Последствия ядерных взрывов - Effects of nuclear explosions

14 килотонн тест выстрелил Чарли из эксплуатации Buster-Jangle в Неваде полигоне 30 октября 1951 г. красный / оранжевый цвет видел здесь в колпачке грибовидного облака в значительной степени из - за огненного шара «ами интенсивного тепла в сочетании с кислород и азот , естественно, в воздухе. Кислород и азот, хотя, как правило, не реагируют друг с другом, при чрезмерном нагревании образуют частицы NOx , в частности диоксид азота , который в значительной степени отвечает за цвет. В 1970-х и 1980-х годах были опасения, которые позже оказались необоснованными, в отношении выбросов NOx в виде огненных шаров и потери озона .

Последствия ядерного взрыва в непосредственной близости от него, как правило, гораздо более разрушительны и многогранны, чем воздействия обычных взрывчатых веществ . В большинстве случаев энергию, выделяемую ядерным оружием, взорванным в нижних слоях атмосферы, можно приблизительно разделить на четыре основные категории:

В зависимости от конструкции оружия и места, в котором оно взорвалось, энергия, распределяемая по любой из этих категорий, может быть значительно выше или ниже. Эффект физического взрыва создается за счет взаимодействия огромного количества энергии, охватывающей весь электромагнитный спектр , с окружающей средой. Окружающая среда взрыва (например, подводная лодка, наземный взрыв , воздушный взрыв или внеатмосферное) определяет, сколько энергии передается взрыву, а какое - радиации. В общем, окружение бомбы более плотной средой, такой как вода, поглощает больше энергии и создает более мощные ударные волны , в то же время ограничивая область ее воздействия. Когда ядерное оружие окружено только воздухом, смертельный взрыв и тепловые эффекты пропорционально масштабируются гораздо быстрее, чем смертельные радиационные эффекты, когда увеличивается мощность взрывчатого вещества. Этот пузырь быстрее скорости звука. Механизмы физического повреждения ядерного оружия (взрыв и тепловое излучение) идентичны механизмам обычных взрывчатых веществ, но энергия, производимая ядерным взрывом, обычно в миллионы раз мощнее на единицу массы, а температуры на короткое время могут достигать десятков миллионов единиц. градусов.

Энергия ядерного взрыва первоначально выделяется в нескольких формах проникающего излучения. Когда есть окружающий материал, такой как воздух, скала или вода, это излучение взаимодействует с материалом и быстро нагревает его до равновесной температуры (то есть так, что материя имеет ту же температуру, что и топливо, приводящее в действие взрыв). Это вызывает испарение окружающего материала, что приводит к его быстрому расширению. Кинетическая энергия, создаваемая этим расширением, способствует образованию ударной волны, которая распространяется сферически от центра. Интенсивное тепловое излучение в гипоцентре формирует ядерный огненный шар, который при достаточно низкой высоте взрыва часто ассоциируется с грибовидным облаком . При высотном всплеске, когда плотность атмосферы низкая, выделяется больше энергии в виде ионизирующего гамма-излучения и рентгеновских лучей, чем в виде ударной волны, вытесняющей атмосферу.

В 1942 году среди ученых, разрабатывающих первое ядерное оружие в рамках Манхэттенского проекта , были первые предположения, что достаточно большой ядерный взрыв может воспламенить атмосферу Земли. Это понятие касалось ядерной реакции двух атмосферных атомов азота, образующих углерод и атом кислорода, с соответствующим выделением энергии. Ученые выдвинули гипотезу, что эта энергия нагреет оставшийся в атмосфере азот достаточно, чтобы поддерживать реакцию до тех пор, пока все атомы азота не будут израсходованы, тем самым сжигая всю атмосферу Земли (которая состоит почти на 80% из двухатомного азота) в одном единственном событии массивного горения. . Гансу Бете было поручено изучить эту гипотезу с самых первых дней проекта, и в конечном итоге он пришел к выводу, что сгорание всей атмосферы невозможно: охлаждение огненного шара из-за обратного эффекта Комптона почти гарантировало, что такой сценарий не станет возможным. реальность. Ричарда Хэмминга , математика, попросили провести аналогичный расчет непосредственно перед первым ядерным испытанием с тем же результатом. Тем не менее, эта идея оставалась слухом в течение многих лет и была источником апокалиптического юмора о виселице на испытании Тринити.

Прямые эффекты

Взрывной урон

Избыточное давление колеблется от 1 до 50 фунтов на квадратный дюйм (от 6,9 до 345 килопаскалей) на 1 килотонну взрыва воздуха в тротиловом эквиваленте в зависимости от высоты взрыва. Тонкая черная кривая указывает оптимальную высоту взрыва для данного диапазона земли. Военные планировщики предпочитают максимизировать дальность действия 10 фунтов на квадратный дюйм или более при атаке гражданских целей, поэтому для взрыва мощностью в 1 килотонну предпочтительна высота взрыва 220 м. Чтобы найти оптимальную высоту очереди для любой мощности оружия, кубический корень из мощности в килотоннах умножается на идеальную HOB для взрыва мощностью 1 уз, например, оптимальная высота очереди для оружия мощностью 500 уз составляет ~ 1745 м.
Оценка размера ущерба, нанесенного атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки мощностью 16 и 21 кт .

