Последствия ядерного взрыва в непосредственной близости от него обычно гораздо более разрушительны и многогранны, чем последствия, вызываемые обычными взрывчатыми веществами . В большинстве случаев энергию, выделяемую ядерным оружием, взорванным в нижних слоях атмосферы , можно приблизительно разделить на четыре основные категории: [1]
В зависимости от конструкции оружия и места его взрыва энергия, распределяемая по любой из этих категорий, может быть значительно выше или ниже. Эффект физического взрыва создается за счет взаимодействия огромного количества энергии, охватывающей электромагнитный спектр , с окружающей средой. Окружающая среда взрыва (например, подводная лодка, наземный взрыв , воздушный взрыв или экзоатмосфера) определяет, сколько энергии передается взрыву, а сколько — радиации. В целом, окружение бомбы более плотной средой, например водой, поглощает больше энергии и создает более мощные ударные волны , в то же время ограничивая область ее действия. Когда ядерное оружие окружено только воздухом, смертельный взрыв и тепловые эффекты пропорционально нарастают гораздо быстрее, чем смертельные радиационные эффекты, по мере увеличения мощности взрыва. Этот пузырь быстрее скорости звука. [3] Механизмы физического повреждения ядерного оружия (взрывная волна и тепловое излучение) идентичны механизмам обычных взрывчатых веществ, но энергия, производимая ядерным взрывом, обычно в миллионы раз мощнее на единицу массы, а температура может на короткое время достигать десятков миллионов градусов.
Энергия ядерного взрыва первоначально выделяется в нескольких формах проникающей радиации. Когда есть окружающий материал, такой как воздух, камень или вода, это излучение взаимодействует с материалом и быстро нагревает его до равновесной температуры (т. е. так, что вещество имеет ту же температуру, что и топливо, вызывающее взрыв). Это вызывает испарение окружающего материала, что приводит к его быстрому расширению. Кинетическая энергия , создаваемая этим расширением, способствует образованию ударной волны , которая сферически расширяется от центра. Интенсивное тепловое излучение в гипоцентре образует ядерный огненный шар , который, если взрыв происходит на достаточно низкой высоте, часто ассоциируется с грибовидным облаком . При высотном взрыве, где плотность атмосферы мала, выделяется больше энергии в виде ионизирующего гамма-излучения и рентгеновских лучей, чем в виде ударной волны, вытесняющей атмосферу.
Высокие температуры и радиация заставляют газ двигаться радиально наружу в тонкой и плотной оболочке, называемой «гидродинамическим фронтом». Фронт действует как поршень, который толкает и сжимает окружающую среду, создавая сферически расширяющуюся 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 плотный ударный фронт заслоняет 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 и огненного шара. [5] Именно эта уникальная особенность ядерных взрывов используется при проверке того, что произошел ядерный взрыв в атмосфере, а не просто большой обычный взрыв, с помощью радиометрических приборов, известных как бангметры , способных определять природу взрывов.
При воздушных взрывах на уровне моря или вблизи него 50–60% энергии взрыва уходит в взрывную волну, в зависимости от размера и мощности бомбы . Как правило, фракция взрыва выше для оружия малой мощности. Кроме того, оно уменьшается на больших высотах, поскольку меньше воздушной массы поглощает энергию излучения и преобразует ее в взрывную волну. Этот эффект наиболее важен на высоте более 30 км, что соответствует менее 1 проценту плотности воздуха на уровне моря.
