СВЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Ядерный взрыв, являющийся результатом цепной реакции, происходящей при делении ядер атомов некоторых тяжелых элементов (урана 235, урана 233, плутония 239) или термоядерной реакции с изотопами водорода и лития, сопровождается выделением огромного количества энергии. Вследствие этого в месте взрыва создается температура, измеряемая миллионами и даже десятками миллионов градусов. Благодаря такой огромной температуре примерно одна треть всего количества энергии, освобождающейся при взрыве, выделяется в виде светового излучения.
Под световым излучением ядерного взрыва понимают излучения в видимой, а также в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн. Например, при взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 000 тонн на долю светового излучения приходится примерно 7 миллиардов больших калорий[1]. Таким количеством тепла можно нагреть 70 000 тонн воды от нуля градусов до температуры кипения.
Известно, что взрыв обычных боеприпасов (бомб, мин, снарядов) также сопровождается световым излучением, но оно существенно отличается от светового излучения атомного взрыва. Это различие состоит в том, что в первом случае общая энергия, освобождающаяся на единицу массы взрывчатого вещества, в миллионы раз меньше. Температура в месте взрыва обычных боеприпасов достигает всего лишь 4000–5000 градусов. Вследствие этого количество энергии, выделяющейся в форме светового излучения, ничтожно мало по сравнению с атомным взрывом.
Кроме того, известно, что общее количество световой энергии, излучаемое светящимся телом, зависит не только от его температуры. Оно прямо пропорционально площади светящейся поверхности и времени свечения. Так как светящаяся область при обычном взрыве занимает малый объем, а сама вспышка длится короткое время (тысячные доли секунды), то поражение за счет светового излучения при этом не учитывают.
Совершенно иная картина наблюдается при взрыве атомной бомбы, при котором световое излучение может вызывать ожоги у людей и животных, являться причиной пожаров. При подземном (подводном) взрыве световое излучение как поражающий фактор можно не учитывать. Но при воздушном и наземном (надводном) взрывах оно является серьезным поражающим фактором.
Вследствие того что температура в момент взрыва измеряется миллионами градусов, не успевшая разделиться часть атомного заряда, оболочка и все другие детали бомбы испаряются. В месте взрыва наблюдается ослепительно яркая вспышка. При таких огромных температурах основная часть излучения состоит из рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, полностью поглощаемых воздухом. Вследствие этого воздух раскаляется. Образуется светящаяся область в форме шара, состоящая из раскаленных продуктов взрыва и воздуха. Давление и плотность газов светящейся области значительно выше, чем окружающего воздуха. Вследствие большого различия в давлении огненный шар расширяется со скоростью, значительно превосходящей скорость звука (340 м/сек.), сжимая прилегающий к нему воздух. Сжатие от первого слоя воздуха передается следующим слоям. В результате возникает волна сжатия, или ударная волна. Воздух в ней сжат так сильно, что светится. Передняя граница ударной волны (ее фронт) будет одновременно являться внешней границей расширяющегося огненного шара. Таким образом, в начальный момент имеется внутреннее светящееся ядро из раскаленных газов и внешний шаровой светящийся слой, образованный фронтом ударной волны.
По мере распространения ударной волны температура воздуха, движущегося в ее передней части, падает. Так как скорость расширения огненного шара меньше скорости фронта ударной волны, последняя отрывается от его поверхности, уходя в пространство. При этом ясно обозначается граница между более нагретым внутренним ядром и менее раскаленным фронтом волны.
Сильно сжатый слой воздуха в передней части ударной волны до определенного момента не пропускает световое излучение внутреннего ядра, экранирует его. Вскоре, однако, температура во фронте волны падает до 2000 градусов и воздух в ней перестает светиться. Для атомной бомбы, эквивалентной 20 000 тонн тротила, это соответствует времени примерно 0,01 секунды с начала взрыва. Так заканчивается первый период развития светящейся области. Что же происходит дальше, когда фронт ударной волны перестает светиться?
Поскольку воздух во фронте ударной волны не может теперь излучать, а следовательно, и поглощать излучение, он постепенно становится прозрачным. Теперь внутреннее, более нагретое тело, расширившись в радиусе до 100 метров, становится видимым, температура светящейся области, достигнув минимума (2000 градусов), снова начинает повышаться. Она повышается до тех пор, пока не сравняется с температурой поверхности внутреннего огненного ядра (7000–8000 градусов). Затем вследствие расширения и охлаждения раскаленных газов, составляющих внутреннее ядро, температура огненного шара быстро понижается.
Примерно через одну секунду после взрыва температура огненного шара уменьшается до 5000 градусов Кельвина, а размеры его достигают почти максимальных (радиус — около 150 метров). Эффективное время свечения продолжается около 3 секунд, в течение которых радиус огненного шара достигает 200 метров и более.
Так как плотность газов, составляющих огненный шар, в процессе его расширения становится намного ниже плотности окружающего воздуха, то он быстро поднимается вверх. Скорость в начале подъема достигает 100 метров в секунду. Приблизительно через 10 секунд свечение шара полностью прекращается. Образуется клубящееся облако, содержащее остывающие газы, пары воды, а при взрыве над землей также и пыль. Количество пыли, находящейся в облаке, зависит от того, на какой высоте произошел взрыв атомной бомбы.
Если огненный шар касается земли, то значительное количество грунта испаряется и уносится вместе с ним. Это, например, можно проиллюстрировать следующими цифрами.
Энергия, необходимая для нагревания и испарения песка, который можно считать типичным представителем составных частей грунта, равна 2700 кал/г. Следовательно, если 5 процентов энергии бомбы расходуется на испарение почвы, то около 360 тонн песка будет находиться в газообразном состоянии в огненном шаре.
При подводном взрыве будет испаряться большое количество воды. Энергия, требуемая на нагревание и испарение воды, равна примерно 640 кал/г. Это означает, что при тех же 5 процентах энергии взрыва, расходуемой на испарение воды, около 1500 тонн ее будет находиться в парообразном состоянии в огненном шаре. При подъеме облака пары воды будут охлаждаться и конденсироваться, придавая ему белый оттенок. Большое количество конденсированного пара может привести к выпадению в районе взрыва радиоактивного дождя. Скорость подъема облака зависит от количества выделенной световой энергии, температуры и плотности окружающих слоев воздуха, а также скорости и направления ветра.
Поднимающиеся вслед за облаком с земли в виде столба пыль или вода придают ему характерную грибовидную форму. Достигнув высоты 10–15 километров, облако расширяется в горизонтальном направлении на несколько километров. Внутри его содержится огромное количество продуктов взрыва, являющихся источником радиоактивных излучений. С течением времени облако рассеивается, радиоактивные продукты частично выпадают на землю, заражая ее.
При взрыве водородной бомбы также образуется светящаяся область в форме шара, но размеры ее и время свечения значительно больше, чем при взрыве атомной бомбы. Можно ориентировочно считать, что радиус огненного шара и время его свечения пропорциональны корню кубическому из тротилового эквивалента. Следовательно, если известны максимальный радиус огненного шара (150 метров) и время его свечения (3 секунды) для атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 000 тонн, можно найти радиус и время свечения огненного шара для бомбы любого калибра. Подсчитаем, например, радиус и время свечения огненного шара для водородной бомбы в тысячу раз более мощной (тротиловый эквивалент 20 000 000 тонн), чем атомная бомба среднего калибра (тротиловый эквивалент 20 000 тонн). Извлекая корень кубический из отношения этих эквивалентов, получим число, равное 10.
Увеличив в 10 раз радиус и время свечения огненного шара для атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 000 тонн, получим интересующие нас величины. Они будут равны: радиус огненного шара— 1500 метров, а время свечения — 30 секунд.
Для внешней картины наземного или надводного взрыва характерно наличие светящейся полусферы вместо шара.
Так же, как и Солнце, светящаяся область при атомном или термоядерном взрыве представляет собой газообразное раскаленное тело. Отличие будет состоять в том, что на Солнце ядерная реакция идет непрерывно, поэтому температура его поверхности остается все время постоянной (около 6000 градусов).
При атомном или термоядерном взрыве светящаяся область имеет переменный диаметр и температуру поверхности. Почти все вещества в области огненного шара полностью сгорают. Металлы плавятся или даже воспламеняются. Некоторые типы почв сплавляются, превращаясь в твердую стекловидную массу. За пределами огненного шара поражающее действие его светового излучения будет сказываться в обугливании и воспламенении некоторых материалов, в ожогах открытых частей тела человека.
Характер поражения — воспламенение, обугливание или ожоги — определяется тем количеством световой энергии, которое падает на один квадратный сантиметр поверхности освещаемого тела (перпендикулярной направлению распространения световых лучей) за все время излучения огненного шара. Это количество световой энергии называют световым импульсом.
Величина светового импульса зависит:
а) от количества световой энергии, излучаемой огненным шаром за все время его свечения. Так как на долю светового излучения приходится определенная часть (примерно одна треть) от всей энергии, выделяющейся при атомном взрыве, то, следовательно, величина светового импульса зависит от калибра бомбы;