Wybuch podwodny - Underwater explosion
Wodą eksplozji (znany również jako UNDEX ) jest chemicznym lub jądrowej eksplozja, która występuje przy powierzchni akwenu. Choć przydatne w walce przeciw okrętom i okrętom podwodnym, bomby podwodne nie są tak skuteczne przeciwko obiektom przybrzeżnym.
Właściwości wody
Wybuchy podwodne różnią się od wybuchów w powietrzu ze względu na właściwości wody :
- Masa i nieściśliwość (wszystkie wybuchy) – woda ma znacznie większą gęstość niż powietrze , przez co woda jest trudniejsza do poruszania się (większa bezwładność ). Jest również stosunkowo trudny do skompresowania (zwiększenia gęstości) pod ciśnieniem w niskim zakresie, powiedzmy do 100 atmosfer. Te dwa elementy razem sprawiają, że woda jest doskonałym przewodnikiem fal uderzeniowych z eksplozji .
- Wpływ ekspozycji na neutrony na słoną wodę (tylko wybuchy jądrowe) – większość scenariuszy podwodnych wybuchów ma miejsce w wodzie morskiej , a nie w wodzie słodkiej lub czystej. Neutrony nie mają dużego wpływu na samą wodę, ale silnie wpływają na sól. Po wystawieniu na działanie promieniowania neutronowego podczas mikrosekundy aktywnej detonacji wgłębienia jądrowego, sama woda zwykle nie „ aktywuje się ” ani nie staje się radioaktywna. Dwa pierwiastki w wodzie, wodór i tlen , mogą wchłonąć dodatkowy neutron, stając się odpowiednio deuterem i tlenem-17 , z których oba są stabilnymi izotopami . Nawet tlen-18 jest stabilny. Atomy radioaktywne mogą powstać, gdy atom wodoru pochłonie dwa neutrony , atom tlenu pochłonie trzy neutrony lub tlen-16 przejdzie w reakcję neutronową o wysokiej energii (np) w celu wytworzenia krótkotrwałego azotu-16. W każdym typowym scenariuszu prawdopodobieństwo takich wielokrotnych przechwyceń w znacznych ilościach w krótkim czasie aktywnych reakcji jądrowych wokół bomby jest bardzo niskie. Są one nieco większe, gdy woda jest stale napromieniana, jak w zamkniętej pętli reaktora jądrowego .
Jednak sól w wodzie morskiej łatwo absorbuje neutrony zarówno do atomów sodu-23, jak i chloru-35 , które zmieniają się w izotopy radioaktywne. Sód-24 ma okres półtrwania około 15 godzin, podczas gdy chlor-36 (który ma mniejszy przekrój aktywacji) wynosi 300 000 lat. Sód jest najniebezpieczniejszym zanieczyszczeniem po wybuchu, ponieważ ma krótki okres półtrwania. Są to na ogół główne zanieczyszczenia radioaktywne w podwodnym wybuchu; inne są zwykłą mieszanką napromieniowanych minerałów, koralowców , niewykorzystanego paliwa jądrowego i składników obudowy bomby obecnych w opadach jądrowych z powierzchni wybuchu , przenoszonych w zawiesinie lub rozpuszczonych w wodzie. Zwykła destylacja lub odparowanie wody (chmury, wilgoć i opady) usuwa zanieczyszczenia radiacyjne, pozostawiając radioaktywne sole.
Efekty
Skutki eksplozji podwodnej zależą od kilku czynników , w tym odległości od eksplozji, energii eksplozji, głębokości eksplozji i głębokości wody.
Eksplozje podwodne są klasyfikowane według głębokości eksplozji. Płytkie eksplozje podwodne to takie, w których krater utworzony na powierzchni wody jest duży w porównaniu z głębokością eksplozji. Głębokie eksplozje podwodne to takie, w których krater jest mały w porównaniu z głębokością eksplozji lub nie istnieje.
Ogólny efekt podwodnej eksplozji zależy od głębokości, wielkości i charakteru ładunku wybuchowego oraz obecności, składu i odległości odbijających powierzchni, takich jak dno morskie, powierzchnia, termokliny itp. Zjawisko to jest szeroko stosowane w głowicach przeciwokrętowych. projekt, ponieważ podwodna eksplozja (szczególnie pod kadłubem) może spowodować większe uszkodzenia niż nadpowierzchniowa eksplozja o tej samej wielkości wybuchowej. Pierwsze obrażenia celu zostaną zadane przez pierwszą falę uderzeniową ; uszkodzenie to zostanie wzmocnione przez następujący po nim fizyczny ruch wody oraz przez powtarzające się wtórne fale uderzeniowe lub pulsację pęcherzyków . Dodatkowo detonacja ładunku z dala od celu może spowodować uszkodzenia na większym obszarze kadłuba.
Podwodne testy nuklearne w pobliżu powierzchni mogą rozproszyć radioaktywną wodę i parę na dużym obszarze, co ma poważne skutki dla życia morskiego, pobliskiej infrastruktury i ludzi. Detonacja broni jądrowej pod wodą została zakazana przez Traktat o częściowym zakazie prób jądrowych z 1963 roku, a także na mocy Traktatu o całkowitym zakazie prób jądrowych z 1996 roku.
Płytka podwodna eksplozja
Próba nuklearna Bakera na atolu Bikini w lipcu 1946 roku była płytką podwodną eksplozją, częścią operacji Crossroads . Głowica o sile 20 kiloton została zdetonowana w lagunie o głębokości około 200 stóp (61 m). Pierwszym efektem było oświetlenie wody przez podwodną kulę ognia. Gwałtownie rozszerzający się pęcherzyk gazu wytworzył falę uderzeniową, która spowodowała rozszerzający się pierścień pozornie ciemnej wody na powierzchni, zwany slick , a następnie rozszerzający się pierścień pozornie białej wody, zwany pęknięciem . Na powierzchni wody utworzył się kopiec wody i rozpylonej wody, zwany kopułą rozpryskową , która w miarę wznoszenia się stawała się bardziej kolumnowa. Kiedy wznoszący się pęcherzyk gazu przebił powierzchnię, wytworzył również falę uderzeniową w powietrzu. Para wodna w powietrzu skroplona w wyniku działania wentylatorów rozprężnych Prandtla-Meyera obniżających ciśnienie powietrza, gęstość i temperaturę poniżej punktu rosy; tworzenie kulistej chmury, która oznaczała lokalizację fali uderzeniowej. Woda wypełniająca wnękę utworzoną przez bańkę spowodowała, że pusta kolumna wody, zwana kominem lub pióropuszem , uniosła się w powietrzu na 6000 stóp (1800 m) i przebiła się przez szczyt chmury. Seria fal powierzchniowych oceanu odsunęła się od centrum. Pierwsza fala miała około 94 stóp (29 m) wysokości na 1000 stóp (300 m) od środka. Następowały kolejne fale, a na dalszych odległościach niektóre z nich były wyższe niż pierwsza fala. Na przykład, na 22.000 stóp (6700 m) od centrum, dziewiąta fala była najwyższa na 6 stóp (1,8 m). Grawitacja spowodowała, że kolumna opadła na powierzchnię i spowodowała, że chmura mgły szybko wypłynęła na zewnątrz od podstawy kolumny, zwana falą podstawy . Ostateczny rozmiar skoku bazowego wynosił 3,5 mil (5,6 km) średnicy i 1800 stóp (550 m) wysokości. Fala podstawy uniosła się z powierzchni i połączyła z innymi produktami eksplozji, tworząc chmury, które przez prawie godzinę powodowały umiarkowanie lub obfite opady deszczu.
Głęboko podwodna eksplozja
Przykładem głębokiego podwodnej eksplozji jest test Wahoo, które zostało przeprowadzone w 1958 roku w ramach operacji hardtack I . 9 kt Mk-7 został zdetonowany na głębokości 500 stóp (150 m) w głębokiej wodzie. Niewiele było dowodów na kulę ognia. Kopuła rozpylająca wzniosła się na wysokość 900 stóp (270 m). Gaz z bańki przedarł się przez kopułę rozpylającą, tworząc strumienie, które wystrzeliwały we wszystkich kierunkach i osiągały wysokość do 1700 stóp (520 m). Wzrost bazowy przy maksymalnym rozmiarze miał 2,5 mil (4,0 km) średnicy i 1000 stóp (300 m) wysokości.
Wysokości fal powierzchniowych generowanych przez głębokie podwodne eksplozje są większe, ponieważ do wody dostarczana jest większa ilość energii. Podczas zimnej wojny uważano, że podwodne eksplozje działały na tych samych zasadach co tsunami, potencjalnie drastycznie zwiększając wysokość w miarę przemieszczania się po płytkiej wodzie i zalewając ląd poza linią brzegową. Późniejsze badania i analizy sugerowały, że fale wodne generowane przez eksplozje różnią się od tych generowanych przez tsunami i osuwiska. Méhauté i in. W swoim przeglądzie z 1996 roku Water Waves Generated by Underwater Explosion podsumowują, że fale powierzchniowe spowodowane nawet bardzo dużą eksplozją podmorską na morzu wydatkowałyby większość swojej energii na szelfie kontynentalnym, powodując przybrzeżne powodzie nie gorsze niż w wyniku silnego sztormu.
Test Operacji Wigwam w 1955 roku miał miejsce na głębokości 2000 stóp (610 m), najgłębszej detonacji ze wszystkich urządzeń jądrowych.
Głęboka eksplozja nuklearna
Podwodna eksplozja nuklearna nie pozostawia śladu na powierzchni, o ile nie rozbije powierzchni wody, gdy jest jeszcze bańką gorącego gazu, ale gorąca, radioaktywna woda unosi się z dołu. Tak jest zawsze w przypadku eksplozji głębszych niż około 2000 stóp (610 m).
Mniej więcej w sekundę po takiej eksplozji bańka gorącego gazu zapada się, ponieważ:
- Ciśnienie wody jest ogromne poniżej 2000 stóp (610 m).
- Ekspansja zmniejsza ciśnienie gazu, co obniża temperaturę.
- Niestabilność Rayleigha-Taylora na granicy gaz/woda powoduje, że „palce” wody wnikają w bańkę, zwiększając powierzchnię graniczną.
- Woda jest prawie nieściśliwa.
- Ogromne ilości energii są pochłaniane przez przemianę fazową (woda staje się parą na granicy kuli ognia).
- Ekspansja szybko staje się nie do utrzymania, ponieważ ilość wody wypychanej na zewnątrz wzrasta wraz z sześcianem promienia wybuchu.
Ponieważ woda nie jest łatwo ściśliwa, usunięcie jej tak szybko z drogi pochłania ogromną ilość energii – a wszystko to pochodzi z ciśnienia wewnątrz rozszerzającego się bańki. Ciśnienie wody na zewnątrz bańki wkrótce powoduje jej zapadnięcie się z powrotem w małą kulę i odbicie, ponownie rozszerzając się. Powtarza się to kilka razy, ale każde odbicie zawiera tylko około 40% energii z poprzedniego cyklu.
Przy maksymalnej średnicy pierwszej oscylacji bardzo duża bomba atomowa eksplodująca w bardzo głębokiej wodzie tworzy w ciągu jednej sekundy bańkę o szerokości około 800 metrów, a następnie kurczy się, co również zajmuje około sekundy. Pęcherzyki wybuchowe z głębokich eksplozji jądrowych mają nieco dłuższe oscylacje niż płytkie. Przestają oscylować i po około sześciu sekundach stają się tylko gorącą wodą. Dzieje się to szybciej w wybuchach nuklearnych niż bańkach z konwencjonalnych materiałów wybuchowych.
Ciśnienie wody podczas głębokiej eksplozji zapobiega przetrwaniu jakichkolwiek pęcherzyków i wypłynięcia na powierzchnię.
Drastyczna utrata energii o 60% między cyklami oscylacji jest częściowo spowodowana ekstremalną siłą wybuchu jądrowego, który wypycha ścianę pęcherzyka na zewnątrz (szybciej niż prędkość dźwięku w słonej wodzie). Powoduje to niestabilność Rayleigha-Taylora . Oznacza to, że gładka ściana wody stykająca się z powierzchnią wybuchu staje się turbulentna i fraktalna, a palce i gałęzie zimnej wody oceanicznej wchodzą do bańki. Ta zimna woda chłodzi gorący gaz w środku i powoduje jego kondensację. Bańka staje się mniej kulą i wygląda bardziej jak Mgławica Krab – której odchylenie od gładkiej powierzchni jest również spowodowane niestabilnością Rayleigha-Taylora, gdy wyrzucony materiał gwiezdny przepycha się przez ośrodek międzygwiazdowy.
Jak można się było spodziewać, duże, płytkie eksplozje rozszerzają się szybciej niż głębokie, małe eksplozje.
Pomimo bezpośredniego kontaktu z eksplozją nuklearną, woda w rozszerzającej się ścianie bańki nie gotuje się; ciśnienie wewnątrz bańki przekracza (zdecydowanie) ciśnienie pary wodnej. Woda dotykająca podmuchu może wrzeć tylko podczas skurczu pęcherzyków. To wrzenie jest jak parowanie, schładzanie ściany pęcherzyka i jest kolejnym powodem, dla którego oscylujący pęcherzyk traci większość energii, którą miał w poprzednim cyklu.
Podczas tych oscylacji gorącego gazu bąbel nieustannie się unosi z tego samego powodu, co chmura grzyba : jest mniej gęsty. Powoduje to, że pęcherzyk wybuchu nigdy nie będzie idealnie kulisty. Zamiast tego spód bańki jest bardziej płaski, a podczas kurczenia się ma tendencję do „sięgania” w kierunku centrum wybuchu.
W ostatnim cyklu ekspansji spód bańki dotyka góry, zanim boki całkowicie się zapadną, a bańka w ostatniej sekundzie życia staje się torusem . Około sześć sekund po detonacji, po dużej, głębokiej eksplozji nuklearnej pozostaje tylko kolumna gorącej wody unosząca się i ochładzająca w niemal zamarzającym oceanie.
Lista podwodnych prób jądrowych
Stosunkowo niewiele podwodnych testów nuklearnych zostało wykonanych zanim zostały one zakazane przez Traktat o Częściowym Zakazie Testów . Oni są:
Seria testowa | Nazwa | Naród | Data ( UT ) | Lokalizacja | Głębokość bomby, głębokość wody | Wydajność | Uwagi |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Skrzyżowanie ulic | Piekarz | NAS | 25 lipca 1946 r | Atol Bikini , PPG | 50 m (160 stóp), 100 m (330 stóp) | 20 tys | Zbadaj wpływ płytkiej podwodnej bomby atomowej na różne jednostki floty nawodnej. |
Huragan | Huragan | Wielka Brytania | 2 października 1952 | Wyspy Monte Bello | 2,7 m (8 stóp 10 cali), 12 m (39 stóp) | 25 tys | Pierwsza brytyjska próba jądrowa. Test efektów jądrowych bomby atomowej przemycanej przez statki w porcie. |
Wigwam | Wigwam | NAS | 14 maja 1955 | północny Ocean pacyficzny | 610 m (2000 stóp), 4880 m (16010 stóp) | 30 tys | Test bomby głębinowej Mark 90-B7 „Betty” w celu określenia podatności łodzi podwodnej na głębokie bomby atomowe. |
1955 | 22 (Jan 17) | ZSRR | 21 września 1955 | Zatoka Czernaja, Nowa Ziemia | 10 m (33 stopy), nieznany | 3,5 tys | Próba torpedy jądrowej . |
1957 | 48 | ZSRR | 10 października 1957 | Nowaja Ziemia | 30 m (98 stóp), nieznany | 6 tys | Test torpedowy T-5. |
Twardy sztyft I | Łał | NAS | 16 maja 1958 | Poza atolem Enewetak , PPG | 150 m (490 stóp), 980 m (3220 stóp) | 9 tys | Test bomby głębinowej na kadłuby statków. |
Twardy sztyft I | Parasol | NAS | 8 czerwca 1958 | Wewnątrz atolu Enewetak , PPG | 46 m (151 stóp), 46 m (151 stóp) | 9 tys | Test bomby na płytkiej wodzie na dnie oceanu na kadłuby statków. |
1961 | 122 (Korall-1) | ZSRR | 23 października 1961 | Nowaja Ziemia | 20 m (66 stóp), nieznany | 4,8 tys | Test torpedowy T-5. |
Dominika | Miecznik | NAS | 11 maja 1962 | Ocean Spokojny, w pobliżu wyspy Johnston | 198 m (650 stóp), 1000 m (3300 stóp) | <20 tys | Test systemu RUR-5 ASROC . |
Uwaga: często uważa się, że Francuzi przeprowadzili szeroko zakrojone testy podwodne we francuskiej Polinezji Zachodniej na atolach Moruroa i Fangataufa . To jest niepoprawne; bomby zostały umieszczone w szybach wydrążonych w leżącej pod nimi skale koralowej i wulkanicznej i nie wyciekały celowo z opadu.
Galeria prób jądrowych
Detekcja podwodnej detonacji jądrowej za pomocą hydroakustyki
Istnieje kilka metod wykrywania detonacji jądrowych. Hydroakustyka jest podstawowym sposobem określenia, czy pod wodą nastąpiła detonacja jądrowa. Hydrofony służą do monitorowania zmian ciśnienia wody, gdy fale dźwiękowe rozchodzą się w oceanach na świecie. Dźwięk przemieszcza się przez wodę o temperaturze 20 °C z prędkością około 1482 metrów na sekundę, w porównaniu z prędkością dźwięku 332 m/s w powietrzu. W oceanach świata dźwięk rozchodzi się najskuteczniej na głębokości około 1000 metrów. Fale dźwiękowe, które przemieszczają się na tej głębokości, poruszają się z minimalną prędkością i są uwięzione w warstwie zwanej Sound Fixing and Ranging Channel ( SOFAR ). Dźwięki mogą być wykrywane w SOFAR z dużych odległości, co pozwala na zastosowanie ograniczonej liczby stacji monitorujących wymaganych do wykrywania aktywności oceanicznej. Hydroakustyka została pierwotnie opracowana na początku XX wieku jako środek do wykrywania obiektów, takich jak góry lodowe i ławice, w celu zapobiegania wypadkom na morzu.
Przed przyjęciem Traktatu o całkowitym zakazie prób jądrowych zbudowano trzy stacje hydroakustyczne . Dwie stacje hydrofoniczne zbudowano na Północnym Pacyfiku i Środkowym Atlantyku, a stację fazy T zbudowano u zachodniego wybrzeża Kanady. Kiedy przyjęto CTBT, zbudowano 8 kolejnych stacji hydroakustycznych, aby stworzyć kompleksową sieć zdolną do identyfikowania podwodnych detonacji jądrowych w dowolnym miejscu na świecie. Te 11 stacji hydroakustycznych, oprócz 326 stacji monitorujących i laboratoriów, obejmuje Międzynarodowy System Monitorowania (IMS), który jest monitorowany przez Komisję Przygotowawczą Organizacji Traktatu o Całkowitym Zakazie Prób Jądrowych (CTBTO).
Obecnie w sieci IMS stosowane są dwa różne typy stacji hydroakustycznych; 6 stacji monitoringu hydrofonów i 5 stacji fazy T. Te 11 stacji znajduje się głównie na półkuli południowej, która jest głównie oceanem. Stacje monitorowania hydrofonów składają się z szeregu trzech hydrofonów zawieszonych na kablach przywiązanych do dna oceanu. Są one umieszczone na głębokości znajdującej się w SOFAR w celu efektywnego gromadzenia odczytów. Każdy hydrofon rejestruje 250 próbek na sekundę, podczas gdy kabel uwięzi dostarcza energię i przenosi informacje na brzeg. Informacje te są konwertowane do użytecznej postaci i przesyłane bezpiecznym łączem satelitarnym do innych obiektów w celu analizy. Stacje monitorujące fazy T rejestrują sygnały sejsmiczne generowane przez fale dźwiękowe, które zostały sprzężone z dnem oceanu lub linią brzegową. Stacje fazy T są zazwyczaj zlokalizowane na wyspach o stromym nachyleniu, aby zebrać możliwie najczystsze odczyty sejsmiczne. Podobnie jak w przypadku stacji hydrofonicznych, informacje te są przesyłane na brzeg i przesyłane łączem satelitarnym do dalszej analizy. Stacje hydrofoniczne mają tę zaletę, że zbierają odczyty bezpośrednio z SOFAR, ale generalnie są droższe w realizacji niż stacje T-fazowe. Stacje hydroakustyczne monitorują częstotliwości od 1 do 100 Hz, aby określić, czy doszło do podwodnej detonacji. Jeśli potencjalna detonacja została zidentyfikowana przez jedną lub więcej stacji, zebrane sygnały będą zawierały szerokie pasmo z widmem częstotliwości wskazującym na podwodną wnękę u źródła.
Zobacz też
- Testowanie broni jądrowej
- Inżynieria morska
- Współczynnik szoku Shock
- Nuklearna bomba głębinowa
- Torpeda jądrowa
Źródła
Dalsza lektura
- Glasstone, Samuela; Dolan, Filip (1977). Skutki broni jądrowej (wyd. trzecie). Waszyngton: Departament Obrony USA; Administracja Badań i Rozwoju Energetyki.
- Le Méhauté, Bernard; Wang, Shen (1995). Fale wodne generowane przez podwodną eksplozję . Zaawansowana seria na temat inżynierii oceanicznej. 10 . Światowe Wydawnictwo Naukowe. Numer ISBN 981-02-2083-9.