Chmura grzybowa - Mushroom cloud

Wznosząca się chmura z Redoubt Volcano z erupcji 21 kwietnia 1990 roku. Pióropusz w kształcie grzyba powstał z lawin gorących szczątków ( przepływy piroklastyczne ), które spływały kaskadą po północnej stronie wulkanu.
Grzyb z bombardowania atomowego w Nagasaki w Japonii w dniu 9 sierpnia 1945 r.

Grzyby chmura jest charakterystyczny grzybek w kształcie litery flammagenitus chmura odłamków, dymu i zazwyczaj skrapla się para wodna wynikające z dużej eksplozji. Efekt jest najczęściej kojarzony z wybuchem jądrowym , ale każda wystarczająco energetyczna detonacja lub deflagracja da ten sam efekt. Mogą być spowodowane przez potężną broń konwencjonalną , taką jak broń termobaryczna , w tym ATBIP i GBU-43/B Massive Ordnance Air Blast . Niektóre erupcje wulkanów i uderzenia mogą wytworzyć naturalne chmury grzybów.

Chmury grzybowe powstają w wyniku nagłego tworzenia dużej ilości gazów o mniejszej gęstości na dowolnej wysokości, powodując niestabilność Rayleigha-Taylora . Unosząca się na powierzchni masa gazu gwałtownie unosi się, powodując turbulentne wiry zwijające się w dół wokół jej krawędzi, tworząc tymczasowy pierścień wirowy, który wciąga centralną kolumnę, prawdopodobnie z dymem, gruzem, skondensowaną parą wodną lub ich kombinacją, tworząc „ łodyga grzyba". Masa gazu plus wilgotne powietrze w powietrzu w końcu osiąga wysokość, na której nie ma już mniejszej gęstości niż otaczające powietrze; w tym momencie rozprasza się, dryfując z powrotem w dół (patrz opad ). Wysokość stabilizacji silnie zależy od profili temperatury, punktu rosy i uskoku wiatru w powietrzu na wysokości startowej i powyżej.

Wczesne relacje, początki terminu

Vue du siège de Gibraltar et eksplozja des baterie flottantes Widok oblężenia Gibraltaru i eksplozji pływających baterii, artysta nieznany, c.1782

Chociaż wydaje się, że termin ten został ukuty na początku lat pięćdziesiątych, chmury grzybów generowane przez eksplozje zostały opisane na wieki przed erą atomową.

Współczesna akwatinta nieznanego artysty z ataku francusko-hiszpańskiego w 1782 r. na Gibraltar pokazuje jedną z pływających baterii atakujących, eksplodującą chmurą grzyba, po tym jak brytyjscy obrońcy podpalili ją oddając gorący pocisk .

Chmura grzybowa w rycinie z Physikalischer Kinderfreund Gerharda Vietha (1798)

W 1798, Gerhard Vieth opublikował szczegółowy i ilustrowany opis chmury w sąsiedztwie Gotha, która "przypominała kształt grzyba". Chmura została obserwowana przez radcę poselskiego Lichtenberga kilka lat wcześniej w ciepłe letnie popołudnie. Zinterpretowano go jako nieregularną chmurę meteorologiczną i wydawało się, że spowodował burzę z deszczem i grzmotami z nowej ciemnej chmury, która rozwinęła się pod nią. Lichtenberg stwierdził, że później zaobserwował nieco podobne chmury, ale żaden nie był tak niezwykły.

Halifax Explosion z 1917 roku wyprodukował jeden.

The Times opublikował 1 października 1937 raport o japońskim ataku na Szanghaj w Chinach, który wywołał „wielki grzyb dymu”.

Podczas II wojny światowej opisy chmur grzybowych były stosunkowo powszechne.

Chmura bomby atomowej nad Nagasaki w Japonii została opisana w The Times of London z 13 sierpnia 1945 roku jako "ogromny grzyb dymu i kurzu". 9 września 1945 roku The New York Times opublikował relację naocznego świadka bombardowania Nagasaki, napisaną przez Williama L. Laurence'a , oficjalnego korespondenta gazety Projektu Manhattan , który towarzyszył jednemu z trzech samolotów, które wykonały bombardowanie. Pisał o bombie wytwarzającej „słup fioletowego ognia”, z którego szczytu wyszedł „gigantyczny grzyb, który zwiększył wysokość kolumny do łącznie 45 000 stóp”.

Później, w 1946 roku, testy bomby atomowej w ramach operacji Crossroads zostały opisane jako mające chmurę „ kalafiora ”, ale obecny reporter mówił również o „grzybie, obecnie powszechnym symbolu ery atomowej ”. Grzyby tradycyjnie kojarzono zarówno z życiem, jak i śmiercią, pożywieniem i trucizną, co czyni je silniejszym połączeniem symbolicznym niż, powiedzmy, chmura „kalafiora”.