Было обнаружено , что последствия умеренного ливня во время ядерного взрыва в ходе операции «Замок» ослабили или снизили пиковые уровни давления примерно на 15% на всех диапазонах. [6]
Большая часть разрушений, вызванных ядерным взрывом, вызвана последствиями взрыва. Большинство зданий, за исключением армированных или взрывоустойчивых конструкций, получат умеренные повреждения при воздействии избыточного давления всего в 35,5 килопаскалей (кПа) (5,15 фунтов-сил на квадратный дюйм или 0,35 атм). Данные, полученные в результате японских исследований, показали, что давления 8 фунтов на квадратный дюйм (55 кПа) было достаточно, чтобы разрушить все деревянные и кирпичные жилые постройки. Это можно разумно определить как давление, способное нанести серьезный ущерб. [6]
Порывной ветер на уровне моря может превышать тысячу км/ч, или ~300 м/с, приближаясь к скорости звука в воздухе. Дальность действия взрыва увеличивается с увеличением взрывной мощности оружия, а также зависит от высоты взрыва. Вопреки тому, что можно было бы ожидать от геометрии, дальность взрыва не максимальна для надводных взрывов или взрывов на малых высотах, 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 воздушного взрыва достигает земли, она отражается. Ниже определенного угла отражения отраженная волна и прямая волна сливаются и образуют усиленную горизонтальную волну, которая известна как «стержень Маха» (названный в честь Эрнста Маха ) и является формой конструктивной интерференции . [7] [8] [9] Это явление вызывает неровности или «колени» на приведенном выше графике диапазона избыточного давления.
Для каждой цели избыточного давления существует определенная оптимальная высота взрыва, при которой дальность взрыва по наземным целям максимальна. При типичном воздушном взрыве, когда дальность взрыва максимизируется для нанесения 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) мощности в тротиловом эквиваленте; 1,9 км на 100 уз; и 8,6 км для 10 мегатонн (Мт) тротила. Оптимальная высота взрыва, позволяющая максимизировать желаемое серьезное разрушение наземной дальности для бомбы мощностью 1 кт, составляет 0,22 км; для 100 узлов – 1 км; а для 10 Мт - 4,7 км.
С взрывной волной в воздухе связаны два различных одновременных явления :
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 порывистым ветром. Фазы сжатия, вакуума и сопротивления вместе могут длиться несколько секунд или дольше и оказывать воздействие во много раз превышающее силу самого сильного урагана .
Воздействуя на тело человека, ударные волны вызывают волны давления через ткани. Эти волны в основном повреждают соединения между тканями разной плотности (костью и мышцами) или границу между тканью и воздухом. Особенно поражаются легкие и брюшная полость , содержащие воздух. Повреждение вызывает сильное кровотечение или воздушную эмболию , любое из которых может привести к быстрому летальному исходу. По оценкам, избыточное давление, способное повредить легкие, составляет около 70 кПа. Некоторые барабанные перепонки , вероятно, разорвутся при давлении около 22 кПа (0,2 атм), а половина — при давлении от 90 до 130 кПа (0,9–1,2 атм).
Порывистый ветер : Энергия сопротивления порывистого ветра пропорциональна кубам их скоростей, умноженным на продолжительность. Эти ветры могут достигать нескольких сотен километров в час.
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». [10] Главной опасностью являются ожоги и травмы глаз. В ясные дни эти травмы могут произойти далеко за пределами дальности взрыва, в зависимости от мощности оружия. [3] Пожары также могут быть вызваны первоначальным тепловым излучением, но последующие сильные ветры из-за взрывной волны могут потушить почти все такие пожары, если только мощность не очень высока, когда диапазон тепловых эффектов значительно превосходит эффекты взрыва. как наблюдалось при взрывах в многомегатонном диапазоне. [3] Это связано с тем, что интенсивность взрывных эффектов падает с третьей степенью расстояния от взрыва, а интенсивность радиационных эффектов падает со второй степенью расстояния. Это приводит к тому, что дальность теплового воздействия увеличивается заметно больше, чем дальность взрыва, поскольку детонируется все более и более мощное устройство. [3]
Тепловое излучение составляет от 35 до 45% энергии, выделяющейся при взрыве, в зависимости от мощности устройства. В городских районах тушение пожаров, вызванных тепловым излучением, может иметь мало значения, поскольку при внезапном нападении пожары могут также возникнуть из-за короткого замыкания, вызванного взрывной волной, газовых зажигалок, опрокинутых печей и других источников возгорания, как это было в случае с случай бомбардировки Хиросимы во время завтрака . [11] Неясно, будут ли эти вторичные пожары, в свою очередь, потушены, когда современные негорючие кирпичные и бетонные здания обрушатся на себя от той же взрывной волны, неясно, не в последнюю очередь из-за маскирующего эффекта современных городских пейзажей на тепловая и взрывная передача постоянно проверяются. [12] Когда в Хиросиме и Нагасаки были взорваны горючие каркасные здания, они сгорели не так быстро, как если бы они остались стоять. Негорючие обломки, образовавшиеся в результате взрыва, часто закрывали и предотвращали горение горючего материала. [13]
Эксперты по пожарной безопасности предполагают, что в отличие от Хиросимы, из-за особенностей проектирования и строительства современных городов США, огненная буря в наше время маловероятна после ядерного взрыва. [14] Это не исключает возникновения пожаров, но означает, что эти пожары не перерастут в огненную бурю, во многом из-за различий между современными строительными материалами и теми, которые использовались в Хиросиме во время Второй мировой войны.
