Грибовидное облако — это характерное грибообразное облако flammagenitus из мусора, дыма и, как правило, конденсированного водяного пара, образующееся в результате большого взрыва. Эффект чаще всего ассоциируется с ядерным взрывом , но любая достаточно энергичная детонация или дефлаграция вызовет аналогичный эффект. Они могут быть вызваны мощным обычным оружием , включая термобарическое оружие , такое как ATBIP и GBU-43/B MOAB . Некоторые извержения вулканов и столкновения могут привести к образованию естественных грибовидных облаков.
Грибовидные облака возникают в результате внезапного образования большого объема газов с меньшей плотностью на любой высоте, вызывая неустойчивость Рэлея-Тейлора . Плавучая масса газа быстро поднимается, в результате чего турбулентные вихри закручиваются вниз по его краям, образуя временное вихревое кольцо , которое вытягивает центральную колонну, возможно, с дымом, мусором, конденсированным водяным паром или их комбинацией, образуя «ножку гриба». Масса газа и увлеченного влажного воздуха в конечном итоге достигает высоты, где она уже не имеет меньшей плотности, чем окружающий воздух; в этой точке она рассеивается, дрейфуя обратно вниз , что приводит к выпадению осадков после ядерного взрыва. Высота стабилизации сильно зависит от профилей температуры, точки росы и сдвига ветра в воздухе на начальной высоте и выше.
Хотя этот термин, по-видимому, был придуман в начале 1950-х годов, грибовидные облака, образующиеся в результате взрывов, описывались за столетия до атомного века . Современная акватинта неизвестного художника, изображающая франко-испанскую атаку на Гибралтар в 1782 году, показывает, как одна из плавучих батарей атакующих сил взрывается грибовидным облаком после того, как британские защитники подожгли ее, выстрелив раскаленными ядрами .
В 1798 году Герхард Виет опубликовал подробный и иллюстрированный отчет об облаке в окрестностях Готы , которое было «по форме похоже на гриб». Облако наблюдал советник посольства Лихтенберг несколькими годами ранее теплым летним днем. Оно было интерпретировано как нерегулярное метеорологическое облако и, по-видимому, вызвало шторм с дождем и громом из нового темного облака, которое образовалось под ним. Лихтенберг утверждал, что позже наблюдал несколько похожих облаков, но ни одно из них не было столь примечательным. [1]
Взрыв в Галифаксе 1917 года вызвал образование грибовидного облака. В 1930 году Олаф Стэплдон в своем романе « Последние и первые люди» представляет первую демонстрацию атомного оружия как «облака пара из кипящего моря... гигантский гриб пара и обломков». 1 октября 1937 года газета «Таймс» опубликовала отчет о японской атаке на Шанхай , Китай , которая вызвала «огромный гриб дыма». Во время Второй мировой войны уничтожение японского линкора «Ямато » вызвало образование грибовидного облака. [2]
Облако атомной бомбы над Нагасаки , Япония, было описано в The Times of London от 13 августа 1945 года как «огромный гриб дыма и пыли». 9 сентября 1945 года The New York Times опубликовала рассказ очевидца бомбардировки Нагасаки, написанный Уильямом Л. Лоренсом , официальным газетным корреспондентом Манхэттенского проекта , который сопровождал один из трех самолетов, совершивших бомбардировку. Он написал о бомбе, создавшей «столб пурпурного огня », из вершины которого вышел «гигантский гриб, увеличивший высоту столба до 45 000 футов». [3]
В 1946 году испытания ядерной бомбы Operation Crossroads были описаны как имеющие облако " цветной капусты ", но присутствовавший репортер также говорил о "грибе, который теперь является общепринятым символом атомного века". Грибы традиционно ассоциировались как с жизнью, так и со смертью, едой и ядом, что делало их более мощной символической связью, чем, скажем, облако "цветной капусты". [4]
Грибовидные облака образуются в результате многих видов крупных взрывов под действием силы тяжести Земли, но наиболее известны они своим появлением после ядерных взрывов . Без гравитации или без плотной атмосферы побочные газы взрывчатых веществ сохраняли бы сферическую форму. Ядерное оружие обычно взрывается над землей (не при ударе, поскольку часть энергии рассеивается движениями земли), чтобы максимизировать эффект сферически расширяющегося огненного шара и взрывной волны . Сразу после взрыва огненный шар начинает подниматься в воздух, действуя по тому же принципу, что и воздушный шар .
