhde. (Uotila, 2011)

Suodattimet voidaan jakaa neljään eri kategoriaan. Alipäästösuodatin päästää valittua taajuutta matalammat signaalit läpi ja leikkaa ylemmät taajuudet pois. Ylipäästösuodatin toimii päinvastoin, eli päästää läpi korkeat taajuudet. Kaistanpäästösuodatin päästää kahden halutun taajuuden väliset taajuudet läpi ja leikkaa muut pois. Kaistanestosuodatin toimii taas päinvastoin, eli tietty taajuusalue estetään. (Uotila, 2011)

Suodattimen toiminnan avulla pystytään estämään häiriöt sähkö- ja kommunikaatiojärjestelmissä. Kohinan määrä vähenee huomattavasti ja samalla kaapeleiden säteilyhäiriö pienenee. Valittaessa suodatinta täytyy ottaa huomioon haluttu jännitealue sekä minkä tyyppinen järjestelmä on käytössä. Suodatin kannattaa asentaa mahdollisimman lähelle laitetta tai laitteistoa, jolloin se pystyy estämään mahdollisimman korkeat taajuudet ja liitännän impedanssi minimoidaan. (Luokkanen, 2009)

4 Kansallinen toiminta kriisitilanteissa

Suomen valtio on määrittänyt strategian kuinka toimia, kun kriisi iskee Suomeen. Yhteiskunnan turvallisuusstrategiassa (2010) määritetään yhteiskunnallisesti elintärkeät toiminnot. Toiminnoille on luotu uhkamallit ja toimintojen turvaamiselle on tarkat menettelytavat. Tärkeimpinä tehtäviä ovat valtion johtamisen ja sitä tukevien toimintojen turvaaminen. Kommunikaation toiminta varmistetaan yhteisillä protokollilla, joita käyttää valtion hallinto sekä tietyt yksityiset organisaatiot. Valtionhallinnolla on kehitteillä oma viestintäjärjestelmä iskujen varalle. Järjestelmä pohjautuu IT-strategiassa määriteltyyn kehitysohjelmaan. Tärkeimmille viestintäpalveluille on määritelty laissa turvallisuustaso, joiden tulisi toimia kriisin keskellä moitteettomasti. Ulkomaille kommunikointi tapahtuu virallista edustusverkkoa pitkin, jota käytetään vain kriisitilanteissa. (Puolustusministeriö, 2010)

5 Yhteenveto

Teknologian merkitys organisaation toiminnan jatkuvuudelle kasvaa kokoajan. Samalla verkon kautta tapahtuvat hyökkäykset lisääntyvät globaalin kilpailun seurauksena. Harjoitustyössä esiteltiin tärkeimmät suojauskohteet sekä kohteiden suojaustekniikat. Varsinkin ylijännitesuojia kannattaa käyttää vaikka uhkana ei olisi EMP, koska ne suojaavat myös salamaniskulta, sekä jos sähköverkosta tulee yksittäinen purske. Elektroniset laitteet ovat erittäin herkkiä, jonka takia suojaukseen on kiinnitettävä huomiota entistä tarkemmin. Tehokkain tapa suojautua on ottaa se huomioon jo suunnitteluvaiheessa, jolloin voidaan vaikuttaa rakennuksen rakenteisiin, kaapelointiin sekä laitteistojen sijaintiin. Suomi on varautunut mahdolliseen iskuun turvallisuusstrategian mukaisesti, jossa määritellään kuinka toimitaan ja mitä suojataan kriisin aikana. Yleisestä suojautumistasosta huomaamme, ettei EMP:tä pidetä todennäköisenä uhkana tällä hetkellä Suomessa.

Lähteet

IEC. 2002. Electromagnetic compatibility (EMC), TR 61000-5-6.

Korhonen, H. 2009. Ylijännitesuojaus pienjänniteverkossa. viitattu 20.11.2011 saatavilla: https://publications.theseus.fi/bitstream/handle/10024/3529/Ylijannitesuojaus%20pienjanniteverkossa.pdf?sequence=1

Luokkanen, M. 2009. Elektroniikkalaitteiden suojaaminen sähkömagneettiselta pulssilta, viitattu 2.11.2011, saatavilla: http://www.yliopistojentt.fi/VAHTI-CD/Vahti-ohjeet/2002/Laitetilojen_turvallisuus_1_2002.pdf

Puolustusministeriö, 2010, Yhteiskunnan turvallisuusstrategia, ISBN: 978-951-25-2170-8, viitattu 13.11.2011, saatavilla: http://www.defmin.fi/files/1705/yts_2010_fi_nettiin.pdf

Uotila, P. 2011. Tiedonsiirtotekniikanperusteet opintomoniste, Tampereen Teknillinen Yliopisto

Vahti, 2002, Tietoteknisten laitetilojen turvallisuussuositus, viitattu 30.10.2011, saatavilla: http://www.yliopistojentt.fi/VAHTI-CD/Vahti-ohjeet/2002/Laitetilojen_turvallisuus_1_2002.pdf

SivuTiedotLaajennettu edit

Vaativuus Jatko
Valmius Valmis
Tyyppi Ydin
Luokitus Uhkat
Mitä Luottamuksellisuus
Miltä Ihmisetön uhka
Missä Organisaatio
Kuka Titu-ammattilainen
Milloin Ennakolta
Miksi Hyvä tapa
Print version |  PDF  | History: r5 < r4 < r3 < r2 | 
Topic revision: r5 - 15 Dec 2011 - 15:17:13 - VilleSaarinen?
 

TUTWiki

Copyright © by the contributing authors. All material on this collaboration platform is the property of the contributing authors.
Ideas, requests, problems regarding TUTWiki? Send feedback