SKUTKI DZIAŁANIA BOMBY ATOMOWEJ


Siła wybuchu


   Wybuch bomby atomowej jest najpotężniejszym wybuchem, jaki może obecnie spowodować człowiek. Jego siłę szacuje się w jednostkach reprezentujących siłę wybuchu ton klasycznych materiałów wybuchowych, a dokładniej trotylu (TNT, trinitrotoluen). Po wprowadzeniu takich oznaczeń pojawiły się jednak problemy. Otóż np. tony amerykańskie różnią się od ton angielskich, a także siła wybuchu trotylu zależy od warunków zewnętrznych i waha się od 980 do 1100 kcal/g. Ostatecznie zdefiniowano jednostkę przyjmując, że:

1 kt = 1012 kcal = 4,19.1012 J = 2,62.1031 eV = 1,16.106 kWh


Odpowiada to całkowitemu zamianie na energię masy równej ok. 57 g materii. Analogia do klasycznych materiałów wybuchowych ma swoje wady. W konwencjonalnych wybuchach przeważającą moc destrukcyjną niesie z sobą fala uderzeniowa, znacznie mniejsza jest wydzielana w postaci ciepła i nie ma ani śladu promieniowania jądrowego. W wybuchach jądrowych podział energii następuje nieco inaczej:

 

Ładunek poniżej 100 kt

Ładunek powyżej 1 Mt

Fala uderzeniowa

60%

50%

Promieniowanie cieplne

35%

45%

Promieniowanie przenikliwe (gamma)

4%

4%

Promieniowanie neutronowe

1%

1%



   Dodatkowo 5-10% energii wydziela się w postaci opadu promieniotwórczego, ale to zależy od typu bomby. Eksplozji takiej towarzyszy ponadto silny impuls elektromagnetyczny zdolny niszczyć urządzenia elektroniczne i elektryczne lub zakłócać ich pracę, a także kasować magnetyczne pamięci komputerów. Jak widać z tabeli 1, charakter eksplozji zależy od mocy ładunku. Wiadomo, że wybuch silniejszy będzie miał większy zasięg zniszczeń, ale jego poszczególne fazy będą następować odpowiednio później, gdyż szybkość jego rozprzestrzeniania się jest z grubsza zbliżona w każdym przypadku.


Czynniki rażenia


   Dla różnych eksplozji atomowych różne czynniki mają różne znaczenie, ponieważ mechanizmy ich powstawania i rozprzestrzeniania się zależą od wielu warunków, z których za najważniejsze uznaje się siłę eksplozji i wysokość ewentualnie głębokość miejsca detonacji. Warto jednak zapoznać się wszystkimi możliwymi sposobami destrukcji, w jakie wyposażona jest broń atomowa:


Fala uderzeniowa


   Zjawisko fali uderzeniowej jest rozprzestrzenianiem się gazów w gwałtowny sposób. Na dużych odległościach prędkość przemieszczania się fali uderzeniowej osiąga prędkość rozchodzenia się dźwięku (tj. ponad 1250 km/h), a na początku wybuchu jest o wiele większa. W początkowej fazie nawet wiatry mają więkze prędkości. Przyczyną powstania zjawiska fali uderzeniowej jest wysokie ciśnienie w okolicach miejsca wybuchu, które dąży do wyrównania się z ciśnieniem sąsiadujących gazów. W efekcie gęstsze gazy napierają na materię z siłą mogącą w swym maksimum rozkruszyć beton i stal. Pierwotne wysokie ciśnienie pochodzi z nagrzanej promieniowaniem plazmy w kuli ognistej. Przejście fali uderzeniowej można rozważać jako otaczanie przedmiotu przez gęste gazy, przy czym nie otaczają go one natychmiast w jednej chwili, tylko najpierw napierają bardziej z jednej strony, a dopiero później docierają na drugą i wtedy siły się równoważą. Ponadto pod wpływem takiego wysokiego ciśnienia przedmioty całkiem nim otoczone mogą zapadać się do wewnątrz. Jest to tak zwane nadciśnienie i mierzy się je względem normalnego ciśnienia panującego na poziomie morza, czyli ciśnienia atmosferycznego. Można je porównać do zwiększonego ciśnienia panującego w baloniku, oczywiście na dużo większą skalę. Ale istnieje także zjawisko zwane ciśnieniem dynamicznym, które związane jest wiatrem powstającym, gdy gazy przemieszczają się od miejsca większego ciśnienia do miejsca mniejszego ciśnienia. Prędkość tego wiatru przekracza prędkości wiatrów w najsilniejszych huraganach i osiąga ponad 640 km/h (w zależności od strefy). Ciśnienie dynamiczne zależy od wartości prędkości wiatru, ale nie od jego kierunku, podczas gdy nadciśnienie może mieć wartość ujemną i nazywa się je wtedy podciśnieniem. W eksplozji atomowej największa wartość ciśnienia dynamicznego następuje tuż po eksplozji, gdy gazy mają duże prędkości. Później górę bierze nadciśnienie, którego działanie ilustruje w uproszczeniu rysunek obok. Uderzenie czoła fali wysokiego ciśnienia następuje niespodzianie, nie poprzedzone żadnym odgłosem, gdyż rozprzestrzenia się szybciej niż dźwięk. Jego gwałtowne działanie niszczy większość budynków, w zależności od strefy. Po przejściu fali ciśnienie powraca do normalnego poziomu. Wtórne działanie podciśnienia związane jest ze spadkiem temperatury w obszarze bliższym centrum eksplozji, gdzie najpierw wzrosła ona gwałtownie.

Tamże też pojawiają się pionowe prądy powietrzne wyciągające gazy w górę. Powoduje to spadek ciśnienia tamże i konieczność jego wyrównania poprzez powrót gazów, które już oddaliły się wraz z falą uderzeniową. Powstaje wiatr wiejący w kierunku miejsca eksplozji, ale nie jest on aż tak silny jak ten wiejący w kierunku fali uderzeniowej po jej przejściu. Ostatecznie ciśnienie powraca do swojej normalnej wartości. Ważnym czynnikiem wtórnym fali uderzeniowej jest tak zwana fala Macha. Powstaje ona w przypadku odbicia fali uderzeniowej od powierzchni ziemi. Odbita fala przemieszcza się jako drugie czoło fali uderzeniowej i może czynić podobne szkody, z tym że nadchodzi z innego, najczęściej przeciwnego kierunku. Ponieważ przejście pierwszego czoła fali powoduje zmianę własności gazów (temperatury, ciśnienia itp.), fala odbita przemieszcza się z większą prędkością niż pierwotna i często zdarza się, że ją dogania. Wartości nadciśnień obu z nich sumują się wtedy i w efekcie powstaje dużo silniejsza pojedyncza fala. Oczywiście najszybciej zachodzi to najbliżej powierzchni ziemi, jednak wraz z upływem czasu i odległości taka silna pojedyncza fala może mieć wysokość kilku kilometrów. Zwie się ją czasem także słupem Macha. Kolejne fazy powstawania fali Macha ilustruje rysunek obok


Kula ognista i promieniowanie cieplne


   Choć fala uderzeniowa zazwyczaj przenosi większość mocy bomby, to nie można lekceważyć pozostałych czynników rażenia. Kula ognia powstała w czasie eksplozji i promieniowanie przez nią emitowane bywają nawet groźniejsze, gdyż działają dużo szybciej nie dając czasu na schronienie się przed ich efektami.

Temperatury wytwarzane podczas eksplozji atomowych dochodzą do 100 milionów kalwinów, co jest wartością 10000 (104) razy większą niż w warunkach panujących na powierzchni Słońca. Ponieważ natężenie promieniowania jest proporcjonalne do czwartej potęgi temperatury, oznacza to, że eksplozja bomby atomowej jest 1016 razy jaśniejsza od światła słonecznego, przy czym jest to w większości promieniowanie sponad zakresu promieniowania widzialnego. Tuż po detonacji promienie gamma przenikające całą jeszcze obudowę bomby powodują powstanie smogu złożonego z ozonu i tlenków azotu na przestrzeni kilkudziesięciu metrów wokół bomby. W czasie ułamków milisekund od detonacji kula ognista zawiera niemal całą moc ekplozji. Już po chwili intensywne promieniowanie (głównie z zakresu promieni rentgenowskich) jonizuje otaczającą materię przekazując jej znaczne ilości energii. Gaz staje się nieprzezroczysty dla promieniowania, które (absorbowane i emitowane przez atomy) porusza się chaotycznie we wszystkich kierunkach. W efekcie przekazywanie energii dalej odbywa się dużo wolniej niż z prędkością światła, jednak szybciej niż rozprzestrzenianie się zjonizowanych gazów. Wraz ze stygnięciem i rozprzestrzenianiem się kuli ognistej zmniejsza się energia fotonów (do ultrafioletu), za czym spada prędkość transportu ciepła przez promieniowanie i ekspansja plazmy przekracza ją stając się zarzewiem fali uderzeniowej. Kula ognista ma wtedy ok. 13 m średnicy (dla ładunku 20 kt). Na samym początku przejście tej fali powoduje także silne ogrzanie i zjonizowanie gazów. Właśnie ta nieprzezroczysta warstwa staje się zasłoną dla niesamowicie silnego promieniowania kuli ognitej, aczkolwiek sama będąc nagrzana do setek tysięcy stopni także promieniuje mocniej niż Słońce. Po pewnym czasie ta zasłona opada i wewnętrzna kula, już chłodniejsza wskutek rozszerzania, wypromieniowuje swoje ciepło. W efekcie promieniowanie działa w dwóch impulsach, z których pierwszy jest krótki (poniżej 10-100 milisekund, w zależności od mocy ładunku), zawiera tylko 1% energii wypromieniowywanej przez bombę i pochodzi o zjonizowanych gazów, a drugi jest dłuższy, gdyż związany jest ze świeceniem stygnącej kuli ognistej, co może trwać do kilku sekund. Emitowane wtedy promieniowanie należy już do pasma widzialnego i podczerwieni i to właśnie ono jest najczęściej przyczyną pożarów, oparzeń czy trwałej bądź chwilowej utraty wzroku. Ilustracją kuli ognistej może być zdjęcie wykonane podczas testu "Trinity" wykonane 16 ms po detonacji . Wyróżnić także można falę wzburzonego gruntu i (prawdopodobnie) formującą się falę Macha ponad nim. Oczywiście obraz na zdjęciu jest dużo ciemniejszy niż ten oglądany gołym okiem poprzez zastosowany b. krótki czas naświetlania. Należy zwrócić uwagę na to, że kula ognista jest dużo mniejsza niż Słońce i świeci dość krótko, ale jednocześnie znajduje się dużo bliżej niż nasza gwiazda, więc wiele zależy od tego, jak daleko od eksplozji będzie obiekt narażony na promieniowanie cieplne. W zależności od efektów obszar poddany jego działaniu również dzieli się na strefy. Przybliżony maksymalny promień, jaki może osiągnąć kula ognista, można obliczyć ze wzoru R=69*Y0,4, gdzie Y to moc głowicy wyrażona w kilotonach, a R to promień wyrażony w metrach. Obliczono, że z 1 kt ładunku można uzyskać 3,3.1011 cal, co odpowiada 400 tysiącom kilowatogodzin energii. Kaloria to jednostka energii, 1 cal = 4,1868 J.


Promieniowanie przenikliwe


   Promieniowanie przenikliwe stanowią cząstki alfa, beta, gamma oraz neutrony. Część z nich jest emitowana szybko już w momencie eksplozji, a część skutkiem procesów zachodzących już po właściwym wybuchu. Z tego powodu dzieli się je na początkowe (bezpośrednie) i resztkowe (opóźnione), a za granicę pomiędzy nimi przyjęto czas, w którym są emitowane, równy jednej minucie. Promieniowanie początkowe to w większości neutrony i promienie gamma lub pochodne od nich. Kwanty gamma powstające w procesach rozszczepienia (tzw. natychmiastowe) mają mały odsetek, gdyż w większości są one wychwytywane przez obudowę bomby, nim ta zdąży się rozpaść. Więcej promieni gamma emitowanych jest z nietrwałych wzbudzonych jąder powstałych z reakcji rozszczepienia i syntezy lub napromienionych wysokoenergetycznymi neutronami. Proces rozpadów trwa czas rzędu dziesiątek sekund, natomiast dużo krótsza jest emisja gamma wskutek wyhamowywania neutronów - trwa ok. 10 mikrosekund. Neutrony mogą też być wychwytywane np. przez azot i jego izotopy dodatkowo generują fotony gamma. Te zjawisko trwa ok. 100 milisekund. Natomiast neutrony powstają w większości (99%) jako natychmiastowe (emitowane w czasie 10-6 s) i tylko trochę z nich (1%) jest efektem emisji opóźnionej z nietrwałych produktów rozpadu promieniotwórczego w ciągu następnej minuty. Neutrony są przeważnie szybkie, tzn. mają duże energie, ale może się zdarzyć, że są wyhamowywane w atmosferze aż do energii termicznych. Promieniowanie resztkowe jest wynikiem napromieniowania materii przez promieniowanie początkowe. Przy eksplozjach na małych wysokościach duża część neutronów ulega wchłonięciu przez glebę wzbudzając jądra zawartej w niej materii. Powstają nietrwałe izotopy pierwiastków, ulegające w czasie rzędu minut lub najwyżej godzin następnym rozpadom. Powstają odpowiednie dla tych rozpadów cząstki, czyli alfa, beta i gamma. Takim samym rozpadom ulegają też pierwiastki zawarte w opadzie radioaktywnym bardziej trwale skażającym glebę.


Skażenie radioaktywne


   O ile promieniowanie resztkowe pojawia się bezpośrednio po eksplozji i zanika w ciągu kilku godzin, o tyle skażenie wywołane opadami pojawia się po jakimś czasie i utrzymuje się z reguły dość długi czas, często wyrażany w miesiącach czy latach. Przyczyną opóźnionego ujawniania się tego promieniowania jest to, że początkowo wszystkie radioaktywne produkty eksplozji unoszone są przez prądy powietrzne do atmosfery i dopiero później opadają na powierzchnię ziemi. W zależności od swojego ciężaru i budowy zostają wyrzucone na różne wysokości, a im wyżej się wzniosą, tym dłużej będą spadać. Ciężkie i stosunkowo duże grudki ziemi opadną szybciej niż para wodna, która z kolei utrzyma się w atmosferze krócej niż drobne pyły powstałe podczas eksplozji powietrznych. Jest to tzw. opad lokalny, na który dodatkowo duży wpływ mają czynniki pogodowe, jak formowanie się chmur i opad deszczu, który "spłukuje" z powietrza radioaktywne pyły, lub wiatr, który potrafi przenieść chmurę radioaktywnych pyłów na odległości setek kilometrów. W przypadkach, gdy pyły te znajdują się w stratosferze, mówi się nawet o opadzie globalnym, bowiem wiatry wiejące w tej części atmosfery roznoszą izotopy po całym świecie, aczkolwiek w b. małych dawkach.

Opad radioaktywny jest niebezpieczniejszy od napromieniowania pod względem czasu działania. W skład radioaktywnych pyłów wchodzi bowiem ponad 200 izotopów 35 pierwiastków powstałych z procesów rozszczepień w bombie jądrowej. Reakcje syntezy są pod tym względem bardziej "czyste", gdyż nie mają tylu radioaktywnych i ciężkich produktów, które opadałyby na ziemię. Ocenia się, że z 1 kilotony ładunku atomowego powstaje podczas eksplozji ok. 50 g różnych izotopów swą aktywnością dorównujących 100 tysiącom ton radu. Jakkolwiek produkty rozszczepień też mogą ulegać deaktywizacji jeszcze w fazie unoszenia się w powietrzu, ale część z nich ma czas połowicznego rozpadu wyrażany w latach. Najważniejsze z izotopów to jod-131 (131I, okres półrozpadu 8,07 dni, aktywność 124000 Ci/g), strond-90 (90Sr, okres półrozpadu 28,1 lat, aktywność 141 Ci/g), strond-89 (89Sr, okres półrozpadu 52 dni, aktywność 28200 Ci/g) i cez-137 (137Cs, okres półrozpadu 30 lat, aktywność 87 Ci/g). Do tego dodać jeszcze można węgiel 14C, który ma okres połowicznego rozpadu 5730 lat, ale za to występuje powszechnie w przyrodzie. Wprawdzie długi czas półrozpadu i duży rozrzut opadu oznacza b. małą aktywność, ale świat flory i fauny ma tendencje do gromadzenia niektórych pierwiastków, co może prowadzić do zebrania się całkiem pokaźnych dawek w różnych fragmentach roślin czy narządach zwierząt. Więcej o zależnościach biologicznych można znaleźć w dziale "Efekty". Okres połowicznego rozpadu jest czasem charakterystycznym dla każdego z izotopów, jednak nie oznacza on czasu deaktywacji tego izotopu. W rzeczywistości aktywność maleje wykładniczo, co oznacza, że nigdy nie osiąga zera, może najwyżej stać się mniejsza niż radioaktywność naturalna tła. Dlatego przyjmuje się często, że do zneutralizowania działania izotopu promieniotwórczego potrzeba czasu dziesięciokrotnie dłuższego niż okres półrozpadu, kiedy to ilość jąder nietrwałych spada ponad tysiąckrotnie. Wszystko zależy jednak od tego, czy i taka radioaktywność nie jest uznawana za niebezpieczną. Do oszacowania skażenia po eksplozji atomowej stosuje się natomiast wygodną "zasadę siedmiu" mówiącą, że po siedmiokrotnie dłuższym czasie po eksplozji radioaktywność terenu maleje dziesięciokrotnie, czyli po 7 godzinach jest 10 razy mniejsze niż po 1 godzinie, po dwóch dobach (ok. 49 godzinach) jest 100-krotnie słabsze niż w 1 godzinie, po ok. 2 tygodniach (14 dniach) jest 1000-krotnie mniejsze itd.


Promieniowanie cieplne


   Promieniowanie cieplne działając na materię nieożywioną lub ożywioną może spowodować zapalenie się jej lub inne zmiany strukturalne związane ze zwiększoną temperaturą. Natężenie światła podczas maksymalnie kilku sekund emisji podczas eksplozji może osiągnąć 1000 W/cm2 (dla porównania natężenie światła Słońca w zenicie to ok. 0,14 W/cm2). Podobne warunki powstają przy bezpośrednim kontakcie z palnikiem acetylenowym. Sucha trawa, ściółka leśna czy krzewy mogą się zapalić, dużo trudniej zapalają się rośliny wodne i drzewa, częściej uschłe liście opadłe na ziemię. Naświetlone zwierzęta i ludzie ulegają poparzeniom, których charakter zależy od mocy bomby i odległości od miejsca eksplozji. Większa bomba emituje światło dłużej niż mniejsza, przez co jego intensywność jest mniejsza i potrzeba większej ilości promieni (energii), by wywołać oparzenie. Fala uderzeniowa w połączeniu z promieniowaniem cieplnym daje dodatkowe zagrożenie uszkodzenia mechanicznego poparzonych tkanek, co może zredukować ich możliwości regeneracyjne i przede wszystkim odsłonić warstwy podskórne na działanie infekcji i skażeń promieniotwórczych. Ludność w Hiroszimie i Nagasaki posiadała wiele rodzajów uszkodzeń naraz spowodowanych różnymi czynnikami rażenia. Silny błysk towarzyszący eksplozji może też być przyczyną czasowej bądź trwałej utraty wzroku. Zdecydowanie najpospolitsza jest chwilowa ślepota spowodowana zużyciem całego barwnika siatkówki przez intensywne światło. Czas regeneracji trwa od kilku sekund do kilku minut. Dłuższe uszkodzenia to katarakty, bóle oczu i zapalenia rogówki, jakie zanotowano np. w Hiroszimie. Najbardziej poważnym uszkodzeniem jest poparzenie siatkówki, które występuje najczęściej przy skierowaniu wzroku w miejsce eksplozji. Uszkodzenia są poważniejsze, jeśli wybuch nastąpił w nocy lub w innych okolicznościach, gdy źrenica oka jest rozszerzona i przepuszcza dużą ilość światła.


Promieniowanie radioaktywne


Promieniowanie powstające wskutek rozpadów może mieć wieloraki wpływ na rośliny i zwierzęta. Do najbardziej znanych należą:
- poparzenia popromienne powodowane dostarczaniem energii do tkanek przez kwanty gamma lub cząstki beta i (jeśli materiał skażony dostał się do wnętrza organizmu) alfa,
- generacja tzw. wolnych rodników, toksycznych związków chemicznych powodujących rakotwórcze zmiany w komórce,
- niszczenie (zrywanie) łańcuchów DNA, które, choć odwracalne, może doprowadzić do mutacji komórek lub ich śmierci.


Działanie na organizmy żywe


   Organizmy żywe stanowią biosferę, czyli integralną część Ziemi w postaci, jaką znamy. Materia ożywiona rządzi się nieco innymi prawami niż nieożywiona, przynajmniej w skali procesów chemicznych i makroskopowej, dlatego samo określanie zależności między promieniowaniem i jego dawkami a stanem materii żywej nie wystarcza. Należy uwzględnić procesy dynamiczne takie jak mechanizmy obronne czy wymianę materii z otoczeniem, które mogą mieć dodatkowy dobry lub zły wpływ na skuteczność działania broni jądrowej. Czegokolwiek by jednak nie powiedzieć, efekty eksplozji jądrowych nigdy nie są pozytywne.


Choroba popromienna


   Podczas eksplozji atomowej emitowane są dawki dużo przekraczające w/wymienione normy. Efektem ich działania jest tzw. choroba popromienna, której objawy i przebieg zależą od dawki, jaką otrzymała napromieniowana osoba. Należy zaznaczyć, że dawki te mają takie działanie przy ekspozycji nagłej, kiedy moc dawki jest duża. Natomiast jeśli moc dawki nie zagraża zdrowiu natychmiast, wchłonięcie takiej samej ilości promieniowania może nie doprowadzić nawet do pojawienia się chorób przewlekłych, o chorobie popromiennej nie wspominając. Np. moc dawki 0,25 rem/dzień przez 5 lat daje ok. 450 rad i jest szkodliwa, ale na pewno nie tak, jak ta dawka wchłonięta w ciągu kilku minut (gdy śmiertelność wynosi ponad 50%).


Zima nuklearna


   Grupa naukowców o nazwiskach Turco, Toon, Ackerman, Pollack i Sagan (zwana w skrócie TTAPS) wysunęła kiedyś koncepcję, że duża liczba (ok. 1000) niemal jednoczesnych wybuchów bomb o mocy 1 Mt każda powinna wyrzucić w atmosferę takie ilości pyłów i dymów z pożarów, że zasłoniłyby one na dłuższy czas niebo nie dopuszczając światła słonecznego. Z szacunków wynika że przez to temperatura na Ziemi spadłaby o kilka stopni Celsjusza. To grozi światowym głodem, gdyż spadnie możliwy czas wegetacji roślin, a brak światła słonecznego osłabi ich fotosyntezę. Skażenie wywołane taką ilością detonacji jądrowych uczyni zresztą glebę niezdatną do upraw i pojawią się problemy z wodą (nie tylko pitną), ludność będzie dziesiątkowana przez epidemie. Uszkodzenie warstwy ozonowej spowoduje zwiększone narażenie na szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe. Wizja ta jest iście apokaliptyczna, tym straszniejsza, że w 1995 roku światowe mocarstwa dysponowały łącznym arsenałem nuklearnym zdolnym wywołać 100 takich "zim jądrowych". Tak więc groźba wojny nuklearnej jest groźbą zniszczenia życia na całej Ziemi.