Один из способов анализа движения после того, как горячий газ в достаточной степени очистил поверхность, — это рассматривать его как «пузырь со сферической шапкой» [5] , поскольку это дает согласие между скоростью подъема и наблюдаемым диаметром.
По мере того, как он поднимается, формируется неустойчивость Рэлея-Тейлора , и воздух втягивается вверх и в облако (похоже на восходящий поток дымохода ), создавая сильные воздушные потоки , известные как «последние ветры», в то время как внутри головы облака горячие газы вращаются в тороидальной форме. Когда высота детонации достаточно мала, эти последующие ветры будут втягивать грязь и мусор с земли внизу, образуя ножку грибовидного облака.
После того, как масса горячих газов достигает своего равновесного уровня , подъем прекращается, и облако начинает сплющиваться, принимая характерную грибовидную форму, чему обычно способствует рост поверхности из-за затухающей турбулентности.
В момент ядерного взрыва образуется огненный шар. Поднимающаяся, примерно сферическая масса горячих, раскаленных газов меняет форму из-за атмосферного трения, а поверхность огненного шара охлаждается энергетическим излучением, превращаясь из сферы в бурно вращающийся сфероидальный вихрь. Неустойчивость Рэлея-Тейлора образуется, когда холодный воздух снизу изначально выталкивает нижние газы огненного шара в форму перевернутой чашки. Это вызывает турбулентность и вихрь, который всасывает больше воздуха в центр, создавая внешние последующее ветры и еще больше охлаждая огненный шар. Скорость вращения замедляется по мере охлаждения огненного шара и может полностью остановиться на более поздних фазах. Испаренные части оружия и ионизированный воздух охлаждаются в видимые газы, образуя облако; раскаленное добела ядро вихря становится желтым, затем темно-красным, затем теряет видимое накаливание. При дальнейшем охлаждении основная часть облака заполняется по мере конденсации атмосферной влаги. По мере того, как облако поднимается и остывает, его плавучесть уменьшается, и его подъем замедляется. Если размер огненного шара сопоставим с высотой шкалы плотности атмосферы , весь подъем облака будет баллистическим, пролетая над большим объемом сверхплотного воздуха на большие высоты, чем конечная высота стабилизации. Значительно меньшие огненные шары создают облака с подъемом, управляемым плавучестью.
Достигнув тропопаузы (дна области сильной статической устойчивости), облако имеет тенденцию замедляться и растекаться. Если оно содержит достаточно энергии, центральная часть может продолжать подниматься в стратосферу как аналог стандартной грозы . [6] Масса воздуха, поднимающаяся из тропосферы в стратосферу, приводит к образованию акустических гравитационных волн , практически идентичных тем, которые создаются интенсивными грозами, проникающими в стратосферу. Менее масштабные взрывы, проникающие в тропопаузу, генерируют волны более высокой частоты, классифицируемые как инфразвук . Взрыв поднимает большое количество влажного воздуха с более низких высот. По мере того, как воздух поднимается, его температура падает, и его водяной пар сначала конденсируется в виде капель воды, а затем замерзает в виде ледяных кристаллов. Фазовый переход высвобождает скрытое тепло , нагревая облако и перемещая его на еще большие высоты. Головы облаков состоят из высокорадиоактивных частиц , в первую очередь продуктов деления и других аэрозолей оружейного мусора, и обычно рассеиваются ветром, хотя погодные условия (особенно дождь) могут вызывать радиоактивные осадки . [7] Капли конденсированной воды постепенно испаряются, что приводит к кажущемуся исчезновению облака. Радиоактивные частицы, однако, остаются взвешенными в воздухе, и невидимое облако продолжает осаждать осадки вдоль своего пути.