Высокие температуры и радиация заставляют газ двигаться радиально наружу в тонкой плотной оболочке, называемой «гидродинамическим фронтом». Фронт действует как поршень, который толкает и сжимает окружающую среду, создавая расширяющуюся сферическую ударную волну . Сначала эта ударная волна находится внутри поверхности развивающегося огненного шара, который создается в объеме воздуха, нагретого «мягкими» рентгеновскими лучами взрыва. В течение доли секунды фронт плотной ударной волны закрывает огненный шар и продолжает двигаться мимо него, теперь расширяясь наружу, освобождаясь от огненного шара, вызывая уменьшение света, исходящего от ядерного взрыва. В конце концов, ударная волна рассеивается до такой степени, что свет снова становится видимым, вызывая характерную двойную вспышку из-за взаимодействия ударной волны с огненным шаром. Именно эта уникальная особенность ядерных взрывов используется при проверке того, что произошел атмосферный ядерный взрыв, а не просто большой обычный взрыв, с помощью радиометрических приборов, известных как Бхангметры, способных определять природу взрывов.

Для воздушных взрывов на уровне моря или вблизи него 50–60% энергии взрыва уходит на взрывную волну, в зависимости от размера и мощности бомбы . Как правило, доля взрыва выше для оружия малой мощности. Кроме того, она уменьшается на больших высотах, потому что меньше массы воздуха поглощает энергию излучения и превращает ее во взрывную волну. Этот эффект наиболее важен для высот более 30 км, что соответствует менее 1% плотности воздуха на уровне моря.

Было обнаружено, что воздействие умеренного ливня во время ядерного взрыва в Операционном замке ослабляет или снижает пиковые уровни давления примерно на 15% на всех диапазонах.

Общие эффекты атомных бомб на Хиросиму и Нагасаки. Описывает эффекты, в частности эффекты взрыва, и реакцию различных типов структур на эффекты оружия.

Большая часть разрушений, вызванных ядерным взрывом, происходит из-за взрывных воздействий. Большинство зданий, кроме армированных или Взрывоустойчивые структур, будет страдать умеренное повреждение при воздействии избыточного давления только 35,5 кПа (кПа) (5,15 фунт-сила на квадратный дюйм или 0,35 атм). Данные, полученные в ходе исследований в Японии, показали, что 8 фунтов на квадратный дюйм (55 кПа) было достаточно для разрушения всех деревянных и кирпичных жилых построек. Это можно разумно определить как давление, способное вызвать серьезные повреждения.

Ураганный ветер на уровне моря может превышать тысячу км / ч или ~ 300 м / с, приближаясь к скорости звука в воздухе. Дальность действия взрыва увеличивается с взрывной мощностью оружия, а также зависит от высоты взрыва. Вопреки тому, что можно было ожидать от геометрии, дальность взрыва не является максимальной для надводных или малых высот, а увеличивается с высотой до «оптимальной высоты взрыва», а затем быстро уменьшается на больших высотах. Это связано с нелинейным поведением ударных волн. Когда взрывная волна от воздушного взрыва достигает земли, она отражается. Ниже определенного угла отражения отраженная волна и прямая волна сливаются и образуют усиленную горизонтальную волну, известную как «стержень Маха» (названный в честь Эрнста Маха ) и являющийся формой конструктивной интерференции . Это конструктивное вмешательство является явлением, ответственным за появление неровностей или «колен» на приведенном выше графике диапазона избыточного давления.

Для каждого избыточного давления цели существует определенная оптимальная высота взрыва, при которой дальность взрыва максимальна над наземными целями. При типичном воздушном взрыве, когда дальность взрыва максимальна для получения наибольшего диапазона серьезных повреждений, т. Е. Наибольшего диапазона, на который распространяется давление ~ 10 фунтов на квадратный дюйм (69 кПа), диапазон GR / земля составляет 0,4 км для 1 килотонна (кт) выхода в тротиловом эквиваленте; 1,9 км на 100 узлов; и 8,6 км для 10 мегатонн (Мт) в тротиловом эквиваленте. Оптимальная высота взрыва для максимизации желаемого серьезного поражения на суше для бомбы мощностью 1 кт составляет 0,22 км; на 100 узлов - 1 км; и для 10 Мт - 4,7 км.

