為什麼核彈爆炸會形成蘑菇雲?

2021年07月29日10:08
馬紹爾群島貝克灣核彈爆炸,該圖像是由附近島嶼一台自動攝像機記錄下來的,注意核彈爆炸後立即形成的蘑菇雲
馬紹爾群島貝克灣核彈爆炸,該圖像是由附近島嶼一台自動攝像機記錄下來的,注意核彈爆炸後立即形成的蘑菇雲

  7月29日消息,為什麼核彈爆炸會形成蘑菇雲?是什麼原因形成了這種標誌性的形狀?核彈爆炸時,能量不加選擇地向四面八方釋放,那麼為什麼爆炸時產生的不是不斷膨脹的火球而是蘑菇雲呢?

  美國加利福尼亞州倫斯利·弗莫爾國家實驗室的計算工程研究員凱蒂·倫德奎斯特稱,儘管能量爆發最初確實形成了一個“熱空氣球”,但這僅是開始,由於熱空氣會逐漸上升,中間的圓柱形球體會比邊緣區域承受更多的浮力。

  球體形狀就是這樣形成的,當最大的低密度流體位於中間位置,就會上升得很快,就像烤箱里紙杯蛋糕中的蛋糕逐漸受熱膨脹一樣。雖然整個球狀流體都在上升,但由於中間的圓柱體上升較為緊迫,球體之外的冷空氣開始衝向上升氣泡的下方。

該圖像顯示核彈爆炸後流體的流動方向
該圖像顯示核彈爆炸後流體的流動方向

  這導致上升的氣泡扭曲成一個圓環,或者甜甜圈形狀,由於熱空氣分子在能量充沛的情況下快速移動,將高速彼此碰撞,最終它們之間創造了一個非常大的空間,以至於形成一個近乎真空的環境。噴射的物質被吸入真空中,然後向上推,這樣就形成了頂部的蘑菇雲和底部環面內的平坦區域,該噴射流吸走了灰塵和碎片,形成了蘑菇雲的莖部,同時灰塵和碎片也進入了蘑菇帽。

  戰爭時期投下的核彈和相關科學實驗表明,蘑菇雲能在地面上形成,但如果核彈在太空中引爆,是否也能形成蘑菇雲呢?

  答案是,不會產生蘑菇雲。

  核彈形成的蘑菇雲需要大氣層,這樣才能具有流體物質,例如:空氣,在太空真空環境下空氣極少,基本上是不會形成的,月球上沒有空氣的環境無法將最初的球體扭曲成一個環面,也不會有空氣密度差異來吸收物質柱來形成蘑菇雲。

  就像蘑菇有不同種類一樣,蘑菇雲也有不同的外形和結構,依據核彈爆炸威力和高度不同,產生的蘑菇雲具有不同的特徵。第二次世界大戰結束時發生在日本廣島和長崎的爆炸有兩個主要部分,一部分是由爆炸本身的汽化產物和周圍空氣中的冷凝水組成的滾滾白雲;另一部分是由棕色物質和碎片組成的莖幹部分,從地面向上延伸。人們可通過觀看蘑菇雲照片,可看到這兩個部分並未完全接觸。

1945年8月8日,美軍在日本長崎投下原子彈
1945年8月8日,美軍在日本長崎投下原子彈

  核彈爆炸時會產生一片非常明顯的白雲,白雲下面是一片棕色雲層,因為核彈是在距離地面610米處引爆的,所以雲層頂部和核彈蘑菇雲沒有相互影響。

  儘管核彈爆炸會造成毀滅性破壞,但與人類後期製造的武器相比,它們的威力並不強,美國能源部稱,核彈爆炸威力大約相當於2萬噸TNT炸藥,甚至更少。相比之下,前蘇聯製造的AN-602氫彈(Tsar Bomba)的TNT當量為5萬噸。

  在試驗過的威力更大和距離地面更近的核彈爆炸中,爆炸產生雲層的莖部和帽部融合形成典型的蘑菇狀結構。

  實驗室人員研究了這些影響,以便在發生核危機時,能夠知道放射性粒子位置,從而正確預測放射性沉降物,為應急處置提供指導性建議,保護公眾健康。

  依據《原子科學家公報》報導,儘管核末日的威脅是真實存在的,但世界上核武庫總共擁有大約1萬枚核彈,比上世紀80年代的6萬多枚核彈有所下降。(葉傾城)

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