Грибовидное облако проходит несколько фаз формирования. [8]
Форма облака зависит от местных атмосферных условий и характера ветра. Распределение осадков преимущественно представляет собой подветренный шлейф . Однако, если облако достигает тропопаузы, оно может распространяться против ветра, поскольку скорость его конвекции выше, чем скорость окружающего ветра. На тропопаузе форма облака примерно круглая и растянутая. Первоначальный цвет некоторых радиоактивных облаков может быть окрашен в красный или красновато-коричневый цвет из-за присутствия диоксида азота и азотной кислоты , образованных из изначально ионизированного азота , кислорода и атмосферной влаги. В высокотемпературной, высокорадиоактивной среде взрыва также образуется озон . Подсчитано, что каждая мегатонна мощности производит около 5000 тонн оксидов азота. [10] Детонация более высокой мощности может переносить оксиды азота из взрыва достаточно высоко в атмосферу, чтобы вызвать значительное истощение озонового слоя . Также были описаны желтые и оранжевые оттенки. Этот красноватый оттенок позже затемняется белым цветом облаков воды/льда, конденсирующихся из быстро текущего воздуха по мере охлаждения огненного шара, и темным цветом дыма и мусора, засасываемых в восходящий поток. Озон придает взрыву характерный запах, похожий на коронный разряд . [11]
Распределение радиации в грибовидном облаке зависит от мощности взрыва, типа оружия, отношения синтеза к делению , высоты взрыва, типа местности и погоды. В целом, взрывы малой мощности имеют около 90% своей радиоактивности в шляпке гриба и 10% в ножке. Напротив, взрывы мегатонного диапазона, как правило, имеют большую часть своей радиоактивности в нижней трети грибовидного облака. Осадки могут выглядеть как сухие, похожие на пепел хлопья или как частицы, слишком маленькие, чтобы быть видимыми; в последнем случае частицы часто осаждаются дождем. Большое количество новых, более радиоактивных частиц, осевших на коже, может вызвать бета-ожоги , часто проявляющиеся в виде обесцвеченных пятен и поражений на спинах подвергшихся воздействию животных. [13] Осадки от испытания Castle Bravo имели вид белой пыли и были прозваны « снегом Бикини» ; крошечные белые хлопья напоминали снежинки , прилипали к поверхностям и имели соленый вкус. В ходе операции «Вигвам » 41,4% осадков состояли из нерегулярных непрозрачных частиц, чуть более 25% частиц с прозрачными и непрозрачными областями, примерно 20% микроскопических морских организмов и 2% микроскопических радиоактивных нитей неизвестного происхождения. [14]
При поверхностных и приповерхностных воздушных взрывах количество мусора, поднятого в воздух, быстро уменьшается с увеличением высоты взрыва. При высоте взрыва приблизительно 7 метров/килотонну 1 ⁄ 3 кратер не образуется, и соответственно образуется меньшее количество пыли и мусора. Высота , уменьшающая выпадение осадков, выше которой первичные радиоактивные частицы состоят в основном из мелкой конденсации огненного шара, составляет приблизительно 55 метров/килотонну 0,4 . [7] Однако даже на этих высотах взрыва осадки могут образовываться другими механизмами. Воздушные взрывы производят белые, паровые стебли, в то время как поверхностные взрывы производят серые или коричневые стебли, потому что большое количество пыли, грязи, почвы и мусора засасывается в грибовидное облако. Поверхностные взрывы производят темные грибовидные облака, содержащие облученный материал с земли в дополнение к бомбе и ее корпусу, и поэтому производят больше радиоактивных осадков с более крупными частицами, которые легко оседают локально.
Взрыв высоко над землей может привести к образованию грибовидного облака без ножки. Двойной гриб с двумя уровнями может образоваться при определенных условиях. Например, выстрел Buster-Jangle Sugar образовал первую головку от взрыва, за которой последовала еще одна, созданная теплом от горячего, свежеобразованного кратера. [14]
Детонация значительно ниже уровня земли или глубоко под водой (например, ядерная глубинная бомба) не производит грибовидное облако, так как взрыв вызывает испарение огромного количества земли или воды, создавая пузырь, который затем схлопывается сам по себе; в случае менее глубокого подземного взрыва это производит кратер проседания . Подводная детонация вблизи поверхности может производить столб воды, который схлопывается, образуя форму, похожую на цветную капусту, которую легко принять за грибовидное облако (например, на известных фотографиях теста Бейкера на перекрестке ). Подземный взрыв на небольшой глубине производит грибовидное облако и базисную волну , два разных отдельных облака. Количество радиации, выбрасываемой в атмосферу, быстро уменьшается с увеличением глубины детонации.
Облако содержит три основных класса материалов: остатки оружия и продукты его деления, материал, полученный с земли (значимый только для высот взрыва ниже высоты снижения радиоактивных осадков, которая зависит от мощности оружия), и водяной пар. Основная часть радиации, содержащейся в облаке, состоит из продуктов ядерного деления; продукты активации нейтронов из материалов оружия, воздуха и наземных обломков составляют лишь незначительную часть. Активация нейтронов начинается во время нейтронного всплеска в момент взрыва, и радиус действия этого нейтронного всплеска ограничен поглощением нейтронов при прохождении через атмосферу Земли.