С взрывной волной в воздухе связаны два различных, одновременных явления :

  • Статическое избыточное давление , т. Е. Резкое увеличение давления со стороны ударной волны. Избыточное давление в любой заданной точке прямо пропорционально плотности воздуха в волне.
  • Динамические давления , т. Е. Сопротивление порывам ветра, необходимое для образования взрывной волны. Эти ветры толкают, кувыркают и рвут предметы.

Большая часть материального ущерба, причиненного ядерным воздушным взрывом, вызвана сочетанием высоких статических избыточных давлений и порывов ветра. Длительное сжатие взрывной волны ослабляет конструкции, которые затем разрываются порывами ветра. Фазы сжатия, вакуума и сопротивления вместе могут длиться несколько секунд или дольше и создавать силы, во много раз превышающие силу самого сильного урагана .

Воздействуя на человеческое тело, ударные волны вызывают волны давления через ткани. Эти волны в основном повреждают соединения между тканями разной плотности (кости и мышцы) или поверхность раздела между тканью и воздухом. Особенно страдают легкие и брюшная полость , содержащие воздух. Повреждение вызывает сильное кровотечение или воздушную эмболию , каждая из которых может привести к быстрому летальному исходу. По оценкам, избыточное давление, способное повредить легкие, составляет около 70 кПа. Некоторые барабанные перепонки , вероятно, разорвутся примерно на 22 кПа (0,2 атм), а половина - при разрыве от 90 до 130 кПа (от 0,9 до 1,2 атм).

Взрывные ветры : энергия сопротивления порывов ветра пропорциональна кубам их скоростей, умноженных на длительность. Эти ветры могут достигать нескольких сотен километров в час.

Тепловое излучение

Безмолвная видеозапись USSBS ( Обследование стратегических бомбардировок США ), которая в первую очередь представляет собой анализ травм, полученных от ожогов от вспышки, у тех, кто был в Хиросиме. В 2:00, что типично для формы солнечных ожогов, защита обеспечивается одеждой, в данном случае штанами, при этом медсестра указывает на демаркационную линию, где штаны начинают полностью защищать нижнюю часть тела от ожогов. В 4:27 он может быть выведен из горящего формы , что человек сталкивается с огненным шаром и был одет в жилет в момент взрыва и т.д. Многие из ожоговых травм проявляют повышенной келоидных модели исцеления. 25 выжившим женщинам потребовались обширные послевоенные операции, и их называли девушками Хиросимы .

Ядерное оружие излучает большое количество теплового излучения в виде видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света, для которого атмосфера в значительной степени прозрачна. Это известно как «Вспышка». Основные опасности - ожоги и травмы глаз. В ясные дни эти травмы могут произойти далеко за пределами диапазона взрыва, в зависимости от мощности оружия. Пожары также могут быть вызваны первоначальным тепловым излучением, но следующие сильные ветры, вызванные взрывной волной, могут потушить почти все такие пожары, если только мощность не будет очень высокой, когда диапазон тепловых воздействий значительно превосходит эффекты взрыва, как видно из взрывы в многомегатонном диапазоне. Это связано с тем, что интенсивность эффектов взрыва падает с третьей степенью расстояния от взрыва, в то время как интенсивность радиационных эффектов падает со второй степенью расстояния. Это приводит к тому, что диапазон тепловых эффектов заметно увеличивается по сравнению с дальностью взрыва по мере взрыва устройств с все большей и большей мощностью. Тепловое излучение составляет от 35 до 45% энергии, выделяемой при взрыве, в зависимости от мощности устройства. В городских районах тушение пожаров, вызванных тепловым излучением, может не иметь большого значения, поскольку при внезапной атаке пожары могут также возникать из-за короткого замыкания, вызванного взрывным воздействием, газовых запальных ламп, перевернутых печей и других источников возгорания, как и случай во время взрыва бомбы замедленного действия в Хиросиме . Неизвестно, будут ли эти вторичные пожары, в свою очередь, потушены, когда современные негорючие кирпичные и бетонные здания обрушатся на себя от одной и той же взрывной волны, не в последнюю очередь из-за маскирующего эффекта современных городских пейзажей на тепловые и взрывные волны. передачи постоянно проверяются. Когда в Хиросиме и Нагасаки были взорваны горючие каркасные здания, они горели не так быстро, как если бы они оставались стоять. Негорючие обломки, образовавшиеся в результате взрыва, часто покрывали и предотвращали возгорание горючего материала. Эксперты по пожарной безопасности предполагают, что в отличие от Хиросимы, из-за особенностей дизайна и строительства современных городов США, в наше время огненная буря после ядерного взрыва маловероятна. Это не исключает возникновения пожаров, но означает, что эти пожары не перерастут в огненную бурю, в основном из-за различий между современными строительными материалами и материалами, использовавшимися в Хиросиме времен Второй мировой войны.