Fizyka

Wewnątrz wznoszącej się chmury grzybowej: gęstsze powietrze gwałtownie wciska się w dolny środek toroidalnej kuli ognia, która burzliwie miesza się w znajomy wygląd chmury.

Chmury grzybowe powstają w wyniku różnego rodzaju dużych eksplozji pod wpływem ziemskiej grawitacji, ale najbardziej znane są ze swojego pojawienia się po detonacjach nuklearnych . Bez grawitacji lub bez gęstej atmosfery gazy będące produktem ubocznym materiału wybuchowego pozostałyby kuliste. Broń nuklearna jest zwykle detonowana nad ziemią (nie po uderzeniu, ponieważ część energii zostałaby rozproszona przez ruchy ziemi), aby zmaksymalizować efekt jej kulistej kuli ognia i fali uderzeniowej . Natychmiast po detonacji kula ognia zaczyna wznosić się w powietrze, działając na tej samej zasadzie co balon na ogrzane powietrze .

Jednym ze sposobów analizy ruchu, gdy gorący gaz wystarczająco oczyści grunt, jest „bańka sferyczna”, ponieważ daje to zgodność między szybkością narastania a obserwowaną średnicą.

15-megatonowa eksplozja Castle Bravo na atolu Bikini, 1 marca 1954, ukazująca liczne pierścienie kondensacyjne i kilka czap lodowych.

Ponieważ wzrasta, A niestabilność Rayleigha-Taylor wytwarza się, a powietrze jest wyciągane ku górze i w kierunku chmury (podobnie jak prąd wstępujący z komina ), wytwarzając silne prądy powietrza, znane jako „ afterwinds ”, podczas gdy w głowicy obłoku gorące gazy obracają się w kształcie toroidalnym . Kiedy wysokość detonacji jest wystarczająco niska, wiatry wtórne będą wciągać brud i szczątki z ziemi, tworząc trzon grzybowej chmury.

Gdy masa gorących gazów osiągnie poziom równowagi , wznoszenie się zatrzymuje, a chmura zaczyna spłaszczać się do charakterystycznego kształtu grzyba, zwykle wspomaganego przez wzrost powierzchni z powodu zanikających turbulencji.

Nuklearne chmury grzybowe

Detonacje nuklearne wytwarzane wysoko nad ziemią mogą nie tworzyć chmur grzybowych z łodygą. Same głowy chmur składają się z wysoce radioaktywnych cząstek, głównie produktów rozszczepienia i innych aerozoli pozostałości broni, i są zwykle rozpraszane przez wiatr, chociaż warunki pogodowe (zwłaszcza deszcz) mogą powodować problematyczny opad jądrowy .

Detonacje znajdujące się znacznie poniżej poziomu gruntu lub głęboko pod wodą (na przykład nuklearne ładunki głębinowe) również nie wytwarzają chmur grzybowych, ponieważ eksplozja powoduje w tych przypadkach odparowanie ogromnej ilości ziemi i wody, tworząc bańkę, która następnie zapada się w na sobie; w przypadku mniej głębokiej podziemnej eksplozji powoduje to powstanie krateru osiadania . Detonacje pod wodą, ale blisko powierzchni, wytwarzają słup wody, który zapadając się przybiera kształt podobny do kalafiora, który łatwo pomylić z chmurą grzyba (tak jak na dobrze znanych zdjęciach testu Crossroads Baker ). Podziemne detonacje na małej głębokości wytwarzają chmurę grzyba i falę podstawy , dwie różne chmury. Ilość promieniowania wypuszczanego do atmosfery gwałtownie spada wraz ze wzrostem głębokości detonacji.

W przypadku wybuchów powietrza na powierzchni i przy powierzchni, ilość szczątków unoszonych w powietrze gwałtownie spada wraz ze wzrostem wysokości wybuchu. Przy pękniętych wysokości około 7  metrów / kiloton 1 / 3 , A krater nie tworzy się i odpowiednio małe ilości pyłu i brudu są produkowane. Wysokość redukująca opad, powyżej której pierwotne cząstki radioaktywne składają się głównie z drobnej kondensacji kuli ognia, wynosi około 55  metrów/kiloton 0,4 . Jednak nawet na tych wysokościach wybuchu, opad może być tworzony przez szereg mechanizmów.

Wielkość chmury grzyba jako funkcja plonu .

Rozkład promieniowania w chmurze grzybowej zmienia się w zależności od siły wybuchu, rodzaju broni, stosunku fuzji do rozszczepienia, wysokości wybuchu, rodzaju terenu i pogody. Ogólnie, eksplozje o mniejszej wydajności mają około 90% swojej radioaktywności w główce grzyba i 10% w łodydze. W przeciwieństwie do eksplozji o zasięgu megatonowym większość swojej radioaktywności znajduje się w dolnej jednej trzeciej obłoku grzyba.