Термоядерное оружие производит значительную часть своей мощности за счет ядерного синтеза . Продукты синтеза, как правило, нерадиоактивны. Степень производства радиоактивных осадков, таким образом, измеряется в килотоннах деления. Царь-бомба , которая произвела 97% своей 50-мегатонной мощности за счет синтеза, была очень чистым оружием по сравнению с тем, что обычно ожидалось бы от оружия такой мощности (хотя она все еще производила 1,5 мегатонны своей мощности за счет деления), поскольку ее термоядерный тампер был сделан из свинца, а не из урана-238 ; в противном случае ее мощность составила бы 100 мегатонн, из которых 51 мегатонна была бы произведена за счет деления. Если бы она была взорвана на поверхности или вблизи нее, ее осадки составили бы четверть всех осадков от каждого испытания ядерного оружия , вместе взятого.
Первоначально огненный шар содержит высокоионизированную плазму, состоящую только из атомов оружия, продуктов его деления и атмосферных газов прилегающего воздуха. По мере охлаждения плазмы атомы реагируют, образуя мелкие капли, а затем твердые частицы оксидов. Частицы объединяются в более крупные и оседают на поверхности других частиц. Более крупные частицы обычно возникают из материала, втянутого в облако. Частицы, втянутые, когда облако еще достаточно горячее, чтобы расплавить их, смешиваются с продуктами деления по всему объему. Более крупные частицы получают расплавленные радиоактивные материалы, оседающие на их поверхности. Частицы, втянутые в облако позже, когда его температура достаточно низкая, не подвергаются значительному загрязнению. Частицы, образованные только оружием, достаточно мелкие, чтобы оставаться в воздухе в течение длительного времени, и становятся широко рассеянными и разбавленными до неопасных уровней. Взрывы на больших высотах, которые не поднимают в воздух обломки земли или поднимают в воздух пыль только после достаточного охлаждения, и где радиоактивная фракция частиц поэтому мала, вызывают гораздо меньшую степень локализованных осадков, чем взрывы на малых высотах с образованием более крупных радиоактивных частиц.
Концентрация продуктов конденсации одинакова для мелких частиц и для осажденных поверхностных слоев более крупных частиц. На килотонну выхода образуется около 100 кг мелких частиц. Объем, а следовательно, и активность мелких частиц почти на три порядка меньше объема осажденных поверхностных слоев на более крупных частицах. Для высотных взрывов основными процессами образования частиц являются конденсация и последующая коагуляция. Для низковысотных и наземных взрывов с участием частиц почвы основным процессом является осаждение на инородных частицах.
Взрыв на малой высоте производит облако с пылевой нагрузкой 100 тонн на мегатонну мощности. Наземная детонация производит облака с примерно в три раза большим количеством пыли. При наземной детонации приблизительно 200 тонн почвы на килотонну мощности расплавляется и вступает в контакт с радиацией. [9] Объем огненного шара одинаков для поверхностной или атмосферной детонации. В первом случае огненный шар представляет собой полусферу вместо сферы, с соответственно большим радиусом. [9]
Размеры частиц варьируются от субмикрометровых и микрометровых (образуются при конденсации плазмы в огненном шаре), до 10–500 микрометров (поверхностный материал, взволнованный взрывной волной и поднятый последующими ветрами), до миллиметровых и более (кратерный выброс). Размер частиц вместе с высотой, на которую они выносятся, определяет продолжительность их пребывания в атмосфере, поскольку более крупные частицы подвергаются сухим осадкам. Более мелкие частицы также могут быть вымыты осадками, либо из конденсирующейся в облаке влаги, либо из облака, пересекающегося с дождевым облаком. Осадки, выносимые дождем, известны как вымывание , если вымываются во время образования дождевого облака, и вымывание, если поглощаются уже сформированными падающими каплями дождя. [15]
Частицы от воздушных взрывов меньше 10–25 микрометров, обычно в субмикрометровом диапазоне. Они состоят в основном из оксидов железа с меньшей долей оксида алюминия , а также оксидов урана и плутония . Частицы размером более 1–2 микрометров имеют очень сферическую форму, что соответствует испаренному материалу, конденсирующемуся в капли и затем затвердевающему. Радиоактивность равномерно распределена по всему объему частицы, что делает общую активность частиц линейно зависящей от объема частицы. [9] Около 80% активности присутствует в более летучих элементах, которые конденсируются только после того, как огненный шар остынет в значительной степени. Например, стронций-90 будет иметь меньше времени для конденсации и объединения в более крупные частицы, что приведет к большей степени смешивания в объеме воздуха и более мелких частиц. [16] Частицы, образующиеся сразу после взрыва, малы, причем 90% радиоактивности присутствует в частицах размером менее 300 нанометров. Они коагулируют со стратосферными аэрозолями. Коагуляция более интенсивна в тропосфере, а на уровне земли наибольшая активность присутствует в частицах размером от 300 нм до 1 мкм . Коагуляция компенсирует процессы фракционирования при образовании частиц, выравнивая изотопное распределение.
