Efectos de las explosiones nucleares

La prueba de 14 kilómetros le disparó a Charlie de la Operación Buster-Jangle en Nevada Proving Grounds el 30 de octubre de 1951. El color rojo/orange visto aquí en la tapa de la nube de hongos se debe en gran medida al intenso calor del bólido en combinación con el oxígeno y el nitrógeno naturalmente encontrado en el aire. El oxígeno y el nitrógeno, aunque generalmente no se reactivan entre sí, forman especies NOx cuando se calientan al exceso, específicamente dióxido de nitrógeno, que es en gran parte responsable del color. Hubo preocupación en los decenios de 1970 y 1980, más tarde demostrada infundada, por lo que respecta a la bola de fuego NOx y la pérdida de ozono.

Los efectos de una explosión nuclear en sus inmediaciones suelen ser mucho más destructivos y multifacéticos que los causados por los explosivos convencionales. En la mayoría de los casos, la energía liberada por un arma nuclear detonada en la atmósfera inferior se puede dividir aproximadamente en cuatro categorías básicas:

• la explosión misma: 50% de la energía total
• radiación térmica: 30–50% de energía total
• Radiación ionizante: 5% de la energía total (más en una bomba de neutrones)
• radiación residual: 5–10% de energía total con la masa de la explosión.

Según el diseño del arma y la ubicación en la que se detona, la energía distribuida a cualquiera de estas categorías puede ser significativamente mayor o menor. El efecto de explosión física es creado por el acoplamiento de inmensas cantidades de energía, que abarcan el espectro electromagnético, con el entorno. El entorno de la explosión (p. ej., submarino, estallido en tierra, estallido en el aire o exoatmosférico) determina cuánta energía se distribuye a la explosión y cuánta a la radiación. En general, rodear una bomba con medios más densos, como el agua, absorbe más energía y crea ondas de choque más potentes, al mismo tiempo que limita el área de su efecto. Cuando un arma nuclear está rodeada solo por aire, la explosión letal y los efectos térmicos escalan proporcionalmente mucho más rápido que los efectos de la radiación letal a medida que aumenta el rendimiento explosivo. Esta burbuja es más rápida que la velocidad del sonido. Los mecanismos de daño físico de un arma nuclear (explosión y radiación térmica) son idénticos a los de los explosivos convencionales, pero la energía producida por una explosión nuclear suele ser millones de veces más poderosa por unidad de masa y las temperaturas pueden alcanzar brevemente las decenas de millones de grados

La energía de una explosión nuclear se libera inicialmente en varias formas de radiación penetrante. Cuando hay material circundante, como aire, roca o agua, esta radiación interactúa y calienta rápidamente el material a una temperatura de equilibrio (es decir, de modo que la materia está a la misma temperatura que el combustible que impulsa la explosión). Esto provoca la vaporización del material circundante, lo que resulta en su rápida expansión. La energía cinética creada por esta expansión contribuye a la formación de una onda de choque que se expande esféricamente desde el centro. La intensa radiación térmica en el hipocentro forma una bola de fuego nuclear que, si la explosión es lo suficientemente baja en altitud, a menudo se asocia con una nube en forma de hongo. En un estallido a gran altitud, donde la densidad de la atmósfera es baja, se libera más energía como radiación gamma ionizante y rayos X que como una onda de choque que desplaza la atmósfera.

Efectos directos

Daño de explosión

La sobrepresión varía de 1 a 50 psi (6.9 a 345 kilopascales) de un 1 kilotón de la explosión de aire TNT como una función de altura de la explosión. La curva negra delgada indica la altura óptima de la explosión para una determinada gama de suelos. Los planificadores militares prefieren maximizar el rango en el que 10 psi, o más, se extienden al atacar objetivos civiles, por lo que se preferiría una altura de 220 m para una explosión de 1 kilotón. Para encontrar la altura óptima de la explosión para cualquier rendimiento de arma, la raíz del cubo del rendimiento en kilotones se multiplica por el H.O.B ideal para una explosión de 1 kt, por ejemplo, la altura óptima de la explosión para un arma de 500 kt es ~ 1745 m.

Una estimación del tamaño del daño causado por los bombardeos atómicos de 16 kt y 21 kt de Hiroshima y Nagasaki.

