Mushroom cloud - Mushroom cloud

Vzestupný oblak ze sopky Redoubt z erupce 21. dubna 1990. Chochol ve tvaru houby stoupal z lavin horkých úlomků ( pyroklastické toky ), které kaskádovitě klesaly po severním křídle sopky.
Hřib od atomové bombardování města Nagasaki , Japonsko dne 9. srpna 1945.

Hřib je výrazný houba tvaru písmene flammagenitus mrak nečistot, kouře a obvykle kondenzované vodní páry v důsledku velkého výbuchu. Účinek je nejčastěji spojen s jaderným výbuchem , ale jakákoli dostatečně energetická detonace nebo deflagrace bude mít stejný účinek. Mohou být způsobeny silnými konvenčními zbraněmi , jako jsou termobarické zbraně , včetně ATBIP a GBU-43/B Massive Ordnance Air Blast . Některé sopečné erupce a nárazové události mohou produkovat přírodní houby.

Houbová oblaka jsou důsledkem náhlé tvorby velkého objemu plynů s nižší hustotou v jakékoli výšce, což způsobuje Rayleigh-Taylorovu nestabilitu . Plovoucí množství plynu rychle stoupá, což má za následek, že se turbulentní víry stáčejí dolů kolem jeho okrajů a vytvářejí dočasný vírový prstenec, který kreslí centrální sloupec, případně s kouřem, úlomky, zkondenzovanou vodní párou nebo jejich kombinací, za vzniku „ houbový stonek “. Hmotnost plynu plus unášeného vlhkého vzduchu nakonec dosáhne nadmořské výšky, kde již nemá nižší hustotu než okolní vzduch; v tomto okamžiku se rozptýlí a unáší zpět dolů (viz spad ). Stabilizační výška silně závisí na profilech teploty, rosného bodu a střihu větru ve vzduchu v počáteční výšce a nad ní.

Rané účty, původ pojmu

Vue du siège de Gibraltar a výbuch des baterií flottantes Pohled na obléhání Gibraltaru a výbuch plovoucích baterií, neznámý umělec, c.1782

Ačkoli se zdá, že tento termín byl vytvořen na začátku padesátých let minulého století, mraky hub generované explozemi byly popisovány staletí před atomovou érou.

Současná akvatinta od neznámého umělce francouzsko-španělského útoku z roku 1782 na Gibraltar ukazuje, jak jedna z plovoucích baterií útočící síly exploduje s houbovým mrakem poté, co ji britští obránci zapálili pálivou střelou .

Houbový mrak v rytině z Physikalischer Kinderfreund Gerharda Vietha (1798)

V roce 1798 Gerhard Vieth publikoval podrobný a ilustrovaný popis oblaku v sousedství Gothy, který „nebyl nepodobný houbovému tvaru“. Mrak byl pozorován legačním poradcem Lichtenbergem o několik let dříve v teplém letním odpoledni. Byl interpretován jako nepravidelný meteorologický mrak a zdálo se, že způsobil bouři s deštěm a hromy z nového temného mraku, který se vyvinul pod ním. Lichtenberg uvedl, že později pozoroval poněkud podobná mračna, ale žádná nebyla tak pozoruhodná.

1917 Halifax Explosion produkoval jeden.

The Times publikoval dne 1. října 1937 zprávu o japonském útoku načínskou Šanghaj, který generoval „velkou houbu kouře“.

Během druhé světové války byly popisy houbových mraků poměrně běžné.

Mrak atomové bomby nad japonským Nagasaki byl v The Times of London ze dne 13. srpna 1945 popsán jako „obrovská houba kouře a prachu“. Dne 9. září 1945, The New York Times uveřejnil svědecký záznam Nagasaki bombardování, napsal William L. Laurence , oficiální noviny korespondent Manhattan projekt , kdo doprovázel jeden z tří letadel, která dělala bombardování běh. Napsal o bombě produkující „sloup purpurového ohně“, z jehož vrcholu vyšla „obří houba, která zvýšila výšku pilíře na celkových 45 000 stop“.

Později v roce 1946 byly testy jaderné bomby Operace Crossroads popsány jako mračna „ květáku “, ale přítomný reportér hovořil také o „houbě, nyní společném symbolu atomového věku “. Houby jsou tradičně spojovány se životem a smrtí, jídlem a jedem, což z nich činí silnější symbolické spojení než řekněme mrak „květáku“.