W momencie wybuchu powstaje kula ognia. Wznosząca się, z grubsza kulista masa gorących, rozżarzonych gazów zmienia kształt pod wpływem tarcia atmosferycznego i chłodzi swoją powierzchnię promieniowaniem energii, zmieniając się z kuli w gwałtownie obracający się sferoidalny wir. Rayleigha-Taylor niestabilności jest ukształtowany jako powietrze pod chłodny początkowo popycha dolny gazów ognia w kształcie odwróconego kubka. Powoduje to turbulencje i wir, który wsysa do środka więcej powietrza, tworząc zewnętrzne podmuchy wiatru i ochładzając się. Prędkość jego wirowania spada wraz ze spadkiem temperatury i może całkowicie zatrzymać się w późniejszych fazach. Odparowane części broni i zjonizowane powietrze ochładzają się w widoczne gazy, tworząc wczesną chmurę; białości wir rdzenia staje się żółty, a ciemno czerwony, wówczas traci widoczny żarzenie. Wraz z dalszym chłodzeniem większość chmury wypełnia się, gdy wilgoć z powietrza skrapla się. Gdy chmura wznosi się i ochładza, jej pływalność maleje, a jej wznoszenie spowalnia.

Jeśli wielkość ognistej kuli jest porównywalna z wysokością skali gęstości atmosferycznej , cały wzrost chmury będzie balistyczny , przestrzeliwując dużą objętość nadmiernie gęstego powietrza na większe wysokości niż ostateczna wysokość stabilizacji. Znacznie mniejsze kule ognia wytwarzają chmury z wznoszeniem kontrolowanym przez pływalność.

Po dotarciu do tropopauzy , dna regionu o silnej stabilności statycznej, chmura ma tendencję do spowalniania swojego wznoszenia i rozprzestrzeniania się. Jeśli zawiera wystarczającą ilość energii, jej środkowa część może nadal wznosić się w stratosferę jako odpowiednik standardowej burzy. Masa powietrza wznosząca się z troposfery do stratosfery prowadzi do powstania akustycznych fal grawitacyjnych , praktycznie identycznych z falami tworzonymi przez intensywne burze penetrujące stratosferę . Eksplozje o mniejszej skali przenikające tropopauzę generują fale o wyższej częstotliwości, klasyfikowane jako infradźwięki .

Eksplozja podnosi dużą ilość wilgotnego powietrza z niższych wysokości. Gdy powietrze się unosi, jego temperatura spada, a jego para wodna najpierw kondensuje w postaci kropelek wody, a następnie zamarza w postaci kryształków lodu. Zmiany fazowe uwalniają ciepło utajone , ogrzewając chmurę i kierując ją na jeszcze wyższe wysokości.

Ewolucja atomowej chmury grzybowej; 19 kt na 120 m • kt 13 . Tumbler-Snapper Pies . Piaszczysta gleba pustyni Nevada jest „popcorned” przez intensywny błysk światła emitowany przez natychmiastowe zdarzenie nadkrytyczne ; ten "efekt popcornu" powoduje, że więcej ziemi jest wznoszonej do łodygi grzybowej chmury, niż miałoby to miejsce w przypadku, gdyby urządzenie zostało umieszczone nad bardziej typową powierzchnią lub glebą.

Chmura grzybowa przechodzi kilka faz formowania.

  • Wczesny czas , pierwsze około 20 sekund, kiedy formuje się kula ognia, a produkty rozszczepienia mieszają się z materiałem zassonym z ziemi lub wyrzuconym z krateru. Kondensacja odparowanego gruntu następuje w ciągu pierwszych kilku sekund, najbardziej intensywnie podczas temperatur kuli ognia w zakresie 3500-4100 K.
  • Faza wznoszenia i stabilizacji , od 20 sekund do 10 minut, kiedy gorące gazy wznoszą się i wcześnie osadzają się duże opady.
  • Późny czas , do około 2 dni później, kiedy cząstki unoszące się w powietrzu są rozprowadzane przez wiatr, osadzane grawitacyjnie i usuwane przez opady.

Na kształt chmury mają wpływ lokalne warunki atmosferyczne i schematy wiatru. Rozkład opadu to głównie pióropusz z wiatrem . Jeśli jednak chmura dotrze do tropopauzy , może rozprzestrzenić się pod wiatr, ponieważ jej prędkość konwekcji jest większa niż prędkość wiatru otaczającego. W tropopauzie kształt chmury jest mniej więcej okrągły i rozłożony.

Początkowy kolor niektórych radioaktywnych chmur może być czerwony lub czerwonawo-brązowy, ze względu na obecność dwutlenku azotu i kwasu azotowego , utworzonego z początkowo zjonizowanego azotu , tlenu i wilgoci atmosferycznej. W wysokotemperaturowym, silnie napromieniowanym środowisku wybuchu powstaje również ozon . Szacuje się, że każda megatona plonu wytwarza około 5000 ton tlenków azotu. Opisano również odcienie żółtego i pomarańczowego. Ten czerwonawy odcień jest później przyćmiony przez biały kolor chmur wody/lodu, kondensujących się z szybko przepływającego powietrza, gdy kula ognia stygnie, a ciemny kolor dymu i gruzu zasysanego przez prąd wstępujący. Ozon nadaje podmuchowi charakterystyczny zapach podobny do wyładowania koronowego .

