Grzybowa chmura

Wznosząca się chmura z wulkanu Redoubt z erupcji 21 kwietnia 1990 r. Pióropusz w kształcie grzyba uniósł się z lawin gorących szczątków ( przepływy piroklastyczne ), które spadły kaskadą w dół północnego zbocza wulkanu.
Chmura grzybowa z bombardowania atomowego Nagasaki w Japonii 9 sierpnia 1945 r.

Chmura grzybowa to charakterystyczna chmura flammagenitus w kształcie grzyba , składająca się z gruzu, dymu i zwykle skondensowanej pary wodnej powstałej w wyniku 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, taka jak ATBIP i GBU-43/B MOAB . Niektóre erupcje wulkanów i zdarzenia uderzeniowe mogą wytwarzać naturalne grzyby.

Chmury grzybowe powstają w wyniku nagłego tworzenia się dużej objętości gazów o mniejszej gęstości na dowolnej wysokości, powodując niestabilność Rayleigha-Taylora . Pływająca masa gazu szybko się unosi, powodując turbulentne wiry zawijające się w dół wokół jej krawędzi, tworząc tymczasowy pierścień wirowy , który wciąga centralną kolumnę, prawdopodobnie z dymem, gruzem, skroploną parą wodną lub ich kombinacją, tworząc „ łodyga grzyba". Masa gazu wraz z porwanym wilgotnym powietrzem ostatecznie osiąga wysokość, na której nie ma już mniejszej gęstości niż otaczające powietrze; w tym momencie rozprasza się, dryfuje z powrotem w dół (patrz opad ). Wysokość stabilizacji zależy silnie od profili temperatury, punktu rosy i uskoku wiatru w powietrzu na wysokości początkowej i powyżej.

Wczesne relacje i pochodzenie terminu

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

Chociaż wydaje się, że termin ten został ukuty na początku lat pięćdziesiątych XX wieku, chmury grzybowe generowane przez eksplozje były opisywane wieki przed erą atomową .

Współczesny akwatinta autorstwa nieznanego artysty przedstawiający francusko-hiszpański atak na Gibraltar w 1782 r. Przedstawia jedną z pływających baterii atakujących eksplodującą chmurą w kształcie grzyba po tym, jak brytyjscy obrońcy podpalili ją, oddając gorący strzał .

Grzybowa chmura na rycinie z Physikalischer Kinderfreund Gerharda Vietha (1798)

W 1798 roku Gerhard Vieth opublikował szczegółowy i ilustrowany opis chmury w okolicach Gotha , która „nie przypominała kształtem grzyba”. Chmura została zaobserwowana przez radcę poselskiego Lichtenberga kilka lat wcześniej w ciepłe letnie popołudnie. Została zinterpretowana jako nieregularna chmura meteorologiczna i wydawało się, że spowodowała burzę z deszczem i grzmotami z nowej ciemnej chmury, która rozwinęła się pod nią. Lichtenberg stwierdził, że później obserwował nieco podobne chmury, ale żadna nie była tak niezwykła.

Wybuch Halifaxa w 1917 roku wytworzył chmurę w kształcie grzyba.

W 1930 roku Olaf Stapledon w swojej powieści Last and First Men wyobraża sobie pierwszą demonstrację broni atomowej „chmury pary z wrzącego morza… gigantyczny grzyb pary i gruzu”

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

Podczas II wojny światowej zniszczenie japońskiego pancernika Yamato stworzyło chmurę w kształcie grzyba.

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

W 1946 roku testy bomb atomowych Operacji Crossroads zostały opisane jako mające chmurę „ kalafiora ”, ale obecny reporter mówił również o „grzybie, obecnie powszechnym symbolu ery atomowej ” . Grzyby tradycyjnie kojarzone były zarówno z życiem, jak i śmiercią, jedzeniem i trucizną, co czyniło z nich silniejsze symboliczne połączenie niż, powiedzmy, „kalafiorowa” chmura.

Fizyka

Wewnątrz wznoszącej się chmury w kształcie grzyba: gęstsze powietrze gwałtownie wpycha się w dolny środek toroidalnej kuli ognia, która turbulentnie miesza się ze znajomym wyglądem chmury.

Grzybowe chmury powstają w wyniku wielu rodzajów dużych eksplozji pod wpływem ziemskiej grawitacji, ale najbardziej znane są z tego, że pojawiają się po detonacjach jądrowych . Bez grawitacji lub bez gęstej atmosfery gazy będące produktem ubocznym materiału wybuchowego pozostałyby kuliste. Broń jądrowa jest zwykle detonowana nad ziemią (nie po uderzeniu, ponieważ część energii zostałaby rozproszona przez ruchy ziemi), aby zmaksymalizować efekt kuli ognia i fali uderzeniowej . Natychmiast po detonacji kula ognia zaczyna unosić się w powietrze, działając na tej samej zasadzie co balon na ogrzane powietrze .

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

15-megatonowa eksplozja Castle Bravo na atolu Bikini, 1 marca 1954 r., Pokazująca wiele pierścieni kondensacji i kilka czap lodowych.

Gdy się wznosi, powstaje niestabilność Rayleigha-Taylora , a powietrze jest wciągane w górę i do chmury (podobnie jak prąd wstępujący w kominie ), wytwarzając silne prądy powietrza zwane „podmuchami wiatru”, podczas gdy wewnątrz głowy chmura, gorące gazy obracają się w kształcie toroidalnym . Kiedy wysokość detonacji jest wystarczająco niska, te wiatry wtórne będą wciągać brud i szczątki z gruntu poniżej, tworząc łodygę grzybowej chmury.

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

Jądrowe chmury grzybów

Detonacje jądrowe 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 szczątków broni, i są zwykle rozpraszane przez wiatr, chociaż wzorce pogodowe (zwłaszcza deszcz) mogą powodować problematyczny opad jądrowy .

Detonacje znacznie poniżej poziomu gruntu lub głęboko pod wodą (na przykład jądrowe ładunki głębinowe) również nie wytwarzają grzybów, ponieważ w takich przypadkach eksplozja powoduje 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, tworzą słup wody, który zapadając się, przyjmuje kształt przypominający kalafior, który łatwo pomylić z chmurą w kształcie grzyba (jak na dobrze znanych zdjęciach Crossroads Baker test). Podziemne detonacje na małej głębokości wytwarzają chmurę w kształcie grzyba i falę podstawową , dwie różne odrębne chmury. Ilość promieniowania uwalnianego do atmosfery gwałtownie spada wraz ze wzrostem głębokości detonacji.

   W przypadku wybuchów powietrza na powierzchni i przy powierzchni ilość szczątków unoszących się w powietrze gwałtownie spada wraz ze wzrostem wysokości wybuchu. Na wysokości wybuchu około 7 metrów /kiloton 1/3 gruzu . krater nie tworzy się i wytwarzane są odpowiednio mniejsze ilości pyłu i Wysokość zmniejszająca opad, powyżej której pierwotne cząstki radioaktywne składają się głównie z drobnej kondensacji kuli ognia, wynosi około 55 metrów/kiloton 0,4 . Jednak nawet na takich wysokościach wybuchu opad może być tworzony przez szereg mechanizmów.

Wielkość chmury grzyba jako funkcja plonu .

Rozkład promieniowania w chmurze grzyba zmienia się w zależności od wydajności eksplozji, rodzaju broni, stosunku syntezy jądrowej do rozszczepienia, wysokości wybuchu, rodzaju terenu i pogody. Ogólnie rzecz biorąc, eksplozje o niższej wydajności mają około 90% radioaktywności w główce grzyba i 10% w łodydze. Dla kontrastu, eksplozje o zasięgu megaton mają większość swojej radioaktywności w dolnej jednej trzeciej chmury grzyba.

W momencie wybuchu powstaje kula ognia. Wznosząca się, z grubsza kulista masa gorących, żarzących się gazów zmienia kształt w wyniku tarcia atmosferycznego i chłodzi swoją powierzchnię promieniowaniem energetycznym, zamieniając się z kuli w gwałtownie wirujący sferoidalny wir. Niestabilność Rayleigha-Taylora powstaje , gdy chłodne powietrze pod spodem początkowo wypycha dolne gazy kuli ognia do kształtu odwróconej miseczki. Powoduje to turbulencje i wir, który zasysa więcej powietrza do swojego środka, tworząc zewnętrzne wiatry wtórne i ochładzając się. Szybkość jego obracania się zmniejsza się w miarę stygnięcia i może całkowicie ustać w późniejszych fazach. Odparowane części broni i zjonizowane powietrze ochładzają się do widocznych gazów, tworząc wczesną chmurę; the rozpalony do białości rdzeń wiru staje się żółty, potem ciemnoczerwony, po czym traci widoczną żarliwość. Przy dalszym ochładzaniu większość chmur wypełnia się w miarę skraplania wilgoci atmosferycznej. Gdy chmura wznosi się i ochładza, jej wyporność maleje, a wznoszenie się spowalnia.

Jeśli rozmiar kuli ognia jest porównywalny z wysokością skali gęstości atmosfery , cały wzrost chmury będzie balistyczny , przestrzeliwując dużą objętość przegęszczonego powietrza na większe wysokości niż ostateczna wysokość stabilizacji. Znacznie mniejsze kule ognia wytwarzają chmury, których wznoszenie jest regulowane przez siłę wyporu.

Po dotarciu do tropopauzy , dna obszaru o silnej stabilności statycznej, chmura ma tendencję do zwalniania wznoszenia się i rozprzestrzeniania. Jeśli zawiera wystarczającą ilość energii, jej środkowa część może nadal wznosić się do stratosfery jako odpowiednik standardowej burzy. Masa powietrza wznosząca się z troposfery do stratosfery prowadzi do powstawania akustycznych fal grawitacyjnych , praktycznie identycznych z tymi, które powstają podczas intensywnych burz penetrujących stratosferę . Eksplozje o mniejszej skali penetrujące tropopauzę generują fale o wyższej częstotliwości, klasyfikowane jako infradźwięki .

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

Ewolucja nuklearnej chmury grzybowej; 19 kt na 120 m • kt - 1 ⁄ 3 . Tumbler-Snapper Pies . Piaszczysta pustynna gleba Nevady jest „popcornowana” przez intensywny błysk światła emitowany przez natychmiastowe zdarzenie nadkrytyczne ; ten „efekt popcornu” powoduje, że więcej gleby jest wyrzucane do łodygi grzybowej chmury, niż miałoby to miejsce w innym przypadku, gdyby urządzenie zostało umieszczone nad bardziej typową powierzchnią lub glebą.

Chmura grzybowa przechodzi kilka faz formowania.

  • Wczesny czas , pierwsze ≈20 sekund, kiedy tworzy się kula ognia, a produkty rozszczepienia mieszają się z materiałem zasysanym z ziemi lub wyrzucanym z krateru. Kondensacja odparowanej ziemi następuje w ciągu pierwszych kilku sekund, najintensywniej podczas temperatur kuli ognistej między 3500-4100 K.
  • Faza wzrostu i stabilizacji , od 20 sekund do 10 minut, kiedy gorące gazy unoszą się i osadza się wczesny duży opad.
  • Późny czas , do około 2 dni później, kiedy cząstki unoszące się w powietrzu są rozprowadzane przez wiatr, osadzane przez grawitację i usuwane przez opady atmosferyczne.

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

Początkowy kolor niektórych radioaktywnych chmur może być zabarwiony na czerwono lub czerwono-brązowo, ze względu na obecność dwutlenku azotu i kwasu azotowego , utworzonego z początkowo zjonizowanego azotu , tlenu i wilgoci atmosferycznej. W środowisku wybuchu o wysokiej temperaturze i wysokim promieniowaniu ozon też się tworzy. Szacuje się, że każda megatona plonu wytwarza około 5000 ton tlenków azotu. Opisano również odcienie żółte i pomarańczowe. Ten czerwonawy odcień zostaje później przyćmiony przez biały kolor chmur wodno-lodowych, skraplających się z szybko płynącego powietrza, gdy kula ognia stygnie, oraz ciemnego koloru dymu i szczątków zasysanych przez prąd wstępujący. Ozon nadaje podmuchowi charakterystyczny wyładowanie koronowe .

Kropelki skondensowanej wody stopniowo odparowują, co prowadzi do pozornego zniknięcia chmury. Cząsteczki radioaktywne pozostają jednak zawieszone w powietrzu, a niewidoczna już chmura nadal gromadzi opad na swojej drodze.

Trzon chmury jest szary do brązowego podczas wybuchu, ponieważ duże ilości pyłu, brudu, ziemi i gruzu są zasysane do grzyba. Uderzenia powietrza wytwarzają białe, parujące łodygi. Wybuchy powodują powstawanie ciemnych grzybów, zawierających napromieniowany materiał z ziemi oprócz bomby i jej obudowy, a zatem wytwarzają więcej opadu radioaktywnego, z większymi cząstkami, które łatwo osadzają się lokalnie.

Detonacja o wyższej wydajności może przenosić tlenki azotu z eksplozji na tyle wysoko w atmosferze, aby spowodować znaczne zubożenie warstwy ozonowej .

Grzyb podwójny, z dwoma poziomami, może powstać w określonych warunkach. Na przykład Buster-Jangle Sugar uformował pierwszą głowę z samego wybuchu, a następnie kolejną, wygenerowaną przez ciepło z gorącego, świeżo utworzonego krateru.

Sam opad może wyglądać jak suche płatki przypominające popiół lub 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 przebarwionymi plamami i zmianami na grzbietach narażonych zwierząt. Opad z Castle Bravo miał wygląd białego pyłu i został nazwany śniegiem Bikini ; maleńkie białe płatki przypominały płatki śniegu , przyklejały się do powierzchni i miały słony smak. 41,4% opadu z Operacja Wigwam składała się z nieregularnych nieprzezroczystych cząstek, nieco ponad 25% cząstek z przezroczystymi i nieprzezroczystymi obszarami, około 20% mikroskopijnych organizmów morskich i 2% mikroskopijnych radioaktywnych nici nieznanego pochodzenia.

Skład chmury

Chmura grzybowa z Buster-Jangle Charlie daje 14 kiloton (na 143 m • kt − 1 ⁄ 3 ), podczas początkowej fazy formowania łodygi. U góry widoczna jest toroidalna kula ognia, pośrodku formuje się chmura kondensacyjna z powodu intensywnych prądów wstępujących wilgotnego powietrza, a tworząca się częściowa łodyga jest widoczna poniżej. Chmura ma czerwonawo-brązowy odcień tlenków azotu.

Chmura zawiera trzy główne klasy materiałów: pozostałości broni i produkty jej rozszczepienia, materiał pozyskany z ziemi (istotny tylko dla wysokości eksplozji poniżej wysokości zmniejszającej opad, która zależy od wydajności broni) oraz parę wodną. Większość promieniowania zawartego w chmurze składa się z produktów rozszczepienia jądrowego ; aktywacja neutronowa produkty z materiałów broni, powietrza i szczątków ziemi stanowią tylko niewielką część. Aktywacja neutronów rozpoczyna się podczas wybuchu neutronów w momencie samego wybuchu, a zasięg tego wybuchu neutronów jest ograniczony przez absorpcję neutronów podczas ich przechodzenia przez atmosferę ziemską.

Większość promieniowania jest wytwarzana przez produkty rozszczepienia. Broń termojądrowa wytwarza znaczną część swoich plonów z syntezy jądrowej . Produkty fuzji są zazwyczaj nieradioaktywne. Stopień produkcji opadu promieniowania jest zatem mierzony w kilotonach rozszczepienia. Car Bomba , która 97% swojej 50-megatonowej wydajności wytworzyła z syntezy jądrowej, była bardzo czystą bronią w porównaniu z tym, czego można by się spodziewać po broni o takiej wydajności (chociaż nadal wytwarzała 1,5 megatonowej wydajności z rozszczepienia), jak jego sabotaż termojądrowy został wykonany z ołowiu zamiast uranu-238; w przeciwnym razie jego wydajność wyniosłaby 100 megaton, z czego 51 pochodziłoby z rozszczepienia. Gdyby został zdetonowany na powierzchni lub w jej pobliżu, jej opad stanowiłby jedną czwartą całego opadu z każdego testu broni jądrowej łącznie.

Początkowo kula ognia zawiera wysoce zjonizowaną plazmę składającą się tylko z atomów broni, produktów jej rozszczepienia i gazów atmosferycznych otaczającego powietrza. Gdy plazma się ochładza, atomy reagują, tworząc drobne kropelki, a następnie stałe cząstki tlenków. Cząsteczki łączą się w większe i osadzają na powierzchni innych cząstek. Większe cząstki zwykle pochodzą z materiału zasysanego do chmury. Cząstki aspirowane, gdy chmura jest jeszcze wystarczająco gorąca, aby je stopić, mieszają się z produktami rozszczepienia w całej swojej objętości. Większe cząstki otrzymują stopione materiały radioaktywne osadzające się na ich powierzchni. Cząsteczki wciągnięte do chmury później, gdy jej temperatura jest wystarczająco niska, nie ulegają znacznemu zanieczyszczeniu. Cząsteczki utworzone tylko z samej broni są wystarczająco drobne, aby pozostawać w powietrzu przez długi czas i ulegają rozproszeniu i rozcieńczeniu do bezpiecznych poziomów. Podmuchy na dużych wysokościach, które nie zasysają szczątków gruntu lub które zasysają pył dopiero po wystarczającym ochłodzeniu i gdzie radioaktywna frakcja cząstek jest w związku z tym niewielka, powodują znacznie mniejszy stopień zlokalizowanego opadu niż podmuchy na niższych wysokościach z 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 co za tym idzie aktywność, małych cząstek jest prawie o trzy rzędy wielkości mniejsza niż objętość osadzonych warstw powierzchniowych na większych cząstkach.

W przypadku wybuchów na wyższych wysokościach głównymi procesami tworzenia cząstek są kondensacja , a następnie koagulacja . W przypadku podmuchów na niższych wysokościach i przy ziemi, z udziałem cząstek gleby, podstawowym procesem jest osadzanie się na cząstkach obcych.

Detonacja na małej wysokości wytwarza chmurę z ładunkiem pyłu wynoszącym 100 ton na megatonę plonu. Detonacja naziemna wytwarza chmury z około trzykrotnie większą ilością pyłu. W przypadku detonacji naziemnej około 200 ton gleby na kilotonę plonu topi się 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 (utworzonych przez kondensację plazmy w kuli ognia), przez 10–500 mikrometrów (materiał powierzchniowy wzburzony przez falę uderzeniową i uniesiony przez wiatry), do milimetra i więcej (wyrzut krateru) . Rozmiar cząstek wraz z wysokością, na jaką są przenoszone, określa długość ich pobytu w atmosferze, ponieważ większe cząstki podlegają suchym opadom . Mniejsze cząstki mogą być również usuwane przez opady , albo z wilgoci skraplającej się w samej chmurze, albo z chmury przecinającej się z chmurą deszczową . Opad niesiony przez deszcz jest znany jako deszcz, jeśli jest usuwany podczas formowania się chmury deszczowej, wypłukiwany , jeśli jest wchłaniany przez już uformowane spadające krople deszczu.

Cząsteczki z wybuchów powietrza są mniejsze niż 10–25 mikrometrów, zwykle w zakresie submikrometrów. Składają się głównie z tlenków żelaza , z mniejszym udziałem tlenku glinu oraz tlenków uranu i plutonu . Cząstki większe niż 1-2 mikrometry są bardzo kuliste, co odpowiada odparowanej substancji skraplającej się w kropelki, a następnie zestalającej się. Radioaktywność rozkłada się równomiernie w całej objętości cząstek, przez co całkowita aktywność cząstek jest liniowo zależna od objętości cząstek. Około 80% aktywności mają bardziej lotne pierwiastki, które skraplają się dopiero po znacznym ostygnięciu kuli ognia. Na przykład, stront-90 będzie miał mniej czasu na kondensację i koalescencję w większe cząstki, co spowoduje większy stopień wymieszania objętości powietrza i mniejszych cząstek. Cząsteczki powstałe bezpośrednio po wybuchu są małe, a 90% radioaktywności występuje w cząstkach mniejszych niż 300 nanometrów. Koagulują one z aerozolami stratosferycznymi. Koagulacja jest bardziej rozległa w troposferze, a na poziomie gruntu większość aktywności występuje w cząstkach o wielkości od 300 nm do 1 µm . Koagulacja kompensuje procesy frakcjonowania podczas tworzenia cząstek, wyrównując rozkład izotopów.

W przypadku wybuchów naziemnych i na małych wysokościach chmura zawiera również odparowane, stopione i stopione cząstki gleby. Rozkład aktywności w cząstkach zależy od ich powstawania. Cząsteczki powstałe w wyniku parowania-kondensacji mają aktywność równomiernie rozłożoną w całej objętości, podobnie jak cząstki rozrywające powietrze. Większe stopione cząstki mają produkty rozszczepienia rozproszone przez warstwy zewnętrzne, a stopione i niestopione cząstki, które nie zostały wystarczająco ogrzane, ale weszły w kontakt z odparowanym materiałem lub usuniętymi kropelkami przed ich zestaleniem, mają stosunkowo cienką warstwę materiału o wysokiej aktywności osadzonej na ich powierzchnia. Skład takich cząstek zależy od charakteru gleby, zwykle jest to materiał szklisty, z którego powstaje krzemian minerały. Rozmiary cząstek nie zależą od plonu, ale od charakteru gleby, ponieważ są oparte na pojedynczych ziarnach gleby lub ich skupiskach. Obecne są dwa rodzaje cząstek, kuliste, utworzone w wyniku całkowitego odparowania-kondensacji lub przynajmniej stopienia gleby, o aktywności równomiernie rozłożonej w objętości (lub z 10–30% objętości nieaktywnego rdzenia w przypadku większych cząstek między 0,5–2 mm ) i cząstki o nieregularnym kształcie utworzone na krawędziach kuli ognia w wyniku stopienia cząstek gleby, z aktywnością osadzającą się w cienkiej warstwie powierzchniowej. Ilość dużych nieregularnych cząstek jest nieznaczna. Cząsteczki powstałe w wyniku detonacji nad oceanem lub w oceanie będą zawierały krótkotrwałe radioaktywne izotopy sodu i sole z woda morska . Stopiona krzemionka jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla tlenków metali i łatwo wychwytuje małe cząstki; eksplozje nad glebami zawierającymi krzemionkę spowodują powstanie cząstek z izotopami wymieszanymi w ich objętości. W przeciwieństwie do tego koralowców , na bazie węglanu wapnia , mają tendencję do adsorbowania cząstek radioaktywnych na swojej powierzchni.

Pierwiastki ulegają frakcjonowaniu podczas tworzenia cząstek, ze względu na ich różną lotność . Elementy ogniotrwałe ( Sr , Y , Zr , Nb , Ba , La , Ce , Pr , Nd , Pm ) tworzą tlenki o wysokich temperaturach wrzenia ; te wytrącają się najszybciej iw momencie krzepnięcia cząstek, w temperaturze 1400 °C, uważa się je za całkowicie skondensowane. Pierwiastki lotne ( Kr , Xe , I , Br ) nie ulegają kondensacji w tej temperaturze. Pierwiastki pośrednie mają temperatury wrzenia (lub ich tlenków) zbliżone 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 niż temperatura rozkładu danego tlenku. Mniej ogniotrwałe produkty kondensują na powierzchniach zestalonych cząstek. Izotopy z gazowymi prekursorami zestalają się na powierzchni cząstek, gdy powstają w wyniku rozpadu.

Największe, a więc najbardziej radioaktywne cząstki osadzają się w opadie atmosferycznym w ciągu pierwszych kilku godzin po wybuchu. Mniejsze cząstki są przenoszone na większe wysokości i schodzą wolniej, docierając do ziemi w stanie mniej radioaktywnym, ponieważ izotopy o najkrótszym okresie półtrwania rozpadają się najszybciej. Najmniejsze cząstki mogą dotrzeć do stratosfery i pozostawać tam przez tygodnie, miesiące, a nawet lata, pokrywając całą półkulę planety za pomocą prądów atmosferycznych. Bardziej niebezpieczny, krótkotrwały, zlokalizowany opad osadza się głównie z wiatrem od miejsca wybuchu, na 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 adsorpcyjne jonów oraz rozpuszczalność związków wpływają na rozkład cząstek w środowisku po opadnięciu z atmosfery. Bioakumulacja wpływa na propagację radioizotopów opadowych w biosferze .

radioizotopy

Głównym zagrożeniem związanym z opadem jest promieniowanie gamma pochodzące z krótkotrwałych radioizotopów, które stanowią większość aktywności. W ciągu 24 godzin po wybuchu poziom promieniowania gamma spada 60 razy. Długotrwałe radioizotopy, zazwyczaj cez-137 i stront-90 , stanowią długoterminowe zagrożenie. Intensywne promieniowanie beta z cząstek opadu może spowodować oparzenia beta u ludzi i zwierząt wchodzących w kontakt z opadem wkrótce po wybuchu. Połknięte lub wdychane cząstki powodują dawkę wewnętrzną promieniowania alfa i beta, które może prowadzić do długotrwałych skutków, w tym raka .

Promieniowanie neutronowe samej atmosfery powoduje niewielką aktywację, głównie w postaci długożyciowego węgla-14 i krótkotrwałego argonu -41. Pierwiastkami najważniejszymi dla indukowanej radioaktywności wody morskiej są sód -24, chlor , magnez i brom . W przypadku wybuchów ziemi pierwiastkami budzącymi obawy 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 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 aluminium-28. europ -152 i 154, a także dwa izomery jądrowe rodu -102 . Podczas operacji Hardtack wolfram -185, 181 i 187 oraz ren -188 zostały wyprodukowane z pierwiastków dodanych jako znaczniki do łusek bomb, aby umożliwić identyfikację opadu spowodowanego określonymi eksplozjami. Antymon -124, kadm -109 i kadm-113m są również wymieniane jako znaczniki.

Najistotniejszymi źródłami promieniowania są produkty rozszczepienia z pierwotnego etapu rozszczepienia, aw przypadku broni rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepialnej z rozszczepienia uranowej fazy syntezy jądrowej. W eksplozji termojądrowej uwalnianych jest znacznie więcej neutronów na jednostkę energii w porównaniu z wydajnością samego rozszczepienia wpływającą na skład produktów rozszczepienia. Na przykład uranu-237 jest unikalnym markerem wybuchu termojądrowego, ponieważ jest wytwarzany w reakcji (n,2n) z uranu-238 , przy minimalnej potrzebnej energii neutronów wynoszącej około 5,9 MeV. Znaczne ilości neptunu-239 i uranu-237 wskazują na wybuch rozszczepienia-syntezy-rozszczepienia. Powstają również niewielkie ilości uranu-240, a wychwytywanie dużej liczby neutronów przez pojedyncze jądra prowadzi do powstania niewielkich, ale wykrywalnych ilości wyższych pierwiastków transuranowych , np. einsteinu -255 i fermu -255.

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

Radioaktywność cząstek zmniejsza się z czasem, przy czym różne izotopy są znaczące w różnych przedziałach czasowych. W przypadku produktów aktywujących glebę aluminium-28 ma największy udział w ciągu pierwszych 15 minut. Mangan-56 i sód-24 pojawiają się do około 200 godzin. Żelazo-59 następuje po 300 godzinach, a po 100–300 dniach znaczącym źródłem staje się kobalt-60.

Cząsteczki radioaktywne mogą być przenoszone na znaczne odległości. Promieniowanie z testu Trinity zostało zmyte przez ulewę w Illinois . Zostało to wydedukowane i wyśledzone pochodzenie, kiedy Eastman Kodak odkrył, że klisze rentgenowskie były zamglone przez opakowania kartonowe produkowane na Środkowym Zachodzie . Nieoczekiwane wiatry przyniosły śmiertelne dawki Castle Bravo nad atolem Rongelap , zmuszając go do ewakuacji. Załoga Daigo Fukuryu Maru , japońska łódź rybacka znajdująca się poza przewidywaną strefą zagrożenia. Stront-90 znaleziony w światowych opadach atmosferycznych doprowadził później do Traktatu o częściowym zakazie prób .

Fluorescencyjny blask

Główny artykuł: Blask zjonizowanego powietrza

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

Efekty kondensacji

Jądrowym chmurom grzybów często towarzyszą krótkotrwałe chmury par, znane jako „ chmury Wilsona ”, chmury kondensacyjne lub pierścienie pary. „Faza ujemna” po dodatnim nadciśnieniu za frontem uderzeniowym powoduje nagłe rozrzedzenie otaczającego ośrodka. 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 rozprasza się. Naukowcy obserwujący testy jądrowe operacji Crossroads w 1946 r. o godz Atol Bikini nazwał tę przejściową chmurę „chmurą Wilsona” ze względu na jej wizualne podobieństwo do komory chmurowej Wilsona ; komora mgłowa wykorzystuje kondensację z gwałtownego spadku ciśnienia do oznaczania ścieżek naładowanych elektrycznie cząstek subatomowych . Analitycy późniejszych testów bomb atomowych używali bardziej ogólnego terminu „chmura kondensacyjna” zamiast „chmury Wilsona”.

Ten sam rodzaj kondensacji można czasami zobaczyć nad skrzydłami samolotów odrzutowych na małej wysokości w warunkach wysokiej wilgotności. Górna część skrzydła to zakrzywiona powierzchnia. Krzywizna (i zwiększona prędkość powietrza) powoduje spadek ciśnienia powietrza, zgodnie z prawem Bernoulliego . To obniżenie 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. [ potrzebny cytat ]

Na kształt fali uderzeniowej ma wpływ zmiana prędkości dźwięku wraz z wysokością, a temperatura i wilgotność różnych warstw atmosferycznych określają wygląd chmur Wilsona. Pierścienie kondensacyjne wokół lub nad kulą ognia są często obserwowaną cechą. Pierścienie wokół kuli ognia mogą stać się stabilne, stając się pierścieniami wokół wznoszącej się łodygi. Eksplozje o większej wydajności powodują intensywne prądy wstępujące , w których prędkość powietrza może osiągnąć 300 mil na godzinę (480 km / h). Wciąganie i temperatury prowadzi do powstawania płaszczy i dzwoneczki wokół łodygi. 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 dzwonkiem wokół niej. Nawarstwianie się wilgoci w atmosferze, odpowiedzialne za pojawienie się pierścieni kondensacji w przeciwieństwie do kulistej chmury, również wpływa na kształt artefaktów kondensacji wzdłuż trzonu chmury grzyba, ponieważ prąd wstępujący powoduje przepływ laminarny . Ten sam efekt powyżej szczytu chmury, gdzie ekspansja wznoszącej się chmury wypycha warstwę ciepłego, wilgotnego powietrza z małej wysokości w górę do zimnego powietrza z dużej wysokości, najpierw powoduje kondensację pary wodnej z powietrza i następnie powoduje zamarznięcie powstałych kropelek, tworząc czapy lodowe (lub czapy lodowe ), podobne zarówno pod względem wyglądu, jak i mechanizmu powstawania do chmur szalikowych .

Powstałe struktury kompozytowe mogą stać się bardzo złożone. Chmura Castle Bravo miała w różnych fazach swojego rozwoju 4 pierścienie kondensacyjne, 3 czapy lodowe, 2 spódnice i 3 dzwony.

Powstawanie chmury grzyba z testu jądrowego Tumbler-Snapper Dog. Smugi dymu widoczne na lewo od eksplozji podczas detonacji to pionowe rozbłyski dymu używane do obserwacji fali uderzeniowej z eksplozji i nie są one związane z chmurą w kształcie grzyba.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mushroom_cloud&oldid=1142642145 ”