Fyzika

Uvnitř stoupajícího houbového mraku: hustší vzduch se rychle tlačí do spodního středu toroidní ohnivé koule, která se turbulentně mísí do známého mračna.

Houbová mračna jsou tvořena mnoha druhy velkých výbuchů pod gravitací Země, ale jsou nejlépe známá svým výskytem po jaderných detonacích . Bez gravitace nebo bez husté atmosféry by vedlejší plyny výbušniny zůstaly sférické. Jaderné zbraně jsou obvykle odpalovány nad zemí (ne při nárazu, protože část energie by byla rozptýlena pohyby země), aby se maximalizoval účinek jejich sféricky se rozšiřující ohnivé koule a výbuchové vlny . Bezprostředně po detonaci začne do vzduchu stoupat ohnivá koule, která funguje na stejném principu jako horkovzdušný balón .

Jednou z možností, jak analyzovat pohyb, jakmile horký plyn dostatečně vyčistí zem, je „bublina sférického víčka“, protože to dává shodu mezi rychlostí vzestupu a pozorovaným průměrem.

15megatonová exploze Castle Bravo na atolu Bikini, 1. března 1954, ukazující několik kondenzačních prstenců a několik ledových čepic.

Jak stoupá, je Rayleigh-Taylor nestabilita je vytvořena, a vzduch je nasáván směrem nahoru a do oblaku (podobně jako updraft části komínu ), produkovat silné proudy vzduchu známé jako „ afterwinds “, zatímco uvnitř hlavy mraku, horké plyny rotují v toroidním tvaru. Když je detonační nadmořská výška dostatečně nízká, budou tyto následné větry nasávat špínu a úlomky ze země pod nimi, aby vytvořily stonek houbového mraku.

Poté, co hmotnost horkých plynů dosáhne své rovnovážné úrovně , stoupání se zastaví a mrak se začne zplošťovat do charakteristického tvaru houby, kterému obvykle napomáhá růst povrchu v důsledku rozpadající se turbulence.

Mraky jaderných hub

Jaderné detonace produkované vysoko nad zemí nemusí vytvářet houbová oblaka se stonkem. Samotné hlavy mraků se skládají z vysoce radioaktivních částic, především ze štěpných produktů a dalších aerosolových zbytků zbraní, a jsou obvykle rozptýleny větrem, ačkoli povětrnostní podmínky (zejména déšť) mohou způsobit problematické jaderné spady .

Detonace výrazně pod úrovní země nebo hluboko pod vodou (například jaderné hlubinné nálože) také nevytvářejí houbová oblaka, protože výbuch v těchto případech způsobí odpaření obrovského množství země a vody a vytvoří bublinu, která se následně zhroutí na sobě; v případě méně hlubokého podzemního výbuchu to vytvoří kráter pro pokles . Detonace pod vodou, ale v blízkosti povrchu, vytvářejí pilíř vody, který po zhroucení vytvoří tvar podobný květáku, který lze snadno zaměnit za houbový oblak (jako například na známých obrázcích testu Crossroads Baker ). Podzemní detonace v nízké hloubce vytvářejí houbový mrak a nárůst základny , dvě různá odlišná oblaka. Množství záření vypouštěného do atmosféry rychle klesá s rostoucí hloubkou detonace.

Při výbuchu vzduchu na povrchu a blízko povrchu množství úlomků vypuštěných do vzduchu rychle klesá s rostoucí nadmořskou výškou výbuchu. Při roztržení výškách přibližně 7  metrů / kiloton 1 / 3 , je kráter není vytvořena, a jsou vyrobeny odpovídajícím způsobem nižší množství prachu a nečistot. Výška snižující spad, nad níž se primární radioaktivní částice skládají převážně z jemné kondenzace ohnivé koule, je přibližně 55  metrů/kiloton 0,4 . I v těchto nadmořských výškách však může být spád tvořen řadou mechanismů.

Velikost cloudu jako funkce výnosu .

Distribuce záření v houbovém oblaku se mění s výtěžkem výbuchu, typem zbraně, poměrem fúze a štěpení, nadmořskou výškou výbuchu, typem terénu a počasím. Obecně mají výbuchy s nižším výnosem asi 90% radioaktivity v hlavě hub a 10% ve stonku. Naproti tomu výbuchy megatonového dosahu mívají většinu své radioaktivity v dolní třetině oblaku hub.

