Efectele exploziilor nucleare

Test nuclear de 14 kt în Nevada , octombrie 1951.

Efectele exploziilor nucleare în troposferă sunt împărțite în patru categorii, pe baza energiei care se dezvoltă pentru fiecare dintre ele: ^[1]

Explozie sau explozie - 40-50% din energia totală;
Radiații termice - 30-50% din energia totală;
Radiații ionizante - 5% din energia totală;
Radiații reziduale - 30% din energia totală.

Descriere

În funcție de arma utilizată și de mediul în care este detonată, energia distribuită între aceste categorii poate fi mărită sau scăzută până când dispare. De exemplu, explozia este efectul eliberării și schimbului de cantități enorme de energie, cum ar fi să măture pe întregul spectru electromagnetic , cu tot ceea ce este în jurul punctului de detonare. Faptul că dispozitivul explodează la sol, în atmosferă sau în afara acestuia determină câtă energie este eliberată în explozie și cât în radiație. În principiu, un mediu mai dens este capabil să absoarbă mai multă energie și, prin urmare , sunt create unde de șoc mai puternice, limitând în același timp zona de distrugere maximă a bombei.

Cele mai semnificative efecte ale unei arme nucleare - explozia și radiația termică - asupra zonelor și persoanelor direct afectate de aceasta urmează același mecanism de distrugere ca și explozivii convenționali, cu diferența că energia eliberată de un dispozitiv nuclear pe gram de exploziv este de milioane de de ori mai mare decât cea a oricărui compus chimic și că temperaturile atinse în jurul punctului de detonare ajung scurt 10 MK .

În primele etape ale detonării, energia unui exploziv nuclear este eliberată sub diferite forme de radiații penetrante. Materia cu care interacționează această energie (aer, apă, stâncă) atinge rapid temperatura de fierbere , vaporizându-se și extinzându-se cu viteză mare. Energia cinetică creată de această expansiune contribuie la formarea unei unde de șoc. Când detonarea are loc la altitudine mică în atmosferă, adică aproape de nivelul mării sau al solului, cea mai mare parte a energiei eliberate interacționează cu atmosfera și creează o undă care se extinde sferic din hipocentru : radiația intensă Thermal declanșează o minge de foc și, dacă altitudinea este suficient de mică, un nor de ciuperci ( norul de ciuperci ). Într-o detonație la altitudine mare, unde densitatea aerului este scăzută, se eliberează mult mai multă energie ca radiații ionizante gamma și X , mai degrabă decât ca undă de șoc atmosferică.

În 1945 a apărut o dezbatere în rândul oamenilor de știință care dezvoltau prima bombă nucleară cu privire la posibilitatea unei explozii nucleare suficient de mari pentru a aprinde întreaga atmosferă a Pământului . Acest lucru ar fi implicat că reacția nucleară dintre doi atomi de azot a fost capabilă să creeze un atom de carbon și un oxigen , cu eliberarea unei astfel de energii încât să excite alți atomi de azot până la punctul de a-i face să reacționeze, continuând reacția în lanț. azotul atmosferic este epuizat. S-a dovedit că o astfel de eventualitate era atât de improbabilă încât era considerată imposibilă; ^{[2] cu} toate acestea, o parte a comunității științifice a continuat să o discute timp de mulți ani.

Efecte directe

Daune explozive

Curbele de suprapresiune de la 1 la 50 psi (de la 6,9 la 345 kPa ) pentru o explozie de aer de 1 kiloton de TNT în funcție de rata de detonare. Curba subțire neagră indică înălțimea optimă de detonare pentru o rază dată de distrugere maximă a solului.

Estimarea gradului de deteriorare a solului cauzat de bombardamentul atomic de la Hiroshima și Nagasaki . O bombă cu hidrogen modernă ar fi de zeci ^{[3] de} ori mai puternică și ar cauza niveluri similare de distrugere la 2-5 ori distanța indicată în grafic.

Temperaturile și presiunile ridicate determină o mișcare radială a gazului într-o carcasă subțire și densă numită front hidrodinamic . Partea din față acționează ca un piston care împinge materia înconjurătoare, comprimând-o și transferându-i energia sub forma unei unde de șoc sferice. Inițial, această undă ar fi în interiorul suprafeței mingii de foc, care își are originea într-un volum de aer datorită interacțiunii moleculelor care o compun cu o doză masivă de raze X. Într-o fracțiune de secundă șocul dens din față se ascunde mingea de foc, provocând pulsul caracteristic dublu de lumină văzut în detonațiile nucleare.

Pentru explozii aeriene și aproape de suprafață, aproximativ 50-60% din energia eliberată ajunge în valul exploziv , în funcție de mărimea bombei și de relația dintre energia eliberată ( randament ) și greutatea bombei. Ca regulă generală, fracția de energie care se pierde în explozia reală este mai mare pentru bombele care eliberează mai puțină energie sau cântăresc mai mult. În plus, această fracțiune scade în detonări la altitudini mari, deoarece există o masă de aer mai mică, care este capabilă să absoarbă energia radiației și este capabilă să o transforme în undă de șoc: acest efect este deosebit de evident peste 30 km de altitudine, unde aerul este mai mică de o sutime din densitatea pe care o are la nivelul mării.

O mare parte din distrugerile provocate de o explozie nucleară se datorează efectelor exploziei . Majoritatea clădirilor, în afara structurilor armate și rezistente la undele de șoc, suferă daune grave atunci când sunt supuse doar suprapresiunilor 35,5 kPa .

Vântul provocat de explozie poate depăși i 1 000 km / h ^{[ fără sursă ]} , iar gama de efecte directe crește odată cu puterea eliberată de armă, precum și fiind o funcție a altitudinii exploziei. Spre deosebire de bunul simț, intervalul de distrugere maximă nu este mai mare pentru detonațiile de la sol sau la altitudini mici, ci crește odată cu altitudinea până la o altitudine optimă de explozie și apoi scade după detonări la altitudini mai mari. Motivul pentru aceasta rezidă în comportamentul neliniar al undelor de șoc: atunci când explozia ajunge la sol se reflectă, fuzionând cu unda de intrare dacă unghiul de incidență este mai mic decât o anumită valoare. Când se întâmplă acest lucru, acestea se îmbină într-o undă orizontală întărită (numită front Mach , deoarece a fost descoperită de Ernst Mach în dinamica fluidelor ). Pentru fiecare suprapresiune setată, este posibil să se stabilească o altitudine de explozie care maximizează raza de explozie.

De exemplu, într-o detonație aeriană tipică în care suprapresiunea este maximizată pentru valori între 35 și 140 kPa , raze de explozie de 0,7 km la 1 kt , 3,2 km până la 100 kt și 15 km pentru 10 Mt.

Dezvoltarea unei explozii la locul de testare din Nevada , circa 1952.

Două fenomene simultane și distincte sunt asociate cu unda explozivă din aer:

Suprapresiune statică - creșterea bruscă a presiunii exercitate de undele de șoc. Suprapresiunea la fiecare punct este direct proporțională cu densitatea aerului din val.
Presiune dinamică - rezistența exercitată de vânturi cauzată de explozie. Aceste vânturi împing, agită și sfâșie obiecte. Energiile de tragere ale vânturilor după explozie sunt proporționale cu cubul vitezei lor înmulțit cu durata ( impulsul ) lor.

O mare parte din daunele materiale cauzate de o explozie nucleară se datorează unei combinații de suprapresiuni statice și vânturi foarte puternice: compresia extinsă a impactului slăbește structurile fixe, care sunt apoi rupte de vânt. Fazele de compresie, vid și tragere pot dura împreună câteva secunde și pot exercita forțe de câteva ori mai mari decât cele cauzate de cele mai puternice uragane .

Acționând asupra corpului uman, undele de șoc provoacă unde de presiune prin țesuturi. Aceste unde afectează în principal joncțiunile dintre țesuturile de diferite densități ( mușchi și os ) sau interfața dintre țesuturi și aer. Plămânii și cavitatea abdominală , care conțin aer, sunt grav afectate, rezultând sângerări severe sau embolie , fiecare dintre acestea având efecte fatale rapid. O suprapresiune de aprox 70 kPa poate afecta grav țesuturile pulmonare; timpanele mai delicate pot rupe a 22 kPa ; între 90 și 130 kPa puteți fi siguri că mai mult de jumătate din timpane se vor rupe.

Radiație termala

Înălțimea norului de ciuperci pentru dispozitivele care izbucnesc pe sol depinde de puterea eliberată.
0 = Cota aproximativă la care operează companiile aeriene comerciale.
1 = Omul gras
2 = Castelul Bravo .

Armele nucleare emit cantități mari de radiații electromagnetice sub formă de lumină vizibilă , infraroșie și ultravioletă . Principalele riscuri sunt arsurile și leziunile ireversibile ale ochilor . În zilele libere de nori și ceață, nocivitatea efectelor termice și electromagnetice se poate extinde mult dincolo de gama undei de șoc: lumina emisă este atât de puternică încât focurile se răspândesc rapid peste molozul lăsat de explozie . Gama efectelor termice crește semnificativ odată cu puterea eliberată de armă, constituind 35-45% din energia emisă, în funcție de tipul utilizat.

Există două tipuri de daune oftalmice rezultate din radiația termică a unui astfel de dispozitiv:

Strălucirea - este cauzată de fulgerul inițial foarte luminos produs de detonarea nucleară. În general, aceasta este o energie luminoasă mai mare decât poate fi tolerată, dar mai mică decât cea necesară pentru daune ireversibile. Retina este deosebit de susceptibilă la lumina vizibilă și la benzi de radiații cu lungime de undă mai mică , deoarece această parte a spectrului electromagnetic este focalizată de lentila asupra retinei în sine. Rezultatul este o albire a pigmenților vizuali și o orbire temporară care poate dura până la 40 de minute.

Arsurile vizibile pe spatele unei femei după bombardamentul atomic din Hiroshima . Părțile chimonoului care au o culoare mai închisă în momentul detonării corespund arsurilor clar vizibile de pe părțile rochiei care au fost expuse la radiații de căldură în contact cu pielea. Deoarece kimono-urile japoneze nu sunt un tip de îmbrăcăminte deosebit de strâns, unele părți nu au atins în mod direct pielea femeii, ceea ce explică întreruperile în modelul arsurilor; părțile cele mai apropiate de obi (centura) erau mai strânse pe corp, provocând arsuri mai vizibile.

Arderea retinei - chiar și o arsură parțială a retinei, cu cicatrizarea consecventă, cauzată de focalizarea unei cantități mari de energie termică de către lentilă, poate provoca daune ireparabile. Practic se întâmplă atunci când mingea de foc se află într-adevăr în câmpul vizual al individului și ar fi o leziune relativ neobișnuită. Cu toate acestea, arsurile retiniene pot apărea la distanțe considerabile de explozie: dimensiunea relativă a mingii de foc , care este o funcție a puterii eliberate și a razei exploziei, determină gradul și nivelul cicatricii retinei. O cicatrice în partea centrală a câmpului vizual ar fi, fără îndoială, mai debilitantă: mai general, este posibilă apariția unor defecte vizuale limitate, adesea abia sesizabile de către victime.

Când radiația termică lovește un obiect, o parte din acesta este reflectată, o parte transmisă și restul absorbită. Fracția care este absorbită depinde de natura și culoarea materialului: un material mai subțire va transmite mai mult; un material de culoare deschisă va reflecta mai mult și, prin urmare, va fi mai puțin deteriorat. Absorbția radiației ridică temperatura suprafeței obiectelor, provocând deformări, arsuri și, în cele din urmă, focul materialelor supuse, mai ales dacă acestea sunt ușor inflamabile (lemn, hârtie, fibre textile). Dacă materialele care le compun sunt conductori răi ai căldurii , aceasta va rămâne limitată la suprafața exterioară.

Aprinderea efectivă a obiectelor depinde de durata impulsului termic, grosime și umiditate. În apropierea hipocentrului ( zero ), fluența termică depășește 1,25 MJ / m ² care determină aprinderea imediată a oricărui lucru care poate arde. În plus, va avea loc aprinderea numai a celor mai ușor inflamabile materiale: efectul incendiar global este o compoziție a aprinderii termice a materialelor cu incendii secundare cauzate de efectele undei de presiune, cum ar fi explozia de combustibili, sobe, depozite de gaz .

În Hiroshima a existat o conflagrație înfricoșătoare - o furtună de foc - care s-a dezvoltat la 20 de minute după atac și a distrus mult mai multe clădiri decât făcuse deja bomba. O furtună de foc provoacă vânturi puternice care suflă spre centrul focului din fiecare punct din jurul său. Cu toate acestea, acesta nu este un fenomen aparte de explozii nucleare, fiind observat frecvent în cazul unor mari incendii forestiere în urma incursiunilor incendiare declanșate în timpul celui de- al doilea război mondial .

Pe măsură ce radiația termică se deplasează aproximativ în linie dreaptă de la globul de foc, orice obiect opac va produce o umbră de protecție. În prezența ceaților sau a ceții, difuzia energiei termice va încălzi obiectele din toate direcțiile, reducând radical efectul protector al întunecării, reducând în același timp raza de acțiune a radiației în sine.

Efecte indirecte

Radiatie electromagnetica

Același subiect în detaliu: Pulsul electromagnetic .

Razele gamma dintr-o explozie nucleară produc electroni cu energie ridicată datorită efectului Compton . Acești electroni sunt capturați în câmpul magnetic al Pământului la altitudini cuprinse între 20 și 40 km, unde rezonează . Curentul electric oscilant produce un impuls electromagnetic coerent (EMP) care durează aproximativ o milisecundă. Efectele secundare pot dura mai mult de o secundă.

Pulsul este suficient de puternic pentru a induce potențiale electrice foarte mari între obiectele metalice (cum ar fi firele de cupru ), care acționează ca antene atunci când pulsul trece. Diferențele enorme de potențial și curenții electrici puternici asociați acestora pot distruge complet componentele electronice neecranate și multe conexiuni electrice. Componenta ionizată a atmosferei face, de asemenea, dificilă sau imposibilă transmiterea undelor radio care în mod normal ar sări de pe ionosferă .

Dispozitivele electronice pot fi protejate înfășurându-le complet într-un material conductor, pentru a crea o cușcă Faraday . Desigur, aparatele radio nu pot funcționa atunci când sunt ecranate, deoarece undele radio nu le pot atinge în astfel de condiții și nici nu se pot răspândi din interiorul unei cuști Faraday.

Nu există consecințe biologice cunoscute în urma EMP.

Radiații ionizante

Aproximativ 5% din energia eliberată într-o detonație nucleară aeriană este emisă sub formă de radiații ionizante : radiații de neutroni , raze gamma , particule alfa și electroni la viteze apropiate de viteza luminii. Razele gamma sunt unde electromagnetice de mare energie, celelalte sunt particule care se mișcă la viteze subluminale. Neutronii sunt produși aproape exclusiv de reacțiile de fisiune și fuziune nucleară , în timp ce radiația gamma inițială provine atât din reacțiile nucleare, cât și din decăderea pe termen scurt a subproduselor de fisiune.

Intensitatea radiației nucleare inițiale scade rapid odată cu distanța față de hipocentru, deoarece radiația se răspândește pe o zonă progresiv mai mare pe măsură ce se îndepărtează de punctul de impact. De asemenea, este redus prin absorbția și difuzia atmosferică.

Caracterul radiației într-un anumit loc depinde și variază foarte mult în funcție de distanța de la explozie: în apropierea hipocentrului, intensitatea neutronilor liberi este mai mare decât radiația gamma, dar odată cu creșterea distanței, acest raport este inversat. În cele din urmă, componenta neutronică a radiației inițiale devine neglijabilă în comparație cu componenta gamma. Gama de difuzie a radiației inițiale nu depinde în mod semnificativ de puterea bombei și, pe măsură ce aceasta crește, pericolul constituit de radiația în sine devine mai puțin semnificativ decât puterea distructivă a suprapresiunii și efectul termic. Cu cele mai puternice arme nucleare de peste 50 kt (200 TJ ), acestea din urmă sunt atât de puternice și distructive încât efectul radiației poate fi ignorat.

Radiația neutronică are ca efect transmutarea stării atomice a materiei bombardate, făcându-l deseori radioactiv . Atunci când este combinată cu praful de material radioactiv eliberat de bombă, o cantitate mare de substanțe radioactive foarte ușoare se răspândește în mediu: această formă de contaminare radioactivă este cunoscută sub numele de cădere nucleară și constituie riscul principal de expunere la radiații ionizante pentru arme nucleare.

Cutremure

Unda de presiune dintr-o explozie subterană se extinde prin sol și provoacă un mic cutremur . ^[4] Teoria sugerează că o detonare nucleară ar putea declanșa o ruptură între defecte și astfel un cutremur de intensitate redusă la distanțe de câteva zeci de km de epicentru . ^[5]

Rezumatul efectelor

Tabelul următor este destinat să fie un rezumat indicativ al consecințelor directe și indirecte ale unei detonații nucleare.


Efecte	Puterea emisă / Altitudinea atinsă de explozie
Efecte	1 kT / 200 m	20 kT / 540 m	1 MT / 2,0 km	20 MT / 5,4 km
Raza la sol a deteriorării detonării GR / km
Zonele urbane complet distruse 138 kPa	0,2	0,6	2.4	6.4
Distrugerea majorității clădirilor civile 34,5 kPa	0,6	1.7	6.2	17
Daune moderate asupra clădirilor civile 6,9 kPa	1.7	4.7	17	47
Vagoanele de cale ferată s-au alungat de pe șine și s-au zdrobit 62 kPa ; valorile pentru armele în afara 20 kT sunt extrapolate prin metoda rădăcinii cubului)	≈0.4	1.0	≈4	≈10
Raza solului de daune termice GR / km
Conflagraţie	0,5	2.0	10	30
Arsuri de gradul III ( țesut necrotic )	0,6	2.5	12	38
Arsuri de gradul II ( flittene , edem )	0,8	3.2	15	44
Arsuri de gradul I ( eritem )	1.1	4.2	19	53
Raza oblică ^[6] a simptomelor legate de bombardamentul radioactiv instantaneu SR / km
Doza letală totală ^[7] (neutroni și raze gamma)	0,8	1.4	2.3	4.7
Doza totală pentru otrăvirea cu radiații ^[7]	1.2	1.8	2.9	5.4

Efecte permanente

O gamă masivă de explozii nucleare ar putea provoca dispariția vieții pe Pământ și dispariția rasei umane, aducând planeta într-o stare primitivă, sălbatică și inospitalieră pentru orice ființă vie.

Notă

^ Departamentul american de sănătate și servicii umane, Explozii nucleare: arme, dispozitive nucleare improvizate , la remm.nlm.gov , 16 februarie 2008. Accesat la 27 august 2010 .
^ http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00329010.pdf
^ proiectul de informare nucleară: publicații
^ Alsos: explozii nucleare și cutremure: vălul despărțit , pe alsos.wlu.edu . Adus la 1 februarie 2009 (arhivat din original la 10 martie 2012) .
^ Întrebări frecvente Arhivat 26 mai 2006 la Internet Archive .
^ Pentru efectele radiației directe, este prezentată raza oblică, adică distanța reală dintre observator și explozie, deoarece unele efecte nu sunt perceptibile nici măcar la hipocentru pentru unele altitudini de explozie. Dacă efectul este perceptibil la nivelul zero , raza de la sol poate fi obținută pur și simplu prin intermediul razei oblică și a altitudinii de detonare ( teorema lui Pitagora ).
^ ^a ^b Intoxicația prin radiație corespunde aici cu doza de 1 Gy , iar doza letală cu 10 Gy. Rețineți că acestea sunt simple estimări, deoarece nu sunt luate în considerare toate condițiile biologice.