如何产生一个蘑菇云?爆炸的“外形”蕴含什么信息

〖发布时间:2020-08-12 09:36:56〗〖文章来源:科普中国中央厨房〗〖作者:〗〖责任编辑:gly〗


 颜色和形状是能量及物质作用的体现。多种类型的爆炸或撞击都可能产生蘑菇云。


  


 贝鲁特爆炸现场。|来自网络

 作者 | 高佩雯 龙浩

 8月4日,黎巴嫩首都贝鲁特发生巨大爆炸,一时间,“核爆”二字随着现场“蘑菇云”照片在社交媒体上疯传。很多专业人士看到图片第一眼,就断定:这不可能。

 “从爆炸的颜色可以看出,它没有热到足以成为核爆。”“核爆开始时总是会有白色和黄色的闪光。”“通常蘑菇云停留的时间要长得多。”……

 仅靠一张图就能得出这样确定的信息吗?是的,颜色和形状是能量及物质作用的体现。

 而且蘑菇云也不一定要核爆才能产生,其他大规模爆炸也可能产生蘑菇云。

 蘑菇云是怎样产生的?

 蘑菇云是大爆炸的结果,通常和核爆联系在一起。但也可以是其他爆炸或撞击引起。

 如果用最简单的话来概括,要形成一个蘑菇云,爆炸(或撞击)需要制造一个非常热的高压气团。这个气团飞速膨胀而快速上升,并将周边的物质如灰尘、水汽也拖了上去,形成了蘑菇茎。

 当气团上升到足够高时,它的温度逐渐冷却,密度开始和周围的空气持平,于是停止蹿升。这些气体连带裹挟着的碎片和蒸汽等向周围溢出,形成了蘑菇的顶。

 可见,任何高能量爆炸都可能产生蘑菇云,包括核爆、热压武器(一种用高热高压气体打击目标的新型武器)、化学品爆炸、火山爆发或小行星撞击等。


  


 加勒比海区的苏佛里耶(Soufriere)火山喷发形成蘑菇云,被一位旅客在飞机上拍到。|来自网络

 我们看到的核爆照片通常多种多样。有的是火焰蘑菇,有的是灰色或棕褐色蘑菇,有的是乳白色大胖蘑菇,颜色和姿态各不相同。

 了解一朵“标准”的蘑菇云,或有助于我们理解其他“蘑菇”类型。当然也包括贝鲁特的硝酸铵爆炸蘑菇云。——那棕红色的蘑菇和一闪而过的白色“罩体”,可是疑惑了不少人。

 一朵典型的蘑菇云

 一朵典型的蘑菇云,一般由近地面的核爆引起。并且地下(水下)或高空核爆都不行。

 无论是地爆还是空爆,某种程度上都大同小异,都是闪光→火球→蘑菇状烟云→连环爆响。

 闪光,是核装置被引爆的标志,时间极短,通常不到1毫秒。(在这一瞬间,爆心能量快速释放发出强光。但立刻就被第一轮冲击波压缩产生的超高温电离空气遮挡住了。这种闪光,和火球一起称为“双闪”,是核爆的典型征象。)

 随后是火球。圆而明亮,一边增大一边上升(这时电离空气已经冷却而变得透明,爆心的光线再次释放)。因受到地面反射的冲击波的影响,其底部会变形,形成上圆下平、底部凹陷的馒头形状。其内部是由空气、弹体及周边物质被加热而形成的等离子体(即高温火焰成分)。

 接着,火球熄灭,外形由大变小。其中被加热的物质冷却形成灰白或棕褐色的烟云。烟云的颜色和爆高(爆炸的高度)有关,爆高越低,卷入的尘土比例越大,烟云颜色就越深。虽然烟云是火球冷却形成,但依然非常高热高压。

 烟云会继续膨胀和上升,同时因为地面反射的冲击波的作用,在地面爆心投影点区域被掀起的尘柱也跟着上升,经过一段时间追及烟云,形成一朵典型的蘑菇云。


  


 各种蘑菇云和核爆照片。下面3张为世界首颗***(Mike)爆炸后依次的三个状态。|素材来自网络

 可以得知,如果是直接在地面爆炸,烟云和尘柱一开始就在一起,颜色较深暗且尘柱粗大。如果是在低空爆炸,尘柱会追及烟云。如果是在特别高的高空爆炸,则尘柱无法追及烟云,只能各自美丽,没有蘑菇云。(如果爆炸的当量(能量)更大一些,这个临界高度就可以更高。)

 此外,核爆当量会直接决定火球和烟云的大小,还会影响烟云上升的高度。当核爆当量较大时,蘑菇云会直达对流层顶(大约离地面12千米),那里温度很低,水汽会大量凝结,包裹住烟云,形成非常白的、尺寸稳定的大蘑菇。核爆当量更大时,蘑菇云甚至会穿过对流层顶,抵达平流层,尺寸也更大了。

 由于冲击波的特点,在核爆过程中,根据距离远近,还会先后听到连续的声响,有人形容像暴雨,也有人说像气球爆炸。随之而来的是大量放射尘,会降落到物体表面造成持续危害。

 贝鲁特大爆炸

 这次发生在贝鲁特港口的大爆炸,现场声音震耳欲聋,据悉已造成超过135人死亡,约5000人受伤,数十人下落不明。

 爆炸产生的蘑菇云,弥漫了城市的天际线。周围大片建筑被荡平。


  


 贝鲁特爆炸动图。|来自网络

 官方透露,本次事故系存放在港口仓库中的2750吨硝酸引起。这些硝酸铵在6年前被海关扣押,一直未挪出过港口,也未采取任何安全措施。黎巴嫩政府已出动军方软禁了2014年以来的所有仓库负责人,要求迅速调查并提交结果。

 硝酸铵是一种氮肥,也是一种***,加热或撞击都可能引爆,常用于采矿和建筑爆破。大量硝酸铵爆炸就会产生蘑菇云。

 从现场视频可见,先是白色烟云冒起,伴随炸裂的砰砰声响。随后有火球和红棕色蘑菇云出现。之后白色球状的气体迅速从爆炸区散开。


  


 爆炸现场视频截图。|来自网络

 白色烟云无疑是火灾引起。其后红棕的颜色来自高浓度的二氧化氮,这是硝酸铵分解时产生的化学物质。一闪而过的白色球状气体,则是爆炸产生的冲击波使空气中的水分凝结。*这有些类似于核爆“双闪”之间浓厚气体对爆心光线的阻挡。

 因为在爆炸时,爆炸中心的压力急剧升高,会使周围空气猛烈振荡形成波动(温度、压强和密度均发生跃变),并以超音速向周围冲击。冲击波是高压快速移动的区域,紧接其后的是压力和温度的突然下降,这就引起了水分凝结。——同样的效果在飞行速度接近或高于音速的飞机周围也会产生。

 据测算,这次爆炸的当量在300~700吨***之间(华尔街日报),相当于港口挨了一颗小型战术核弹。产生的地震波相当于4.5级地震,连远在几百英里外的塞浦路斯居民都有震感。形成蘑菇云也就毫不奇怪了。

 当地华人回忆,当时整栋楼都在摇晃,巨大冲击波袭来,让人误以为遭遇***袭击。

 事发前后高清卫星图对比显示,在爆炸的瞬间,港区地貌被强行物理改变,码头上一块原本是陆地的位置消失,强大的威力直接就地挖出一个直径约140米的巨坑,尺寸超过足球场 。数百米外的7000吨级游轮“东方女王号”被炸沉。


  


 爆心地区前后对比图,港口被挖出一个巨坑。|CNN

 以色列方紧急撇清关系,表明与自己无关。贝鲁特州长则称此爆炸是一场类似广岛的国家灾难。惨烈程度让人想起同是硝酸铵引发的1974年的美国德州格兰德坎普号货轮爆炸事件,那是美国历史上最严重的工业灾难。


  


 1974年格兰德坎普号货轮爆炸照片。被称为美国历史上最严重的工业灾难。当时货舱里2300吨硝酸铵化肥被引爆,窜起的火球击落上空飞过的两架飞机,并在周围引发海啸。周边货轮、化工厂、炼油厂接连被引爆 ,最终造成581人死亡,超3500人受伤,直接迫使美国改变了硝酸铵的运输和分装标准。|来自网络

 从爆炸中逃生

 当然,与核爆相比,化学品爆炸一般引起较小的冲击波和火热伤害,外加有毒气体。而核爆可以产生更多维的打击,比如:

 闪光会造成短暂失明,冲击波可在几英里外致人死亡,辐射会伤害身体细胞,火球和热量会导致烧伤和死亡,电磁脉冲可破坏几英里内的电力系统和电子设备,并在更大范围内造成通讯干扰,沉降物则会导致持续的放射性污染。

 面对爆炸,普通人应该怎么办呢?无论是一般爆炸还是核爆,爆炸中心的人几乎在劫难逃。但稍远一些还是可以采取一些措施降低损伤。因为冲击波会比光延后到达,看到浓烟和闪爆应该立刻避开,躲到建筑墙体之后,避免直接打击和抛物打击。

 如果周围没有建筑物,应立刻背朝***方向卧倒,双手护住头部,双腿交叠护裆。同时为了防止地面震动引发脏器损伤,应用肘部接触地面,保持头胸部到地面之间有一定空隙。

 如果是核爆,根据美国国土安全部防护说明,还应以最快速度转移到室内,并尽量远离外墙和屋顶,去到建筑中心或地下室。同时尽快去除被污染的衣物,清洗裸露的皮肤和头发,不吃暴露在室外的食物。要尽可能去最近、最好的避难所,在余尘到来之前都呆在里面。

 就目前而言,因为核弹的威力过于巨大,任何国家都不太可能将其用于战争,我们受到核弹袭击的可能性微乎其微。但核污染和化工爆炸事件同样值得警惕。希望这些求生方法我们永远也别用到。

 参考信息:

 央视新闻,CNN,美国国土安全部,中国科学报等

 1、升腾岛国的蘑菇云──美国原***袭击日本广岛、长崎内幕。陈汉忠,南京史志,1995-04-15

 2、蘑菇云宽度变化率与核爆炸当量的函数关系。金良安、王孝通、张明虎、杨常清,高压物理学报,2003-09-25

 3. 蘑菇云之谜,范一超,世界科学,1986-06-30

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