Для наземных и низковысотных взрывов облако содержит испаренные, расплавленные и сплавленные частицы почвы. Распределение активности по частицам зависит от их образования. Частицы, образованные испарением-конденсацией, имеют активность, равномерно распределенную по объему, как и частицы воздушного взрыва. Более крупные расплавленные частицы имеют продукты деления, диффундирующие через внешние слои, а сплавленные и нерасплавленные частицы, которые не были достаточно нагреты, но вступили в контакт с испаренным материалом или очищенными каплями до их затвердевания, имеют относительно тонкий слой высокоактивного материала, отложившегося на их поверхности. Состав таких частиц зависит от характера почвы, обычно стекловидного материала, образованного из силикатных минералов. Размеры частиц зависят не от выхода, а от характера почвы, поскольку они основаны на отдельных зернах почвы или их скоплениях. Присутствуют два типа частиц: сферические, образованные путем полного испарения-конденсации или, по крайней мере, плавления почвы, с активностью, равномерно распределенной по объему (или с 10–30% объема неактивного ядра для более крупных частиц размером от 0,5 до 2 мм), и частицы неправильной формы, образованные по краям огненного шара путем сплавления частиц почвы, с активностью, отложенной в тонком поверхностном слое. Количество крупных нерегулярных частиц незначительно. [9] Частицы, образованные в результате детонации над океаном или в нем, будут содержать короткоживущие радиоактивные изотопы натрия и соли из морской воды . Расплавленный кремний является очень хорошим растворителем для оксидов металлов и легко очищает мелкие частицы; взрывы над почвами, содержащими кремний, будут производить частицы с изотопами, смешанными по их объему. Напротив, коралловый мусор на основе карбоната кальция имеет тенденцию адсорбировать радиоактивные частицы на своей поверхности. [16]
Элементы подвергаются фракционированию во время образования частиц из-за их различной летучести . Тугоплавкие элементы ( Sr , Y , Zr , Nb , Ba , La , Ce , Pr , Nd , Pm ) образуют оксиды с высокими температурами кипения ; они осаждаются быстрее всего и во время затвердевания частиц при температуре 1400 °C считаются полностью конденсированными. Летучие элементы ( Kr , Xe , I , Br ) не конденсируются при этой температуре. Промежуточные элементы имеют свои (или их оксидов) температуры кипения, близкие к температуре затвердевания частиц ( Rb , Cs , Mo , Ru , Rh , Tc , Sb , Te ). Элементы в огненном шаре присутствуют в виде оксидов, если только температура не превышает температуру разложения данного оксида. Менее тугоплавкие продукты конденсируются на поверхностях затвердевших частиц. Изотопы с газообразными предшественниками затвердевают на поверхности частиц по мере их распада.
Самые крупные и, следовательно, наиболее радиоактивные частицы выпадают в виде осадков в первые несколько часов после взрыва. Более мелкие частицы переносятся на большую высоту и спускаются медленнее, достигая земли в менее радиоактивном состоянии, поскольку изотопы с самым коротким периодом полураспада распадаются быстрее всего. Самые мелкие частицы могут достигать стратосферы и оставаться там в течение недель, месяцев или даже лет, и покрывать целое полушарие планеты посредством атмосферных течений. Более опасные, краткосрочные, локализованные осадки выпадают в основном по ветру от места взрыва, в сигарообразной области, предполагая, что ветер имеет постоянную силу и направление. Боковой ветер, изменения направления ветра и осадки являются факторами, которые могут значительно изменить характер выпадения осадков. [17]
Конденсация капель воды в грибовидном облаке зависит от количества ядер конденсации . Слишком большое количество ядер конденсации фактически подавляет конденсацию, поскольку частицы конкурируют за относительно недостаточное количество водяного пара. Химическая активность элементов и их оксидов, свойства адсорбции ионов и растворимость соединений влияют на распределение частиц в окружающей среде после осаждения из атмосферы. Биоаккумуляция влияет на распространение радиоизотопов выпадений в биосфере .
