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为什么核弹爆炸会形成蘑菇云

2021-08-02 23:09

为什么核弹爆炸会形成蘑菇云?是什么原因形成了这种标志性的形状?核弹爆炸时,能量不加选择地向四面八方释放,那么为什么爆炸时产生的不是不断膨胀的火球而是蘑菇云呢?

美国加利福尼亚州伦斯利・弗莫尔国家实验室的计算工程研究员凯蒂・伦德奎斯特称,尽管能量爆发最初确实形成了一个“热空气球”,但这仅是开始,由于热空气会逐渐上升,中间的圆柱形球体会比边缘区域承受更多的浮力

球体形状就是这样形成的,当最大的低密度流体位于中间位置,就会上升得很快,就像烤箱里纸杯蛋糕中的蛋糕逐渐受热膨胀一样。虽然整个球状流体都在上升,但由于中间的圆柱体上升较为紧迫,球体之外的冷空气开始冲向上升气泡的下方。

▲ 该图像显示核弹爆炸后流体的流动方向

这导致上升的气泡扭曲成一个圆环,或者甜甜圈形状,由于热空气分子在能量充沛的情况下快速移动,将高速彼此碰撞,最终它们之间创造了一个非常大的空间,以至于形成一个近乎真空的环境。喷射的物质被吸入真空中,然后向上推,这样就形成了顶部的蘑菇云和底部环面内的平坦区域,该喷射流吸走了灰尘和碎片,形成了蘑菇云的茎部,同时灰尘和碎片也进入了蘑菇帽。

战争时期投下的核弹和相关科学实验表明,蘑菇云能在地面上形成,但如果核弹在太空中引爆,是否也能形成蘑菇云呢?

答案是,不会产生蘑菇云。

核弹形成的蘑菇云需要大气层,这样才能具有流体物质,例如:空气,在太空真空环境下空气极少,基本上是不会形成的,月球上没有空气的环境无法将最初的球体扭曲成一个环面,也不会有空气密度差异来吸收物质柱来形成蘑菇云。

就像蘑菇有不同种类一样,蘑菇云也有不同的外形和结构,依据核弹爆炸威力和高度不同,产生的蘑菇云具有不同的特征。第二次世界大战结束时发生在日本广岛和长崎的爆炸有两个主要部分,一部分是由爆炸本身的汽化产物和周围空气中的冷凝水组成的滚滚白云;另一部分是由棕色物质和碎片组成的茎干部分,从地面向上延伸。人们可通过观看蘑菇云照片,可看到这两个部分并未完全接触。

▲ 1945 年 8 月 8 日,美军在日本长崎投下原子弹

核弹爆炸时会产生一片非常明显的白云,白云下面是一片棕色云层,因为核弹是在距离地面 610 米处引爆的,所以云层顶部和核弹蘑菇云没有相互影响。

尽管核弹爆炸会造成毁灭性破坏,但与人类后期制造的武器相比,它们的威力并不强,美国能源部称,核弹爆炸威力大约相当于 2 万吨 TNT 炸药,甚至更少。相比之下,前苏联制造的 AN-602 氢弹(Tsar Bomba)的 TNT 当量为 5 万吨。

在试验过的威力更大和距离地面更近的核弹爆炸中,爆炸产生云层的茎部和帽部融合形成典型的蘑菇状结构。

实验室人员研究了这些影响,以便在发生核危机时,能够知道放射性粒子位置,从而正确预测放射性沉降物,为应急处置提供指导性建议,保护公众健康。

依据《原子科学家公报》报道,尽管核末日的威胁是真实存在的,但世界上核武库总共拥有大约 1 万枚核弹,比上世纪 80 年代的 6 万多枚核弹有所下降。