V okamžiku výbuchu se vytvoří ohnivá koule. Vzestupná, zhruba sférická hmota horkých žhavých plynů mění v důsledku atmosférického tření tvar a ochlazuje svůj povrch energetickým zářením, měnícím se ze sféry na prudce rotující sféroidní vír. Rayleigh-Taylor nestabilita je vytvořen jako pod chladný vzduch nejprve tlačí spodní ohnivá koule plynů do obráceného tvaru šálku. To způsobuje turbulence a vír, který nasává více vzduchu do svého středu, vytváří vnější vítr a samotné chlazení. Rychlost jeho otáčení se při ochlazování zpomaluje a během pozdějších fází se může zcela zastavit. Odpařené části zbraně a ionizovaný vzduch se ochladí na viditelné plyny a vytvoří raný mrak; žhavé vír jádra zežloutne, pak tmavě červená, pak ztrácí viditelné žhnutí. Při dalším ochlazování se většina mraku vyplňuje, jak atmosférická vlhkost kondenzuje. Jak mrak stoupá a ochlazuje se, jeho vztlak se snižuje a jeho stoupání se zpomaluje.

Pokud je velikost ohnivé koule srovnatelná s výškou stupnice atmosférické hustoty , bude celý vzestup mraků balistický a překročí velký objem přemnoženého vzduchu do větších výšek, než je konečná stabilizační výška. Podstatně menší ohnivé koule vytvářejí mraky s výstupem řízeným vztlakem.

Po dosažení tropopauzy , dna oblasti silné statické stability, má mrak tendenci zpomalovat svůj výstup a šířit se. Pokud obsahuje dostatek energie, její centrální část může nadále stoupat vzhůru do stratosféry jako analog ke standardní bouřce. Masa vzduchu stoupající z troposféry do stratosféry vede k tvorbě akustických gravitačních vln , které jsou prakticky totožné s vlnami vytvářenými intenzivními bouřkami pronikajícími do stratosféry . Exploze menšího rozsahu pronikající do tropopauzy generují vlny o vyšší frekvenci, klasifikované jako infrazvuk .

Exploze zvedá velké množství vlhkého vzduchu z nižších poloh. Jak vzduch stoupá, jeho teplota klesá a jeho vodní pára nejprve kondenzuje jako kapičky vody a později zmrzne jako krystaly ledu. Fázové změny uvolňují latentní teplo , zahřívají mrak a vedou jej do ještě vyšších nadmořských výšek.

Vývoj oblaku jaderných hub; 19 kt na 120 m • kt - 13 . Tumbler-Snapper Dog . Písečná nevadská pouštní půda je „popkornována“ intenzivním zábleskem světla vyzařovaného okamžitou nadkritickou událostí; tento „popcorningový efekt“ má za následek, že se do stonku houbového mraku lofuje více půdy, než by tomu bylo jinak, kdyby bylo zařízení umístěno nad typičtější povrch nebo půdu.

Houbový mrak prochází několika fázemi formování.

  • Časný čas , prvních ≈20 sekund, kdy se vytvoří ohnivá koule a štěpné produkty se mísí s materiálem vysátým ze země nebo vyvrženým z kráteru. Ke kondenzaci odpařené půdy dochází během prvních několika sekund, nejintenzivněji při teplotách ohnivé koule mezi 3500–4100 K.
  • Fáze vzestupu a stabilizace , 20 sekund až 10 minut, kdy stoupají horké plyny a ukládá se počátek velkého spadu.
  • Pozdě , přibližně o 2 dny později, kdy jsou částice ve vzduchu distribuovány větrem, ukládány gravitací a zachycovány srážením.

Tvar mraku je ovlivněn místními atmosférickými podmínkami a větrnými schématy. Rozložení spadu je převážně větru chochol . Pokud se však oblak dostane do tropopauzy , může se šířit proti větru, protože jeho rychlost proudění je vyšší než rychlost okolního větru. V tropopauze je tvar oblaku zhruba kruhový a rozprostřený.

Počáteční barva některých radioaktivních mraků může být zbarvena červeně nebo červenohnědě, v důsledku přítomnosti oxidu dusičitého a kyseliny dusičné , vytvořených z původně ionizovaného dusíku , kyslíku a atmosférické vlhkosti. Ve vysokoteplotním, vysoce radiačním prostředí výbuchu se vytváří také ozon . Odhaduje se, že každý megaton výtěžku produkuje asi 5 000 tun oxidů dusíku. Byly také popsány žluté a oranžové odstíny. Tento načervenalý odstín je později zakryt bílou barvou mračen vody/ledu, která se při ochlazování ohnivé koule kondenzuje z rychle proudícího vzduchu a tmavá barva kouře a úlomků je nasávána do proudu vzduchu. Ozón dává výbuchu charakteristický zápach podobný korónovému výboji .