Основная опасность выпадений — гамма-излучение от короткоживущих радиоизотопов , которые представляют большую часть активности. В течение 24 часов после взрыва уровень гамма-излучения выпадений падает в 60 раз. Более долгоживущие радиоизотопы, как правило, цезий-137 и стронций-90 , представляют долгосрочную опасность. Интенсивное бета-излучение от частиц выпадений может вызвать бета-ожоги у людей и животных, вступающих в контакт с выпадениями вскоре после взрыва. Проглоченные или вдыхаемые частицы вызывают внутреннюю дозу альфа- и бета-излучения, которая может привести к долгосрочным последствиям, включая рак. Нейтронное облучение атмосферы производит небольшое количество активации, в основном в виде долгоживущего углерода-14 и короткоживущего аргона -41. Элементами, наиболее важными для наведенной радиоактивности морской воды, являются натрий -24, хлор , магний и бром . При наземных взрывах опасными элементами являются алюминий -28, кремний -31, натрий-24, марганец -56, железо -59 и кобальт-60 .
Корпус бомбы может быть существенным источником нейтронно-активируемых радиоизотопов. Поток нейтронов в бомбах, особенно термоядерных устройствах, достаточен для высокопороговых ядерных реакций . Индуцированные изотопы включают кобальт-60, 57 и 58, железо-59 и 55, марганец-54, цинк-65, иттрий-88 и, возможно, никель-58 и 62, ниобий-63, гольмий-165, иридий-191 и короткоживущий марганец-56, натрий-24, кремний-31 и алюминий-28. Могут присутствовать европий -152 и 154, а также два ядерных изомера родия -102. Во время операции Hardtack вольфрам -185, 181 и 187, а также рений - 188 были получены из элементов, добавленных в качестве трассеров в корпуса бомб, чтобы можно было идентифицировать осадки, выпадающие при определенных взрывах. Сурьма -124, кадмий -109 и кадмий-113m также упоминаются как трассеры. [9]
Наиболее значимыми источниками радиации являются продукты деления на первичной стадии деления, а в случае оружия деления-синтеза-деления — от деления урана-тампера на стадии синтеза. Гораздо больше нейтронов на единицу энергии выделяется при термоядерном взрыве по сравнению с чисто делением, влияющим на состав продуктов деления. Например, уран-237 является уникальным маркером термоядерного взрыва, так как он производится в реакции (n,2n) из урана-238 , при этом минимальная необходимая энергия нейтронов составляет около 5,9 МэВ. Значительные количества нептуния-239 и урана-237 являются индикаторами взрыва деления-синтеза-деления. Также образуются незначительные количества урана-240, а захват большого количества нейтронов отдельными ядрами приводит к образованию небольших, но обнаруживаемых количеств высших трансурановых элементов , например, эйнштейния -255 и фермия -255. [9]
Одним из важных продуктов деления является криптон-90 , радиоактивный благородный газ . Он легко диффундирует в облаке и претерпевает два распада на рубидий-90, а затем на стронций-90 , с периодами полураспада 33 секунды и 3 минуты. Нереактивность благородного газа и быстрая диффузия ответственны за истощение локальных осадков в Sr-90 и соответствующее обогащение Sr-90 удаленных осадков. [18]
Радиоактивность частиц уменьшается со временем, при этом различные изотопы оказываются значимыми в разные промежутки времени. Для продуктов активации почвы алюминий-28 является наиболее важным фактором в течение первых 15 минут. Марганец-56 и натрий-24 следуют за ними примерно до 200 часов. Железо-59 следует за ними через 300 часов, а через 100–300 дней значимым фактором становится кобальт-60.