Выделяют два типа повреждений глаз тепловым излучением оружия:

Ослепление от вспышки вызвано первоначальной яркой вспышкой света, произведенной ядерным взрывом. Сетчатка получает больше световой энергии, чем можно переносить, но меньше, чем требуется для необратимого повреждения. Сетчатка особенно восприимчива к видимому и коротковолновому инфракрасному свету, поскольку эта часть электромагнитного спектра фокусируется линзой на сетчатке. Результат - обесцвечивание зрительных пигментов и временная слепота на срок до 40 минут.

Ожоги видны на женщине в Хиросиме во время взрыва. Более темные цвета ее кимоно во время взрыва соответствуют четко видимым ожогам на коже, которые коснулись частей одежды, подвергшихся воздействию теплового излучения. Поскольку кимоно не является облегающей одеждой, некоторые части, непосредственно не соприкасающиеся с ее кожей, видны как разрывы в узоре, а более плотно прилегающие области, приближающиеся к линии талии, имеют гораздо более четкий узор.

Ожог сетчатки, приводящий к необратимому повреждению в результате рубцевания, также вызван концентрацией прямой тепловой энергии на сетчатке линзой. Это произойдет только тогда, когда огненный шар окажется в поле зрения человека, и это будет относительно редкая травма. Ожоги сетчатки могут быть получены на значительном удалении от места взрыва. Высота взрыва и видимый размер огненного шара, функция мощности и дальности определяет степень и степень рубцевания сетчатки. Шрам в центральном поле зрения был бы более изнурительным. Как правило, ограниченный дефект поля зрения, который будет едва заметен, - это все, что может произойти.

Когда тепловое излучение попадает на объект, часть его отражается, часть пропускается, а остальная часть поглощается. Поглощенная фракция зависит от природы и цвета материала. Тонкий материал может пропускать много. Светлый объект может отражать большую часть падающего излучения и, таким образом, избегать повреждений, таких как белая краска , предотвращающая вспышку . Поглощенное тепловое излучение повышает температуру поверхности и приводит к обугливанию, обугливанию и горению дерева, бумаги, тканей и т. Д. Если материал является плохим проводником тепла, тепло удерживается на поверхности материала.

Фактическое воспламенение материалов зависит от того, как долго длится тепловой импульс, а также от толщины и содержания влаги в мишени. Вблизи нулевой точки, где поток энергии превышает 125 Дж / см 2 , то, что может гореть, будет. Дальше будут гореть только самые легко воспламеняемые материалы. Зажигательные эффекты усугубляются вторичными пожарами, вызванными эффектами взрывной волны, например, от опрокинутых печей и печей.

В Хиросиме 6 августа 1945 года в течение 20 минут после взрыва возникла сильнейшая огненная буря, разрушившая еще много зданий и домов, построенных преимущественно из «хрупких» деревянных материалов. Огненная буря вызывает ураганные ветры, дующие к центру огня со всех точек компаса. Это не свойственно ядерным взрывам, которые часто наблюдались при крупных лесных пожарах и после зажигательных налетов во время Второй мировой войны . Несмотря на то, что пожары уничтожили большую часть города Нагасаки, настоящей огненной бури в городе не произошло, даже несмотря на то, что использовалось более высокопроизводительное оружие. Многие факторы объясняют это кажущееся противоречие, в том числе время бомбардировок, отличное от Хиросимы, рельеф местности и, что самое важное, более низкая загрузка топлива / плотность топлива в городе, чем в Хиросиме.

Нагасаки, вероятно, не предоставил достаточно топлива для развития огненной бури по сравнению со многими зданиями на равнине в Хиросиме.

Поскольку тепловое излучение распространяется более или менее по прямой линии от огненного шара (если оно не рассеивается), любой непрозрачный объект будет создавать защитную тень, которая обеспечивает защиту от ожога вспышкой. В зависимости от свойств материала подстилающей поверхности открытая область за пределами защитной тени будет либо выжжена до более темного цвета, например обуглившегося дерева, либо до более яркого цвета, например, асфальта. Если такое погодное явление, как туман или дымка, присутствует в месте ядерного взрыва, оно рассеивает вспышку , и лучистая энергия затем достигает чувствительных к ожогу веществ со всех сторон. Следовательно, в этих условиях непрозрачные объекты менее эффективны, чем они были бы без рассеяния, поскольку они демонстрируют максимальный эффект затенения в среде с идеальной видимостью и, следовательно, с нулевым рассеянием. Подобно туманному или пасмурному дню, хотя в такой день солнце создает немного теней, если они вообще есть, солнечная энергия, достигающая земли от инфракрасных лучей солнца, тем не менее, значительно уменьшается из-за того, что она поглощается водой. облаков, и энергия также рассеивается обратно в космос. Аналогичным образом ослабляется и интенсивность в диапазоне энергии вспышки горения, в единицах Дж / см 2 , наряду с наклонным / горизонтальным диапазоном ядерного взрыва в условиях тумана или дымки. Таким образом, несмотря на то, что любой объект, отбрасывающий тень, становится неэффективным в качестве защиты от вспышки туманом или дымкой из-за рассеяния, туман выполняет ту же защитную роль, но, как правило, только на тех дистанциях, на которых выживание на открытом воздухе является всего лишь вопросом быть защищенным от энергии вспышки взрыва.