Kapičky kondenzované vody se postupně odpařují, což vede ke zjevnému zmizení mraku. Radioaktivní částice však zůstávají zavěšeny ve vzduchu a nyní neviditelný mrak pokračuje v ukládání spadů podél své dráhy.

Stonka mraku je v průtrži šedá až hnědá, protože do houbového mraku je nasáváno velké množství prachu, špíny, půdy a úlomků. Airbursty produkují bílé, zapařené stonky. Groundbursty produkují temná houbová mračna, která kromě bomby a jejího pláště obsahují ozařovaný materiál ze země, a proto produkují více radioaktivního spadu s většími částicemi, které se snadno lokálně ukládají.

Vyšší-výtěžek detonace může nést oxidy dusíku z praskla dostatečně vysoká, aby v atmosféře způsobit významnou vyčerpání na ozonovou vrstvu .

Za určitých podmínek lze vytvořit dvojitou houbu se dvěma úrovněmi. Například střela Buster-Jangle Sugar vytvořila první hlavu ze samotného výbuchu, následovaná další generovanou teplem z horkého, čerstvě vytvořeného kráteru.

Samotný spad může vypadat jako suché vločky podobné popelu nebo jako částice příliš malé na to, aby byly viditelné; v druhém případě jsou částice často ukládány deštěm. Velké množství novějších, více radioaktivních částic usazených na kůži může způsobit popáleniny beta , často se projevují jako vybledlé skvrny a léze na zádech exponovaných zvířat. Spad z testu Castle Bravo měl vzhled bílého prachu a byl přezdíván Bikini snow ; drobné bílé vločky připomínaly sněhové vločky , lepily se na povrchy a měly slanou chuť. 41,4% spadů z testu Operation Wigwam sestávalo z nepravidelných neprůhledných částic, o něco více než 25% částic s průhlednými a neprůhlednými oblastmi, přibližně 20% mikroskopických mořských organismů a 2% mikroskopických radioaktivních vláken neznámého původu.

Cloudová kompozice

Houbový mrak z Buster-Jangle Charlie, výnos 14 kilotun (při 143 m • kt - 13 ), během počáteční fáze tvorby stonků. Nahoře je vidět toroidní ohnivá koule, uprostřed se kvůli intenzivním stoupavým proudům vlhkého vzduchu tvoří kondenzační oblak a níže je vidět tvořící se částečný stonek. Mrak vykazuje červenohnědý odstín oxidů dusíku.

Oblak obsahuje tři hlavní třídy materiálu: zbytky zbraně a její štěpné produkty, materiál získaný ze země (významné pouze pro výšky výbuchu pod nadmořskou výškou snižující spad, která závisí na výtěžnosti zbraně) a vodní páru. Převážná část radiace obsažené v oblaku se skládá z produktů jaderného štěpení ; produkty aktivace neutronů ze zbraňových materiálů, vzduchu a zemního odpadu tvoří jen malou část. Aktivace neutronů začíná během výbuchu neutronu v okamžiku samotného výbuchu a rozsah této neutronové dávky je omezen absorpcí neutronů při jejich průchodu zemskou atmosférou.

Většina záření je vytvářena štěpnými produkty. Termonukleární zbraně produkují významnou část svých výnosů z jaderné fúze . Fúzní produkty jsou obvykle neradioaktivní. Stupeň produkce radiačního spadu se proto měří v kilotunách štěpení. Car Bomba , který produkoval 97% své 50-megatunovou výtěžku z fúze, byl velmi čistý zbraň ve srovnání s tím, co by se obvykle očekává, že ze zbraně jeho výtěžku (i když stále vyrábí 1,5 megatun jeho výtěžku ze štěpení), jako jeho fúzní tamper byl vyroben z olova místo uranu-238; jinak by jeho výtěžek činil 100 megatun s 51 těmi ze štěpení. Pokud by došlo k detonaci na povrchu nebo v jeho blízkosti, jeho spad by tvořil plně jednu čtvrtinu všech spadů z každého testu jaderných zbraní dohromady.

Zpočátku ohnivá koule obsahuje vysoce ionizovanou plazmu skládající se pouze z atomů zbraně, jejích štěpných produktů a atmosférických plynů sousedního vzduchu. Když se plazma ochlazuje, atomy reagují a vytvářejí jemné kapičky a poté pevné částice oxidů. Částice splývají na větší a usazují se na povrchu jiných částic. Větší částice obvykle pocházejí z materiálu aspirovaného do oblaku. Částice aspirovaly, když byl mrak ještě dostatečně horký, aby se roztavil a smíchal se štěpnými produkty v celém jejich objemu. Větší částice získávají roztavené radioaktivní materiály uložené na jejich povrchu. Částice aspirované do oblaku později, když je jeho teplota dostatečně nízká, se výrazně nekontaminují. Částice vytvořené pouze ze samotné zbraně jsou dostatečně jemné, aby zůstaly ve vzduchu po dlouhou dobu a široce se rozptýlily a zředily na neškodné úrovně. Výbuchy ve vyšších nadmořských výškách, které nesbírají zemní úlomky, nebo které aspirují prach pouze po dostatečném ochlazení a kde je radioaktivní podíl částic proto malý, způsobují mnohem menší stupeň lokalizovaného spadu než výbuchy v nižší výšce s vytvořenými většími radioaktivními částicemi.

Koncentrace kondenzačních produktů je stejná pro malé částice i pro nanesené povrchové vrstvy větších částic. Na kilotunu výtěžku se vytvoří asi 100 kg malých částic. Objem a tedy aktivita malých částic je téměř o tři řády nižší než objem nanesených povrchových vrstev na větších částicích.

U výbuchů ve vyšších nadmořských výškách jsou primárními procesy tvorby částic kondenzace a následná koagulace . U výbuchů v nižších nadmořských výškách a přízemních výbuchů se zapojením částic půdy je primárním procesem ukládání na cizí částice.

Detonace v nízké nadmořské výšce vytvoří oblak s prachovou náplní 100 tun na megaton výtěžku. Pozemní detonace vytváří mraky se zhruba třikrát větším množstvím prachu. Při pozemní detonaci se roztaví přibližně 200 tun půdy na kilotun výtěžku a přijde do styku se zářením.

Objem ohnivé koule je stejný pro povrchovou nebo atmosférickou detonaci. V prvním případě je ohnivá koule místo koule polokoule s odpovídajícím větším poloměrem.

Velikosti částic se pohybují od submikrometrů a mikrometrů (vytvořených kondenzací plazmy v ohnivé kouli), přes 10–500 mikrometrů (povrchový materiál rozrušený výbuchovou vlnou a zvednutý po větru), až po milimetry a výše (vysunutí kráteru) . Velikost částic spolu s nadmořskou výškou, do které jsou přeneseny, určuje délku jejich pobytu v atmosféře, protože větší částice podléhají suchým srážkám . Menší částice mohou být také zachyceny srážením , buď z kondenzující vlhkosti v samotném oblaku, nebo z oblaku protínajícího se dešťový mrak . Spad snesený deštěm je známý jako déšť, pokud je zachycen během tvorby dešťového mraku, vymývání, pokud je absorbován do již vytvořených padajících dešťových kapek.

Částice ze vzduchových výbuchů jsou menší než 10–25 mikrometrů, obvykle v rozmezí submikrometrů. Jsou složeny převážně z oxidů železa , s menším podílem oxidu hlinitého a uranu a plutonia oxidů . Částice větší než 1–2 mikrometry jsou velmi sférické, což odpovídá odpařenému materiálu, který kondenzuje do kapiček a následně tuhne. Radioaktivita je rovnoměrně rozložena v celém objemu částic, což činí celkovou aktivitu částic lineárně závislou na objemu částic. Asi 80% aktivity je přítomno v těkavějších prvcích, které kondenzují až poté, co se ohnivá koule do značné míry ochladí. Například stroncium-90 bude mít méně času na kondenzaci a sloučení do větších částic, což bude mít za následek vyšší stupeň promíchání objemu vzduchu a menších částic. Částice produkované bezprostředně po výbuchu jsou malé, přičemž 90% radioaktivity je přítomno v částicích menších než 300 nanometrů. Ty koagulují se stratosférickými aerosoly. Koagulace je v troposféře rozsáhlejší a na úrovni země je většina aktivity přítomna v částicích mezi 300  nm a 1  µm . Koagulace kompenzuje frakcionační procesy při tvorbě částic, vyrovnává izotopickou distribuci.

Pro pozemní a nízko výškové výboje obsahuje oblak také odpařené, roztavené a roztavené částice půdy. Distribuce aktivity částicemi závisí na jejich vzniku. Částice vytvořené odpařováním a kondenzací mají aktivitu rovnoměrně rozloženou v objemu jako vzduchem prasklé částice. Větší roztavené částice mají štěpné produkty difundované vnějšími vrstvami a roztavené a neroztavené částice, které nebyly dostatečně zahřáté, ale přišly do styku s odpařeným materiálem nebo zachycenými kapičkami před jejich tuhnutím, mají relativně tenkou vrstvu vysoce aktivního materiálu uloženého na jejich povrch. Složení takových částic závisí na charakteru půdy, obvykle jde o sklovitý materiál vytvořený ze silikátových minerálů. Velikosti částic nezávisí na výtěžku, ale na charakteru půdy, protože jsou založeny na jednotlivých zrnech půdy nebo jejich shlucích. Jsou přítomny dva typy částic, sférické, vytvořené úplnou vaporizací-kondenzací nebo alespoň roztavením půdy, s aktivitou rozloženou rovnoměrně po objemu (nebo s 10–30% objemem neaktivního jádra pro větší částice mezi 0,5–2 mm ) a částice nepravidelného tvaru vytvořené na okrajích ohnivé koule fúzí částic půdy s aktivitou uloženou v tenké povrchové vrstvě. Množství velkých nepravidelných částic je zanedbatelné. Částice vytvořené detonacemi nad oceánem nebo v něm budou obsahovat krátkodobé radioaktivní izotopy sodíku a soli z mořské vody . Roztavený oxid křemičitý je velmi dobrým rozpouštědlem pro oxidy kovů a snadno zachycuje malé částice; výbuchy nad půdami obsahujícími oxid křemičitý budou produkovat částice s izotopy promíchanými jejich objemem. Naproti tomu korálové úlomky na bázi uhličitanu vápenatého mají tendenci adsorbovat radioaktivní částice na svém povrchu.

Prvky procházejí frakcionací během tvorby částic kvůli jejich různé těkavosti . Žáruvzdorné prvky (Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm) tvoří oxidy s vysokými body varu ; tyto se srážejí nejrychleji a v době tuhnutí částic, při teplotě 1400 ° C, jsou považovány za plně kondenzované. Těkavé prvky (Kr, Xe, I, Br) nejsou při této teplotě kondenzovány. Meziprodukty mají své (nebo jejich oxidy) body varu blízké teplotě tuhnutí částic (Rb, Cs, Mo, Ru, Rh, Tc, Sb, Te). Prvky v ohnivé kouli jsou přítomny jako oxidy, pokud není teplota nad teplotou rozkladu daného oxidu. Méně žáruvzdorné produkty kondenzují na povrchu ztuhlých částic. Izotopy s plynnými prekurzory tuhnou na povrchu částic, protože jsou produkovány rozpadem.

Největší, a proto nejvíce radioaktivní částice, se ukládají spadem během prvních hodin po výbuchu. Menší částice jsou přenášeny do vyšších nadmořských výšek a sestupují pomaleji, dosahují země v méně radioaktivním stavu, protože izotopy s nejkratšími poločasy rozpadu nejrychleji. Nejmenší částice se mohou dostat do stratosféry a zůstat tam týdny, měsíce nebo dokonce roky a pokrývat celou polokouli planety atmosférickými proudy. Vyšší nebezpečí, krátkodobý, lokalizovaný spad je uložen primárně po větru od místa výbuchu, v oblasti doutníkového tvaru, za předpokladu větru o konstantní síle a směru. Boční vítr, změny směru větru a srážky jsou faktory, které mohou výrazně změnit způsob spadnutí.

Kondenzace kapiček vody v houbovém oblaku závisí na množství kondenzačních jader . Příliš mnoho kondenzačních jader ve skutečnosti kondenzaci inhibuje, protože částice soutěží o relativně nedostatečné množství vodní páry.

Chemická reaktivita prvků a jejich oxidů, adsorpční vlastnosti iontů a rozpustnost sloučenin ovlivňují distribuci částic v prostředí po depozici z atmosféry. Bioakumulace ovlivňuje šíření spadlých radioizotopů v biosféře .

Radioizotopy

Primárním nebezpečím spadnutí je záření gama z krátkodobých radioizotopů, které představují převážnou část aktivity. Do 24 hodin po výbuchu klesne úroveň záření gama spadnutí 60krát. Radioizotopy s delší životností, typicky cesium-137 a stroncium-90 , představují dlouhodobé nebezpečí. Intenzivní záření beta z částic spadů může způsobit popáleniny beta lidí a zvířat přicházejících do styku s spadem krátce po výbuchu. Požité nebo vdechnuté částice způsobují vnitřní dávku záření alfa a beta, což může vést k dlouhodobým účinkům, včetně rakoviny .

Samotné ozařování atmosféry neutrony produkuje malé množství aktivace, hlavně jako uhlík-14 s dlouhým poločasem rozpadu a argon -41 s krátkým poločasem rozpadu. Prvky nejdůležitější pro indukovanou radioaktivitu pro mořskou vodu jsou sodík -24, chlor , hořčík a brom . U pozemních výbuchů jsou obavami hliník -28, křemík -31, sodík -24, mangan -56, železo -59 a kobalt -60 .

Plášť bomby může být významným zdrojem neutronem aktivovaných radioizotopů. Tok neutronů v bombách, zejména termonukleárních zařízeních, je dostatečný pro vysoce prahové jaderné reakce . Mezi indukované izotopy patří kobalt-60, 57 a 58, železo-59 a 55, mangan-54, zinek-65, yttrium-88 a případně nikl-58 a 62, niob-63, holmium-165, iridium-191, a krátkodobý mangan-56, sodík-24, křemík-31 a hliník-28. Europia -152 a 154 mohou být přítomny, jakož i dvě jaderné izomery z rhodia -102. Během operace Hardtack byly wolfram -185, 181 a 187 a rhenium -188 vyráběny z prvků přidaných jako stopovače do pouzder bomb, aby bylo možné identifikovat spad způsobený specifickými výbuchy. Jako stopovací látky jsou také uváděny antimony -124, kadmium -109 a kadmium -113m.

Nejvýznamnějšími zdroji radiace jsou produkty štěpení z primárního štěpného stupně a v případě štěpně-fúzních-štěpných zbraní ze štěpení fúzní fáze tamperu uranu. Při termonukleární explozi se uvolní mnohem více neutronů na jednotku energie ve srovnání s čistě štěpným výtěžkem ovlivňujícím složení štěpných produktů. Například izotop uranu-237 je jedinečný termonukleární explozivní marker, protože je produkován (n, 2n) reakcí z uranu-238 , přičemž minimální potřebná energie neutronů je asi 5,9 MeV. Značné množství neptunia-239 a uranu-237 je indikátorem výbuchu štěpení-fúze-štěpení. Rovněž se tvoří menší množství uranu -240 a zachycení velkého počtu neutronů jednotlivými jádry vede k tvorbě malých, ale zjistitelných množství vyšších transuranových prvků , např. Einsteinium -255 a fermium -255.

Jedním z důležitých štěpných produktů je krypton-90 , radioaktivní vzácný plyn . Snadno difunduje v oblaku a podléhá dvěma rozpadům na rubidium-90 a poté na stroncium-90 s poločasem rozpadu 33 sekund a 3 minuty. Nereaktivita a rychlá difúze vzácných plynů je zodpovědná za vyčerpání místního spadu v Sr-90 a odpovídající obohacení vzdáleného spadu Sr-90.

Radioaktivita částic klesá s časem, přičemž různé izotopy jsou v různých časových obdobích významné. U produktů aktivace půdy je hliník-28 nejdůležitějším přispěvatelem během prvních 15 minut. Mangan-56 a sodík-24 následují asi 200 hodin. Železo-59 následuje po 300 hodinách a po 100–300 dnech se významným přispěvatelem stane kobalt-60.

Radioaktivní částice lze přenášet na značné vzdálenosti. Radiace z testu Trinity byla vyplavena bouřkou v Illinois . To bylo odvozeno, a vysledovat původ, když Eastman Kodak nalezeno rentgenové filmy byly zamlžený pomocí lepenky obaly vyrobené v Midwest . Neočekávané větry přenášely smrtelné dávky spadu hradu Bravo přes atol Rongelap , což si vynutilo jeho evakuaci. Zasažena byla také posádka japonského rybářského člunu Daigo Fukuryu Maru , který se nacházel mimo předpokládanou nebezpečnou zónu. Stroncium-90 nalezené v celosvětovém spadu později vedlo ke Smlouvě o částečném zákazu zkoušek .

Zářivka

Intenzivní záření v prvních sekundách po výbuchu může způsobit pozorovatelnou auru fluorescence , modrofialově purpurovou záři ionizovaného kyslíku a dusíku ven do značné vzdálenosti od ohnivé koule, obklopující hlavu vytvářejícího se houbového mraku. Toto světlo je nejsnáze viditelné v noci nebo za podmínek slabého denního světla. Jas záře rychle klesá s uplynutým časem od detonace a po několika desítkách sekund se stává jen stěží viditelným.

Účinky kondenzace

Mraky jaderných hub jsou často doprovázeny krátkodobými parními mračny, známými různě jako „ Wilsonovy mraky “, kondenzační mračna nebo parní prstence. „Negativní fáze“ po pozitivním přetlaku za šokovou frontou způsobí náhlé zředění okolního média. Tato oblast nízkého tlaku způsobuje adiabatický pokles teploty, což způsobuje, že vlhkost ve vzduchu kondenzuje ve ven se pohybující skořápce obklopující výbuch. Když se tlak a teplota vrátí k normálu, Wilsonův oblak se rozptýlí. Vědci pozorující jaderné testy Operation Crossroads v roce 1946 na atolu Bikini pojmenovali tento přechodný mrak „Wilsonův oblak“ kvůli jeho vizuální podobnosti s Wilsonovou oblačnou komorou ; cloudová komora využívá kondenzaci z rychlého poklesu tlaku k označení stop elektricky nabitých subatomárních částic . Analytici pozdějších testů jaderných bomb použili obecnější výraz „kondenzační oblak“ před „Wilsonovým mrakem“.

Stejný druh kondenzace je někdy vidět nad křídly proudových letadel v nízké výšce v podmínkách s vysokou vlhkostí. Horní část křídla je zakřivená. Zakřivení (a zvýšená rychlost vzduchu) způsobuje snížení tlaku vzduchu, jak uvádí Bernoulliho zákon . Toto snížení tlaku vzduchu způsobuje ochlazení, a když se vzduch ochladí za rosný bod , vodní pára ze vzduchu kondenzuje a vytváří kapičky vody, které jsou viditelné jako bílý oblak. Z technického hlediska je „Wilsonův oblak“ také příkladem jedinečnosti Prandtl – Glauert v aerodynamice.

Tvar rázové vlny je ovlivněn kolísáním rychlosti zvuku s nadmořskou výškou a teplota a vlhkost různých atmosférických vrstev určuje vzhled Wilsonových mraků. Kondenzační prstence kolem nebo nad ohnivou koulí jsou běžně pozorovaným znakem. Kroužky kolem ohnivé koule se mohou stát stabilními a stávají se kroužky kolem stoupajícího stonku. Výbuchy s vyšším výtěžkem způsobují intenzivní proudy vzduchu, kde rychlost vzduchu může dosáhnout 300 mil za hodinu (480 km/h). Strhávání s vyšší vlhkostí vzduchu, v kombinaci s přidruženým poklesu tlaku a teploty, vede k tvorbě sukní a zvonů kolem dříku. Pokud se kapičky vody stanou dostatečně velkými, struktura mraků, které tvoří, může být dostatečně těžká, aby mohla sestoupit; tímto způsobem lze vyrobit stoupající stonek se sestupným zvonem kolem něj. Vrstva vlhkosti v atmosféře, která je zodpovědná za vzhled kondenzačních prstenců na rozdíl od sférického oblaku, také ovlivňuje tvar kondenzačních artefaktů podél stonku houbového oblaku, protože stoupavý proud způsobuje laminární proudění . Stejný efekt nad vrcholem mraku, kde expanze stoupajícího oblaku tlačí vrstvu teplého, vlhkého vzduchu s nízkou nadmořskou výškou nahoru do studeného vzduchu s vysokou nadmořskou výškou, nejprve způsobí kondenzaci vodní páry ze vzduchu a pak způsobí výsledných kapiček zmrazit tvořící ledovců (nebo ledovců ), podobné jak vzhledu a mechanismu tvorby na šátek mraky .

Výsledné kompozitní struktury mohou být velmi složité. Castle Bravo mrak, v různých fázích jeho vývoje, 4 kondenzační kruhy, 3 ledovců, 2 sukně a 3 zvony.

Vytvoření oblaku hub z jaderného testu Tumbler-Snapper Dog. Stuhy kouře viděné nalevo od výbuchu při detonaci jsou svislé kouřové světlice používané k pozorování rázové vlny z výbuchu a nesouvisí s houbovým mrakem.

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy