Атмосферный ядерный взрыв
Атмосферный ядерный взрыв — ядерный взрыв, происходящий в достаточно плотном воздухе ниже 100 км, где образуется ударная волна, но достаточно высоко, чтобы вспышка не коснулась земли.
Классификация
Приведённая высота заряда в метрах на тонны тротилового эквивалента в кубическом корне (в скобках пример для взрыва мощностью 1 мегатонна) (С. 146, 232, 247, 457, 454, 458, 522, 652, 751), (С. 26):
высотный более 10—15 км, но чаще считается на высотах 40—100 км, когда ударная волна почти не образуется высокий воздушный свыше 10 м/т1/3, когда форма вспышки близка к сферической (свыше 1 км) низкий воздушный от 3,5 до 10 м/т1/3 — огненная сфера в процессе роста могла бы дойти до земли, но перед самым касанием отбрасывается вверх отражённой от поверхности ударной волной и принимает усечённую форму (от 350 до 1000 м)Особенности проявления атмосферного взрыва в зависимости от высоты
Высотный взрыв
Высотный взрыв по своим проявлениям занимает промежуточное положение меж воздушным и космическим. Как при воздушном взрыве ударная волна образуется, но настолько незначительная, что не может служить поражающим фактором для наземных объектов. На высоте 60—80 км на неё идёт не более 5 % энергии. Как при космическом световая вспышка скоротечна, однако она намного ярче и опаснее, на световое излучение уходит до 60—70 % энергии взрыва. Электромагнитый импульс опасных для радиотехники параметров при высотном взрыве может распространяться на сотни километров(С. 157),(С. 23, 54).
Рентгеновское излучение ядерной детонации на высоте мезосферы охватывает большой объём разрежённого воздуха диаметром до нескольких километров. Нагретый до ~10 тыс. К воздух в доли первой секунды высвечивает около половины тепловой энергии через прозрачную низкоплотную ударную волну, на земле это выглядит как огромная световая вспышка в небе, вызывающая ожоги сетчатки и роговицы у смотревших в сторону взрыва и временное ослепление у остальных пострадавших, но не приводящая к ожогам кожи и пожарам. При сочетании большого размера светящегося шара с быстротой световой отдачи мощный высотный взрыв в ночных условиях может ослепить живые существа во всём районе прямой видимости, то есть в целом регионе диаметром до 1000 км и более
После вспышки с расстояний до тысяч км несколько минут наблюдается быстро растущий, поднимающийся и постепенно угасающий огненный шар диаметром до нескольких десятков км, окружённый слабо светящейся красным цветом ударной волной. Также на расстояниях в несколько тысяч километров в ночном небе могут появиться искусственные зори — аналог полярного сияния — свечение воздуха на высоте 300—600 км под действием бета-излучения взрыва.(С. 55, 83, 87, 559).
Ударная волна в низкоплотной атмосфере распространяется почти без потерь и вовлекает в движение большие объёмы воздуха. Потому такая ударная волна, хотя и не имеет достаточной энергии, она распространяется на большие расстояния и способствует заносу мезосферного воздуха в ионосферу и нарушению радиосвязи на коротких волнах(С. 505).
Воздушный взрыв
Огненный шар
Взрывающийся заряд окружает плотный воздух, его частички поглощают и трансформируют энергию взрыва. Фактически мы можем видеть не взрыв заряда, а быстрое расширение и свечение шарообразного объёма воздуха. Радиус распространения в воздухе рентгеновского излучения, выходящего из заряда, 0,2 м/т1/3 (20 м для 1 Мт), после этого уже сам воздух переносит тепловую энергию путём радиационной диффузии. Максимальный радиус тепловой волны 0,6 м/т1/3 или 60 м для 1 Мт (С. 196). Далее границей шара становится ударная волна.
В начальной фазе свечения внутри шара огромная температура, но наблюдаемая снаружи температурная яркость невелика и лежит в пределах 10—17 тыс. К (С. 473, 474), (С. 24). Это объясняется особенностями пропускания света нагретым ионизованным воздухом. Росселандов пробег света (эдакая дальность видимости в плазме) в воздухе на уровне моря составляет при температуре 10 тысяч°C ~0,5 м, 20 тыс.°C 1 см 100 тыс.°C 1 мм, 300 тыс.°C 1 см, 1 млн.°C 1 м, а 3 млн. — 10 м (С. 172). Видимый свет излучает наружный, только начавший нагреваться слой шара с температурой порядка 10 тыс. К, толщина его мала и пробега в полметра хватает, чтобы свет вырвался наружу. Идущий следом слой в 20—100 тыс. К поглощает и своё и внутреннее излучение, тем самым сдерживая и растягивая во времени его распространение.
Пробег света ещё уменьшается с ростом плотности нагретой среды, а с уменьшением плотности увеличивается, приближаясь к бесконечности в условиях космоса. Этот эффект ответственен за необычность свечения вспышки в два импульса, большую продолжительность свечения, а также за образование ударной волны. Без него почти вся энергия взрыва быстро ушла бы в пространство в виде излучений, не успев как следует разогреть воздух вокруг остатков бомбы и создать сильную ударную волну, что и происходит при высотном взрыве.
Обычно огненный шар атомного взрыва свыше 1 килотонны светит в два захода, причём первый импульс длится доли секунды, а всё остальное время забирает второй импульс.
Первый импульс (первая фаза развития светящейся области) обусловлен скоротечным свечением фронта ударной волны. Первый импульс короток и диаметр шара в это время ещё мал, потому выход световой энергии невелик: всего ~1—2 % общей энергии излучения, большей частью в виде УФ-лучей и ярчайшего светового излучения, способного повредить зрение у случайно смотревшего в сторону взрыва человека без образования ожогов кожи (С. 49, 50, 313), (С. 26). Визуально первый импульс воспринимается как мельком возникшая и сразу гаснущая вспышка неясных очертаний, озаряющая всё вокруг резким бело-фиолетовым светом. Скорости роста и изменения яркости слишком велики, чтобы человек это заметил и регистрируются приборами и специальной киносъёмкой. Этот эффект по скорости напоминает фотовспышка, а в физическом плане к нему наиболее близки природная молния и искусственный электрический искровой разряд, при которых в канале пробоя развиваются температуры в несколько десятков тысяч градусов, испускается сине-белое свечение, ионизуется воздух и появляется ударная волна, на расстоянии воспринимаемая как гром (С. 493—495).
Сфотографированная через затемняющий светофильтр вспышка во время первого и с переходом во второй импульс может иметь причудливые формы. Особенно это выражено при маленькой мощности взрыва и большой массе наружных оболочек заряда. Искривление шарообразной ударной волны происходит из-за набега изнутри и столкновения с ней плотных сгустков испарившейся бомбы (С. 23). При взрывах большой мощности этот эффект выражен мало, так как ударная волна изначально выносится излучением далеко и сгустки бомбы едва поспевают за ней, огненная область остаётся шаром.
Если заряд был взорван на решётчатой башне с растяжками, то вдоль тросовых растяжек появляется конусообразный свет испарений и ударной волны, выбегающей по испарённому тросу вперёд от основного фронта (Канатные трюки).
Если мощный заряд имеет с одной стороны тонкий, а с другой толстый корпус, то во время первого импульса ударная волна шарообразно раздувается со стороны тонкого корпуса, а с массивной стороны распухает неровный волдырь (последняя фотография). В дальнейшем разница сглаживается.
Время наступления максимума температуры первого импульса зависит от мощности заряда (q) и плотности воздуха на высоте взрыва (ρ):
t1max = 0,001·q1/3·(ρ/ρ¸), сек (q в Мт) (С. 44)где: ρ¸ — плотность воздуха на уровне моря.
Помимо видимых процессов внутри сферы в это время происходят невидимые, хотя и не имеющие значения в смысле поражающих факторов. После ухода из центра продуктов реакции и воздуха образуется полость с пониженным давлением, окружённая наружными сферическими уплотнёнными областями. Эта полость отсасывает часть паров бомбы и воздуха обратно к центру, где они сходятся, уплотняются, приобретая давление выше, чем в это время в ударной волне и затем вновь расходятся, создавая повторную волну сжатия небольшой интенсивности (С. 190) (С. 152). Процесс схож с пульсацией пузыря подводного взрыва (см. в статье Подводный ядерный взрыв)
Температурный минимум. После снижения температуры ниже 5000 К ударная волна прекращает излучать свет и становится прозрачной. Температура шара снижается до определённого минимума и затем вновь начинает расти. Это происходит из-за поглощения света ионизированным и насыщенным оксидами азота слоем воздуха в ударной волне. Глубина минимума зависит от толщины этого слоя и, соответственно, от мощности взрыва. При мощности 2 кт температурный минимум составляет 4800 К, при 20 кт 3600 К, при мегатонных взрывах приближается к 2000 К (С. 485). При взрывах менее 1 килотонны минимум отсутствует и шар светит одним коротким импульсом.
Время наступления температурного минимума:
tmin = 0,0025·q1/2, сек (q в кт) (С. 80) tmin = 0,06·q0,4·(ρ/ρ¸), сек ±35 % (q в Мт) (С. 44)Радиус шара в момент минимума:
Rmin = 27,4·q0,4, м (q в кт) (С. 81)При минимуме шар светит намного слабее Солнца, примерно как обычный огонь или лампа накаливания. Если при съёмке использовать слишком затемняющий светофильтр, шар может совсем исчезнуть из вида. В это время через полупрозрачную ударную волну можно видеть внутреннюю структуру шара на несколько десятков метров вглубь.
Второй импульс (вторая фаза) менее горячий, в пределах 10 тыс. градусов, но намного более длительный (в сотни—тысячи раз) и сфера при нём достигает максимального диаметра, потому этот импульс является главным источником светового излучения как поражающего фактора: 98—99 % энергии излучения взрыва в основном в видимом и ИК диапазоне спектра. Он обусловлен испусканием глубинного тепла шара после исчезновения экранирующего свет наружного слоя NO2 (подробности см. в разделе примеров). В обеих фазах сфера светит почти как абсолютно чёрное тело (С. 50, 81), (С. 26), чем напоминает свет звёзд.
При взрыве любой мощности огненный шар с падением температуры меняет цвет от голубого к ярко-белому, затем золотисто-жёлтому, оранжевому, вишнёво-красному цвету (С. 86); этот процесс похож на перемещение остывающей звезды из одного спектрального класса к другому. Действие на окружающую местность во втором импульсе напоминает свечение Солнца (С. 319), как если бы оно быстро приблизилось к Земле, попутно увеличив свою температуру в 1,5—2 раза, а затем, медленно отходя и расширяясь, погасло. Разница по мощностям в скорости этого процесса. При маломощных взрывах нагретая область успевает погаснуть за секунды, не успев далеко уплыть от места детонации. При взрывах сверхбольших мощностей шар давно уже превратился в клубящееся облако, быстро поднимается и подходит к границе тропосферы, но всё продолжает палящее излучение в солнечных светло-жёлтых тонах, а окончание свечения происходит только через несколько минут в середине стратосферы.
Радиус шара в момент отрыва от него ударной волны:
Rотр. = 33,6·q0,4, м (q в кт) (С. 81)К моменту второго максимума выделяется 20 % световой энергии. Время его наступления определяется так:
t2max = 0,032·q1/2, сек (q в кт) (С. 81). При мощности 1 Мт и выше это время может быть несколько меньше рассчитанного. t2max ≈ 0,9·q0,42·(ρ/ρ¸)0,42, сек ±20 % (q в Мт) (С. 44)Время окончания светового излучения как поражающего фактора (эффективная продолжительность свечения):
t = 10·t2max, сек; к этому времени выделяется 80 % энергии излучения (С. 355).Максимальный радиус огненного шара перед превращением в облако зависит от многих факторов и точно быть предсказан не может, примерные его значения такие:
Rmax. ≈ 2·Rотр. = 67,2·q0,4, м (q в кт) (С. 82) Rmax. ≈ 70·q0,4, м (q в кт) (С. 68)Первые строчки этой таблицы (20—50 тысяч градусов) относятся только к первому импульсу. Доля излучения в видимых лучах при таких температурах мала, однако суммарная излучаемая энергия при этом столь велика, что свет первого импульса всё равно на много ярче солнечного. Последние две строчки (1500 и 2000 К) относятся ко второму импульсу. Остальные температуры наблюдаются в обоих импульсах и промежутке между ними.
Воздушная ударная волна
Радиус места образования ударной волны в воздухе можно узнать по такой эмпирической формуле, подходящей для взрывов от 1 кт до 40 Мт и высот до 30 км (С. 23):
R = 47 · q0,324 · (ρ/ρ¸)−1/2 ±10 %, м (q в Мт)При взрыве 1 Мт на уровне моря этот радиус ~47 м, на больших высотах ударная волна появляется дальше и позже (на высоте 2 км на расстоянии 52 м, 13 км 100 м, 22 км 200 м и т. д.), а в космосе не появляется вообще.
Образовавшаяся ударная волна воздушного взрыва вначале свободно распространяется во все стороны, но при встрече с землёй проявляет несколько особенностей:
- недалеко от эпицентра появляется эффект увеличения давления в несколько раз (давление отражения) из-за складывания энергии фронта и скоростного напора;
- на дальних дистанциях, где поток воздуха у земли начинает горизонтальное движение, сказывается эффект наложения отражённой волны на падающую и образование совместной более мощной головной ударной волны или волны Маха вдоль поверхности.
Чтобы последний эффект проявился в полной мере, взрыв должен быть произведён на определённой высоте, примерно равной двум радиусам огненной сферы. Для взрыва в 1 килотонну это 225 м, 20 кт 540—600 м, 1 Мт 2000—2250 м (С. 91, 113, 114, 620) (С. 26). При такой высоте головная ударная волна разрушительной силы расходится на максимально возможные расстояния и достигается большая площадь поражения световым излучением и проникающей радиацией по-сравнению с наземным взрывом из-за отсутствия затемнения вспышки клубами пыли и экранирования зданиями и рельефом местности. Такой воздушный взрыв по действию ударной волны на дальних дистанциях уподобляется наземному мощностью почти в два раза большей. Но в эпицентре давление отражённой ударной волны ограничивается примерно 0,3—0,5 МПа, что недостаточно для разрушения особо прочных военных целей.
Исходя из этого воздушный ядерный взрыв имеет стратегическое и ограниченное боевое назначение:
- стратегическое — разрушение городов, промышленности и убийство мирных граждан на максимальной площади с целью полностью вывести противоборствующую сторону из строя и сделать невозможным её восстановление;
- тактическое — уничтожение легкобронированной военной техники, полевой фортификации и военнослужащих на поверхности с целью обезвредить противника на поле сражения и создать безопасный проход в укреплённой полосе обороны (Тоцкие войсковые учения). Может применяться для поражения выявленных скоплений передвижных пусковых установок ракет.
Ядерный гриб
Ядерный гриб высокого воздушного взрыва (свыше 10—20 м/т1/3 или свыше 1—2 км для 1 Мт) имеет особенность: пылевой столб (ножка гриба) может вообще не появиться, а если и вырастает, то не соприкасается с облаком (шляпкой). Пыль с поверхности, идущая столбом в потоке воздуха не достаёт до облака и не смешивается с радиоактивными продуктами (С. 454). На поздних стадиях развития гриба может создаться видимость срастания столба с облаком, но это впечатление чаще всего объясняется появлением конуса из конденсата паров воды.
Высокий воздушный ядерный взрыв почти не вызывает радиоактивного заражения. Источником заражения служат атомизированные продукты взрыва (пары бомбы) и изотопы компонентов воздуха и все они остаются в уходящем от места взрыва облаке. Изотопам не на чём осесть, они не могут быстро выпасть на поверхность и разносятся далеко и на большую площадь. А если это воздушный взрыв сверхбольшой мощности (1 Мт и более), то до 99 % образовавшихся радионуклидов заносятся облаком в стратосферу (С. 6) и не скоро опустятся на землю. Например, после типичных воздушных взрывов над Хиросимой и Нагасаки не было ни одного случая лучевой болезни от радиоактивного заражения местности, все пострадавшие получили дозы только проникающей радиации в зоне действия взрыва (С. 44, 592).
Примеры эффектов атмосферного ядерного взрыва на различных расстояниях
Примеры эффектов высотного ядерного взрыва
Взрыв Hardtack Teak мощностью 3,8 мегатоны в тротиловом эквиваленте на высоте 76,8 километров на основе (С. 55, 56, 502)
Примеры эффектов воздушного ядерного взрыва
Таблица составлена на основе статьи Г. Л. Броуда «Обзор эффектов ядерного оружия» (русский перевод), монографий «Физика ядерного взрыва», «Действие ядерного оружия», учебника «Гражданская оборона» и таблиц параметров ударной волны в источниках (С. 183), (С. 191), (С. 16), (С. 398), (С. 72, 73), (С. 156),.
Предполагается, что до 2 километров — это расстояние от центра воздушного взрыва, примеры воздействия на поверхность земли, разные предметы и живые существа предполагают высоту десятки—сотни метров. А далее — расстояние от эпицентра взрыва на наиболее «выгодной» высоте примерно 2 км для мегатонной мощности (С. 26) (С. 90—92, 114).
Время во втором столбике — на ранних стадиях (до 0,1—0,2 мсек) это момент прибытия границы огненной сферы, а в дальнейшем — фронта воздушной ударной волны и, соответственно, звука взрыва. До этого момента для далёкого наблюдателя картина вспышки и растущего ядерного гриба разворачивается в тишине. Приход ударной волны на безопасном расстоянии воспринимается как близкий пушечный выстрел и последующий рокот длительностью несколько секунд, а также ощутимое «закладывание» ушей, как на самолёте при снижении (С. 474) (С. 65).
Вообще говоря, взрыв в воздухе на маленькой высоте (ниже 350 м для 1 Мт) является наземным, но примеры воздействия таких взрывов на поверхность земли и объекты мы рассмотрим здесь, так как соответствующая таблица для наземного взрыва (см. в статье Ядерный взрыв) покажет в основном эффекты взрыва при падении бомбы на землю и срабатывании контактного взрывного устройства.