Воздействие ядерного взрыва на его непосредственную близость обычно гораздо более разрушительно и многогранно, чем воздействие обычных взрывчатых веществ . В большинстве случаев энергию, высвобождаемую при взрыве ядерного оружия в нижних слоях атмосферы, можно приблизительно разделить на четыре основные категории: [1]
В зависимости от конструкции оружия и места, в котором оно взрывается, энергия, распределенная по любой из этих категорий, может быть значительно выше или ниже. Физический эффект взрыва создается путем соединения огромного количества энергии, охватывающей электромагнитный спектр , с окружающей средой. Окружающая среда взрыва (например, подводный, наземный , воздушный или экзоатмосферный) определяет, сколько энергии распределяется на взрыв, а сколько на излучение. В целом, 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 эффекты излучения по мере увеличения мощности взрыва . Этот пузырь быстрее скорости звука . [3] Механизмы физического поражения ядерного оружия (взрыв и тепловое излучение) идентичны механизмам поражения обычными взрывчатыми веществами, но энергия, вырабатываемая ядерным взрывом, обычно в миллионы раз мощнее на единицу массы, а температура может на короткое время достигать десятков миллионов градусов.
Энергия от ядерного взрыва первоначально высвобождается в нескольких формах проникающего излучения. 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, чтобы вещество имело ту же температуру, что и топливо, питающее 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 достаточно низко по высоте, часто ассоциируется с грибовидным облаком . При высотном взрыве, где плотность атмосферы низкая, больше энергии высвобождается в виде ионизирующего гамма-излучения и рентгеновских лучей , чем в виде ударной волны, вытесняющей атмосферу.
Высокие температуры и излучение заставляют газ двигаться наружу радиально в тонкой 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 закрывает огненный шар и продолжает двигаться мимо него, расширяясь наружу и освобождаясь от огненного шара, вызывая уменьшение света, исходящего от ядерного взрыва . В конце концов ударная волна рассеивается до точки, где свет снова становится видимым, вызывая характерную двойную вспышку , вызванную взаимодействием ударной волны и огненного шара. [5] 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 около него 50–60% энергии взрыва переходит во 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, поскольку там меньше массы воздуха для поглощения энергии излучения и преобразования ее во взрыв. Этот эффект наиболее важен для высот более 30 км, что соответствует менее 1 процента плотности воздуха на уровне моря.
Было обнаружено, что воздействие умеренного ливня во время ядерного взрыва операции «Касл» ослабило или уменьшило пиковые уровни давления примерно на 15% на всех дистанциях. [6]
Большая часть разрушений, вызванных ядерным взрывом, вызвана ударной волной. Большинство зданий, за исключением армированных или взрывоустойчивых конструкций, получат умеренные повреждения при воздействии избыточного давления всего лишь в 35,5 килопаскалей (кПа) (5,15 фунт-силы на квадратный дюйм или 0,35 атм). Данные, полученные в ходе японских исследований после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, показали, что 8 фунтов на квадратный дюйм (55 кПа) было достаточно для разрушения всех деревянных и кирпичных жилых построек. Это можно обоснованно определить как давление, способное нанести серьезный ущерб. [6]
Скорость ударного ветра на уровне моря может превышать 1000 км/ч или ~300 м/с, приближаясь к скорости звука в воздухе. Диапазон воздействия ударной волны увеличивается с мощностью взрыва оружия, а также зависит от высоты взрыва. Вопреки тому, что можно было бы ожидать от геометрии, диапазон взрыва не является максимальным для взрывов на поверхности или на малых высотах, но увеличивается с высотой до «оптимальной высоты взрыва», а затем быстро уменьшается для больших высот. Это вызвано нелинейным поведением ударных волн. Когда ударная 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 « ствол Маха », и является формой конструктивной интерференции . [7] [8] [9] Это явление отвечает за выпуклости или «колена» на приведенном выше графике диапазона избыточного давления.
Для каждого целевого избыточного давления существует определенная оптимальная высота взрыва, на которой дальность взрыва максимальна по наземным целям. При типичном воздушном взрыве, где дальность взрыва максимальна для создания наибольшего диапазона серьезных повреждений, т. е. наибольшего диапазона, на который распространяется давление ~10 фунтов на квадратный дюйм (69 кПа), дальность GR/земля составляет 0,4 км для 1 килотонны (кт) мощности тротила; 1,9 км для 100 кт; и 8,6 км для 10 мегатонн (Мт) тротила. Оптимальная высота взрыва для максимизации этого желаемого диапазона серьезных разрушений по земле для бомбы в 1 кт составляет 0,22 км; для 100 кт — 1 км; и для 10 Мт — 4,7 км.
С взрывной волной в воздухе связаны два различных одновременных явления :
Большая часть материального ущерба, вызванного ядерным воздушным взрывом, вызвана сочетанием высокого статического избыточного давления и взрывных ветров. Длительное сжатие взрывной волны ослабляет конструкции, которые затем разрываются взрывными ветрами. Фазы сжатия, вакуума и сопротивления вместе могут длиться несколько секунд или дольше и оказывать силы, во много раз превосходящие самый сильный ураган .
Воздействуя на тело человека, ударные волны вызывают волны давления через ткани. Эти волны в основном повреждают соединения между тканями разной плотности (кости и мышцы) или интерфейс между тканью и воздухом. Легкие и брюшная полость , которые содержат воздух, особенно травмируются. Повреждение вызывает сильное кровотечение или воздушную эмболию , и то и другое может быстро привести к летальному исходу. Избыточное давление, которое, по оценкам, повреждает легкие, составляет около 70 кПа. Некоторые барабанные перепонки , вероятно, разорвутся около 22 кПа (0,2 атм), а половина разорвется между 90 и 130 кПа (0,9–1,2 атм).
Ядерное оружие испускает большое количество теплового излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, для которого атмосфера в значительной степени прозрачна. Это известно как «вспышка». [10] Главные опасности — ожоги и травмы глаз. В ясные дни эти травмы могут возникнуть далеко за пределами радиуса действия взрыва, в зависимости от мощности оружия. [3] Пожары также могут возникнуть из-за первоначального теплового излучения, но последующие сильные ветры из-за взрывной волны могут потушить почти все такие пожары, если только мощность не очень высока, когда диапазон термических эффектов значительно превосходит эффекты взрыва, как это наблюдается при взрывах в диапазоне нескольких мегатонн. [3] Это происходит потому, что интенсивность эффектов взрыва падает с третьей степенью расстояния от взрыва, в то время как интенсивность эффектов излучения падает со второй степенью расстояния. Это приводит к тому, что диапазон термических эффектов увеличивается заметно больше, чем радиус действия взрыва, по мере того, как детонируют все более и более мощные устройства. [3]
Тепловое излучение составляет от 35 до 45% энергии, высвобождаемой при взрыве, в зависимости от мощности устройства. В городских районах тушение пожаров, вызванных тепловым излучением, может иметь небольшое значение, так как при внезапном нападении пожары могут также начаться из-за электрических коротких замыканий, вызванных взрывной волной, газовых запальников, перевернутых печей и других источников возгорания, как это было в случае с бомбардировкой Хиросимы во время завтрака. [11] Будут ли эти вторичные пожары в свою очередь потушены, когда современные негорючие кирпичные и бетонные здания обрушатся сами на себя от той же взрывной волны, неизвестно, не в последнюю очередь из-за маскирующего эффекта современных городских ландшафтов на тепловую и взрывную передачу, которые постоянно изучаются. [12] Когда в Хиросиме и Нагасаки были разрушены горючие каркасные здания, они не сгорели так быстро, как если бы остались стоять. Негорючие обломки, образовавшиеся в результате взрыва, часто покрывали и предотвращали возгорание горючих материалов. [13]
Эксперты по пожарам предполагают, что в отличие от Хиросимы, из-за особенностей проектирования и строительства современных городов в США, в наше время маловероятно возникновение огненного шторма после ядерного взрыва. [14] Это не исключает возникновения пожаров, но означает, что эти пожары не перерастут в огненный шторм, в основном из-за различий между современными строительными материалами и теми, которые использовались в Хиросиме во время Второй мировой войны.
Существует два типа повреждений глаз от теплового излучения: кратковременная слепота и ожог сетчатки . кратковременная слепота вызывается первоначальной яркой вспышкой света, вызванной ядерным взрывом. На сетчатку попадает больше световой энергии, чем может выдержать, 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 постоянному повреждению от рубцевания, также вызывается концентрацией прямой тепловой энергии на сетчатке хрусталиком. Это произойдет только тогда, когда огненный шар фактически находится в поле зрения человека, и будет относительно редкой травмой. Ожоги сетчатки могут быть получены на значительном расстоянии от взрыва. Высота взрыва и видимый размер огненного шара, функция мощности и дальности будут определять степень и протяженность рубцевания сетчатки. Шрам в центральном поле зрения будет более изнурительным. Как правило, вероятнее всего, произойдет лишь ограниченный дефект поля зрения, который будет едва заметен.
Когда тепловое излучение попадает на объект, часть будет отражена, часть передана, а остальная часть поглощена. Доля, которая поглощается, зависит от природы и цвета материала. Тонкий материал может пропускать большую часть излучения. Светлый объект может отражать большую часть падающего излучения и, таким образом, избегать повреждений, как антибликовая белая краска. Поглощенное тепловое излучение повышает температуру поверхности и приводит к подгоранию, обугливанию и возгоранию дерева, бумаги, тканей и т. д. Если материал является плохим проводником тепла, тепло ограничивается поверхностью материала.
Фактическое возгорание материалов зависит от длительности теплового импульса, толщины и влажности мишени. Вблизи эпицентра, где поток энергии превышает 125 Дж /см2 , то, что может гореть, будет гореть. Дальше будут гореть только наиболее легко воспламеняющиеся материалы. Зажигательные эффекты усугубляются вторичными пожарами, вызванными воздействием взрывной волны, например, от опрокинутых печей и горнов.
В Хиросиме 6 августа 1945 года в течение 20 минут после взрыва образовался огромный огненный шторм , который уничтожил еще больше зданий и домов, построенных преимущественно из «хлипких» деревянных материалов. [11] Огненный шторм имеет штормовые ветры, дующие к центру пожара со всех сторон. Это не свойственно ядерным взрывам, поскольку часто наблюдалось во время крупных лесных пожаров и после зажигательных налетов во время Второй мировой войны. Несмотря на то, что пожары уничтожили большую часть Нагасаки , в городе не произошло настоящего огненного шторма, хотя было использовано более мощное оружие. Многие факторы объясняют это кажущееся противоречие, включая другое время бомбардировки, чем в Хиросиме, рельеф местности и, что особенно важно, меньшую загрузку/плотность топлива, чем в Хиросиме.
Нагасаки, вероятно, не предоставил достаточно топлива для развития огненного шторма по сравнению со многими зданиями на равнинной местности Хиросимы. [15]
.png/1280px-Atomic_blast_Nevada_Yucca_1951_(better_quality).png)
Поскольку тепловое излучение распространяется более или менее по прямой линии от огненного шара (если оно не рассеивается), любой непрозрачный объект создаст 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, обугленного дерева, [16] , либо более яркого цвета, например, асфальта. [17] Если в точке ядерного взрыва присутствует такое погодное явление, как туман или дымка, оно рассеивает вспышку , при этом лучистая энергия затем достигает чувствительных к горению веществ со всех направлений. В этих условиях непрозрачные объекты, следовательно, менее эффективны, чем они были бы в противном случае без рассеивания, поскольку они демонстрируют максимальный эффект затенения в среде идеальной видимости и, следовательно, нулевого рассеивания. Подобно туманному или пасмурному дню, хотя в такой день тени, создаваемые солнцем, немногочисленны, если вообще существуют, солнечная энергия, которая достигает земли из инфракрасных лучей солнца, тем не менее, значительно уменьшается из-за того, что она поглощается водой облаков, а энергия также рассеивается обратно в космос. Аналогично, интенсивность в диапазоне энергии вспышки горения ослабляется в единицах Дж /см2 , вместе с наклонным/горизонтальным диапазоном ядерного взрыва во время тумана или дымки. Таким образом, несмотря на то, что любой объект, отбрасывающий тень, становится неэффективным в качестве щита от вспышки туманом или дымкой из-за рассеивания, туман выполняет ту же защитную роль, но, как правило, только на тех расстояниях, на которых выживание на открытом воздухе является просто вопросом защиты от энергии вспышки взрыва. [18]
Тепловой импульс также отвечает за нагревание атмосферного азота вблизи бомбы и вызывает образование компонентов смога NOx в атмосфере . Это, как часть грибовидного облака , выстреливается в стратосферу , где оно отвечает за диссоциацию озона там , таким же образом, как это делают соединения NOx при сгорании. Количество созданного зависит от мощности взрыва и окружающей среды взрыва. Исследования, проведенные по общему воздействию ядерных взрывов на озоновый слой, были, по крайней мере, предварительно оправданными после первоначальных обескураживающих результатов. [19]
Гамма-лучи от ядерного взрыва производят высокоэнергетические электроны посредством комптоновского рассеяния . При высотных ядерных взрывах эти электроны захватываются магнитным полем Земли на высоте от 20 до 40 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 умеренно длинные металлические объекты (например, кабели) действовать как антенны и генерировать высокие напряжения из-за взаимодействия с электромагнитным импульсом. Эти напряжения могут разрушить незащищенную электронику. Нет известных биологических эффектов ЭМИ. Ионизированный воздух также нарушает радиотрафик, который обычно отражается от ионосферы .
Электронику можно экранировать, полностью обернув ее проводящим материалом , таким как металлическая фольга; эффективность экранирования может быть неидеальной. Правильное экранирование — сложная тема из-за большого количества задействованных переменных. Полупроводники , особенно интегральные схемы , чрезвычайно восприимчивы к воздействию ЭМИ из-за близкого расположения их p–n-переходов , но это не относится к термоэлектронным трубкам (или клапанам), которые относительно невосприимчивы к ЭМИ. Клетка Фарадея не обеспечивает защиты от воздействия ЭМИ, если только сетка не спроектирована так, чтобы иметь отверстия не больше наименьшей длины волны, испускаемой ядерным взрывом.
Крупные ядерные заряды, взорванные на больших высотах, также вызывают геомагнитно-индуцированный ток в очень длинных электрических проводниках. Механизм, посредством которого генерируются эти геомагнитно-индуцированные токи, полностью отличается от гамма-индуцированного импульса, производимого комптоновскими электронами.
Тепло взрыва заставляет воздух поблизости ионизироваться, создавая огненный шар. Свободные электроны в огненном шаре влияют на радиоволны, особенно на низких частотах. Это приводит к тому, что большая область неба становится непрозрачной для радаров, особенно тех, которые работают на частотах VHF и UHF , что является обычным для радаров дальнего раннего оповещения . Эффект меньше для более высоких частот в микроволновом диапазоне, а также длится меньшее время — эффект падает как по силе, так и по затронутым частотам, когда огненный шар остывает, и электроны начинают переформировываться в свободные ядра. [20]
Второй эффект затемнения вызван испусканием бета-частиц из продуктов деления . Они могут перемещаться на большие расстояния, следуя линиям магнитного поля Земли. Когда они достигают верхних слоев атмосферы, они вызывают ионизацию, похожую на ионизацию огненного шара, но на более обширной площади. Расчеты показывают, что одна мегатонна деления, типичная для двухмегатонной водородной бомбы, создаст достаточно бета-излучения, чтобы затемнить область диаметром 400 километров (250 миль) на пять минут. Тщательный выбор высоты и места взрыва может произвести чрезвычайно эффективный эффект гашения радаров. [20] Физические эффекты, вызывающие затемнения, также вызывают ЭМИ, который также может вызывать отключения электроэнергии. В остальном эти два эффекта не связаны, и схожие названия могут сбивать с толку.
Около 5% энергии, высвобождаемой при ядерном воздушном взрыве, находится в форме ионизирующего излучения : нейтронов , гамма-лучей, альфа-частиц и электронов, движущихся со скоростью вплоть до скорости света. Гамма-лучи — это высокоэнергетическое электромагнитное излучение; остальные — это частицы, движущиеся медленнее света. Нейтроны возникают почти исключительно в результате реакций деления и синтеза , в то время как первоначальное гамма-излучение включает в себя как возникающее в результате этих реакций, так и 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 ). Она также уменьшается за счет поглощения и рассеивания в атмосфере.
Характер излучения, полученного в данном месте, также меняется в зависимости от расстояния от взрыва. [21] Вблизи точки взрыва интенсивность нейтронов больше интенсивности гамма-излучения, но с увеличением расстояния отношение нейтронов к гамма-излучению уменьшается. В конечном итоге нейтронная составляющая начального излучения становится незначительной по сравнению с гамма-составляющей. Диапазон для значительных уровней начального излучения не увеличивается заметно с мощностью оружия, и, как следствие, начальное излучение становится менее опасным с увеличением мощности. В случае более крупного оружия, свыше 50 кт (200 ТДж), ударная волна и тепловые эффекты настолько важны, что мгновенные эффекты излучения можно игнорировать.
Нейтронное излучение служит для преобразования окружающей материи, часто делая ее радиоактивной . При добавлении к пыли радиоактивного материала, выброшенного 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 большого ядерного оружия.
Детали конструкции ядерного оружия также влияют на нейтронную эмиссию: сборка пушечного типа « Малыш» выбрасывала гораздо больше нейтронов, чем имплозивная 21-килотонна « Толстяк» , поскольку легкие ядра водорода (протоны), преобладающие во взорванных молекулах тротила (окружающих ядро «Толстяка»), очень эффективно замедляли нейтроны, в то время как более тяжелые атомы железа в стальной носовой части «Малыша» рассеивали нейтроны, не поглощая при этом много нейтронной энергии. [22]
В ходе ранних экспериментов было обнаружено, что обычно большинство нейтронов, высвобождаемых в каскадной цепной реакции деления бомбы, поглощаются корпусом бомбы. Создание корпуса 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 .
Сейсмические волны давления, созданные взрывом, могут высвободить энергию в близлежащих плитах или иным образом вызвать землетрясение . Подземный взрыв концентрирует эту волну давления, и локализованное землетрясение более вероятно. Первая и самая быстрая волна, эквивалентная обычной волне P землетрясения , может сообщить место проведения испытания; [23] за ней следуют волна S и волна Рэлея . Все они могут быть измерены в большинстве случаев сейсмическими станциями по всему миру, и сравнения с фактическими землетрясениями могут быть использованы для определения предполагаемой мощности с помощью дифференциального анализа, путем моделирования амплитуд высокочастотной (>4 Гц) телесейсмической волны P. [24] [23] [25] Однако теория не предполагает, что ядерный взрыв текущей мощности может вызвать разрыв разлома и вызвать сильное землетрясение на расстоянии более нескольких десятков километров от точки взрыва. [26]
В следующей таблице суммированы наиболее важные эффекты одиночных ядерных взрывов при идеальных погодных условиях, ясном небе. Такие таблицы рассчитываются на основе законов масштабирования эффектов ядерного оружия. [27] [28] [29] [30] Продвинутое компьютерное моделирование реальных условий и того, как они влияют на ущерб современным городским районам, показало, что большинство законов масштабирования слишком упрощены и имеют тенденцию переоценивать эффекты ядерного взрыва. Законы масштабирования, которые были использованы для создания приведенной ниже таблицы, предполагают (помимо прочего) идеально ровную целевую область, отсутствие ослабляющих эффектов от маскировки городской местности (например, затенение небоскребами) и отсутствие усиливающих эффектов от отражений и туннелирования городскими улицами. [31] Для сравнения в приведенной ниже таблице наиболее вероятное ядерное оружие, которое будет использовано против контрцелевых 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, которыми оснащена российская баллистическая ракета подводных лодок ( БРПЛ ) « Булава », имеют мощность 150 килотонн. [32] Американскими примерами являются боеголовки W76 и W88 , причем боеголовки W76 меньшей мощности более чем в два раза превышают количество W88 в ядерном арсенале США.
1 Для эффектов прямого излучения здесь показана наклонная дальность вместо наземной дальности, поскольку некоторые эффекты не указаны даже в эпицентре для некоторых высот взрыва. Если эффект происходит в эпицентре, наземная дальность может быть выведена из наклонной дальности и высоты взрыва ( теорема Пифагора ).
2 "Острый лучевой синдром" здесь соответствует суммарной дозе в один грей , "летальный" - в десять грей. Это лишь грубая оценка, поскольку биологические условия здесь не учитываются.
Еще больше усложняет ситуацию то, что в сценариях глобальной ядерной войны с условиями, аналогичными тем, что были во время Холодной войны , такие крупные стратегически важные города, как Москва и Вашингтон, вероятно, будут неоднократно атакованы субмегатонной разделяющейся головной частью индивидуального наведения , в конфигурации кассетной бомбы или «формочки для печенья». [33] Сообщалось, что в разгар Холодной войны в 1970-х годах Москва была атакована до 60 боеголовками. [34]
Причина, по которой концепция кассетной бомбы предпочтительнее при нацеливании на города, двояка: во-первых, большие единичные боеголовки гораздо легче нейтрализовать как при отслеживании, так и при успешном перехвате системами противоракетной обороны , чем при приближении нескольких более мелких боеголовок. Это преимущество в числе перед боеголовками меньшей мощности еще больше усугубляется тем, что такие боеголовки имеют тенденцию двигаться с более высокими входными скоростями из-за их меньшего, более тонкого размера физического пакета , предполагая, что обе конструкции ядерного оружия одинаковы (исключением является усовершенствованная модель W88 ). [35] Вторая причина использования этой кассетной бомбы или «наслоения» [36] (использование повторных попаданий точного оружия малой мощности) заключается в том, что эта тактика наряду с ограничением риска отказа снижает мощность отдельных бомб и, следовательно, снижает вероятность любого серьезного сопутствующего ущерба нецелевым близлежащим гражданским районам, включая соседние страны. Эта концепция была впервые предложена Филипом Дж. Доланом и другими.
Гамма-лучи от ядерных процессов, предшествующих настоящему взрыву, могут быть частично ответственны за последующий огненный шар, поскольку они могут перегревать 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 неупругими столкновениями высокоскоростных продуктов деления и синтеза. Именно эти продукты реакции, а не гамма-лучи, содержат большую часть энергии ядерных реакций в форме кинетической энергии. Эта кинетическая энергия фрагментов деления и синтеза преобразуется во внутреннюю, а затем в энергию излучения, приблизительно следуя процессу излучения черного тела в мягкой рентгеновской области. [37]
В результате многочисленных неупругих столкновений часть кинетической энергии осколков деления преобразуется во внутреннюю и лучистую энергию. Некоторые электроны полностью удаляются из атомов, вызывая тем самым ионизацию. Другие переходят в более высокие энергетические (или возбужденные) состояния, оставаясь при этом прикрепленными к ядрам. В течение чрезвычайно короткого времени, возможно, сотой доли микросекунды или около того, остатки оружия состоят в основном из полностью и частично раздетых (ионизированных) атомов, многие из которых находятся в возбужденных состояниях вместе с соответствующими свободными электронами. Затем система немедленно испускает электромагнитное (тепловое) излучение, природа которого определяется температурой. Поскольку это порядка 10 7 градусов, большая часть энергии, испускаемой 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 возникают из кинетической энергии.
При взрыве в атмосфере огненный шар быстро расширяется до максимального размера, а затем начинает охлаждаться, поднимаясь как воздушный шар за счет плавучести в окружающем воздухе. По мере того, как это происходит, он приобретает форму вихревого кольца с раскаленным материалом в ядре вихря, как видно на некоторых фотографиях. [38] Этот эффект известен как грибовидное облако . [10] Песок расплавится в стекло, если он окажется достаточно близко к ядерному огненному шару, чтобы быть втянутым в него, и, таким образом, нагреется до необходимых для этого температур; это известно как тринитит . [39] При взрыве ядерных бомб иногда происходят разряды молний. [40]
На фотографиях ядерных взрывов часто видны дымовые следы. Они не от взрыва; они оставлены зондирующими ракетами, запущенными непосредственно перед детонацией. Эти следы позволяют наблюдать обычно невидимую ударную волну взрыва в моменты после взрыва. [41]
Тепло и воздушные обломки, созданные ядерным взрывом, могут вызывать дождь; считается, что обломки делают это, выступая в качестве ядер конденсации облаков . Во время городской огненной бури, последовавшей за взрывом в Хиросиме, было зафиксировано, что капли воды были размером с шарики . [42] Это было названо черным дождем и послужило источником книги и фильма с тем же названием . Черный дождь не является чем-то необычным после крупных пожаров и обычно образуется пирокучевыми облаками во время крупных лесных пожаров. Говорят, что дождь непосредственно над Хиросимой в тот день начался около 9 утра, покрыв большую территорию от гипоцентра до северо-запада, и в некоторых районах шел сильный дождь в течение часа или более. Дождь непосредственно над городом мог нести активированные нейтронами продукты сгорания строительных материалов, но он не нес никаких заметных обломков ядерного оружия или осадков, [43] хотя это, как правило, противоречит тому, что утверждают другие менее технические источники. «Масляные» черные частицы сажи являются характеристикой неполного сгорания в городской огненной буре.
Элемент эйнштейний был открыт при анализе радиоактивных 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 мог запустить металлическую крышку в космос со скоростью, в шесть раз превышающей скорость убегания Земли , хотя доказательства остаются предметом споров.
В 1942 году среди ученых, разрабатывавших первое ядерное оружие в Манхэттенском проекте, ходили слухи , что достаточно большой ядерный взрыв может воспламенить атмосферу Земли: тепло от взрыва может сплавить пары атомов атмосферного азота, образуя углерод и кислород, при этом выделяя дополнительную энергию, которая будет поддерживать реакцию до тех пор, пока весь атмосферный азот мира не будет израсходован. Гансу Бете было поручено изучить эту гипотезу с самых первых дней проекта, и в конечном итоге он пришел к выводу, что такая реакция не может поддерживаться в больших масштабах из-за охлаждения ядерного огненного шара посредством обратного эффекта Комптона. [44] Ричарда Хэмминга попросили сделать аналогичный расчет непосредственно перед первым ядерным испытанием , и он пришел к тому же выводу. [45] Тем не менее, эта идея сохранялась как слух в течение многих лет и была источником апокалиптического юмора висельника во время испытания Тринити, где Энрико Ферми делал побочные ставки на атмосферное воспламенение. [46]
Выживаемость сильно зависит от таких факторов, как то, находится ли человек в помещении или на улице, от размера взрыва, близости к взрыву и, в меньшей степени, от направления ветра, переносящего радиоактивные осадки. Смерть весьма вероятна, а радиационное отравление почти наверняка, если человек окажется на открытом пространстве без маскирующих эффектов рельефа или зданий в радиусе 0–3 километров (0,0–1,9 мили) от 1-мегатонного воздушного взрыва, а 50%-ный шанс смерти от взрыва распространяется на расстояние до ~8 километров (5,0 миль) от того же 1-мегатонного атмосферного взрыва. [47]
Примером, иллюстрирующим изменчивость реального мира и эффект нахождения в помещении, является Акико Такакура. Несмотря на смертельную радиацию и зону взрыва, простирающуюся далеко за пределы ее позиции в Хиросиме, [48] Такакура пережила последствия взрыва атомной бомбы в 16 кт на расстоянии 300 метров (980 футов) от гипоцентра, получив лишь незначительные травмы, в основном из-за ее положения в вестибюле Банка Японии, железобетонного здания, в то время. [49] [50] Напротив, неизвестный человек, сидевший снаружи, полностью открытый, на ступенях банка Sumitomo , по соседству с Банком Японии, получил смертельные ожоги третьей степени и затем, вероятно, был убит взрывом, в таком порядке, в течение двух секунд. [51]
При медицинском обслуживании радиационное облучение можно пережить до 200 бэр острого облучения. Если группа людей подвергнется воздействию острой (в течение 24 часов) дозы радиации от 50 до 59 бэр, никто не заболеет лучевой болезнью. Если группа подвергнется воздействию от 60 до 180 бэр, 50% заболеют радиационным отравлением . При медицинском лечении вся группа 60–180 бэр выживет. Если группа подвергнется воздействию от 200 до 450 бэр, большинство, если не все, в группе заболеют; 50% умрут в течение двух-четырех недель, даже при медицинском обслуживании. Если группа подвергнется воздействию от 460 до 600 бэр, 100% группы получат радиационное отравление, и 50% умрут в течение одной-трех недель. Если группа подвергнется воздействию от 600 до 1000 бэр, 50% умрут в течение одной-трех недель. Если группа подвергается воздействию от 1000 до 5000 бэр, 100% группы умрут в течение 2 недель. При 5000 бэр 100% группы умрут в течение 2 дней. [52]
Исследователи из Университета Никосии смоделировали, используя высокопорядковую вычислительную гидродинамику , взрыв атомной бомбы от типичной межконтинентальной баллистической ракеты и образовавшуюся взрывную волну, чтобы увидеть, как это повлияет на людей, укрывающихся в помещении. [53] Они обнаружили, что взрывной волны было достаточно в зоне умеренного повреждения, чтобы опрокинуть некоторые здания и ранить людей, оказавшихся на открытом воздухе. Однако более прочные здания, такие как бетонные конструкции, могут оставаться стоять. Команда использовала передовое компьютерное моделирование, чтобы изучить, как ядерная взрывная волна распространяется через стоящее сооружение. 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 нахождения.
Исследование показало, что высокие скорости полета остаются значительной опасностью и все еще могут привести к серьезным травмам или даже смертельным случаям. Более того, простого нахождения в прочном здании недостаточно, чтобы избежать риска. Тесные пространства могут увеличить скорость полета, а участие взрывной волны заставляет воздух отражаться от стен и огибать углы. В худшем случае это может создать силу, эквивалентную многократному весу человеческого тела. Наиболее опасными критическими местами в помещении, которых следует избегать, являются окна, коридоры и двери. Исследование вызвало значительный интерес в международной прессе. [53]