Различают два типа травм глаз от теплового излучения оружия:
Вспышка слепоты вызвана первоначальной яркой вспышкой света, возникшей в результате ядерного взрыва. На сетчатку поступает 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 хрусталиком на сетчатке. Результатом является обесцвечивание зрительных пигментов и временная слепота на срок до 40 минут.
Ожог сетчатки, приводящий к необратимому повреждению в виде рубцов, также вызван концентрацией прямой тепловой энергии на сетчатке со стороны хрусталика. Это произойдет только тогда, когда огненный шар действительно окажется в поле зрения человека, и будет относительно редкой травмой. Ожоги сетчатки могут быть получены на значительном расстоянии от места взрыва. Высота взрыва и видимый размер огненного шара, функция мощности и дальности, будут определять степень и степень рубцевания сетчатки. Шрам в центральном поле зрения будет более изнурительным. Как правило, все, что может произойти, — это ограниченный дефект поля зрения, который будет едва заметным.
Когда тепловое излучение попадает на объект, часть его отражается, часть передается, а остальная часть поглощается. Впитываемая фракция зависит от природы и цвета материала. Тонкий материал может передавать очень многое. Светлый объект может отражать большую часть падающего излучения и, таким образом, избегать повреждений, как, например, белая краска, защищающая от вспышек . Поглощенное тепловое излучение повышает температуру поверхности и приводит к подгоранию, обугливанию и горению древесины, бумаги, тканей и т. д. Если материал является плохим проводником тепла, тепло ограничивается поверхностью материала.
Фактическое воспламенение материалов зависит от продолжительности теплового импульса, толщины и влажности мишени. Вблизи эпицентра, где поток энергии превышает 125 Дж /см 2 , горит то, что может. Дальше будут гореть только наиболее легко воспламеняющиеся материалы. Зажигательные последствия усугубляются вторичными пожарами, возникающими в результате воздействия взрывной волны, например, от расстроенных печей и печей.
В Хиросиме 6 августа 1945 года через 20 минут после взрыва разразился мощный огненный шторм , который разрушил еще множество зданий и домов, построенных преимущественно из «хлипких» деревянных материалов. [11] Огненный шторм вызывает ураганный ветер, дующий к центру пожара со всех точек компаса. Это не характерно для ядерных взрывов, поскольку их часто наблюдали при крупных лесных пожарах и после зажигательных налетов во время Второй мировой войны . Несмотря на пожары, уничтожившие большую часть города Нагасаки, настоящей огненной бури в городе не произошло, хотя использовалось более мощное оружие. Многие факторы объясняют это кажущееся противоречие, в том числе время бомбардировки, отличное от Хиросимы, местность и, что особенно важно, меньшая загрузка/плотность топлива в городе, чем в Хиросиме.
Нагасаки, вероятно, не предоставил достаточно топлива для возникновения огненной бури по сравнению со многими зданиями на равнинной местности в Хиросиме. [15]
.png/1280px-Atomic_blast_Nevada_Yucca_1951_(better_quality).png)
Поскольку тепловое излучение распространяется от огненного шара более или менее по прямой линии (если оно не рассеяно), любой непрозрачный объект будет создавать защитную тень, обеспечивающую защиту от ожога вспышкой. В зависимости от свойств материала основной поверхности, открытая область за пределами защитной тени будет либо выжжена до более темного цвета, например, обуглившегося дерева, [16] , либо до более яркого цвета, например, асфальта. [17] Если в месте ядерного взрыва присутствует такое погодное явление, как туман или дымка, оно рассеивает вспышку , при этом лучистая энергия достигает чувствительных к горению веществ со всех сторон. Таким образом, в этих условиях непрозрачные объекты менее эффективны, чем в противном случае без рассеяния, поскольку они демонстрируют максимальный эффект затенения в среде идеальной видимости и, следовательно, нулевого рассеяния. Подобно туманному или пасмурному дню, хотя теней, создаваемых солнцем, в такой день мало или вообще нет, солнечная энергия, которая достигает земли от инфракрасных лучей Солнца, тем не менее, значительно уменьшается из-за ее поглощения водой. облака и энергия также рассеиваются обратно в космос. Аналогично, в условиях тумана или дымки снижается интенсивность в диапазоне энергии горящей вспышки в единицах Дж /см 2 , а также наклонная/горизонтальная дальность ядерного взрыва. Таким образом, несмотря на то, что любой объект, отбрасывающий тень, становится неэффективным в качестве щита от вспышки из-за тумана или дымки, из-за рассеяния туман выполняет ту же защитную роль, но обычно только на таких дистанциях, на которых выживание на открытом воздухе является лишь вопросом будучи защищенным от энергии вспышки взрыва. [18]
Тепловой импульс также ответственен за нагревание атмосферного азота вблизи бомбы и создание компонентов атмосферного смога NOx . Он, как часть грибовидного облака, выбрасывается в стратосферу , где отвечает за диссоциацию там озона точно так же, как это делают соединения NOx при горении. Создаваемое количество зависит от мощности взрыва и окружающей среды, в которой произошел взрыв. Исследования, проведенные по совокупному воздействию ядерных взрывов на озоновый слой, по крайней мере предварительно оправдывают свою невиновность после первоначальных обескураживающих результатов. [19]
Гамма-лучи ядерного взрыва производят электроны высокой энергии за счет комптоновского рассеяния . При ядерных взрывах на большой высоте эти электроны захватываются магнитным полем Земли на высоте 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 экранировать, полностью обернув ее проводящим материалом , например металлической фольгой; эффективность экранирования может быть не идеальной. Надлежащее экранирование является сложной задачей 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 термоэмиссионным трубкам (или клапанам), которые относительно невосприимчивы к ЭМИ. Клетка Фарадея не обеспечивает защиту от воздействия ЭМИ, если в сетке не предусмотрены отверстия размером не больше наименьшей длины волны, излучаемой в результате ядерного взрыва.
Крупное ядерное оружие, взорванное на больших высотах, также вызывает геомагнитно-индуцированный ток в очень длинных электрических проводниках. Механизм генерации этих геомагнитно-индуцированных токов полностью отличается от импульса, индуцированного гамма-излучением, создаваемого комптоновскими электронами.
Тепло взрыва приводит к ионизации воздуха поблизости, создавая огненный шар. Свободные электроны в огненном шаре влияют на радиоволны, особенно на более низких частотах. Это приводит к тому, что большая область неба становится непрозрачной для радаров, особенно тех, которые работают на частотах ОВЧ и УВЧ , что характерно для радаров дальнего обнаружения . Эффект меньше для более высоких частот в микроволновом диапазоне, а также длится более короткое время - эффект падает как по силе, так и по затронутым частотам, когда огненный шар остывает и электроны начинают переформироваться в свободные ядра. [20]
Второй эффект затемнения вызван испусканием бета-частиц из продуктов деления. Они могут путешествовать на большие расстояния, следуя линиям магнитного поля Земли. Когда они достигают верхних слоев атмосферы, они вызывают ионизацию, подобную огненному шару, но на более широкой территории. Расчеты показывают, что одна мегатонна ядерного деления, типичная для двухмегатонной водородной бомбы, создаст достаточно бета-излучения, чтобы обесточить территорию шириной 400 километров (250 миль) на пять минут. Тщательный выбор высоты и местоположения взрывов может дать чрезвычайно эффективный эффект радиолокационного подавления. [20]
Физические эффекты, вызывающие отключения электроэнергии, также вызывают ЭМИ, которые сами по себе могут вызвать отключения электроэнергии. В остальном эти два эффекта не связаны между собой, и схожие названия могут сбить с толку.
Около 5% энергии, выделяющейся при ядерном воздушном взрыве, находится в виде ионизирующего излучения : нейтронов , гамма-лучей , альфа-частиц и электронов , движущихся со скоростью, вплоть 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 , а исходное гамма-излучение включает в себя излучение, возникающее в результате этих реакций, а также излучение, возникающее в результате распада короткоживущих продуктов деления.
Интенсивность первоначального ядерного излучения быстро уменьшается с расстоянием от точки взрыва, поскольку излучение распространяется на большую площадь по мере удаления от взрыва (закон обратных квадратов ). Он также уменьшается за счет атмосферного поглощения и рассеяния.
Характер излучения, получаемого в данном месте, также меняется в зависимости от расстояния от взрыва. [21] Вблизи точки взрыва интенсивность нейтронов превышает интенсивность гамма-излучения, но с увеличением расстояния отношение нейтрон-гамма 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. При использовании более крупного оружия, мощностью более 50 кт (200 ТДж), взрывные и тепловые эффекты настолько важны, что мгновенные радиационные эффекты можно игнорировать.
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 эмиссию нейтронов: из бомбы артиллерийского типа в Хиросиме вытекло гораздо больше нейтронов, чем из бомбы имплозионного типа в Нагасаки мощностью 21 кт , поскольку в взорвавшихся молекулах тротила (окружающих ядро атома) преобладали 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 нейтронной энергии. [22]
В ходе ранних экспериментов было обнаружено, что обычно большая часть нейтронов, высвобождаемых в каскадной цепной реакции бомбы деления, поглощается корпусом бомбы. Создание корпуса бомбы из материалов, которые передают, а не поглощают нейтроны, может сделать бомбу более смертоносной для людей из-за мгновенного нейтронного излучения. Это одна из особенностей, использованных при разработке нейтронной бомбы .
Волны сейсмического давления, созданные в результате взрыва, могут снять напряжение в близлежащих плитах или иным образом вызвать землетрясение. Подземный взрыв концентрирует эту волну давления, и локальное землетрясение более вероятно. Эти волны являются первой и самой быстрой волной, эквивалентной обычной землетрясения. Волна P может указать место проведения испытаний, [23] за ними следуют волна S и волна Рэлея . В большинстве случаев все они могут быть измерены сейсмическими станциями по всему миру, а сравнения с реальными землетрясениями могут быть использованы для определения предполагаемой мощности землетрясений. посредством дифференциального анализа, путем моделирования амплитуд высокочастотных (>4 Гц) телесейсмических Р-волн. [24] [23] [25] Однако теория не предполагает, что ядерный взрыв с силой тока может вызвать разрыв разлома и вызвать сильное землетрясение на расстояниях, превышающих несколько десятков километров от точки взрыва. [26]
В следующей таблице суммированы наиболее важные последствия одиночных ядерных взрывов при идеальном ясном небе и погодных условиях. Подобные таблицы рассчитываются на основе законов масштабирования эффектов ядерного оружия. [27] [28] [29] [30] Расширенное компьютерное моделирование реальных условий и того, как они влияют на ущерб современным городским территориям, показало, что большинство законов масштабирования слишком упрощены и имеют тенденцию переоценивать последствия ядерного взрыва. Поскольку обычно встречаются только упрощенные и неклассифицированные законы масштабирования, которые не принимают во внимание такие важные вещи, как изменение топографии суши , чтобы упростить время вычислений 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, а также отсутствие эффектов улучшения от отражений и туннелей на городских улицах. [31] Для сравнения на диаграмме ниже, наиболее вероятное ядерное оружие, которое будет использоваться против противодействующих городских целей в глобальной ядерной войне, находится в субмегатонном диапазоне. Оружие мощностью от 100 до 475 килотонн стало самым многочисленным в ядерных арсеналах США и России; например, боеголовки российской баллистической ракеты подводного базирования ( БРПЛ ) « Булава » имеют мощность 150 килотонн. [32] Примерами США являются боеголовки W76 и W88 , причем более низкая мощность W76 более чем в два раза превышает количество боеголовок W88 в ядерном арсенале США.
1 Для эффектов прямого излучения здесь показана наклонная дальность вместо наземной дальности, поскольку некоторые эффекты не указаны даже в нулевой точке для некоторых высот всплесков. Если эффект возникает в нулевой точке, дальность полета можно определить на основе наклонной дальности и высоты взрыва ( теорема Пифагора ).
2 «Острый лучевой синдром» здесь соответствует суммарной дозе в один грей , «смертельная» — десяти грей. Это лишь приблизительная оценка, поскольку здесь не учитываются биологические условия .
Ситуация еще больше усложняется тем, что в сценариях глобальной ядерной войны, в условиях, аналогичных тем, что были во время холодной войны , крупные стратегически важные города, такие как Москва и Вашингтон , вероятно, будут поражены не один, а множество раз из субмегатонных множественных независимых нацеливаемых входов в атмосферу. транспортных средств в конфигурации кассетной бомбы или «формочки для печенья». [33] Сообщалось, что в разгар Холодной войны в 1970-х годах по Москве было выпущено до 60 боеголовок. [34] Причины, по которым концепция кассетной бомбы предпочтительна для поражения городов, двояки: первая заключается в том, что большие одиночные боеголовки гораздо легче нейтрализовать, поскольку они обеспечивают отслеживание и успешный перехват системами противоракетной обороны, чем это когда приближается несколько боеголовок меньшего размера. Это численное преимущество перед боеголовками меньшей мощности еще больше усугубляется тем, что такие боеголовки имеют тенденцию двигаться с более высокими скоростями из-за их меньшего и более тонкого физического размера, при условии, что обе конструкции ядерного оружия одинаковы (исключением является усовершенствованный W88) . ). [35] Вторая причина использования этой кассетной бомбы, или «наслоения» [36] (использования повторных попаданий точного оружия малой мощности), заключается в том, что эта тактика наряду с ограничением риска неудачи также снижает мощность отдельных бомб и, следовательно, снижает возможность любого серьезного побочного ущерба нецелевым близлежащим гражданским районам, в том числе соседним странам. Эту концепцию впервые предложили Филип Дж. Долан и другие.
Гамма-лучи ядерных процессов, предшествующих настоящему взрыву, могут быть частично ответственны за последующий огненный шар, поскольку они могут перегреть близлежащий воздух и/или другой материал. [10] Подавляющее большинство энергии, которая идет на формирование огненного шара, находится в мягкой рентгеновской области электромагнитного спектра, причем эти рентгеновские лучи производятся в результате неупругих столкновений продуктов высокоскоростного деления и термоядерного 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, а затем в энергию излучения, примерно следуя процессу излучения черного тела в области мягкого рентгеновского излучения. [37]
В результате многочисленных неупругих столкновений часть кинетической энергии осколков деления преобразуется во внутреннюю и радиационную энергию. Некоторые электроны полностью удаляются из атомов, вызывая тем самым ионизацию, другие переходят в более высокие энергетические (или возбужденные) состояния, оставаясь при этом связанными с ядрами. За чрезвычайно короткое время, возможно, одну сотую микросекунды или около того, остатки оружия состоят по существу из полностью или частично лишенных (ионизированных) атомов, многие из которых находятся в возбужденном состоянии вместе с соответствующими свободными электронами. При этом система сразу же излучает электромагнитное (тепловое) излучение, природа которого определяется температурой. Поскольку это порядка 10 7 градусов, большая часть энергии, излучаемой в течение микросекунды или около того, находится в области мягкого рентгеновского излучения. Поскольку температура зависит от средней внутренней энергии/тепла частиц в определенном объеме, внутренняя энергия или тепло обусловлена кинетической энергией .
При взрыве в атмосфере огненный шар быстро расширяется до максимального размера, а затем начинает остывать, поднимаясь, как воздушный шар, за счет плавучести в окружающем воздухе. При этом он принимает форму потока вихревого кольца с раскаленным материалом в ядре вихря, как видно на некоторых фотографиях. [38] Этот эффект известен как грибовидное облако . [10]
Песок превратится в стекло, если он окажется достаточно близко к ядерному огненному шару, чтобы его можно было втянуть в него, и, таким образом, нагреется до необходимых для этого температур; это известно как тринитит . [39]
При взрыве ядерных бомб иногда случаются грозовые разряды. [40]
Следы дыма часто можно увидеть на фотографиях ядерных взрывов. Они не от взрыва; их оставляют звуковые ракеты , запущенные непосредственно перед взрывом. Эти следы позволяют наблюдать обычно невидимую ударную волну взрыва в моменты после взрыва. [41]
Тепло и мусор в воздухе, образовавшийся 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 шарики . [42] Это явление было названо черным дождем и послужило источником одноименной книги и фильма . Черный дождь не является чем-то необычным после крупных пожаров и обычно возникает из пирокучевых облаков во время крупных лесных пожаров. Сообщается, что дождь непосредственно над Хиросимой в тот день начался около 9 часов утра и покрыл обширную территорию от эпицентра до северо-запада, а в некоторых районах шел сильный дождь в течение часа или более. Дождь непосредственно над городом, возможно, нес продукты сгорания строительных материалов , активированные нейтронами , но он не нес каких-либо заметных обломков ядерного оружия или осадков, [43] хотя это обычно противоречит тому, что утверждают другие, менее технические источники. «Масляные» черные частицы сажи являются признаком неполного сгорания в городской огненной буре.
Элемент эйнштейний был открыт при анализе ядерных осадков.
Побочный эффект ядерного испытания «Паскаль-Б» во время операции «Пламббоб» мог привести к запуску в космос первого искусственного объекта. Так называемый эффект «громового колодца» от подземного взрыва, возможно, привел к запуску металлической крышки в космос со скоростью, в шесть раз превышающей земную скорость , хотя доказательства остаются предметом споров.
В 1942 году среди ученых, разрабатывавших первое ядерное оружие в рамках Манхэттенского проекта, высказывались предположения, что достаточно мощный ядерный взрыв может воспламенить атмосферу Земли: тепло от взрыва может объединить пары атомов атмосферного азота, образуя углерод и кислород, одновременно высвобождая дополнительную энергию. который будет поддерживать реакцию до тех пор, пока не будет израсходован весь атмосферный азот в мире. Гансу Бете было поручено изучить эту гипотезу с самых первых дней проекта, и в конце концов он пришел к выводу, что такая реакция не может поддерживаться в больших масштабах из-за охлаждения ядерного огненного шара за счет обратного эффекта Комптона . [44] Ричарда Хэмминга попросили сделать аналогичный расчет незадолго до первого ядерного испытания , и он пришел к такому же выводу. [45] Тем не менее, эта идея сохранялась в качестве слуха в течение многих лет и была источником апокалиптического юмора о виселице во время испытаний Тринити, где Энрико Ферми сделал побочные ставки на атмосферное воспламенение. [46]
Выживаемость во многом зависит от таких факторов, как нахождение человека в помещении или на улице, размер взрыва, близость к взрыву и, в меньшей степени, направление ветра, несущего осадки. Смерть весьма вероятна, и радиационное отравление почти наверняка, если человек окажется на открытом воздухе, где нет ландшафта или маскирующих эффектов зданий, в радиусе 0–3 км от воздушного взрыва мощностью 1 мегатонны, и 50% вероятность смерти от взрыва распространяется и на другие территории. до ~8 км от того же атмосферного взрыва мощностью 1 мегатонны. [47]
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, [48] Акико Такакура пережила воздействие атомной бомбы мощностью 16 кт на расстоянии. в 300 метрах от эпицентра, получив лишь легкие травмы, в основном из-за ее положения в то время в вестибюле железобетонного здания Банка Японии . [49] [50] Напротив, неизвестный человек, сидевший снаружи, полностью обнаженный, на ступеньках банка «Сумитомо», по соседству с Банком Японии, получил смертельные ожоги третьей степени и затем, вероятно, погиб в результате взрыва в этот приказ в течение двух секунд. [51]
При медицинской помощи радиационное облучение можно пережить до 200 бэр острой дозы облучения. Если группа людей подвергнется острой (в течение 24 часов) дозе радиации от 50 до 59 бэр, ни один из них не заболеет лучевой болезнью. Если группа подвергнется дозе от 60 до 180 бэр, 50% заболеют радиационным отравлением. При медицинском лечении все представители группы 60–180 бэр выживут. Если группа подвергнется воздействию от 200 до 450 бэр, большинство, если не вся группа, заболеют. 50% из группы 200–450 бэр умрут в течение двух-четырех недель, даже при наличии медицинской помощи. Если группа подвергнется воздействию дозы от 460 до 600 бэр, 100% группы получат 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 погибнет в течение 2 недель. При 5000 бэр 100% группы погибнет в течение 2 дней. [52]
Исследователи из Университета Никосии смоделировали (Иоаннис В. Коккинакис и Димитрис Дрикакис , «Воздействие ядерного взрыва на людей в помещении», Physics of Fluids 35, 016114 (2023), [53] с использованием вычислительной гидродинамики высокого порядка (CFD), взрыв атомной бомбы типичной межконтинентальной баллистической ракеты и образовавшаяся взрывная волна, чтобы увидеть, как это повлияет на людей, укрывающихся в закрытых помещениях.
Они обнаружили, что взрывной волны в зоне умеренного повреждения хватило, чтобы разрушить некоторые здания и ранить людей, оказавшихся на открытом воздухе. Однако более прочные здания, например бетонные конструкции, могут остаться стоять. Команда использовала передовое компьютерное моделирование, чтобы изучить, как волна ядерного взрыва проходит сквозь стоящую конструкцию. Их смоделированная структура включала комнаты, окна, дверные проемы и коридоры и позволила им рассчитать скорость воздуха, следующего за взрывной волной, и определить лучшие и худшие места для пребывания. Исследование показало, что высокие скорости полета по-прежнему представляют значительную опасность и могут привести к тяжелым травмам или даже гибели людей.
Более того, просто находиться в прочном здании недостаточно, чтобы избежать риска. В ограниченном пространстве скорость полета может увеличиться, а взрывная волна заставляет воздух отражаться от стен и огибать углы. В худшем случае это может привести к возникновению силы, в несколько раз превышающей вес тела человека. Наиболее опасными критически важными местами внутри помещений, которых следует избегать, являются окна, коридоры и двери. Вышеупомянутое исследование вызвало значительный интерес со стороны международной прессы. [54]