Радиоактивные частицы могут переноситься на значительные расстояния. Радиация от испытания Trinity была вымыта ливнем в Иллинойсе . Это было выведено, и происхождение прослежено, когда Eastman Kodak обнаружила, что рентгеновские пленки запотевают от картонной упаковки , произведенной на Среднем Западе . Непредвиденные ветры перенесли смертельные дозы радиоактивных осадков Castle Bravo над атоллом Ронгелап , вынудив его эвакуироваться. Экипаж Daigo Fukuryu Maru , японского рыболовецкого судна, находившегося за пределами прогнозируемой опасной зоны, также пострадал. Стронций-90, обнаруженный в мировых радиоактивных осадках, позже привел к Договору о частичном запрещении ядерных испытаний . [16]
Интенсивное излучение в первые секунды после взрыва может вызвать заметную ауру флуоресценции , сине-фиолетово-пурпурное свечение ионизированного кислорода и азота на значительном расстоянии от огненного шара, окружающее головку формирующегося грибовидного облака. [19] [20] [21] Этот свет легче всего увидеть ночью или в условиях слабого дневного света. [7] Яркость свечения быстро уменьшается с течением времени с момента детонации, становясь едва заметным через несколько десятков секунд. [22]
Ядерные грибовидные облака часто сопровождаются недолговечными паровыми облаками, известными по-разному как «облака Вильсона», конденсационные облака или паровые кольца. «Отрицательная фаза», следующая за положительным избыточным давлением за ударным фронтом, вызывает внезапное разрежение окружающей среды. Эта область низкого давления вызывает адиабатическое падение температуры, заставляя влагу в воздухе конденсироваться в движущейся наружу оболочке, окружающей взрыв. Когда давление и температура возвращаются к норме, облако Вильсона рассеивается. [23] Ученые, наблюдавшие за ядерными испытаниями Operation Crossroads в 1946 году на атолле Бикини, назвали это временное облако «облаком Вильсона» из-за его визуального сходства с камерой Вильсона ; камера Вильсона использует конденсацию от быстрого падения давления, чтобы отметить следы электрически заряженных субатомных частиц . Аналитики более поздних испытаний ядерных бомб использовали более общий термин «конденсационное облако» вместо «облака Вильсона».
Такой же тип конденсации иногда наблюдается над крыльями реактивных самолетов на низкой высоте в условиях высокой влажности. Верхняя часть крыла представляет собой изогнутую поверхность. Кривизна (и повышенная скорость воздуха) вызывает снижение давления воздуха, как указано в законе Бернулли . Это снижение давления воздуха вызывает охлаждение, и когда воздух охлаждается ниже точки росы , водяной пар конденсируется из воздуха, образуя капли воды, которые становятся видны как белое облако. С технической точки зрения, «облако Вильсона» также является примером сингулярности Прандтля–Глауэрта в аэродинамике. [ необходима цитата ]
Форма ударной волны зависит от изменения скорости звука с высотой, а температура и влажность различных слоев атмосферы определяют внешний вид облаков Вильсона. Конденсационные кольца вокруг огненного шара или над ним являются часто наблюдаемой особенностью. Кольца вокруг огненного шара могут стать стабильными, становясь кольцами вокруг восходящего стебля. Взрывы с более высокой мощностью вызывают интенсивные восходящие потоки , где скорость воздуха может достигать 300 миль в час (480 км/ч). Увлечение воздуха с более высокой влажностью в сочетании с соответствующим падением давления и температуры приводит к образованию юбок и колоколов вокруг стебля. Если капли воды становятся достаточно большими, структура облака, которую они образуют, может стать достаточно тяжелой, чтобы опуститься; таким образом, может быть создан восходящий стебель с нисходящим колоколом вокруг него. Расслоение влажности в атмосфере, ответственное за появление конденсационных колец в отличие от сферического облака, также влияет на форму артефактов конденсации вдоль стебля грибовидного облака, поскольку восходящий поток вызывает ламинарный поток . Тот же эффект происходит и над верхней частью облака, где расширение поднимающегося облака выталкивает слой теплого, влажного воздуха с низких высот вверх в холодный воздух на больших высотах. Сначала происходит конденсация водяного пара из воздуха, а затем образовавшиеся капли замерзают, образуя ледяные шапки (или ледяные шапки ), похожие как по внешнему виду, так и по механизму образования на облака-шарфы .
Получающиеся в результате составные структуры могут стать очень сложными. Облако Castle Bravo на разных фазах своего развития имело 4 конденсационных кольца, 3 ледяные шапки, 2 юбки и 3 колокола.