Тепловой импульс также отвечает за нагревание атмосферного азота вблизи бомбы и создание компонентов атмосферного смога NOx . Он, как часть грибовидного облака, попадает в стратосферу, где он отвечает за диссоциацию там озона , точно так же, как это делают соединения NOx при горении. Создаваемое количество зависит от мощности взрыва и окружающей среды взрыва. Исследования, проведенные в отношении общего воздействия ядерных взрывов на озоновый слой, по крайней мере в предварительном порядке оправдывают себя после первоначальных обескураживающих результатов.

Косвенные эффекты

Электромагнитный импульс

Гамма-лучи от ядерного взрыва производят электроны высокой энергии за счет комптоновского рассеяния . При ядерных взрывах на большой высоте эти электроны захватываются магнитным полем Земли на высотах от двадцати до сорока километров, где они взаимодействуют с магнитным полем Земли, создавая когерентный ядерный электромагнитный импульс (NEMP), который длится около одной миллисекунды. Вторичные эффекты могут длиться более секунды.

Импульс достаточно мощный, чтобы заставить металлические предметы средней длины (например, кабели) действовать как антенны и генерировать высокое напряжение из-за взаимодействия с электромагнитным импульсом. Эти напряжения могут вывести из строя неэкранированную электронику. Биологические эффекты ЭМИ неизвестны. Ионизированный воздух также нарушает радиопередачу, которая обычно отражается от ионосферы .

Электронику можно защитить, полностью обернув ее проводящим материалом, например металлической фольгой; эффективность экранирования может быть не идеальной. Надлежащее экранирование - сложный вопрос из-за большого количества задействованных переменных. Полупроводники, особенно интегральные схемы , чрезвычайно чувствительны к воздействию ЭМИ из-за непосредственной близости PN-переходов, но это не относится к термоэлектронным трубкам (или клапанам), которые относительно невосприимчивы к ЭМИ. Клетка Фарадея не обеспечивает защиту от воздействия ЭМИ , если сетка не предназначен , чтобы иметь отверстия не больше , чем наименьшая длина волны излучаемого от ядерного взрыва.

Большое ядерное оружие, взорванное на большой высоте, также вызывает геомагнитно-индуцированный ток в очень длинных электрических проводниках. Механизм, с помощью которого генерируются эти геомагнитно индуцированные токи, полностью отличается от индуцированного гамма-излучением импульса, создаваемого электронами Комптона.

Затмение радара

Теплота взрыва вызывает ионизацию окружающего воздуха, в результате чего образуется огненный шар. Свободные электроны в огненном шаре влияют на радиоволны, особенно на более низких частотах. Это приводит к тому, что большая часть неба становится непрозрачной для радаров, особенно тех, которые работают в диапазонах ОВЧ и УВЧ , что является обычным явлением для радаров дальнего радиолокационного обнаружения . Эффект меньше для более высоких частот в микроволновом диапазоне , а также длится более короткое время - эффект спадает как по силе, так и по затронутым частотам, когда огненный шар охлаждается, и электроны начинают переформировываться в свободные ядра.

Второй эффект затемнения вызван испусканием бета-частиц из продуктов деления. Они могут путешествовать на большие расстояния, следуя силовым линиям магнитного поля Земли. Когда они достигают верхних слоев атмосферы, они вызывают ионизацию, похожую на огненный шар, но на более широкой площади. Расчеты показывают, что одна мегатонна деления, типичная для двухмегатонной водородной бомбы, создаст достаточно бета-излучения, чтобы затемнить область размером 400 километров (250 миль) в течение пяти минут. Тщательный выбор высоты и местоположения вспышек может дать чрезвычайно эффективный эффект гашения радара.

Физические эффекты, вызывающие отключение электроэнергии, также вызывают ЭМИ, что само по себе может вызвать отключение электроэнергии. В остальном эти два эффекта не связаны, и подобное название может сбивать с толку.

Ионизирующее излучение

Около 5% энергии, выделяемой при ядерном воздушном взрыве, находится в форме ионизирующего излучения : нейтронов , гамма-лучей , альфа-частиц и электронов, движущихся со скоростью до скорости света. Гамма-лучи - это электромагнитное излучение высокой энергии; остальные - частицы, которые движутся медленнее света. Нейтроны возникают почти исключительно в результате реакций деления и синтеза , в то время как начальное гамма-излучение включает излучение, возникающее в результате этих реакций, а также в результате распада короткоживущих продуктов деления.

Интенсивность первоначального ядерного излучения быстро уменьшается с удалением от точки взрыва, поскольку излучение распространяется по большей площади по мере удаления от места взрыва ( закон обратных квадратов ). Он также уменьшается из-за атмосферного поглощения и рассеяния.

Характер излучения, полученного в данном месте, также зависит от расстояния до места взрыва. Вблизи точки взрыва интенсивность нейтронов больше, чем интенсивность гамма-излучения, но с увеличением расстояния нейтронно-гамма-отношение уменьшается. В конечном итоге нейтронная составляющая исходного излучения становится незначительной по сравнению с гамма-составляющей. Диапазон значительных уровней начального излучения не увеличивается заметно с увеличением мощности оружия, и в результате начальное излучение становится менее опасным с увеличением мощности. Для более крупного оружия, превышающего 50 кт (200 ТДж), взрывные и тепловые эффекты настолько важны, что мгновенными радиационными эффектами можно пренебречь.

Нейтронное излучение трансмутирует окружающее вещество, часто делая его радиоактивным . При добавлении к пыли радиоактивного материала, выпущенного самой бомбой, большое количество радиоактивного материала выбрасывается в окружающую среду. Эта форма радиоактивного загрязнения известна как ядерные осадки и представляет собой основной риск воздействия ионизирующего излучения для крупного ядерного оружия.

Детали конструкции ядерного оружия также влияют на испускание нейтронов: бомба Хиросимы в сборе пушечного типа утекла гораздо больше нейтронов, чем бомба Нагасаки имплозивного типа мощностью 21 кт, потому что во взорвавшихся молекулах тротила (окружающих ядро ​​ядерной бомбы ) преобладают ядра легкого водорода (протоны). Бомба Нагасаки) очень эффективно замедляла нейтроны, в то время как более тяжелые атомы железа в стальной носовой части бомбы Хиросимы рассеивали нейтроны, не поглощая много энергии нейтронов.

В ходе ранних экспериментов было обнаружено, что обычно большая часть нейтронов, высвобождаемых в каскадной цепной реакции бомбы деления, поглощается корпусом бомбы. Создание ящика для бомбы из материалов, которые пропускают, а не поглощают нейтроны, может сделать бомбу более смертоносной для людей от мгновенного нейтронного излучения. Это одна из особенностей, использованных при разработке нейтронной бомбы .

Землетрясение

Волна давления от подземного взрыва распространится через землю и вызовет небольшое землетрясение . Однако теория не предполагает, что ядерный взрыв может вызвать разрыв разлома и вызвать сильное землетрясение на расстояниях, превышающих несколько десятков километров от точки взрыва.

Резюме эффектов

В следующей таблице приведены наиболее важные последствия одиночных ядерных взрывов при идеальном, ясном небе и погодных условиях. Подобные таблицы рассчитываются на основе законов масштабирования эффектов ядерного оружия. Продвинутое компьютерное моделирование реальных условий и того, как они влияют на ущерб, нанесенный современным городским районам, показало, что большинство законов масштабирования слишком упрощены и имеют тенденцию переоценивать эффекты ядерного взрыва. Поскольку обычно встречаются только упрощенные и несекретные законы масштабирования, они не принимают во внимание такие важные вещи, как изменение топографии земли, чтобы облегчить время расчета и длину уравнения. Законы масштабирования, которые использовались для создания таблицы ниже, предполагают, среди прочего, идеально ровную целевую область, отсутствие эффектов ослабления от маскировки городской местности , например, затенения небоскребов, и отсутствие эффектов усиления от отражений и туннелей улицами города. Для сравнения в приведенной ниже таблице, наиболее вероятное применение ядерного оружия против противодействующих городским целям в глобальной ядерной войне находится в диапазоне субмегатонн. Оружие мощностью от 100 до 475 килотонн стало самым многочисленным в ядерных арсеналах США и России; например, боеголовки, которыми оснащена российская баллистическая ракета подводных лодок « Булава » ( БРПЛ ), имеют мощность 150 килотонн. Примером для США являются боеголовки W76 и W88 , причем W76 с меньшей мощностью более чем в два раза больше, чем W88 в ядерном арсенале США.

Эффекты Мощность взрыва / высота взрыва
1 уз / 200 м 20 узлов / 540 м 1 м / 2,0 км 20 Mt / 5,4 км
Взрыв - эффективная наземная дальность ГР / км
Городские районы полностью выровнены (20 фунтов на квадратный дюйм или 140 кПа) 0,2 0,6 2,4 6.4
Разрушение большинства гражданских зданий (5 фунтов на квадратный дюйм или 34 кПа) 0,6 1,7 6.2 17
Умеренный ущерб гражданским зданиям (1 фунт / кв. Дюйм или 6,9 кПа) 1,7 4,7 17 47
Железнодорожные вагоны, сброшенные с путей и раздавленные
(62 кПа; значения, отличные от 20 узлов, экстраполируются с использованием масштабирования кубического корня)
≈0,4 1.0 ≈4 ≈10
Тепловое излучение - эффективная наземная дальность ГР / км
Ожоги четвертой степени , Пожар 0,5 2.0 10 30
Ожоги третьей степени 0,6 2,5 12 38
Ожоги второй степени 0,8 3.2 15 44 год
Ожоги первой степени 1.1 4.2 19 53
Действие мгновенного ядерного излучения - эффективная наклонная дальность 1 SR / км.
Полная смертельная доза 2 (нейтроны и гамма-лучи) 0,8 1.4 2.3 4,7
Общая доза при остром лучевом синдроме 2 1.2 1,8 2,9 5,4

1 Для эффектов прямого излучения здесь показана наклонная дальность вместо наземной, потому что некоторые эффекты не проявляются даже на нулевой отметке для некоторых высот вспышки. Если эффект возникает на нулевой точке, дальность до земли может быть получена из наклонной дальности и высоты взрыва ( теорема Пифагора ).

2 «Острый лучевой синдром» соответствует здесь суммарной дозе один серый , «смертельной» - десяти серым. Это лишь приблизительная оценка, поскольку здесь не учитываются биологические условия .

Дальнейшее усложнение ситуации в сценариях глобальной ядерной войны в условиях, аналогичных условиям во время холодной войны , по крупным стратегически важным городам, таким как Москва и Вашингтон , вероятно, будет нанесен не один, а множество раз в результате многократного повторного входа в атмосферу с независимым нацеливанием на уровне менее мегатонн. транспортных средств , в конфигурации кассетной бомбы или "резака для печенья". Сообщалось, что в разгар «холодной войны» в 1970-х годах в Москву было нанесено до 60 боеголовок. Причины, по которым концепция кассетных бомб предпочтительнее при нацеливании на города, двоякая: первая заключается в том, что большие единичные боеголовки гораздо легче нейтрализовать, поскольку как отслеживание, так и успешный перехват с помощью систем противоракетной обороны, чем когда несколько Приближаются боеголовки меньшего размера. Это численное преимущество перед боеголовками с меньшей мощностью дополнительно усугубляется тем, что такие боеголовки имеют тенденцию двигаться с более высокими входными скоростями из-за их меньшего, более тонкого физического размера корпуса , если предположить, что обе конструкции ядерного оружия одинаковы (исключение конструкции - усовершенствованный W88. ). Вторая причина использования этой кассетной бомбы, или «расслоения» (с использованием повторных попаданий точного оружия малой мощности), заключается в том, что эта тактика, наряду с ограничением риска отказа, также снижает мощность отдельных бомб и, следовательно, снижает вероятность любого серьезного сопутствующего воздействия. ущерб нецелевым соседним гражданским районам, в том числе соседним странам. Эта концепция была впервые предложена Филипом Дж. Доланом и другими.

Другие явления

Высота грибовидного облака в зависимости от урожайности наземных ударов.
0 = прибл. высота полета коммерческого самолета
1 = Толстяк
2 = Замок Браво

Гамма-лучи ядерных процессов, предшествующих настоящему взрыву, могут быть частично ответственны за следующий огненный шар, поскольку они могут перегревать близлежащий воздух и / или другой материал. Подавляющая часть энергии, которая идет на формирование огненного шара, находится в мягкой рентгеновской области электромагнитного спектра, причем эти рентгеновские лучи производятся неупругими столкновениями высокоскоростных продуктов деления и синтеза. Именно эти продукты реакции, а не гамма-лучи, содержат большую часть энергии ядерных реакций в виде кинетической энергии . Эта кинетическая энергия осколков деления и синтеза преобразуется во внутреннюю энергию, а затем во внутреннюю энергию излучения, приблизительно следуя процессу излучения черного тела в мягкой рентгеновской области. В результате многочисленных неупругих столкновений часть кинетической энергии осколков деления переходит во внутреннюю энергию и энергию излучения. Некоторые электроны полностью удаляются из атомов, вызывая ионизацию, другие переходят в более высокие энергетические (или возбужденные) состояния, оставаясь при этом прикрепленными к ядрам. В течение очень короткого времени, возможно, сотой доли микросекунды или около того, остатки оружия состоят по существу из полностью или частично очищенных (ионизированных) атомов, многие из которых находятся в возбужденных состояниях вместе с соответствующими свободными электронами. Затем система немедленно испускает электромагнитное (тепловое) излучение, характер которого определяется температурой. Поскольку это порядка 10 7 градусов, большая часть энергии, излучаемой в течение микросекунды или около того, приходится на область мягкого рентгеновского излучения. Чтобы понять это, нужно помнить, что температура зависит от средней внутренней энергии / тепла частиц в определенном объеме, а внутренняя энергия или тепло обусловлено кинетической энергией .

При взрыве в атмосфере огненный шар быстро расширяется до максимального размера, а затем начинает охлаждаться, поднимаясь, как воздушный шар, благодаря плавучести в окружающем воздухе. При этом он принимает картину течения вихревого кольца с раскаленным материалом в ядре вихря, как видно на некоторых фотографиях. Этот эффект известен как грибовидное облако .

Песок плавится в стекло, если он находится достаточно близко к ядерному огненному шару, чтобы быть втянутым в него, и, таким образом, нагревается до температуры, необходимой для этого; это известно как тринитит .

При взрыве ядерной бомбы иногда возникают разряды молнии.

На фотографиях ядерных взрывов часто видны следы дыма. Это не от взрыва; их покидают звуковые ракеты, запущенные незадолго до взрыва. Эти следы позволяют наблюдать обычно невидимую ударную волну взрыва в моменты после взрыва.

Тепло и переносимые по воздуху обломки, образовавшиеся в результате ядерного взрыва, могут вызвать дождь; считается, что обломки делают это, действуя как ядра конденсации облаков . Во время городской огненной бури, последовавшей за взрывом в Хиросиме, было зафиксировано, что капли воды были размером с мрамор . Это было названо черным дождем , и оно послужило источником одноименной книги и фильма . Черный дождь не является чем-то необычным после крупных пожаров и обычно вызывается пирокучевыми облаками во время крупных лесных пожаров. Говорят, что дождь прямо над Хиросимой в тот день начался около 9 часов утра, охватив обширную территорию от гипоцентра до северо-запада, а в некоторых областях проливался сильный дождь в течение часа или более. Дождь прямо над городом, возможно, принес с собой продукты сгорания строительного материала, активированные нейтронами , но он не принес каких-либо заметных обломков ядерного оружия или осадков, хотя это, как правило, противоречит тому, что утверждают другие, менее технические источники. «Маслянистые» частицы черной сажи являются характерным признаком неполного сгорания при городской пожарной буре.

Элемент эйнштейний был обнаружен при анализе ядерных осадков.

Побочный эффект ядерного испытания Pascal-B во время операции Plumbbob мог привести к запуску первого искусственного объекта в космос. Так называемый эффект «громового колодца» от подземного взрыва, возможно, запустил металлическую крышку в космос со скоростью , в шесть раз превышающей скорость Земли , хотя доказательства остаются предметом споров.

Живучесть

Это в значительной степени зависит от таких факторов, как нахождение в помещении или на улице, размера взрыва, близости к месту взрыва и, в меньшей степени, от направления ветра, переносящего осадки. Смерть высока, и радиационное отравление почти неизбежно, если кто-то будет пойман на открытом воздухе без эффекта маскировки местности или здания в радиусе 0–3 км от воздушного взрыва мощностью 1 мегатонн, и 50% -ная вероятность смерти от взрыва увеличивается. до ~ 8 км от того же атмосферного взрыва мощностью в 1 мегатонну.

Чтобы подчеркнуть изменчивость реального мира и эффект, который может оказать пребывание в помещении, несмотря на смертельную радиацию и зону взрыва, простирающуюся далеко за пределы ее позиции в Хиросиме, Акико Такакура пережила воздействие атомной бомбы мощностью 16 кт на расстоянии 300 метров. из гипоцентра, с незначительными травмами, в основном из-за ее положения в холле Банка Японии, железобетонного здания, в то время. Напротив, неизвестный человек, сидящий снаружи, полностью открытый, на ступенях банка Сумитомо, рядом с Банком Японии, получил смертельные ожоги третьей степени и затем, вероятно, был убит взрывом, в таком порядке, в течение двух секунд. .

При наличии медицинской помощи радиационное облучение сохраняется до 200 бэр острой дозы. Если группа людей подвергнется острой дозе облучения от 50 до 59 бэр (в течение 24 часов), никто не заболеет лучевой болезнью. Если группа подвергнется воздействию от 60 до 180 бэр, 50% заболеют радиационным отравлением. При медикаментозном лечении все участники группы 60–180 бэр выживут. Если группа подвергается воздействию от 200 до 450 бэр, большинство, если не вся группа, заболеет. 50% из группы 200–450 бэр умрут в течение двух-четырех недель, даже при наличии медицинской помощи. Если группа подвергнется воздействию от 460 до 600 бэр, 100% группы получит радиационное отравление. 50% из группы 460–600 бэр умрут в течение одной-трех недель. Если группа подвергнется воздействию от 600 до 1000 бэр, 50% умрут в течение одной-трех недель. Если группа подвергнется воздействию от 1000 до 5000 бэр, 100% группы умрет в течение 2 недель. При 5000 бэр 100% группы умрет в течение 2 дней.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки