Участник:Карма2/Песочница3

Огненный шар

• 
• 
• 
• 

по излучаемому свету с большой натяжкой, электрическая дуга при сварке и коротком замыкании, а также люминесцентные и ртутно-ксеноновые лампы холодного голубоватого света

Starfish Prime 1,4 Мт 400 км		Hardtack Teak 3,8 Мт 76,8 км

Хардтак Тик

Поверхность до и через 5 с после вспышки		Hardtack Teak 3,8 Мт 76,8 км

Например, активность радионуклидов сразу после подземного взрыва бомбы 100 килотонн тротилового эквивалента составляет ~10¹⁰ Ки (3,7⋅10²⁰ Бк) , в то время как при аварии на Чернобыльской АЭС с выбросом около 5 % общей массы топлива активность загрязнений составила до 1,4⋅10¹⁹ Бк. То есть при полном распылении содержимого четырёх таких реакторов с учётом вклада бомбы суммарная активность загрязнений могла бы составить ~1,5⋅10²¹ Бк или в четыре раза больше.

Файл:Подводный взрыв 137 кг на четырёх глубинах.jpg

Развитие султана взрыва 137 кг ТНТ на глубинах: а—5,5 м; б—8 м; в—13,7 м; г—19,8 м (10,7; 15,2; 26,6; 38,4 м/т^1/3)

Толщина фронта ударной волны очень мала и примерно равна длине пробега молекул воздуха ^{(Т. 8, С. 355)}
Толщину фронта можно вычислить: ^{(С. 93)}
B ≈ 0,0004/ΔP(МПа), см.

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 разряжённого 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 сочетаниии 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)}.

в слой E и слой F

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/т^1/3 (20 м для 1 Мт), после этого уже сам воздух переносит тепловую энергию путём радиационной диффузии. Максимальный радиус тепловой волны 0,6 м/т^1/3 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):

t_1max = 0,001·q^1/3·(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:

t_min = 0,0025·q^1/2, сек (q в кт) ^{(С. 80)}

t_min = 0,06·q^0,4·(ρ/ρ¸), сек ±35 % (q в Мт) ^{(С. 44)}

Радиус шара в момент минимума:

R_min = 27,4·q^0,4, 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 обоих 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 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:

R_отр. = 33,6·q^0,4, м (q в кт) ^{(С. 81)}

К моменту второго максимума выделяется 20 % световой энергии. Время его наступления определяется так:

t_2max = 0,032·q^1/2, сек (q в кт) ^{(С. 81)}. При мощности 1 Мт и выше это время может быть несколько меньше рассчитанного.

t_2max ≈ 0,9·q^0,42·(ρ/ρ¸)^0,42, сек ±20 % (q в Мт) ^{(С. 44)}

Время окончания светового излучения как поражающего фактора (эффективная продолжительность свечения):

t = 10·t_2max, 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:

R_max. ≈ 2·R_отр. = 67,2·q^0,4, м (q в кт) ^{(С. 82)}

R_max. ≈ 70·q^0,4, м (q в кт) ^{(С. 68)}

Состав энергии излучения огненного шара и сравнение его со светом звёзд (С. 86), (С. 139)
Температура	Отношение энергии излучения к солнечной	Ультрафиолетовые лучи	Видимый свет	Инфракрасные лучи
50 000 К (звезда R136a1)	5600	почти 100 %	менее 1 %	менее 1 %
40 000 К (Наос)	2300	~95 %	5 %	менее 1 %
30 000 К (Альнитак)	730	~70 %	30 %	менее 1 %
20 000 К (Беллатрикс)	143
10 000 К (Сириус)	9	48 %	38 %	14 %
9000 К (Вега)	5,9	40 %	40 %	20 %
8000 К (Альтаир)	3,7	32 %	43 %	25 %
7000 К (Полярная звезда)	2,2
6000 К (Хи¹ Ориона)	1,16	13 %	45 %	42 %
5778 К (Солнце)	1
5273 К (Капелла)	0,7	7 %	41 %	52 %
4000 К (Альдебаран)	0,23	2 %	28 %	70 %
3000 К (Проксима Центавра)	0,07
2000 К (Антарес)	0,014	—	2 %	98 %
1500 К (Коричневый карлик)	0,005	—	менее 1 %	св. 99 %
Примечания 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 Отражение ударной волны и эффект Маха Взрыв на Семипалатинском полигоне Взрыв Чарли 31 кт на высоте 1 км (Операция Tumbler-Snapper) 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 бо́льших 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 бо́льшая 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). Особенности проявлений взрыва в зависимости от места его центра Космический взрыв При ядерном взрыве в космосе продукты реакции (излучения и пары бомбы) проходят значительные расстояния, прежде чем на них начинают действовать окружающие условия. Чистых космических взрывов далеко за пределами земной атмосферы и магнитосферы не проводилось и мы можем только предполагать, как они должны выглядеть. Теоретически это должна быть короткая, не слишком интенсивная вспышка, оставляющая облако испарений, которое безо всякого торможения расширяется со скоростью несколько тысяч км/с и быстро исчезает. Практически вся энергия такого взрыва уйдёт в виде невидимых глазом рентгеновских лучей. Но именно так и должен выглядеть сам ядерный взрыв, а не свечение молекул нагретого окружающего воздуха или испарённых воды с грунтом. Чем ближе к Земле произведён космический взрыв, тем интереснее выглядят его последствия, поскольку в движение и свечение вовлекаются всё большие массы разряжённого воздуха, а магнитное поле планеты захватывает заряжённые частицы — продукты взрыва и заставляет их двигаться определённым образом. Атмосферный взрыв Основная статья: Атмосферный ядерный 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, на высоте 60—80 км на неё идёт не более 5% энергии. Как при космическом световая вспышка скоротечна, однако намного ярче и опаснее, на световое излучение уходит до 60—70% энергии взрыва. Электромагнитный импульс опасных для радиотехники параметров при высотном взрыве может распространяться на сотни километров(С. 157),(С. 23, 54). При воздушном взрыве 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. 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. Наземный взрыв При наземном взрыве вспышка контактирует с поверхностью и приобретает форму полусферы, которая, как шар воздушного взрыва, светит в два импульса. Наземный неконтактный взрыв существенно отличается от низкого воздушного взрыва. При наземном взрыве в воздухе на высоте до 3,5 м/т1/3 ударная волна прибывает на землю одновременно с огненным шаром, отражённая волна проваливается в низкоплотную плазменную полость внутри шара и огненная область как присоска пристаёт к поверхности на несколько секунд, оплавляя грунт. При низком воздушном взрыве на высоте от 3,5 до 10 м/т1/3 огненный шар мог бы дорасти до земли, но ударная волна раньше успевает отделиться и опережает его. Придя на поверхность, волна отражается и отбрасывает растущий шар вверх, раскалённый воздух не контактирует с землёй. Низкий воздушный взрыв Upshot-Knothole Grable 15 кт на высоте 159 м (6,4 м/т1/3) Начало взрывов одинаково Уход ударной волны от шара Волна пришла на поверхность Шар отскакивает от земли... и переходит в купол Наземный взрыв в воздухе Upshot-Knothole Harry 32 кт на башне 91 м высотой (2,9 м/т1/3) Первый импульс и «трюки» Шар касается земли Отделение ударной волны Шар прилипает к поверхности... и превращается в полусферу Наземный контактный взрыв на высоте ниже 0,3 м1/3 (ниже 30 м для 1 Мт) отличается от неконтактного тем, что тепловая волна взрыва с околосветовой скоростью доходит до поверхности и испаряет землю. Грунтовые испарения начинают взрывообразно расширяться и образовывать в подземной толще грунтовую ударную волну раньше появления воздушной ударной волны. Взрыв большой и сверхбольшой мощности (свыше 100 кт) на глубинах до 15—30 м (до 0,3 м/т1/3) также считается наземным контактным, а не подземным, поскольку на поверхность быстро выходит плазма и образуется огненная полусфера и взрыв ведёт себя как типичный наземный(С. 275). Воздушная ударная волна пониженной мощности создаётся давлением и разлётом паров грунта. Дальнейшее сказанное будет относиться к контактному взрыву прямо на поверхности и сравнении его с высоким воздушным взрывом. Выход тепловой волны, образование воздушной ударной волны и первый световой импульс у обоих видов взрыва происходят почти одинаково, а после температурного минимума полусфера наземного взрыва развивается по-иному. Дело в том, что объём нагретого воздуха при этих видах взрывов примерно одинаков и он стремится расширяться, но при наземном взрыве земля препятствует расширению вниз. Максимальный диаметр полусферы получается в 1,26 раза больше диаметра шара при воздушном взрыве (С. 26). Радиус полусферы контактного взрыва в момент отрыва ударной волны: Rотр. = 44,3·q0,4, м (q в кт) (С. 81) Поражающие световое излучение и проникающая радиация распространяются на меньшие расстояния, чем при взрыве в воздухе (несмотря на больший диаметр светящейся области), а разрушительная ударная волна охватывает почти в два раза меньшую площадь (С. 615—616, 620). Соприкасающиеся с поверхностью продукты взрыва и излучения высокой плотности и интенсивности вступают с веществами почвы в ядерные реакции (нейтронная активация грунта), создают большую массу радиоактивных изотопов. Огненное облако, побывавшее на земле, захватывает с поверхности частички грунта, на которых после остывания осаждаются (прилипают) испарённые радиоактивные вещества, и они быстро начинают выпадать на поверхность, долгосрочно заражая окрестности взрыва. Внутри огненной области наземного взрыва: выброс грунта и пары́ бомбы При контактном взрыве помимо тепловой волны в воздухе появляется тепловая волна в грунте, которая создаёт грунтовую ударную волну, только эта нагретая область во много крат меньше и в неё идёт всего несколько процентов энергии взрыва, в то время как при обычном взрыве около половины энергии уходит в землю. Грунтовая волна выкапывает большой котлован — воронку (напоминает метеоритный кратер), разбрасывая вокруг радиоактивный грунт и генерирует в грунтовой толще мощные сейсмовзрывные волны, недалеко от эпицентра на много порядков более сильные, чем при обычных землетрясениях. Действие сейсмических колебаний делает малоэффективными убежища повышенной защищённости, так как люди в них могут погибнуть или получить травмы даже при сохранении убежищем своих защитных свойств от остальных поражающих факторов (С. 230), а недалеко от воронки сверхмощного взрыва не остаётся шансов уцелеть любым самым прочным сооружениям, даже построенным на глубине несколько сотен метров — километр в материковой скальной породе (Ямантау, командный пункт NORAD). Так, например, ядерная бомба B53 (этот же заряд — боеголовка W-53 ракеты Титан-2, снята с вооружения) мощностью 9 мегатонн, по заявлению американских специалистов, при поверхностном взрыве была способна разрушать самые прочные советские подземные бункера. Большей разрушающей способностью к защищённым целям обладают только заглубляющиеся боеголовки, у которых гораздо больший процент энергии идёт на образование сейсмических волн: 300-килотонная авиабомба B61 при взрыве после ударного проникновения на глубину несколько метров, по сейсмическому воздействию может оказаться эквивалентной 9-мегатонной при взрыве на поверхности (теоретически). Масштабы разрушений в милях, давление ударной волны в фунтах на квадратный дюйм (PSI) и процент погибших и пострадавших при наземном взрыве 1 Мт Наземный взрыв предназначен для разрушения прочных и защищённых военных объектов — танков, шахтных пусковых установок, аэродромов, кораблей, укреплённых баз, хранилищ, командных пунктов и особо важных убежищ, а также для радиоактивного заражения территории глубоко в тылу (С. 7). Мирные люди могут пострадать при таком взрыве опосредованно — от всех факторов поражения ядерного взрыва — если населённый пункт окажется недалеко от защищённых военных баз, или от радиоактивного заражения — на расстояниях вплоть до нескольких тысяч километров. Рассмотрим последовательность эффектов воздействия наземного взрыва на шахтную пусковую установку, рассчитанную на ударную волну давлением ~6—7 МПа и попавшую в эти самые тяжёлые для неё условия. Произошёл взрыв, практически мгновенно доходит радиация (в основном нейтронная, суммарно порядка 105—106 Гр или 107—108 рентген) и электромагнитный импульс, способный вызвать здесь короткие электрические разряды и вывести из строя неэкранированную электрическую аппаратуру внутри шахты. Через ~0,05—0,1 с бьёт по защитной крышке воздушная ударная волна и сразу накатывает вал огненной полусферы. Ударная волна генерирует в почве сейсмический удар, почти одномоментно с воздушной волной окатывающий всю шахту и смещающий её вместе с породами вниз, постепенно ослабляясь с глубиной; а вслед за ним через долю секунды приходят сейсмические колебания, образованные самим взрывом во время воронкообразования, а также отражённые волны от слоя скальных материковых пород и слоёв неоднородной плотности. Шахту около 3 секунд трясёт и несколько раз бросает вниз, вверх, в стороны, максимальные амплитуды колебаний могут доходить до полуметра и более, с ускорениями до нескольких сотен g; ракету от разрушения спасает система амортизации. Одновременно сверху на крышу шахты в течение 3—10 секунд (время зависит от мощности взрыва) действует температура 5—6 тысяч, а в первые полсекунды до 30 тысяч градусов, затем довольно быстро падающая c подъёмом огненного облака и устремлением холодного наружного воздуха в сторону эпицентра. От температурных воздействий оголовок и защитная крышка скрипят и трещат, поверхность их оплавляется и частично уносится плазменным потоком. Через 2—3 с после взрыва огненное облако начинает подъём, давление плазмы в районе шахты снижается до 80 % от атмосферного и крышку несколько секунд пытается оторвать подъёмная сила до 2 тонн на м². В довершение сверху обрушаются грунт и камни, выброшенные из воронки и продолжающие падать порядка минуты. Радиоактивный и разогретый до слипшести грунт образует нетолстый, но зато сплошной навал (кое-где с образованием озёр из расплавленного шлака), а крупные камни могут нанести крышке повреждения. Особо крупные обломки, как метеориты, при падении могут выкопать небольшие кратеры(С. 27), но их относительно немного и вероятность попадания в шахту мала. Ни одна наземная постройка таких воздействий не переживёт и даже такое прочное сооружение, как мощный железобетонный каземат (например ДОТ и форт времён Первой и Второй мировых войн) частично или полностью разрушится и может быть выброшен со своего места скоростным напором воздуха. Если наземный бункер окажется достаточно прочным и устоит от разрушения, люди в нём всё равно получат травмы от колебаний и вибраций, поражение слуха, контузии и смертельные лучевые поражения, а горячая плазма проникнет внутрь через амбразуры и незакрытые проходы. Давление волны на входе внутрь амбразуры или воздуховодного канала (давление затекания) в течение 0,1—0,2 с может составить около 15 атмосфер(С. 34, 35). Подводный взрыв Основная статья: Подводный ядерный взрыв При подводном взрыве тепловая волна уходит от заряда не далее нескольких метров (до 0,032 м/т1/3 или 3,2 м для 1 Мт) (С. 747). На этом расстоянии образуется подводная ударная волна. Первоначально фронт ударной волны одновременно является и границей пузыря, но через несколько метров расширения она перестаёт испарять воду и от пузыря отрывается. Световое излучение при подводном взрыве не имеет никакого значения и может быть даже не замечено — вода хорошо поглощает свет и тепло. Подводная ударная волна является очень эффективным поражающим фактором для военных плавсредств (корабли и особенно подводные лодки). Оставшийся под водой парогазовый пузырь продолжает расширение, в зависимости от глубины судьба его может быть различной: если глубина взрыва велика (сотни метров), а мощность относительно мала (десятки килотонн), то пузырь не успевает расшириться до поверхности и начинает схлопывание, которое повторяется с затуханием несколько раз; главное значение имеет первая ударная волна (С. 155). Явления при выходе пузыря на поверхность зависят от того, на какой стадии это происходит. Если маломощный взрыв был очень глубоко, то кольцеобразный вихрь окончательно распадается, скопление пузырьков всплывает долго, теряет по пути энергию и на поверхности появляется только гора пены. Однако при достаточно мощном взрыве (несколько килотонн и более) и не слишком большой глубине (до сотен метров) в воздух поверх купола выбрасывается весьма эффектное явление — взрывной султан, фонтан или водяной столб (последее название не всегда применимо). Султан состоит из нескольких последовательных выбросов воды, которые выдувает выходящий на поверхность пузырь, причём первые центральные выбросы самые быстрые, а последующие окраинные всё более медленные из-за падения давления в пузыре. В эпицентре султан может быть поражающим фактором и наносить кораблю разрушения, сравнимые с подводной ударной волной (С. 210); при неглубоком ядерном взрыве потоки воды ломают и разносят судно на мелкие части. Султан с облаком высотой 2—3 км: взрыв Бэйкер 23 кт на глубине 27 м (1 м/т1/3) Обратное падение водяного столба больше напоминает обильный душ или своеобразный мелкий ливень, чем монолитный водопад. У самого основания султана из падающих брызг накапливается кольцо из капель и тумана, называемое базисной волной. Расширение пузыря подводного взрыва вызывает гравитационные волны на воде, похожие на цунами. Для корабля они опасны только в непосредственной близости от эпицентра, где и без них достаточно факторов для затопления судна и убийства команды. А вот людям на побережье эти волны могут угрожать на таких расстояниях, где ударная волна вызвала бы только дребезжание стёкол (см. основную статью). Подземный взрыв Действие подземного взрыва в некоторых аспектах похоже на воздушный взрыв, только радиусы эффектов на 1—2 порядка короче. Вот некоторые цифры: Радиус тепловой волны в граните 0,015 м/т1/3, в обычном грунте до 0,02 м/т1/3 или 1,5—2 м для 1 Мт Радиус испарения грунта ударной волной около 0,2 м/т1/3 или 20 м для 1 Мт Максимальный радиус плавления грунта ударной волной 0,3—0,5 м/т1/3 или 30—50 м для 1 Мт (С. 196). Этот же радиус является границей действия грунтовой ударной волны. Радиус пустой котловой полости после взрыва: Rкот. ≈ 14,3·q0,3, м (q в кт) (С. 291) Радиус подземного «огненного шара»: Rогн. ≈ 17·q1/3, м (q в кт) (С. 101) При подземном взрыве тепловая волна и почти вся грунтовая ударная волна не выходит в воздух и полностью остаётся в грунте. Нагретый и испарённый этими волнами грунт вокруг заряда служит рабочим веществом, которое, наподобие продуктов обычного химического взрыва, своим давлением бьёт и расталкивает окружающие породы. То есть можно сказать, что под землёй взрывается не несколько килограмм плутония, а как бы несколько сотен тонн обычного взрывчатого вещества, только этим веществом является испарённая грунтовая масса. Наземный взрыв также испаряет породу, но энергия испарения расходуется крайне малоэффективно, большей частью излучаясь и рассеиваясь в атмосферу. Подземный взрыв отличается от воздушного и подводного очень маленьким районом действия ударной волны, целиком лежащем в пределах котловой полости при камуфлетном или воронки при неглубоком взрыве на выброс. Далее ударная волна переходит в волну сжатия или сейсмовзрывную волну, которая и служит основным поражающим фактором такого взрыва. Сейсмовзрывная волна, в отличие от ударной, имеет пологий фронт с постепенным подъёмом давления, график его похож на плавную горку. Через несколько километров сейсмовзрывная волна вырождается в сейсмические колебания наподобие землетрясения. Область военного применения заглублённого взрыва — разрушение особо прочных подземных сооружений (С. 8), на которые не может подействовать воздушная ударная волна. Эффективность воздействия подземного взрыва на такие объекты, а значит энергия, передаваемая в грунт, растёт с глубиной заложения заряда: вначале быстро — в 13 раз с углублением на радиус тепловой волны в грунте (всего 1,5—2 м для 1 Мт). А далее более медленно и приближается к максимальной (под 100 %) на глубине камуфлетного взрыва (7—10 м/т1/3 или 700 м 1 Мт) (С. 205, 239). Подземный взрыв малой мощности приобретает эффективность наземного большой мощности. Взрыв Ess 1,2 кт в аллювиальном песке на глубине 20 м (1,9 м/т1/3) С другой стороны в аллювиальных грунтах давление сейсмовзрывных волн ослабевает быстрее, чем в скальных породах (в ~1,5 раза)(С. 9), а воздушная ударная волна уходит гораздо дальше волны сжатия в грунте и она сильнее «встряхивает» осадочный грунт, чем гранит. Наземный взрыв может оказаться более разрушительным для широкой сети не слишком заглублённых подземных сооружений в нескальных породах, чем подземный такой же мощности. Оружие проникающего типа не может уйти в землю дальше 30 м, так как дальнейшее заглубление требует таких скоростей удара, при которых разрушается любой самый прочный заряд (свыше 1 км/с). В случае скального грунта или железобетона проникание лежит в пределах 10—20 м (12 м для бетона и боеприпаса трёхметровой длины). На таких глубинах взрыв 1 кт по военной эффективности приближается к камуфлетному (С. 23), но, в отличие от последнего, на поверхность попадёт 80—90 % радиоактивности(С. 291). Подземный взрыв на выброс во многом похож на неглубокий подводный взрыв: появляется купол, при прорыве газов образуется воздушная ударная волна и облако взрыва, выбрасывается грунтовый султан. При падении грунта, особенно сухого, появляется радиоактивная базисная волна из взвешенных пылевых частиц (С. 100). Подземный взрыв Седан 104 кт на глубине 194 м (4,1 м/т1/3). С каждым кадром взрыв в несколько раз дальше. Земля выгибается холмом, огонь прорывается и сразу гаснет Грунтовый султан Падение грунта Растекается базисная волна Особенности проявления подводного взрыва При подводном взрыве тепловая волна уходит от заряда не далее нескольких метров (до 0,032 м/т1/3 или 3,2 м для 1 Мт) (С. 747). На этом расстоянии образуется подводная ударная волна. Первоначально фронт ударной волны одновременно является и границей пузыря, но через несколько метров расширения она перестаёт испарять воду и от пузыря отрывается. Световое излучение при подводном взрыве не имеет никакого значения и может быть даже не замечено — вода хорошо поглощает свет и тепло. Подводная ударная волна Подводная ударная волна является очень эффективным поражающим фактором для военных плавсредств (корабли и особенно подводные лодки), поскольку водная среда почти без потерь проводит колебания и ударная волна сохраняет разрушительную энергию на больших расстояниях. Радиус разрушений прочных надводных кораблей у низкого воздушного и неглубокого подводного взрыва примерно одинаков, но подводные лодки в погружённом состоянии уязвимы только подводному взрыву. Выход ударной волны на поверхность сопровождается несколькими явлениями. Взрыв Dominic Swordfish Купол и «гладь» «Белая вспышка» вокруг купола Купол брызг высотой до 270 м при взрыве Hardtack Wahoo В районе эпицентра из-за отражения волны от границы вода-воздух разогнавшийся отражённой волной поверхностный слой толщиной до нескольких десятков см отрывается с явлением кавитации и образует купол из брызг. Дальше района эпицентра ударная волна проявляет себя в виде тёмного круга на поверхности, называемого «слик» (slick) или «гладь» — явление разглаживания мелких волн и ряби ударной волной. После прохода ударной волны в подводной толще можно видеть ещё одно проявление кавитации из-за растяжения воды и появления множества пузырьков в виде светлого кольцеобразного облака и отдельных кратковременных всполохов вокруг, называемое «белая вспышка» и «треск»; явление сродни появлению купола в эпицентре, но здесь вода не подбрасывается, а сдвигается в стороны. Пузырь Схема всплытия парогазового пузыря взрыва 30 кт на глубине 610 м (Операция «Wigwam»)(С. 44—57) Оставшийся под водой парогазовый пузырь продолжает расширение, в зависимости от глубины судьба его может быть различной. Если глубина взрыва велика (сотни метров), а мощность относительно мала (десятки килотонн) то пузырь не успевает расшириться до поверхности и начинает схлопывание. Сжатие объясняется тем, что последняя стадия расширения идёт не от внутреннего давления, а по инерции и давление внутри пузыря становится меньше давления окружающей воды. Сжатие снизу идёт быстрее из-за более высокого там давления: внутрь пузыря устремляется сходящийся конусом поток воды (кумулятивный эффект). Поток налетает на верхнюю стенку, образует внутри пузыря водяной столб и сферический пузырь обращается во вращающееся кольцо (наподобие торообразного облака воздушного взрыва). В сжатом состоянии пузырь имеет небольшое лобовое сопротивление и быстро всплывает. Последняя стадия сжатия также происходит по инерции и давление в пузыре становится намного больше окружающего: кольцеобразный пузырь сжимается до предела и скачком начинает обратное расширение. Скачок между сжатием и расширением настолько короток, что напоминет второй взрыв и вызывает повторный гидравлический удар. Парогазовое кольцо из-за обтекания водой приобретает почкообразную форму, при максимальном расширении всплытие почти прекращается. Таких колебаний в бесконечной идеальной несжимаемой жидкости могло бы быть бесконечно много, но в реальности наблюдается около десяти, а чаще всего, если размер пузыря не намного меньше глубины, не более трёх—четырёх пульсаций. Во время сжатий вихреобразная парогазовая масса разбивается на отдельные пузыри. При каждой пульсации пузырь теряет энергию, которая расходуется в основном на гидравлические удары. При первом расширении в пузыре остаётся 41 % (остальное уходит с ударной волной и тепловыми потерями), при втором 20 %, при третьем только 7 % энергии взрыва. Из всех гидравлических ударов главное значение имеет первая ударная волна, так как следующий удар имеет импульс давления в 5—6 раз слабее, третий в 15—18 раз меньше (С. 68, 157). Повторные удары могут наносить решающее разрушение только в том случае, если всплывающий пузырь во время скачка окажется рядом с целью (напр. подводной лодкой) (С. 155). Явления при выходе пузыря на поверхность зависят от того, на какой стадии это происходит. Если маломощный взрыв был очень глубоко, то кольцеобразный вихрь окончательно распадается, скопление пузырьков всплывает долго, теряет по пути энергию и на поверхности появляется только гора пены. Однако при достаточно мощном взрыве (несколько килотонн и более) и не слишком большой глубине (до сотен метров) в воздух поверх купола выбрасывается весьма эффектное явление — взрывной султан, фонтан или водяной столб (последее название не всегда применимо). Султан Султан состоит из нескольких последовательных выбросов воды, которые выдувает выходящий на поверхность пузырь, причём первые центральные выбросы самые быстрые, а последующие окраинные всё более медленные из-за падения давления в пузыре. Форма и размеры султана могут быть различными. Если пузырь выходит на поверхность во время первого, второго и т. д. максимального расширения, то султан получается размашистым и округлым, но от пульсации к пульсации он может быть только меньше. Если пузырь прорывается в момент сжатия и быстрого всплытия, то выстреливаемый большим давлением поток образует высокий и узкий столб. (С. 16, 315, 445) Особый случай представляет выход пузыря во время первого ускоренного расширения, когда газы неглубокого взрыва ещё не остыли. Немедленно после взрыва появляется очень высокий и относительно узкий султан, похожий на кубок. Светящиеся газы прорываются сквозь него, создают достаточно мощную воздушную ударную волну и образуют капустообразное облако (облако султана). В районе эпицентра быстро растущий султан может быть поражающим фактором и наносить кораблю разрушения, сравнимые с подводной ударной волной (С. 210); при неглубоком ядерном взрыве потоки воды и пара ломают и разносят судно на мелкие части. Султан с облаком высотой 2—3 км: взрыв Бэйкер 23 кт на глубине 27 м (1 м/т1/3) Фонтан первого расширения, но уже без облака: Hardtack Зонтик 8 кт на глубине 46 м (2,3 м/т1/3) Султан при максим. расширении пузыря Dominic Swordfish <20 кт на глубине 198 м (7,4 м/т1/3) Идентичный султан высотой 520 м взрыва Hardtack Wahoo 9 кт на глубине 150 м (7,2 м/т1/3) Узкий и высокий столб во время сжатия пузыря (обычный мощный взрыв) Султан высотой 440 м взрыва Wigwam 30 кт на глубине 610 м после 3-х пульсаций (19,6 м/т1/3) Султаны взрыва 100 кт на глубинах от 100 до 500 м (2,2, 4,3, 6,5, 8,6, 10,8 м/т1/3)(С. 785) Обратное падение водяного столба вряд ли утопит оказавшийся рядом корабль, поскольку оно больше напоминает обильный душ или своеобразный мелкий ливень, чем монолитный водопад. Султан хоть и выглядит внушительно и массивно, его стенки состоят из летящей мелкокапельной взвеси (вроде водяной пыли из пульверизатора) и имеют среднюю плотность 60—80 кг/м³ (С. 783). Тем не менее эта капельная взвесь спускается очень быстро: со скоростью 10—25 м/с (С. 104) — гораздо быстрее падения отдельной мелкой капли. Это явление быстрого осаждения скопления аэрозольных частиц, когда плотное скопление падает вместе со вмещающим его воздухом как единое целое. По такому же принципу падает с горы сухая лавина, намного быстрее падения одной снежинки. Значительная часть брызг не могут сразу вернуться в море, так как вмещающий их воздух отражается от поверхности и растекаются во все стороны: у самого основания султана из падающих брызг накапливается кольцо из капель и тумана, называемое базисной волной. Базисная волна Туманно-капельная волна в форме лепёшки высотой до нескольких сотен метров обладает хорошей текучестью и от первоначального импульса движется достаточно быстро во все стороны от эпицентра. Через 2—3 минуты она отрывается от поверхности и становится облаком, поведение которого целиком определяется погодой и ветром, а через 5—10 минут, пройдя несколько километров, она практически исчезает. Базисная волна суть есть продолжение султана и изначально представляет собой плотную турбулентную воздушно-капельную смесь. Прямая физическая опасность для человека в ней есть, но она не настолько велика, как может показаться в эффектных документальных фильмах испытаний: как во время мокрого ветра c бурунами, некоторое время будет трудно дышать и ориентироваться, может сбить с ног и сбросить с палубы. Но так как это ядерный взрыв, базисная волна может иметь изрядную радиоактивность. Интенсивность излучения воздушно-капельного потока наиболее велика при неглубоких ядерных взрывах, когда в султан вбрасываются свежие продукты детонации и в базисной волне остаётся около 10 % осколков деления: до 0,3—1 Гр/с или до 30—100 рентген в секунду сразу после взрыва (С. 458) (С. 810). С увеличением глубины выход радиоактивности падает из-за вымывания остатков заряда из пузыря при его пульсациях, минимальным он будет при выбросе султана во время сжатия парогазового объёма. Радиационное воздействие базисной волны имеет две особенности: стремительный набор дозы в считанные минуты с приходом воздушно-капельного потока; быстрое падение излучения из-за разрежения взвеси, выпадения осадков и распада радионуклидов, в связи с чем от базисной волны необходимо защищаться только в течение первых минут после взрыва, например закрыться в герметичной каюте, пока не развеется облако (С. 247). Гравитационные волны Основная статья: Гравитационные волны на воде Расширение пузыря подводного взрыва вызывает волны поверхности воды, похожие на цунами. Для корабля они опасны только в непосредственной близости от эпицентра, где и без них достаточно факторов для затопления судна и убийства команды. А вот людям на побережье эти волны могут угрожать на таких расстояниях, где ударная волна вызвала бы только дребезжание стёкол (см. пример).