Kropelki skondensowanej wody stopniowo odparowują, prowadząc do pozornego zniknięcia chmury. Cząstki radioaktywne pozostają jednak zawieszone w powietrzu, a niewidoczna teraz chmura nadal osadza się na swojej drodze.

Łodyga chmury jest szara do brązowej podczas wybuchu ziemi, ponieważ duże ilości kurzu, brudu, gleby i gruzu są zasysane do chmury grzybowej. Airbursts wytwarzają białe, parujące łodygi. Wybuch naziemny wytwarza ciemne chmury grzybowe, zawierające napromieniowany materiał z ziemi oprócz bomby i jej obudowy, a zatem wytwarzają więcej radioaktywnego opadu, z większymi cząstkami, które łatwo osadzają się lokalnie.

Wyższa wydajność-detonacji mogą zawierać tlenki azotu z rozerwanie wystarczająco wysokiej do atmosfery, aby spowodować znaczące wyczerpanie na warstwę ozonową .

Pod pewnymi warunkami można uformować podwójny grzyb, z dwoma poziomami. Na przykład, strzał Buster-Jangle Sugar utworzył pierwszą głowicę z samego wybuchu, a następnie kolejną wytworzoną przez ciepło gorącego, świeżo utworzonego krateru.

Sam opad może wyglądać jak suche, podobne do popiołu płatki lub jako cząstki zbyt małe, aby były widoczne; w tym drugim przypadku cząstki są często osadzane przez deszcz. Duże ilości nowszych, bardziej radioaktywnych cząstek osadzających się na skórze mogą powodować oparzenia beta , często objawiające się przebarwieniami i zmianami na grzbiecie narażonych zwierząt. Opad z testu Castle Bravo miał wygląd białego pyłu i był nazywany śniegiem Bikini ; maleńkie białe płatki przypominały płatki śniegu , przyklejone do powierzchni i miały słony smak. 41,4% opadu z testu Operacji Wigwam składało się z nieregularnych nieprzezroczystych cząstek, nieco ponad 25% cząstek z przezroczystymi i nieprzezroczystymi obszarami, około 20% mikroskopijnych organizmów morskich i 2% mikroskopijnych nici radioaktywnych nieznanego pochodzenia.

Skład chmur

Grzybowa chmura z Buster-Jangle Charlie daje plon 14 kiloton (przy 143 m • kt 13 ), w początkowej fazie formowania łodygi. Toroidalna kula ognia jest widoczna u góry, pośrodku tworzy się chmura kondensacyjna z powodu intensywnych prądów wstępnych wilgotnego powietrza, a tworzący się częściowy trzon jest widoczny poniżej. Chmura ma czerwonobrązowy odcień tlenków azotu.

Chmura zawiera trzy główne klasy materiałów: pozostałości broni i produkty jej rozszczepienia, materiał pozyskiwany z ziemi (istotne tylko dla wysokości wybuchów poniżej wysokości redukującej opad, która zależy od wydajności broni) oraz para wodna. Większość promieniowania zawartego w chmurze składa się z produktów rozszczepienia jądrowego ; Produkty aktywacji neutronowej z materiałów broni, powietrza i szczątków ziemi stanowią tylko niewielką część. Aktywacja neutronowa rozpoczyna się podczas wybuchu neutronowego w momencie samego wybuchu, a zasięg tego wybuchu neutronowego jest ograniczony przez absorpcję neutronów przechodzących przez ziemską atmosferę.

Większość promieniowania jest wytwarzana przez produkty rozszczepienia. Broń termojądrowa wytwarza znaczną część swojej wydajności z syntezy jądrowej . Produkty Fusion są zazwyczaj nieradioaktywne. Stopień wytwarzania opadu promieniowania mierzy się zatem w kilotonach rozszczepienia. Car Bomba , które wytwarza 97% uzysku 50 megaton z fuzji był bardzo czysty broń w stosunku do tego, co zwykle można by oczekiwać od broni uzysku (choć nadal produkowane 1,5 megaton uzysku z rozszczepiania), a jego ubijak do syntezy jądrowej był wykonany z ołowiu zamiast uranu-238; w przeciwnym razie jego wydajność wynosiłaby 100 megaton z 51 z tych z rozszczepienia. Gdyby został zdetonowany na powierzchni lub w jej pobliżu, jego opad stanowiłby łącznie jedną czwartą wszystkich opadu z każdego testu broni jądrowej.

Początkowo kula ognia zawiera wysoce zjonizowaną plazmę składającą się wyłącznie z atomów broni, produktów jej rozszczepienia i gazów atmosferycznych z sąsiedniego powietrza. Gdy plazma ochładza się, atomy reagują, tworząc drobne kropelki, a następnie stałe cząstki tlenków. Cząsteczki łączą się w większe i osadzają się na powierzchni innych cząstek. Większe cząstki zwykle pochodzą z materiału zasysanego do chmury. Cząsteczki zaaspirowane, gdy chmura jest jeszcze wystarczająco gorąca, aby je stopić, mieszają się z produktami rozszczepienia w całej swojej objętości. Większe cząstki osadzają się na ich powierzchni stopionych materiałów radioaktywnych. Cząstki zassane do chmury później, gdy jej temperatura jest wystarczająco niska, nie ulegają znacznemu zanieczyszczeniu. Cząstki powstałe tylko z samej broni są wystarczająco drobne, aby przez długi czas unosić się w powietrzu i ulegać znacznemu rozproszeniu i rozcieńczeniu do poziomu nieszkodliwego. Wybuchy na dużych wysokościach, które nie zasysają szczątków naziemnych lub pył są zasysane dopiero po wystarczającym ochłodzeniu i gdzie radioaktywna frakcja cząstek jest w związku z tym mała, powodują znacznie mniejszy stopień zlokalizowanego opadu niż wybuchy na niższych wysokościach z utworzonymi większymi cząstkami radioaktywnymi.

Stężenie produktów kondensacji jest takie samo dla małych cząstek jak i dla osadzonych warstw powierzchniowych większych cząstek. Na kilotonę plonu powstaje około 100 kg małych cząstek. Objętość, a zatem aktywność małych cząstek jest prawie trzy rzędy wielkości mniejsza niż objętość osadzonych warstw powierzchniowych na większych cząstkach.

W przypadku wybuchów na dużych wysokościach głównymi procesami tworzenia cząstek są kondensacja i następująca po niej koagulacja . W przypadku wybuchów na niższych wysokościach i naziemnych, z udziałem cząstek gleby, podstawowym procesem jest osadzanie się na obcych cząstkach.

Detonacja na małej wysokości wytwarza chmurę z ładunkiem pyłu wynoszącym 100 ton na megatonę uzysku. Detonacja naziemna wytwarza chmury z około trzykrotnie większą ilością pyłu. W przypadku detonacji naziemnej około 200 ton gleby na kilotonę plonu ulega stopieniu i wchodzi w kontakt z promieniowaniem.

Objętość kuli ognia jest taka sama dla detonacji powierzchniowej lub atmosferycznej. W pierwszym przypadku kula ognia jest półkulą zamiast kuli o odpowiednio większym promieniu.

Rozmiary cząstek wahają się od submikrometrowych i mikrometrowych (powstałych przez kondensację plazmy w kuli ognia), przez 10-500 mikrometrów (materiał powierzchniowy poruszany falą uderzeniową i unoszony przez wiatry wtórne), do milimetrów i więcej (wyrzut krateru) . Wielkość cząstek wraz z wysokością, na jaką są przenoszone, determinuje długość ich pobytu w atmosferze, gdyż większe cząstki podlegają opadom suchym . Mniejsze cząstki mogą być również wymiatane przez opady , albo z wilgoci kondensującej się w samej chmurze, albo z chmury przecinającej się z chmurą deszczową . Opad przeprowadzono przez deszcz jest znany jako deszczem zewnątrz jeśli oczyszczane podczas formowania Raincloud, przemywania , jeśli wchłonięty już utworzonych kropelek wody spada.

Cząsteczki z wybuchów powietrza są mniejsze niż 10–25 mikrometrów, zwykle w zakresie submikrometrowym. Składają się one głównie z tlenków żelaza , z mniejszym udziałem tlenków glinu i uranu i plutonu tlenków . Cząsteczki większe niż 1–2 mikrometry są bardzo kuliste, co odpowiada kondensacji odparowanego materiału w kropelki, a następnie zestaleniu się. Radioaktywność jest równomiernie rozłożona w całej objętości cząstek, dzięki czemu całkowita aktywność cząstek jest liniowo zależna od objętości cząstek. Około 80% aktywności występuje w bardziej lotnych pierwiastkach, które kondensują się dopiero po znacznym ochłodzeniu kuli ognia. Na przykład stront-90 będzie miał mniej czasu na kondensację i połączenie w większe cząstki, co skutkuje większym stopniem mieszania objętości powietrza i mniejszych cząstek. Cząstki wytworzone bezpośrednio po wybuchu są małe, a 90% radioaktywności występuje w cząstkach mniejszych niż 300 nanometrów. Koagulują one z aerozolami stratosferycznymi. Koagulacja jest bardziej intensywna w troposferze, a na poziomie gruntu największa aktywność występuje w cząstkach o długości od 300  nm do 1  µm . Koagulacja kompensuje procesy frakcjonowania podczas tworzenia cząstek, wyrównując rozkład izotopów.

W przypadku wybuchów naziemnych i na niskich wysokościach chmura zawiera również wyparowane, stopione i stopione cząstki gleby. Rozkład aktywności przez cząstki zależy od ich powstawania. Cząstki powstałe w wyniku parowania-kondensacji mają aktywność równomiernie rozłożoną w objętości jako cząstki rozerwane powietrzem. Większe stopione cząstki mają produkty rozszczepienia dyfundowane przez zewnętrzne warstwy, a stopione i niestopione cząstki, które nie zostały wystarczająco ogrzane, ale weszły w kontakt z odparowanym materiałem lub zmiatanymi kroplami przed ich zestaleniem, mają stosunkowo cienką warstwę materiału o wysokiej aktywności osadzonej na ich powierzchnia. Skład takich cząstek zależy od charakteru gruntu, zwykle jest to materiał szklisty utworzony z minerałów krzemianowych . Wielkość cząstek nie zależy od plonu, ale od charakteru gleby, ponieważ opiera się na pojedynczych ziarnach gleby lub ich skupiskach. Obecne są dwa rodzaje cząstek, kuliste, utworzone przez całkowite odparowanie-kondensację lub przynajmniej stopienie gleby, o aktywności rozłożonej równomiernie w objętości (lub z 10–30% objętości nieaktywnego rdzenia w przypadku większych cząstek od 0,5–2 mm ) oraz cząstki o nieregularnym kształcie powstały na krawędziach ognistej kuli w wyniku fuzji cząstek gleby, z aktywnością osadzaną w cienkiej warstwie powierzchniowej. Ilość dużych nieregularnych cząstek jest nieznaczna. Cząstki powstałe w wyniku detonacji nad lub w oceanie będą zawierać krótkożyciowe radioaktywne izotopy sodu i sole z wody morskiej . Stopiona krzemionka jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla tlenków metali i łatwo wymiata małe cząstki; wybuchy nad glebami zawierającymi krzemionkę wytworzą cząstki z izotopami zmieszanymi w ich objętości. Natomiast szczątki koralowców , oparte na węglanie wapnia , mają tendencję do adsorbowania cząstek radioaktywnych na swojej powierzchni.

Ze względu na różną lotność pierwiastki ulegają frakcjonowaniu podczas tworzenia się cząstek . Pierwiastki ogniotrwałe (Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm) tworzą tlenki o wysokich temperaturach wrzenia ; wytrącają się one najszybciej iw momencie zestalania cząstek w temperaturze 1400 °C uważa się, że są w pełni skondensowane. Pierwiastki lotne (Kr, Xe, I, Br) nie ulegają kondensacji w tej temperaturze. Pierwiastki pośrednie mają temperaturę wrzenia (lub ich tlenków) zbliżoną do temperatury krzepnięcia cząstek (Rb, Cs, Mo, Ru, Rh, Tc, Sb, Te). Pierwiastki w kuli ognia są obecne jako tlenki, chyba że temperatura jest wyższa od temperatury rozkładu danego tlenku. Mniej produktów ogniotrwałych kondensuje na powierzchniach zestalonych cząstek. Izotopy z gazowymi prekursorami zestalają się na powierzchni cząstek, ponieważ są one wytwarzane przez rozpad.

Największe, a zatem najbardziej radioaktywne cząstki, są osadzane przez opad w ciągu pierwszych kilku godzin po wybuchu. Mniejsze cząstki są przenoszone na wyższe wysokości i schodzą wolniej, docierając do ziemi w stanie mniej radioaktywnym, ponieważ izotopy o najkrótszym okresie połowicznego rozpadu ulegają rozkładowi najszybciej. Najmniejsze cząstki mogą dotrzeć do stratosfery i pozostać tam przez tygodnie, miesiące, a nawet lata, a dzięki prądom atmosferycznym pokryć całą półkulę planety. Bardziej niebezpieczne, krótkoterminowe, zlokalizowane opady są osadzane głównie z wiatrem od miejsca wybuchu, w obszarze w kształcie cygara, przy założeniu wiatru o stałej sile i kierunku. Wiatry boczne, zmiany kierunku wiatru i opady to czynniki, które mogą znacznie zmienić wzór opadu.

Kondensacja kropelek wody w grzybowej chmurze zależy od ilości jąder kondensacji . Zbyt wiele jąder kondensacji faktycznie hamuje kondensację, ponieważ cząstki konkurują o stosunkowo niewystarczającą ilość pary wodnej.

Reaktywność chemiczna pierwiastków i ich tlenków, właściwości adsorpcji jonów i rozpuszczalność związków wpływają na rozkład cząstek w środowisku po osadzeniu z atmosfery. Bioakumulacja wpływa na propagację radioizotopów opadu w biosferze .

Radioizotopy

Podstawowym zagrożeniem opadowym jest promieniowanie gamma z krótkożyciowych radioizotopów, które stanowią większość aktywności. W ciągu 24 godzin po wybuchu poziom promieniowania gamma spada 60-krotnie. Radioizotopy o dłuższej żywotności, zazwyczaj cez-137 i stront-90 , stanowią zagrożenie długoterminowe. Intensywne promieniowanie beta z cząstek opadu może spowodować oparzenia beta u ludzi i zwierząt mających kontakt z opadem krótko po wybuchu. Połknięte lub wdychane cząstki powodują wewnętrzną dawkę promieniowania alfa i beta, co może prowadzić do długotrwałych skutków, w tym raka .

Samo napromieniowanie atmosfery neutronami powoduje niewielką ilość aktywacji, głównie w postaci długożyciowego węgla-14 i krótkożyciowego argonu-41 . Najważniejszymi pierwiastkami dla indukowanej radioaktywności dla wody morskiej są sód- 24, chlor , magnez i brom . W przypadku wybuchów naziemnych przedmiotami zainteresowania są aluminium -28, krzem -31, sód-24, mangan -56, żelazo -59 i kobalt-60 .

Obudowa bomby może być znaczącym źródłem radioizotopów aktywowanych neutronami. Strumień neutronów w bombach, zwłaszcza w urządzeniach termojądrowych, jest wystarczający do wysokoprogowych reakcji jądrowych . Indukowane izotopy obejmują kobalt-60, 57 i 58, żelazo-59 i 55, mangan-54, cynk-65, itr-88 i prawdopodobnie nikiel-58 i 62, niob-63, holm-165, iryd-191, oraz krótkotrwały mangan-56, sód-24, krzem-31 i glin-28. Europ -152 i 154 mogą być obecne, jak również dwa izomery jądrowe z rodem -102. Podczas operacji suchary , wolfram -185, 181, 187 i ren -188 wytworzono z elementów dodanych jako znaczników do obudów bomby, w celu umożliwienia identyfikacji opadu wytwarzany przez specyficzne wybuchów. Jako znaczniki wymienia się również antymon -124, kadm -109 i kadm-113m.

Najważniejszymi źródłami promieniowania są produkty rozszczepienia z pierwotnego etapu rozszczepienia, aw przypadku broni rozszczepiania-fuzji-rozszczepiania, z rozszczepienia ubijaka uranu z etapu syntezy jądrowej. W wybuchu termojądrowym uwalnianych jest znacznie więcej neutronów na jednostkę energii w porównaniu z samą wydajnością rozszczepienia, która ma wpływ na skład produktów rozszczepienia. Na przykład izotop uranu-237 jest unikalnym markerem wybuchu termojądrowego, ponieważ jest wytwarzany w reakcji (n,2n) z uranu-238 , przy minimalnej potrzebnej energii neutronowej wynoszącej około 5,9 MeV. Znaczne ilości neptunu-239 i uranu-237 są wskaźnikami eksplozji rozszczepienia-fuzji-rozszczepienia. Powstają również niewielkie ilości uranu-240, a wychwyt dużej liczby neutronów przez poszczególne jądra prowadzi do powstania niewielkich, ale wykrywalnych ilości wyższych pierwiastków transuranu , np. einsteinu -255 i fermu -255.

Jednym z ważnych produktów rozszczepienia jest krypton-90 , radioaktywny gaz szlachetny . Łatwo dyfunduje w chmurze i ulega dwóm rozpadom do rubidu-90, a następnie strontu-90 , z okresem półtrwania 33 sekund i 3 minuty. Brak reaktywności gazu szlachetnego i szybka dyfuzja są odpowiedzialne za zubożenie lokalnego opadu w Sr-90 i odpowiednie wzbogacenie Sr-90 opadu zdalnego.

Radioaktywność cząstek zmniejsza się z czasem, przy czym różne izotopy są istotne w różnych przedziałach czasowych. W przypadku produktów aktywujących glebę, glin-28 jest najważniejszym czynnikiem w ciągu pierwszych 15 minut. Mangan-56 i sód-24 następują do około 200 godzin. Żelazo-59 następuje po 300 godzinach, a po 100-300 dniach znaczący czynnik staje się kobaltem-60.

Cząstki radioaktywne mogą być przenoszone na znaczne odległości. Promieniowanie z testu Trinity zostało zmyte przez burzę w Illinois . Zostało to wydedukowane, a pochodzenie wyśledzone, gdy Eastman Kodak odkrył, że klisze rentgenowskie zostały zamglone przez kartonowe opakowania wyprodukowane na Środkowym Zachodzie . Nieoczekiwane wiatry niosły śmiertelne dawki opadu Castle Bravo nad atolem Rongelap , zmuszając go do ewakuacji. Ucierpiała również załoga Daigo Fukuryu Maru , japońskiej łodzi rybackiej znajdującej się poza przewidywaną strefą zagrożenia. Stront-90 znaleziony w światowym opadzie doprowadził później do traktatu o częściowym zakazie testów .

Poświata fluorescencyjna

Intensywne promieniowanie w pierwszych sekundach po wybuchu może powodować obserwowalną aurę fluorescencji , niebiesko-fioletowo-fioletową poświatę zjonizowanego tlenu i azotu na znaczną odległość od kuli ognia, otaczającej głowę tworzącej się chmury grzybowej. To światło jest najłatwiej widoczne w nocy lub w warunkach słabego światła dziennego. Jasność poświaty gwałtownie spada wraz z upływem czasu od detonacji, stając się ledwo widoczne po kilkudziesięciu sekundach.

Efekty kondensacji

Nuklearnym chmurom grzybowym często towarzyszą krótkotrwałe chmury pary, znane różnie jako „ chmury Wilsona ”, chmury kondensacyjne lub pierścienie pary. „Faza ujemna” następująca po dodatnim nadciśnieniu za frontem wstrząsu powoduje nagłe rozrzedzenie otaczającego medium. Ten obszar niskiego ciśnienia powoduje adiabatyczny spadek temperatury, powodując kondensację wilgoci w powietrzu w poruszającej się na zewnątrz skorupie otaczającej wybuch. Kiedy ciśnienie i temperatura wracają do normy, chmura Wilsona się rozprasza. Naukowcy obserwujący próby nuklearne Operacji Crossroads w 1946 roku na atolu Bikini nazwali tę przejściową chmurę „chmurą Wilsona” ze względu na jej wizualne podobieństwo do komory chmur Wilsona ; komora mętna wykorzystuje kondensację z gwałtownego spadku ciśnienia, aby zaznaczyć ślady elektrycznie naładowanych cząstek subatomowych . Analitycy późniejszych testów bomb jądrowych używali bardziej ogólnego terminu „chmura kondensacyjna” zamiast „chmura Wilsona”.

Ten sam rodzaj kondensacji jest czasami obserwowany nad skrzydłami samolotów odrzutowych na małej wysokości w warunkach wysokiej wilgotności. Wierzchołek skrzydła to zakrzywiona powierzchnia. Krzywizna (i zwiększona prędkość powietrza) powoduje zmniejszenie ciśnienia powietrza, zgodnie z prawem Bernoulliego . To zmniejszenie ciśnienia powietrza powoduje ochłodzenie, a gdy powietrze ochładza się powyżej punktu rosy , para wodna skrapla się z powietrza, tworząc kropelki wody, które stają się widoczne jako biała chmura. Z technicznego punktu widzenia „chmura Wilsona” jest również przykładem osobliwości Prandtla-Glauerta w aerodynamice.

Na kształt fali uderzeniowej ma wpływ zmienność prędkości dźwięku wraz z wysokością, a temperatura i wilgotność różnych warstw atmosfery determinuje wygląd chmur Wilsona. Pierścienie kondensacyjne wokół lub nad kulą ognia są powszechnie obserwowaną cechą. Pierścienie wokół kuli ognia mogą stać się stabilne, stając się pierścieniami wokół wznoszącej się łodygi. Eksplozje o wyższej wydajności powodują intensywne prądy wznoszące , w których prędkość powietrza może osiągnąć 300 mil na godzinę (480 km/h). Porywania o podwyższonej wilgotności powietrza, w połączeniu z towarzyszącym mu spadkiem ciśnienia i temperatury prowadzi do tworzenia się spódnice i dzwonków wokół trzpienia. Jeśli kropelki wody staną się wystarczająco duże, struktura chmury, którą tworzą, może stać się wystarczająco ciężka, aby opaść; w ten sposób można wytworzyć wznoszącą się łodygę z opadającym dzwonem wokół niej. Uwarstwienie wilgoci w atmosferze, odpowiedzialne za pojawienie się pierścieni kondensacyjnych, w przeciwieństwie do kulistej chmury, również wpływa na kształt artefaktów kondensacji wzdłuż trzonu grzybowej chmury, ponieważ prąd wstępujący powoduje przepływ laminarny . Ten sam efekt nad wierzchołkiem chmury, gdzie rozszerzanie się wznoszącej się chmury wypycha warstwę ciepłego, wilgotnego powietrza z niskich wysokości w górę do zimnego powietrza na dużej wysokości, powoduje najpierw kondensację pary wodnej z powietrza i następnie powoduje wynikające kropelek zamarzaniu, tworzące pokrywy lodowej (lub pokrywy lodowej ), podobnie w zakresie wyglądu i mechanizmu do formowania szalik chmury .

Powstałe struktury kompozytowe mogą stać się bardzo złożone. Zamek Bravo chmura miał na różnych etapach ich rozwoju, 4 pierścienie kondensacji, 3 pokrywy lodowej, 2 i 3, spódnice dzwonów.

Powstawanie chmury grzybowej z testu jądrowego Tumbler-Snapper Dog. Wstęgi dymu widoczne na lewo od eksplozji podczas detonacji są pionowymi rozbłyskami dymu używanymi do obserwowania fali uderzeniowej z eksplozji i nie są związane z chmurą grzyba.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki