Грибное облако - Mushroom cloud

Восходящее облако от Вулкан Редут от извержения 21 апреля 1990 года. Шлейф грибовидной формы поднялся из лавин раскаленных обломков (пирокластические потоки ), которые каскадом спускались с северного склона вулкана.
Грибное облако из атомная бомбардировка из Нагасаки, Япония, 9 августа 1945 года.

А грибовидное облако это отличительный пирокумулус гриб -образное облако из мусора, дыма и обычно конденсированного водяной пар в результате сильного взрыва. Эффект чаще всего ассоциируется с ядерный взрыв, но любой достаточно энергичный детонация или же дефлаграция даст тот же эффект. Они могут быть вызваны мощным обычные виды оружия, подобно термобарическое оружие, в том числе ATBIP и GBU-43 / B Массивный воздушный удар. Немного вулканический высыпания и ударные события может производить естественные грибовидные облака.

Грибные облака возникают в результате внезапного образования большого объема газов с более низкой плотностью на любой высоте, вызывая Неустойчивость Рэлея – Тейлора.. Плавучая масса газа быстро увеличивается, в результате чего бурный вихри закручивается вниз по краям, образуя временный вихревое кольцо который вытягивает центральную колонну, возможно, с дымом, обломками и / или конденсированным водяным паром с образованием «ножки гриба». Масса газа плюс увлеченный влажный воздух в конечном итоге достигает высоты, на которой он уже не имеет более низкой плотности, чем окружающий воздух; в этот момент он расходится, дрейфующий вниз (видеть выпадать ). Высота стабилизации сильно зависит от профилей температуры, точки росы и сдвига ветра в воздухе на начальной высоте и выше.

Ранние отчеты, происхождение термина

Vue du siège de Gibraltar и взрыв флотантов батарей Вид на Осада Гибралтара и «Взрыв плавучих батарей», неизвестный художник, 1782 г.

Хотя этот термин, кажется, был придуман в начале 1950-х годов, грибовидные облака, образовавшиеся в результате взрывов, описывались за столетия до атомной эры.

Современный акватинта неизвестного художника 1782 Франко-испанское нападение на Гибралтар. показывает одну из атакующих сил плавающие батареи взорвалось грибовидным облаком после того, как британские защитники подожгли его огнем горячий выстрел.

Грибное облако на гравюре Герхарда Виета Physikalischer Kinderfreund (1798)

В 1798 году Герхард Вьет опубликовал подробный иллюстрированный отчет об облаке в окрестностях Гота это было «не похоже на гриб по форме». Несколько лет назад тёплым летним днем ​​это облако наблюдал советник дипломатической миссии Лихтенберг. Это было интерпретировано как неправильное метеорологическое облако и, похоже, вызвало бурю с дождем и громом из нового темного облака, которое образовалось под ним. Лихтенберг заявил, что позже наблюдал несколько похожих облаков, но ни одного такого замечательного.[1]

1917 год Галифакс Взрыв произвел один.

Времена опубликовал 1 октября 1937 г. отчет о нападении Японии на Шанхай в Китае, который породил «большой гриб дыма».

Во время Второй мировой войны описания грибовидных облаков были относительно обычным явлением.[нужна цитата ][требуется разъяснение ]

Облако атомной бомбы над Нагасаки, Япония описана в Времена Лондона от 13 августа 1945 года как «огромный гриб дыма и пыли». 9 сентября 1945 г. Нью-Йорк Таймс опубликовал свидетельство очевидца взрыва в Нагасаки, написанное Уильям Л. Лоуренс, официальный корреспондент газеты Манхэттенский проект, который сопровождал один из трех самолетов, совершивших бомбардировку. Он писал о бомбе, производящей «столб пурпурного огня», из вершины которого вырос «гигантский гриб, увеличивший высоту столба до 45 000 футов».[2]

Позже в 1946 г. Операция Перекресток Испытания ядерной бомбы были описаны как имеющие "цветная капуста "облако, но присутствующий репортер также говорил о" грибе, теперь распространенном символе атомный век ". Грибы традиционно ассоциировались как с жизнью, так и со смертью, едой и ядом, что делает их символической связью более мощной, чем, скажем, облако" цветной капусты ".[3]

Физика

Внутри поднимающегося грибовидного облака: более плотный воздух быстро проникает в нижний центр облака. тороидальный огненный шар, который бурно смешивается с уже знакомым облаком.

Грибные облака образуются в результате многих видов больших взрывов под действием земной гравитации, но наиболее известны они своим появлением после ядерные взрывы. Без силы тяжести побочные газы взрывчатого вещества остались бы сферическими. Ядерное оружие обычно взрывается над землей (не при ударе, потому что некоторая энергия рассеивается движением земли), чтобы максимизировать эффект расширяющегося сферически огненного шара и взрывная волна. 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 достаточно очистил землю, - это «сферический колпачок пузыря»,[4] поскольку это дает согласие между скоростью подъема и наблюдаемым диаметром.

15 мегатонн Замок Браво взрыв на атолле Бикини 1 марта 1954 года, показывающий несколько колец конденсации и несколько ледяных шапок.

Когда он поднимается, Неустойчивость Рэлея – Тейлора. образуется, и воздух втягивается вверх и в облако (аналогично восходящий поток из дымовая труба ), создавая сильные воздушные потоки, известные как "после ветра ", а внутри головы облака горячие газы вращаются по тороидальный форма. Когда высота детонации достаточно мала, эти попутные ветры будут втягивать грязь и обломки с земли внизу, чтобы сформировать стебель грибовидного облака.

После того, как масса горячих газов достигнет своего уровень равновесия, подъем прекращается, и облако начинает сглаживаться до характерной грибовидной формы, чему обычно способствует рост поверхности из-за затухающей турбулентности.

Ядерные грибовидные облака

Ядерные взрывы, произведенные высоко над землей, могут не создать грибовидные облака со стеблем. Сами головы облаков состоят из очень радиоактивный частицы, в первую очередь продукты деления и другие аэрозоли осколков оружия, которые обычно разносятся ветром, хотя погодные условия (особенно дождь) могут вызывать проблемы радиоактивные осадки.[5]

Взрывы значительно ниже уровня земли или глубоко под водой (например, ядерные глубинные бомбы) также не создают грибовидных облаков, поскольку в этих случаях взрыв вызывает испарение огромного количества земли и воды, создавая пузырь, который затем схлопывается в на себя; в случае менее глубокого подземного взрыва это производит кратер проседания. Взрывы под водой, но вблизи поверхности создают столб воды, который при обрушении образует форму, похожую на цветную капусту, которую легко принять за грибовидное облако (например, на хорошо известных фотографиях Crossroads Baker тест). Подземные детонации на малой глубине создают грибовидное облако и базовый всплеск, два разных разных облака. Количество радиации, выбрасываемой в атмосферу, быстро уменьшается с увеличением глубины детонации.

При наземных и приповерхностных воздушных взрывах количество подбрасываемого в воздух мусора быстро уменьшается с увеличением высоты взрыва. На высоте взрыва примерно 7 метры / килотонна​1⁄3, а кратер не образуется, и соответственно образуется меньше пыли и мусора. Высота уменьшения выпадений, выше которой первичные радиоактивные частицы состоят в основном из тонкой конденсации огненного шара, составляет примерно 55 метры / килотонна0.4.[5] Однако даже на такой высоте взрыва выпадение осадков может быть вызвано рядом механизмов.

Размер грибовидного облака как функция урожай.[нужна цитата ]

Распределение излучения в грибовидном облаке зависит от мощности взрыва, типа оружия, отношения термоядерного синтеза к делению, высоты взрыва, типа местности и погоды. Как правило, при взрывах малой мощности около 90% радиоактивности приходится на шляпку гриба и 10% - на стебель. Напротив, взрывы мегатонного диапазона обычно имеют большую часть своей радиоактивности в нижней трети грибовидного облака.[6]

В момент взрыва образуется огненный шар. Восходящая, примерно сферическая масса горячего, раскаленный газы меняют форму из-за атмосферного трения и охлаждают свою поверхность энергетическим излучением, превращаясь из сферы в сильно вращающийся сфероидальный вихрь. А Неустойчивость Рэлея – Тейлора. формируется, когда нижний холодный воздух первоначально выталкивает нижние газы огненного шара в форму перевернутой чашки. Это вызывает турбулентность и вихрь, который всасывает больше воздуха в свой центр, создавая внешний вторичный ветер и охлаждаясь. Скорость его вращения замедляется по мере охлаждения и может полностью остановиться на более поздних этапах. Испаренные части оружия и ионизированный воздух охлаждаются до видимых газов, образуя раннее облако; в раскаленный добела ядро вихря становится желтым, затем темно-красным, затем теряет видимый накал. При дальнейшем охлаждении основная масса облака заполняется по мере конденсации атмосферной влаги. Когда облако поднимается и остывает, его плавучесть уменьшается, и его подъем замедляется.

Если размер огненного шара сопоставим с плотностью атмосферы высота шкалы, весь рост облака будет баллистический, облет большого объема сжатого воздуха на большую высоту, чем конечная высота стабилизации. Значительно меньшие по размеру огненные шары создают облака с подъемом, регулируемым плавучестью.

После достижения тропопауза, нижняя граница области сильной статической устойчивости, облако имеет тенденцию замедлять подъем и расширяться. Если он содержит достаточно энергии, его центральная часть может продолжать подниматься в стратосфера как аналог стандартной грозы.[7] Масса воздуха, поднимающаяся из тропосферы в стратосферу, приводит к образованию акустических гравитационные волны, практически идентичные тем, которые создаются интенсивным проникновением в стратосферу грозы. Взрывы меньшего масштаба, пронизывающие тропопаузу, генерируют волны более высокой частоты, классифицируемые как инфразвук.

Взрыв поднимает большое количество влажного воздуха с меньших высот. Когда воздух поднимается, его температура падает, и его водяной пар сначала конденсируется в виде капель воды, а затем замерзает в виде кристаллов льда. Фаза смены релиза скрытая теплота, нагревая облако и поднимая его на еще большую высоту.

Эволюция ядерного грибовидного облака; 19 узлов на высоте 120 м • узлы −​1⁄3. Тамблер-окунь. Песчаный Пустыня Невада почва "засорена" интенсивным вспышка света, излучаемого быстрая сверхкритичность мероприятие; этот «эффект попкорнинга» приводит к тому, что в ствол грибовидного облака поднимается больше почвы, чем в противном случае, если бы устройство было размещено над более типичной поверхностью или почвой.

Грибовидное облако претерпевает несколько фаз формирования.[8]

  • Раннее время, первые ≈20 секунд, когда образуется огненный шар и продукты деления смешиваются с веществом, которое вырывается из-под земли или выбрасывается из кратера. Конденсация испарившейся земли происходит в первые несколько секунд, наиболее интенсивно при температурах огненного шара 3500–4100 К.[9]
  • Фаза подъема и стабилизацииОт 20 секунд до 10 минут, когда поднимаются горячие газы и выпадают ранние крупные осадки.
  • Позднее времяпримерно до 2 дней спустя, когда частицы в воздухе разнесутся ветром, нанесенный гравитацией, и уносится осадками.

На форму облака влияют местные атмосферные условия и характер ветра. Выпадение осадков происходит преимущественно с подветренной стороны. шлейф. Однако если облако достигнет тропопауза, он может распространяться против ветра, потому что скорость его конвекции выше, чем скорость окружающего ветра. В тропопаузе форма облака примерно круглая и распростертая.

Первоначальный цвет некоторых радиоактивных облаков может быть красным или красновато-коричневым из-за наличия диоксид азота и азотная кислота, образованный из первоначально ионизированных азот, кислород, и атмосферная влажность. В условиях высокотемпературной и радиационной среды взрыва озон тоже образуется. Подсчитано, что каждая мегатонна урожая дает около 5000 тонн оксидов азота.[10] Также описаны желтые и оранжевые оттенки. Этот красноватый оттенок позже затеняется белым цветом водяных / ледяных облаков, конденсирующихся из быстро текущего воздуха, когда огненный шар охлаждается, и темного цвета дыма и мусора, всасываемых восходящим потоком. Озон придает взрыву характерный коронный разряд -подобный запах.[11]

Капли конденсированной воды постепенно испаряются, что приводит к исчезновению облака. Однако радиоактивные частицы остаются взвешенными в воздухе, а теперь невидимое облако продолжает оседать на своем пути.

Ствол облака от серого до коричневого в результате прорыва земли, так как грибовидное облако засасывает большое количество пыли, грязи, почвы и мусора. Воздушные взрывы производят белые, парящие стебли. Взрывы земли создают темные грибовидные облака, содержащие облученный материал с земли в дополнение к бомбе и ее оболочке, и, следовательно, производят больше радиоактивных осадков с более крупными частицами, которые легко осаждаются локально.

Детонация с более высокой мощностью может унести оксиды азота от взрыва достаточно высоко в атмосфере, чтобы вызвать значительные истощение из озоновый слой.

Двойной гриб с двумя уровнями может образовываться при определенных условиях. Например, Бастер-Джангл сахар Выстрел сформировал первую голову от самого взрыва, за которой последовала другая, вызванная жаром от горячего, свежеобразованного кратера.[12]

Сами осадки могут выглядеть как сухие, похожие на пепел хлопья или частицы, слишком мелкие, чтобы их можно было увидеть; в последнем случае частицы часто выпадают из-за дождя. Большое количество новых радиоактивных частиц, попадающих на кожу, может вызвать бета ожоги, часто проявляющиеся в виде обесцвеченных пятен и поражения на спинах выставленных животных.[13] Последствия Замок Браво тест имел вид белой пыли и получил прозвище Бикини снег; крошечные белые хлопья напоминали снежинки, прилипал к поверхности и имел соленый привкус. 41,4% выпадений Операция Вигвам Тест состоял из непрозрачных частиц неправильной формы, чуть более 25% частиц с прозрачными и непрозрачными участками, примерно 20% микроскопических морских организмов и 2% микроскопических радиоактивных нитей неизвестного происхождения.[12]

Состав облака

Грибовидное облако из Бастер-Джангл Чарли, мощность 14 килотонн (на высоте 143 м • кт −​1⁄3), во время начальной фазы формирования стебля. Сверху виден тороидальный огненный шар, конденсационное облако формируется посередине из-за интенсивных восходящих потоков влажного воздуха, и формирующийся частичный стебель можно увидеть ниже. Облако имеет красновато-коричневый оттенок оксидов азота.

Облако содержит три основных класса материалов: остатки оружия и продуктов его деления, материал, полученный с земли (имеет значение только для высот взрыва ниже высоты снижения радиоактивных осадков, которая зависит от мощности оружия) и водяной пар. Основная часть излучения, содержащегося в облаке, состоит из продукты ядерного деления; нейтронная активация продукты из оружейных материалов, воздуха и наземных обломков составляют лишь небольшую часть. Активация нейтронов начинается во время нейтронной вспышки в момент самого взрыва, и диапазон этой нейтронной вспышки ограничен поглощением нейтронов, когда они проходят через атмосферу Земли.

Большая часть излучения создается продуктами деления. Значительную часть своей мощности термоядерное оружие производит термоядерная реакция. Продукты термоядерного синтеза обычно нерадиоактивны. Поэтому степень образования радиоактивных осадков измеряется в килотоннах деления. В Царь Бомба, который произвел 97% своей мощности в 50 мегатонн за счет термоядерного синтеза, был очень чистым оружием по сравнению с тем, что обычно можно было бы ожидать от оружия с его мощностью (хотя оно все еще производило 1,5 мегатонны своей мощности за счет деления), поскольку его вмешательство в термоядерный синтез изготовлен из свинца вместо урана-238; в противном случае его мощность составила бы 100 мегатонн, из которых 51 - деление. Если бы он был взорван на поверхности или вблизи нее, его выпадение составило бы целую 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. Когда плазма охлаждается, атомы вступают в реакцию, образуя мелкие капли, а затем твердые частицы оксидов. Частицы сливаются с более крупными и осаждаются на поверхности других частиц. Более крупные частицы обычно происходят из материала, устремленного в облако. Частицы устремились, пока облако еще было достаточно горячим, чтобы расплавить их, смешиваясь с продуктами деления по всему объему. Более крупные частицы получают расплавленные радиоактивные материалы, осаждаемые на их поверхности. Частицы, попавшие в облако позже, когда его температура достаточно низкая, не становятся значительно загрязненными. Частицы, образующиеся только от самого оружия, достаточно мелкие, чтобы оставаться в воздухе в течение длительного времени, и становятся широко рассредоточенными и разбавленными до безопасных уровней. Взрывы на больших высотах, которые не проникают в обломки земли или которые собирают пыль только после достаточного охлаждения, и где радиоактивная фракция частиц поэтому мала, вызывают гораздо меньшую степень локализованных осадков, чем взрывы на более низких высотах с более крупными радиоактивными частицами.

Концентрация продуктов конденсации одинакова для мелких частиц и для осажденных поверхностных слоев более крупных частиц. На килотонну урожая образуется около 100 кг мелких частиц. Объем и, следовательно, активность мелких частиц почти на три порядка меньше объема осажденных поверхностных слоев на более крупных частицах.

При взрывах на больших высотах процессы образования первичных частиц следующие: конденсация и последующие коагуляция. При низковысотных и наземных взрывах с участием частиц грунта основным процессом является осаждение на инородных частицах.

При взрыве на малой высоте образуется облако с запылением в 100 тонн на мегатонну урожая. При взрыве с земли образуются облака, в которых примерно в три раза больше пыли. При наземном взрыве примерно 200 тонн почвы на килотонну урожая плавятся и вступают в контакт с радиацией.[9]

Объем огненного шара одинаков для поверхностной и атмосферной детонации. В первом случае огненный шар представляет собой не шар, а полусферу с соответственно большим радиусом.[9]

Размеры частиц варьируются от субмикронных и микрометровых (образуются в результате конденсации плазмы в огненном шаре) до 10–500 микрометров (поверхностный материал, взволнованный взрывной волной и поднятый после ветра), до миллиметров и выше (выброс кратера). . Размер частиц вместе с высотой, на которую они переносятся, определяет продолжительность их пребывания в атмосфере, поскольку более крупные частицы подвержены воздействию сухие осадки. Более мелкие частицы также могут улавливаться осадки, либо от конденсата в самом облаке, либо от пересечения облака Дождевые облака. Выпадение дождя известно как дождь если они собраны во время формирования дождевых облаков, вымывание при впитывании в уже образовавшиеся падающие капли дождя.[14]

Частицы от воздушных взрывов имеют размер менее 10–25 микрометров, обычно в субмикронном диапазоне. Они состоят в основном из оксиды железа, с меньшей долей оксид алюминия, и уран и оксиды плутония. Частицы размером более 1–2 микрометров имеют очень сферическую форму, что соответствует испарению материала, который конденсируется в капли и затем затвердевает. Радиоактивность равномерно распределена по объему частиц, что делает общую активность частиц линейно зависимой от объема частицы.[9] Около 80% активности присутствует в более летучих элементах, которые конденсируются только после того, как огненный шар в значительной степени остынет. Например, стронций-90 будет меньше времени для конденсации и объединения в более крупные частицы, что приведет к большей степени смешивания объема воздуха и более мелких частиц.[15] Частицы, образующиеся сразу после взрыва, имеют небольшие размеры, причем 90% радиоактивности присутствует в частицах размером менее 300 нанометров. Они коагулируют стратосферными аэрозолями. Коагуляция более обширна в тропосфере, и на уровне земли наибольшая активность присутствует в частицах между 300нм и 1мкм. Коагуляция нивелирует процессы фракционирования при образовании частиц, выравнивая изотопное распределение.

При наземных и низковысотных всплесках облако также содержит испаренные, расплавленные и сплавленные частицы почвы. Распределение активности по частицам зависит от их образования. Частицы, образованные в результате испарения-конденсации, обладают активностью, равномерно распределенной по объему, как частицы, вырывающиеся из воздуха. Более крупные расплавленные частицы имеют продукты деления, диффундирующие через внешние слои, а расплавленные и неплавленные частицы, которые не были достаточно нагреты, но вступили в контакт с испарившимся материалом или улавливаемыми каплями до их затвердевания, имеют относительно тонкий слой высокоактивного материала, осажденного на их поверхность. Состав таких частиц зависит от характера почвы, обычно это стеклообразный материал, образованный из силикат минералы. Размеры частиц зависят не от урожая, а от характера почвы, поскольку они основаны на отдельных зернах почвы или их скоплениях. Присутствуют два типа частиц, сферические, образованные в результате 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 0,5–2 мм. ), и частицы неправильной формы, образовавшиеся на краях огненного шара в результате слияния частиц почвы, с активностью, отложенной в тонком поверхностном слое. Количество крупных частиц неправильной формы незначительно.[9] Частицы, образовавшиеся в результате взрыва над океаном или в океане, будут содержать короткоживущие радиоактивные изотопы натрия и соли из морская вода. Расплавленный кремнезем является очень хорошим растворителем оксидов металлов и легко удаляет мелкие частицы; взрывы над грунтами, содержащими кремнезем, будут производить частицы с изотопами, смешанными в их объеме. В отличие, коралл мусор, основанный на карбонат кальция, стремится адсорбировать радиоактивные частицы на своей поверхности.[15]

Элементы подвергаются фракционирование во время образования частиц из-за их различного непостоянство. Огнеупорный элементы (Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm) образуют оксиды с высоким точки кипения; они осаждаются быстрее всех 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 (или их оксиды) имеют температуры кипения, близкие к температуре затвердевания частиц (Rb, Cs, Mo, Ru, Rh, Tc, Sb, Te). Элементы в огненном шаре представлены в виде оксидов, если температура не выше температуры разложения данного оксида. Менее тугоплавкие продукты конденсируются на поверхности затвердевших частиц. Изотопы с газообразными предшественниками затвердевают на поверхности частиц, поскольку они образуются в результате распада.

Самые крупные и, следовательно, наиболее радиоактивные частицы выпадают в результате выпадения осадков в первые несколько часов после взрыва. Более мелкие частицы переносятся на более высокие высоты и опускаются медленнее, достигая земли в менее радиоактивном состоянии, поскольку изотопы с самым коротким периодом полураспада распадаются быстрее всего. Мельчайшие частицы могут достигать стратосферы и оставаться там в течение недель, месяцев или даже лет и покрывать все полушарие планеты посредством атмосферных течений. Более опасные, краткосрочные, локализованные осадки выпадают в основном с подветренной стороны от места взрыва, в сигарообразной зоне, при условии, что ветер будет постоянной силы и направления. Боковой ветер, изменение направления ветра и осадки - факторы, которые могут сильно изменить характер выпадения осадков.[16]

Конденсация капель воды в грибовидном облаке зависит от количества ядра конденсации. Слишком много ядер конденсации фактически препятствуют конденсации, поскольку частицы конкурируют за относительно недостаточное количество водяного пара.

Химическая реакционная способность элементов и их оксидов, свойства ионной адсорбции и растворимость соединений влияют на распределение частиц в окружающей среде после осаждения из атмосферы. Биоаккумуляция влияет на распространение радиоизотопов выпадений в биосфера.

Радиоизотопы

Основная опасность выпадений гамма-излучение из короткоживущих радиоизотопов, которые представляют основную активность. В течение 24 часов после взрыва уровень гамма-излучения падает в 60 раз. Радиоизотопы с длительным сроком службы, обычно цезий-137 и стронций-90, представляют долгосрочную опасность. Интенсивный бета-излучение от частиц радиоактивных осадков может вызвать бета ожоги людям и животным, контактирующим с радиоактивными осадками вскоре после взрыва. Проглоченные или вдыхаемые частицы вызывают внутренняя доза альфа- и бета-излучения, что может привести к долгосрочным последствиям, включая рак.

Само нейтронное облучение атмосферы вызывает небольшую активацию, в основном долгоживущую. углерод-14 и недолговечный аргон -41. Наиболее важными элементами наведенной радиоактивности морской воды являются: натрий -24, хлор, магний, и бром. Для наземных взрывов элементами беспокойства являются: алюминий -28, кремний -31, натрий-24, марганец -56, утюг -59, и кобальт-60.

Кожух бомбы может быть значительным источником радиоизотопов, активированных нейтронами. Поток нейтронов в бомбах, особенно в термоядерных устройствах, достаточен для высокопороговой ядерные реакции. 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 короткоживущие марганец-56, натрий-24, кремний-31 и алюминий-28. Европий -152 и 154 могут присутствовать, а также два ядерные изомеры из родий -102. Вовремя Операция Hardtack, вольфрам -185, 181 и 187 и рений -188 были произведены из элементов, добавленных как трассеры к корпусам бомб, чтобы можно было идентифицировать радиоактивные осадки от конкретных взрывов. Сурьма -124, кадмий -109 и кадмий-113m также упоминаются как индикаторы.[9]

Наиболее значительными источниками излучения являются продукты деления от первичной стадии деления, а в случае оружия деления-слияния-деления, от деления уранового тампера стадии термоядерного синтеза. При термоядерном взрыве выделяется гораздо больше нейтронов на единицу энергии по сравнению с чисто выходом деления, влияющим на состав продуктов деления. Например, уран-237 изотоп является уникальным маркером термоядерного взрыва, так как он образуется в результате (n, 2n) реакции из уран-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, и захват большого количества нейтронов отдельными ядрами приводит к образованию небольших, но обнаруживаемых количеств более высоких трансурановые элементы, например эйнштейний -255 и фермий -255.[9]

Одним из важных продуктов деления является криптон-90, радиоактивный благородный газ. Он легко диффундирует в облаке и претерпевает два распада до рубидия-90, а затем стронций-90 с периодом полураспада 33 секунды и 3 минуты. Нереактивность благородных газов и их быстрая диффузия являются причиной истощения локальных выпадений Sr-90 и соответствующего обогащения удаленных выпадений Sr-90.[17]

Радиоактивность частиц со временем уменьшается, при этом разные изотопы имеют значение в разные периоды времени. Для продуктов активации почвы алюминий-28 является наиболее важным участником в течение первых 15 минут. Марганец-56 и натрий-24 следуют примерно до 200 часов. Железо-59 следует через 300 часов, а через 100–300 дней значительным вкладчиком становится кобальт-60.

Радиоактивные частицы могут переноситься на значительные расстояния. Излучение от Тринити-тест был смыт ливень в Иллинойс. Это было установлено, и происхождение прослежено, когда Eastman Kodak обнаруженные рентгеновские пленки были затуманенный к картон упаковка произведена в Средний Запад. Неожиданные ветры несли смертельные дозы Замок Браво выпадение из-за Атолл Ронгелап, вызывая его эвакуацию. Экипаж Дайго Фукурю Мару, японское рыболовное судно, находившееся за пределами прогнозируемой опасной зоны, также пострадало. Стронций-90, обнаруженный в радиоактивных осадках по всему миру, позже привел к Договор о частичном запрещении испытаний.[15]

Флуоресцентное свечение

Основная статья: Ионизированное свечение воздуха

Интенсивное излучение в первые секунды после взрыва может вызвать наблюдаемую ауру флуоресценция, то сине-фиолетово-пурпурное свечение ионизированных кислород и азот на значительное расстояние от огненного шара, окружая голову образующегося грибовидного облака.[18][19][20] Этот свет лучше всего виден ночью или в условиях слабого дневного света.[5] Яркость свечения быстро уменьшается с течением времени с момента взрыва, становясь едва заметным только через несколько десятков секунд.[21]

Эффекты конденсации

Ядерные грибовидные облака часто сопровождаются недолговечными паровыми облаками, известными как "Уилсон облака ", облака конденсата или паровые кольца." Отрицательная фаза "после положительного избыточного давления за ударный фронт вызывает резкое разрежение окружающей среды. Эта область низкого давления вызывает адиабатическое падение температуры, вызывая конденсацию влаги в воздухе в движущейся наружу оболочке, окружающей взрыв. Когда давление и температура возвращаются к норме, облако Вильсона рассеивается.[22] Ученые, наблюдающие Операция Перекресток ядерные испытания в 1946 г. на Атолл Бикини назвал это временное облако "облаком Вильсона" из-за его визуального сходства с облаком Вильсона. камера тумана; камера Вильсона использует конденсацию из-за быстрого падения давления, чтобы отметить следы электрически заряженных субатомные частицы. Аналитики более поздних испытаний ядерных бомб использовали более общий термин «облако конденсации» вместо «облака Вильсона».

Такой же конденсат иногда наблюдается над крыльями реактивного самолета на небольшой высоте в условиях высокой влажности. Верх крыла - криволинейная поверхность. Кривизна (и увеличенная скорость воздуха) вызывает снижение давления воздуха, как указано Закон Бернулли. Это снижение давления воздуха вызывает охлаждение, и когда воздух остывает точка росы водяной пар конденсируется из воздуха, образуя капли воды, которые становятся видимыми в виде белого облака. С технической точки зрения «облако Вильсона» также является примером Особенность Прандтля – Глауэрта. в аэродинамике.[нужна цитата ]

На форму ударной волны влияет изменение скорости звука с высотой, а температура и влажность различных слоев атмосферы определяют появление облаков Вильсона. Кольца конденсации вокруг или над огненным шаром - обычное явление. Кольца вокруг огненного шара могут стать устойчивыми, превратившись в кольца вокруг поднимающегося стержня. Взрывы с большей мощностью вызывают интенсивные восходящие потоки, где скорость воздуха может достигать 300 миль в час (480 км / ч). В увлечение воздуха с более высокой влажностью в сочетании с соответствующим падением давления и температуры приводит к образованию юбки и колокола вокруг стебля. Если капли воды станут достаточно большими, облачная структура, которую они образуют, может стать достаточно тяжелой, чтобы опуститься; Таким образом можно получить восходящий стержень с нисходящим колоколом вокруг него. Наслоение влажности в атмосфере, ответственное за появление колец конденсации в отличие от сферического облака, также влияет на форму артефактов конденсации вдоль ствола грибовидного облака, поскольку восходящий поток вызывает ламинарный поток. Тот же самый эффект над вершиной облака, где расширение поднимающегося облака выталкивает слой теплого, влажного, низковысотного воздуха вверх в холодный, высокогорный воздух, сначала вызывает конденсацию водяного пара из воздуха и затем замораживает полученные капли, образуя ледяные шапки (или же ледяные шапки), похожий по внешнему виду и механизму образования на шарф облака.

Полученные композитные конструкции могут стать очень сложными. В Замок Браво Облако на разных этапах своего развития имело 4 кольца конденсации, 3 ледяные шапки, 2 юбки и 3 колокола.

Образование грибовидного облака из Тумблер-Люциан Ядерное испытание на собаке. Струи дыма, видимые слева от взрыва при детонации, представляют собой вертикальные дымовые ракеты, используемые для наблюдения за ударной волной от взрыва, и не имеют отношения к грибовидному облаку.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "MDZ-Reader | Группа | Physikalischer Kinderfreund / Vieth, Герхард Ульрих Антон | Physikalischer Kinderfreund / Vieth, Герхард Ульрих Антон". reader.digitale-sammlungen.de.
  2. ^ Свидетельство очевидца об атомной бомбе над Нагасаки В архиве 2011-01-06 на Wayback Machine hiroshima-remembered.com. Проверено 9 августа 2010.
  3. ^ Варт, Спенсер (1987). Ядерный страх: история образов. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN  978-0-674-62836-6. В архиве из оригинала от 10.06.2016.
  4. ^ Бэтчелор, Г. К. (2000). «6.11, Большие газовые пузыри в жидкости». Введение в динамику жидкости. Издательство Кембриджского университета. п. 470. ISBN  978-0-521-66396-0. В архиве из оригинала от 28 апреля 2016 г.
  5. ^ а б c Гласстон и Долан 1977
  6. ^ Полный текст «Пособия по ядерному выживанию: BOSDEC-бетонный занавес». Archive.org. Проверено 8 февраля 2010.
  7. ^ "Грибное облако". Атомный архив. Архивировано из оригинал на 2013-08-30. Получено 14 января, 2018.
  8. ^ Национальный исследовательский совет; Отдел инженерных и физических наук; Комитет по действию ядерного оружия, проникающего через землю, и другого оружия (2005 г.). Действие ядерной бомбы и другого оружия. Национальная академия прессы. п. 53. ISBN  978-0-309-09673-7.
  9. ^ а б c d е ж грамм Радиоактивные осадки после ядерных взрывов и аварий, Том 3, И. А. Израель, Elsevier, 2002 ISBN  0080438555
  10. ^ Последствия ядерных взрывов В архиве 2014-04-28 в Wayback Machine. Nuclearweaponarchive.org. Проверено 8 февраля 2010.
  11. ^ Ключевые вопросы: Ядерное оружие: История: До холодной войны: Манхэттен Проект: Тринити: Свидетель Филип Моррисон В архиве 2014-07-21 в Wayback Machine. Nuclearfiles.org (1945-07-16). Проверено 8 февраля 2010.
  12. ^ а б Ричард Ли Миллер (1986). Под облаком: десятилетия ядерных испытаний. Two-Sixty Press. п. 32. ISBN  978-0-02-921620-0.
  13. ^ Томас Карлайл Джонс; Рональд Дункан Хант; Норвал В. Кинг (1997). Ветеринарная патология. Вили-Блэквелл. п. 690. ISBN  978-0-683-04481-2.
  14. ^ Константин Папастефану (2008). Радиоактивные аэрозоли. Эльзевир. п. 41. ISBN  978-0-08-044075-0.
  15. ^ а б c Лоуренс Бадаш (2009). Повесть о ядерной зиме: наука и политика 1980-х годов. MIT Press. п. 25. ISBN  978-0-262-25799-2.
  16. ^ Роберт Эрлих (1985). Ядерный мир: технология и политика ядерного оружия. SUNY Нажмите. п. 175. ISBN  978-0-87395-919-3.
  17. ^ Ральф Э. Лапп (октябрь 1956 г.) «Пределы стронция в мире и войне», Бюллетень ученых-атомщиков, 12 (8): 287–289, 320.
  18. ^ «Наследие Троицы». ABQjournal. 28 октября 1999 г. Архивировано с оригинал 9 мая 2008 г.. Получено 8 февраля 2010.
  19. ^ Дворяне, Ральф (декабрь 2008 г.). «Ночь, когда мир изменился: ядерное испытание Тринити» (PDF). Историческое общество Лос-Аламоса. Архивировано из оригинал (PDF) 28 декабря 2010 г.. Получено 15 февраля 2019.
  20. ^ Фейнман, Ричард (21 мая 2005 г.). "'Так делается наука'". Dimaggio.org. Архивировано из оригинал 16 февраля 2009 г.. Получено 8 февраля 2010.
  21. ^ «Испытание оружия в Неваде». Бюллетень ученых-атомщиков. Образовательный фонд ядерной науки, Inc. 9 (3): 74. Апрель 1953 г. ISSN  0096-3402.
  22. ^ Гласстоун и Долан 1977, стр. 631

Библиография

внешняя ссылка