Las altas temperaturas y la radiación hacen que el gas se mueva hacia afuera radialmente en una capa delgada y densa llamada "frente hidrodinámico". El frente actúa como un pistón que empuja y comprime el medio circundante para crear una onda de choque que se expande esféricamente. Al principio, esta onda de choque se encuentra dentro de la superficie de la bola de fuego en desarrollo, que se crea en un volumen de aire calentado por la explosión 'suave'. Rayos X. En una fracción de segundo, el denso frente de choque oscurece la bola de fuego y continúa moviéndose a su lado, ahora expandiéndose hacia afuera, libre de la bola de fuego, causando una reducción de la luz que emana de una detonación nuclear. Finalmente, la onda de choque se disipa hasta el punto en que la luz vuelve a ser visible dando lugar al característico destello doble debido a la interacción entre la onda de choque y la bola de fuego. Es esta característica única de las explosiones nucleares la que se aprovecha al verificar que se ha producido una explosión nuclear atmosférica y no simplemente una gran explosión convencional, con instrumentos radiómetros conocidos como Bhangmeters capaces de determinar la naturaleza de las explosiones.

Para las explosiones de aire al nivel del mar o cerca de él, entre el 50 y el 60 % de la energía de la explosión va a parar a la onda expansiva, según el tamaño y el rendimiento de la bomba. Como regla general, la fracción de explosión es mayor para las armas de bajo rendimiento. Además, disminuye a gran altura porque hay menos masa de aire para absorber la energía de la radiación y convertirla en una explosión. Este efecto es más importante para altitudes superiores a 30 km, lo que corresponde a menos del 1 por ciento de la densidad del aire a nivel del mar.

Se descubrió que los efectos de una tormenta de lluvia moderada durante una explosión nuclear de la Operación Castle amortiguan o reducen los niveles máximos de presión en aproximadamente un 15 % en todos los rangos.

Gran parte de la destrucción causada por una explosión nuclear se debe a los efectos de la explosión. La mayoría de los edificios, excepto las estructuras reforzadas o resistentes a explosiones, sufrirán daños moderados cuando se sometan a sobrepresiones de solo 35,5 kilopascales (kPa) (5,15 libras fuerza por pulgada cuadrada o 0,35 atm). Los datos obtenidos de las encuestas japonesas encontraron que 8 psi (55 kPa) fueron suficientes para destruir todas las estructuras residenciales de madera y ladrillo. Esto puede definirse razonablemente como la presión capaz de producir daños severos.

La ráfaga de viento al nivel del mar puede superar los mil km/h, o ~300 m/s, acercándose a la velocidad del sonido en el aire. El alcance de los efectos de explosión aumenta con el rendimiento explosivo del arma y también depende de la altitud de explosión. Al contrario de lo que cabría esperar de la geometría, el alcance de la explosión no es máximo para las explosiones de superficie o de baja altitud, sino que aumenta con la altitud hasta una "altitud de explosión óptima" y luego disminuye rápidamente para altitudes más altas. Esto se debe al comportamiento no lineal de las ondas de choque. Cuando la onda expansiva de una ráfaga de aire llega al suelo, se refleja. Por debajo de cierto ángulo de reflexión, la onda reflejada y la onda directa se fusionan y forman una onda horizontal reforzada, esto se conoce como el 'tallo de Mach' (llamado así por Ernst Mach) y es una forma de interferencia constructiva. Este fenómeno es responsable de los golpes o 'rodillas' en el gráfico de rango de sobrepresión anterior.

Para cada objetivo de sobrepresión, hay una determinada altura de explosión óptima a la que se maximiza el alcance de la explosión sobre los objetivos terrestres. En una ráfaga de aire típica, donde el rango de explosión se maximiza para producir el mayor rango de daño severo, es decir, el mayor rango sobre el que se extienden ~10 psi (69 kPa) de presión, es un rango GR/tierra de 0,4 km durante 1 kilotonelada (kt) de rendimiento de TNT; 1,9 km para 100 nudos; y 8,6 km para 10 megatones (Mt) de TNT. La altura óptima del estallido para maximizar esta destrucción severa deseada del alcance del suelo para una bomba de 1 kt es de 0,22 km; para 100 nudos, 1 km; y para 10 Mt, 4,7 km.

Dos fenómenos distintos y simultáneos están asociados con la onda expansiva en el aire:

• Presión estaticaEs decir, el fuerte aumento de presión ejercido por la onda de choque. La sobrepresión en cualquier punto dado es directamente proporcional a la densidad del aire en la onda.
• Presiones dinámicas, es decir, arrastre ejercido por los vientos de explosión requeridos para formar la onda de explosión. Estos vientos empujan, agitan y desgarran objetos.

La mayor parte del daño material causado por una explosión de aire nuclear es causado por una combinación de altas sobrepresiones estáticas y vientos fuertes. La larga compresión de la onda expansiva debilita las estructuras, que luego son desgarradas por los vientos fuertes. Las fases de compresión, vacío y arrastre juntas pueden durar varios segundos o más y ejercer fuerzas muchas veces mayores que el huracán más fuerte.

Al actuar sobre el cuerpo humano, las ondas de choque provocan ondas de presión a través de los tejidos. Estas ondas dañan principalmente las uniones entre tejidos de diferentes densidades (hueso y músculo) o la interfaz entre el tejido y el aire. Los pulmones y la cavidad abdominal, que contienen aire, se lesionan particularmente. El daño provoca hemorragias graves o embolias gaseosas, cualquiera de las cuales puede ser rápidamente mortal. Se estima que la sobrepresión que daña los pulmones es de unos 70 kPa. Algunos tímpanos probablemente se romperían alrededor de 22 kPa (0,2 atm) y la mitad se rompería entre 90 y 130 kPa (0,9 a 1,2 atm).

Blast winds: Las energías de arrastre de las ráfagas de viento son proporcionales al cubo de sus velocidades multiplicado por las duraciones. Estos vientos pueden alcanzar varios cientos de kilómetros por hora.

Radiación térmica

Las armas nucleares emiten grandes cantidades de radiación térmica en forma de luz visible, infrarroja y ultravioleta, a la que la atmósfera es en gran parte transparente. Esto se conoce como "Flash". Los principales peligros son las quemaduras y las lesiones oculares. En días despejados, estas lesiones pueden ocurrir mucho más allá de los rangos de explosión, según el rendimiento del arma. Los incendios también pueden ser iniciados por la radiación térmica inicial, pero los fuertes vientos posteriores debidos a la onda expansiva pueden apagar casi todos esos incendios, a menos que el rendimiento sea muy alto, donde el rango de los efectos térmicos supera ampliamente los efectos de la onda expansiva, como se observa desde explosiones en el rango de varios megatones. Esto se debe a que la intensidad de los efectos de la explosión disminuye con la tercera potencia de la distancia desde la explosión, mientras que la intensidad de los efectos de la radiación disminuye con la segunda potencia de la distancia. Esto da como resultado que el rango de efectos térmicos aumente notablemente más que el rango de explosión a medida que se detonan rendimientos de dispositivos cada vez más altos.

La radiación térmica representa entre el 35 y el 45 % de la energía liberada en la explosión, según el rendimiento del dispositivo. En áreas urbanas, la extinción de incendios provocados por radiación térmica puede importar poco, ya que en un ataque por sorpresa también pueden iniciarse incendios por cortocircuitos eléctricos inducidos por efecto de explosión, pilotos de gas, estufas volcadas y otras fuentes de ignición, como fue el caso del bombardeo de Hiroshima a la hora del desayuno. No está claro si estos incendios secundarios se extinguirán a su vez cuando los edificios modernos de ladrillo y hormigón no combustible se derrumben sobre sí mismos debido a la misma onda expansiva, sobre todo debido al efecto de enmascaramiento de los paisajes urbanos modernos sobre la temperatura y la onda expansiva. la transmisión se examinan continuamente. Cuando los edificios de estructura combustible fueron derribados en Hiroshima y Nagasaki, no se quemaron tan rápido como lo habrían hecho si hubieran permanecido en pie. Los escombros no combustibles producidos por la explosión frecuentemente cubrieron e impidieron la quema de material combustible. Los expertos en incendios sugieren que, a diferencia de Hiroshima, debido a la naturaleza del diseño y la construcción de las ciudades modernas de EE. UU., es poco probable que se produzca una tormenta de fuego en los tiempos modernos después de una detonación nuclear. Esto no excluye que se inicien incendios, pero significa que estos incendios no se convertirán en una tormenta de fuego, debido en gran parte a las diferencias entre los materiales de construcción modernos y los utilizados en la época de la Segunda Guerra Mundial en Hiroshima.

Hay dos tipos de lesiones oculares por la radiación térmica de un arma:

La ceguera por destello es causada por el destello de luz brillante inicial producido por la detonación nuclear. En la retina se recibe más energía luminosa de la que se puede tolerar, pero menos de la necesaria para una lesión irreversible. La retina es particularmente susceptible a la luz infrarroja de longitud de onda corta y visible ya que esta parte del espectro electromagnético es enfocada por el cristalino en la retina. El resultado es la decoloración de los pigmentos visuales y la ceguera temporal de hasta 40 minutos.

Quema visible en una mujer en Hiroshima durante la explosión. Los colores más oscuros de su kimono en el momento de la detonación corresponden a quemaduras claramente visibles en la piel que tocó partes de la prenda expuestas a la radiación térmica. Dado que el kimono no se adapta a la forma, algunas partes que no tocan directamente su piel son visibles como rupturas en el patrón, y las áreas más ajustadas que se aproximan a la cintura tienen un patrón mucho más bien definido.

Una quemadura en la retina que resulta en daño permanente por cicatrización también es causada por la concentración de energía térmica directa en la retina por parte del cristalino. Ocurrirá solo cuando la bola de fuego esté realmente en el campo de visión del individuo y sería una lesión relativamente poco común. Las quemaduras en la retina pueden sufrirse a distancias considerables de la explosión. La altura del estallido y el tamaño aparente de la bola de fuego, en función del rendimiento y el alcance, determinarán el grado y la extensión de la cicatrización de la retina. Una cicatriz en el campo visual central sería más debilitante. En general, lo único probable es que ocurra un defecto limitado del campo visual, que será apenas perceptible.

Cuando la radiación térmica incide sobre un objeto, una parte se refleja, otra parte se transmite y el resto se absorbe. La fracción que se absorbe depende de la naturaleza y el color del material. Un material delgado puede transmitir mucho. Un objeto de color claro puede reflejar gran parte de la radiación incidente y, por lo tanto, escapar al daño, como la pintura blanca antidestello. La radiación térmica absorbida eleva la temperatura de la superficie y da como resultado que la madera, el papel, las telas, etc. se chamusquen, se carbonicen y se quemen. Si el material es un mal conductor térmico, el calor se limita a la superficie del material.

La ignición real de los materiales depende de la duración del pulso térmico y del espesor y el contenido de humedad del objetivo. Cerca de la zona cero, donde el flujo de energía supera los 125 J/cm², lo que puede arder, arderá. Más lejos, solo se inflamarán los materiales que se incendien con mayor facilidad. Los efectos incendiarios se ven agravados por los incendios secundarios iniciados por los efectos de las ondas expansivas, como los de estufas y hornos volcados.

En Hiroshima, el 6 de agosto de 1945, se desarrolló una tremenda tormenta de fuego dentro de los 20 minutos posteriores a la detonación y destruyó muchos más edificios y casas, construidos predominantemente con materiales 'endebles' materiales de madera Una tormenta de fuego tiene vientos huracanados que soplan hacia el centro del fuego desde todos los puntos de la brújula. No es peculiar de las explosiones nucleares, ya que se observó con frecuencia en grandes incendios forestales y después de incursiones incendiarias durante la Segunda Guerra Mundial. A pesar de que los incendios destruyeron una gran área de la ciudad de Nagasaki, no se produjo una verdadera tormenta de fuego en la ciudad, a pesar de que se utilizó un arma de mayor rendimiento. Muchos factores explican esta aparente contradicción, incluido un momento de bombardeo diferente al de Hiroshima, el terreno y, lo que es más importante, una carga de combustible/densidad de combustible más baja en la ciudad que en Hiroshima.

Nagasaki probablemente no proporcionó suficiente combustible para el desarrollo de una tormenta de fuego en comparación con los muchos edificios en el terreno plano de Hiroshima.

A medida que la radiación térmica viaja, más o menos, en línea recta desde la bola de fuego (a menos que se disperse), cualquier objeto opaco producirá una sombra protectora que brindará protección contra la quemadura del destello. Dependiendo de las propiedades del material de la superficie subyacente, el área expuesta fuera de la sombra protectora se quemará a un color más oscuro, como madera carbonizada, o a un color más brillante, como el asfalto. Si un fenómeno meteorológico como la niebla o la neblina está presente en el punto de la explosión nuclear, dispersa el destello, con energía radiante que luego llega a las sustancias sensibles a la quema desde todas las direcciones. En estas condiciones, los objetos opacos son, por lo tanto, menos efectivos de lo que serían sin dispersión, ya que demuestran un efecto de sombra máximo en un entorno de visibilidad perfecta y, por lo tanto, sin dispersión. Similar a un día con niebla o nublado, aunque hay pocas o ninguna sombra producida por el sol en ese día, la energía solar que llega al suelo de los rayos infrarrojos del sol, sin embargo, se ve considerablemente disminuida, debido a que es absorbido por el agua de las nubes y la energía también se dispersa de nuevo en el espacio. Análogamente, también se atenúa la intensidad en un rango de energía de destello ardiente, en unidades de J/cm², junto con el rango inclinado/horizontal de una explosión nuclear, durante condiciones de niebla o neblina. Entonces, a pesar de que cualquier objeto que proyecte una sombra se vuelve ineficaz como escudo contra el destello debido a la niebla o la neblina, debido a la dispersión, la niebla cumple el mismo papel protector, pero generalmente solo en los rangos en los que sobrevivir al aire libre es solo una cuestión de estar protegido de la energía del flash de la explosión.

El pulso térmico también es responsable de calentar el nitrógeno atmosférico cerca de la bomba y causar la creación de componentes de smog atmosférico de NOx. Este, como parte de la nube en forma de hongo, se lanza a la estratosfera donde es responsable de disociar el ozono allí, exactamente de la misma manera que lo hacen los compuestos de combustión NOx. La cantidad creada depende del rendimiento de la explosión y del entorno de la explosión. Los estudios realizados sobre el efecto total de las explosiones nucleares en la capa de ozono han sido, al menos tentativamente, exoneradores después de los resultados iniciales desalentadores.

Efectos indirectos

Pulso electromagnético

Los rayos gamma de una explosión nuclear producen electrones de alta energía a través de la dispersión Compton. Para explosiones nucleares a gran altura, estos electrones son capturados en el campo magnético de la Tierra a altitudes entre veinte y cuarenta kilómetros donde interactúan con el campo magnético de la Tierra para producir un pulso electromagnético nuclear coherente (NEMP) que dura alrededor de un milisegundo. Los efectos secundarios pueden durar más de un segundo.

El pulso es lo suficientemente potente como para hacer que objetos metálicos moderadamente largos (como cables) actúen como antenas y generen altos voltajes debido a las interacciones con el pulso electromagnético. Estos voltajes pueden destruir la electrónica sin blindaje. No se conocen efectos biológicos de EMP. El aire ionizado también interrumpe el tráfico de radio que normalmente rebotaría en la ionosfera.

Los componentes electrónicos se pueden proteger envolviéndolos completamente en material conductor, como papel de aluminio; la efectividad del blindaje puede ser menos que perfecta. El blindaje adecuado es un tema complejo debido a la gran cantidad de variables involucradas. Los semiconductores, especialmente los circuitos integrados, son extremadamente susceptibles a los efectos de EMP debido a la proximidad de las uniones PN, pero este no es el caso de los tubos (o válvulas) termoiónicos que son relativamente inmunes a EMP. Una jaula de Faraday no ofrece protección contra los efectos de EMP a menos que la malla esté diseñada para tener agujeros no más grandes que la longitud de onda más pequeña emitida por una explosión nuclear.

Las armas nucleares grandes que se detonan a gran altura también provocan corrientes inducidas geomagnéticamente en conductores eléctricos muy largos. El mecanismo por el cual se generan estas corrientes inducidas geomagnéticamente es completamente diferente del pulso inducido por rayos gamma producido por los electrones Compton.

Apagón de radar

El calor de la explosión hace que el aire cercano se ionice, creando la bola de fuego. Los electrones libres en la bola de fuego afectan las ondas de radio, especialmente en las frecuencias más bajas. Esto hace que una gran área del cielo se vuelva opaca al radar, especialmente aquellos que operan en las frecuencias VHF y UHF, lo cual es común para los radares de alerta temprana de largo alcance. El efecto es menor para frecuencias más altas en la región de microondas, además de durar menos tiempo: el efecto disminuye tanto en fuerza como en las frecuencias afectadas a medida que la bola de fuego se enfría y los electrones comienzan a volver a formarse en núcleos libres.

Un segundo efecto de apagón es causado por la emisión de partículas beta de los productos de fisión. Estos pueden viajar largas distancias, siguiendo las líneas del campo magnético terrestre. Cuando alcanzan la atmósfera superior, provocan una ionización similar a la bola de fuego, pero en un área más amplia. Los cálculos demuestran que un megatón de fisión, típico de una bomba H de dos megatones, creará suficiente radiación beta para oscurecer un área de 400 kilómetros (250 mi) de ancho durante cinco minutos. La selección cuidadosa de las altitudes y ubicaciones de las ráfagas puede producir un efecto de supresión del radar extremadamente efectivo.

Los efectos físicos que dan lugar a apagones son los que también provocan EMP, que a su vez puede provocar apagones. Por lo demás, los dos efectos no están relacionados y la denominación similar puede resultar confusa.

Radiación ionizante

Alrededor del 5 % de la energía liberada en una explosión de aire nuclear se encuentra en forma de radiación ionizante: neutrones, rayos gamma, partículas alfa y electrones que se mueven a velocidades de hasta la velocidad de la luz. Los rayos gamma son radiación electromagnética de alta energía; los otros son partículas que se mueven más lento que la luz. Los neutrones resultan casi exclusivamente de las reacciones de fisión y fusión, mientras que la radiación gamma inicial incluye la que surge de estas reacciones, así como la que resulta de la descomposición de los productos de fisión de vida corta.

La intensidad de la radiación nuclear inicial disminuye rápidamente con la distancia desde el punto de explosión porque la radiación se propaga sobre un área más grande a medida que se aleja de la explosión (la ley del inverso del cuadrado). También se reduce por absorción y dispersión atmosférica.

El carácter de la radiación recibida en un lugar determinado también varía con la distancia desde la explosión. Cerca del punto de explosión, la intensidad de los neutrones es mayor que la intensidad gamma, pero a medida que aumenta la distancia, la relación neutrón-gamma disminuye. En última instancia, el componente de neutrones de la radiación inicial se vuelve insignificante en comparación con el componente gamma. El rango de niveles significativos de radiación inicial no aumenta notablemente con el rendimiento del arma y, como resultado, la radiación inicial se vuelve menos peligrosa a medida que aumenta el rendimiento. Con armas más grandes, por encima de 50 kt (200 TJ), los efectos térmicos y de explosión tienen una importancia mucho mayor que los efectos de radiación inmediata pueden ignorarse.

La radiación de neutrones sirve para transmutar la materia circundante, a menudo haciéndola radiactiva. Cuando se agrega al polvo de material radiactivo liberado por la propia bomba, se libera una gran cantidad de material radiactivo al medio ambiente. Esta forma de contaminación radiactiva se conoce como precipitación nuclear y representa el principal riesgo de exposición a la radiación ionizante para un arma nuclear de gran tamaño.

Los detalles del diseño de las armas nucleares también afectan la emisión de neutrones: la bomba de Hiroshima con montaje tipo pistola filtró muchos más neutrones que la bomba de Nagasaki de 21 kt tipo implosión porque los núcleos de hidrógeno ligero (protones) predominan en las moléculas de TNT explotadas (que rodean el núcleo de la bomba de Nagasaki) ralentizó los neutrones de manera muy eficiente, mientras que los átomos de hierro más pesados en la punta de acero forjada de la bomba de Hiroshima dispersaron los neutrones sin absorber mucha energía de neutrones.

En los primeros experimentos se descubrió que normalmente la mayoría de los neutrones liberados en la reacción en cadena en cascada de la bomba de fisión son absorbidos por la carcasa de la bomba. La construcción de una caja de bomba con materiales que transmitieran los neutrones en lugar de absorberlos podría hacer que la bomba fuera más intensamente letal para los humanos debido a la rápida radiación de neutrones. Esta es una de las características utilizadas en el desarrollo de la bomba de neutrones.

Terremoto

Las ondas de presión sísmica creadas a partir de una explosión pueden liberar tensión dentro de las placas cercanas o causar un evento sísmico, una explosión subterránea concentra esta onda de presión y un evento sísmico localizado es más probable, estas ondas, la primera y más rápida, equivalente a un terremoto normal, la onda P puede informar la ubicación de la prueba, la onda S y la onda de Rayleigh siguen, todas estas pueden medirse en la mayoría de las circunstancias por una estación sísmica en todo el mundo y las comparaciones con terremotos reales pueden usarse para ayudar a determinar el rendimiento estimado a través del análisis diferencial, mediante el modelado de las amplitudes de ondas P telesísmicas de alta frecuencia (>4 Hz). Sin embargo, la teoría no sugiere que una explosión nuclear de los rendimientos actuales pueda desencadenar la ruptura de fallas y causar un gran terremoto a distancias más allá de unas pocas decenas de kilómetros desde el punto de disparo.

Resumen de los efectos

La siguiente tabla resume los efectos más importantes de las explosiones nucleares individuales en condiciones climáticas ideales con cielos despejados. Tablas como estas se calculan a partir de leyes de escala de efectos de armas nucleares. El modelado por computadora avanzado de las condiciones del mundo real y cómo impactan en el daño a las áreas urbanas modernas ha encontrado que la mayoría de las leyes de escala son demasiado simplistas y tienden a sobrestimar los efectos de las explosiones nucleares. Como solo se encuentran comúnmente leyes de escala simplistas y no clasificadas, que no toman en cuenta cosas importantes como la variación de la topografía del terreno para facilitar el tiempo de cálculo y la longitud de la ecuación. Las leyes de escala que se usaron para producir la siguiente tabla asumen, entre otras cosas, un área objetivo perfectamente nivelada, sin efectos atenuantes del enmascaramiento del terreno urbano, p. sombreado de rascacielos y sin efectos de mejora de reflejos y túneles por calles de la ciudad. Como punto de comparación en el cuadro a continuación, las armas nucleares más probables que se usarán contra objetivos urbanos de contravalor en una guerra nuclear global están en el rango de submegatones. Las armas de rendimientos de 100 a 475 kilotones se han convertido en las más numerosas de los arsenales nucleares de Estados Unidos y Rusia; por ejemplo, las ojivas que equipan el misil balístico lanzado desde un submarino ruso Bulava (SLBM) tienen un rendimiento de 150 kilotones. Los ejemplos de EE. UU. Son las ojivas W76 y W88, y la W76 de menor rendimiento es más del doble que la W88 en el arsenal nuclear de EE. UU.

¹ Para los efectos de radiación directa, aquí se muestra el rango oblicuo en lugar del rango terrestre porque algunos efectos no se dan ni siquiera en la zona cero para algunas alturas de explosión. Si el efecto ocurre en la zona cero, el rango de tierra se puede derivar del rango inclinado y la altitud de explosión (teorema de Pitágoras).

² "Síndrome de radiación aguda" corresponde aquí a una dosis total de un gris, "letal" a diez grises. Esta es solo una estimación aproximada ya que aquí se descuidan las condiciones biológicas.

Para complicar aún más las cosas, en escenarios de guerra nuclear global, con condiciones similares a las de la Guerra Fría, es probable que las principales ciudades estratégicamente importantes, como Moscú y Washington, sean golpeadas no una, sino varias veces por submegatones múltiples atacables de forma independiente vehículos de reingreso, en una bomba de racimo o "cortador de galletas" configuración. Se ha informado que durante el apogeo de la Guerra Fría en la década de 1970, Moscú fue blanco de hasta 60 ojivas. Las razones por las que el concepto de bomba de racimo es preferible en la selección de ciudades son dos: la primera se debe al hecho de que las ojivas grandes y singulares son mucho más fáciles de neutralizar tanto como rastreo como interceptación exitosa por los sistemas de misiles antibalísticos que cuando hay varias Se acercan ojivas más pequeñas. Esta ventaja de fuerza en números para las ojivas de menor rendimiento se ve agravada por el hecho de que tales ojivas tienden a moverse a velocidades de entrada más altas, debido a su tamaño de paquete físico más pequeño y delgado, suponiendo que ambos diseños de armas nucleares sean iguales (una excepción de diseño es el W88 avanzado).). La segunda razón para esta bomba de racimo, o "capas" (usando impactos repetidos con armas precisas de bajo rendimiento), es que esta táctica, además de limitar el riesgo de falla, también reduce el rendimiento de las bombas individuales y, por lo tanto, reduce la posibilidad de cualquier daño colateral grave. daños a áreas civiles cercanas no atacadas, incluidas las de los países vecinos. Este concepto fue iniciado por Philip J. Dolan y otros.

Otros fenómenos

Altura de la nube de hongos dependiendo del rendimiento para las ráfagas terrestres.
0 = Aprox. altitud a la que opera un avión comercial
1 = Hombre Gordo
2 = Castillo Bravo

Los rayos gamma de los procesos nucleares que preceden a la verdadera explosión pueden ser parcialmente responsables de la siguiente bola de fuego, ya que pueden sobrecalentar el aire cercano u otros materiales. La gran mayoría de la energía que pasa a formar la bola de fuego se encuentra en la región de rayos X blandos del espectro electromagnético, y estos rayos X son producidos por las colisiones inelásticas de los productos de fusión y fisión de alta velocidad. Son estos productos de reacción y no los rayos gamma los que contienen la mayor parte de la energía de las reacciones nucleares en forma de energía cinética. Esta energía cinética de los fragmentos de fisión y fusión se convierte en energía interna y luego en energía de radiación siguiendo aproximadamente el proceso de emisión de radiación de cuerpo negro en la región de rayos X blandos.

Como resultado de numerosas colisiones inelásticas, parte de la energía cinética de los fragmentos de fisión se convierte en energía interna y de radiación. Algunos de los electrones se eliminan por completo de los átomos, lo que provoca la ionización, otros se elevan a estados de mayor energía (o excitados) mientras permanecen unidos a los núcleos. En un tiempo extremadamente corto, quizás una centésima de microsegundo más o menos, los residuos del arma consisten esencialmente en átomos total y parcialmente despojados (ionizados), muchos de los cuales se encuentran en estados excitados, junto con los correspondientes electrones libres. El sistema emite inmediatamente radiación electromagnética (térmica), cuya naturaleza está determinada por la temperatura. Dado que esto es del orden de 10⁷ grados, la mayor parte de la energía emitida dentro de un microsegundo aproximadamente se encuentra en la región de rayos X blandos. Debido a que la temperatura depende de la energía/calor interno promedio de las partículas en un cierto volumen, la energía interna o calor se debe a la energía cinética.

Para una explosión en la atmósfera, la bola de fuego se expande rápidamente al tamaño máximo y luego comienza a enfriarse a medida que se eleva como un globo a través de la flotabilidad en el aire circundante. Al hacerlo, adopta el patrón de flujo de un anillo de vórtice con material incandescente en el núcleo del vórtice, como se ve en ciertas fotografías. Este efecto se conoce como nube de hongo.

La arena se fusionará en vidrio si está lo suficientemente cerca de la bola de fuego nuclear como para ser atraída hacia ella y, por lo tanto, se calienta a las temperaturas necesarias para hacerlo; esto se conoce como trinitita.

En la explosión de bombas nucleares a veces se producen descargas de rayos.

Las estelas de humo se ven a menudo en fotografías de explosiones nucleares. Estos no son de la explosión; los dejan los cohetes sonoros lanzados justo antes de la detonación. Estos rastros permiten la observación de la onda de choque normalmente invisible de la explosión en los momentos posteriores a la explosión.

El calor y los desechos en el aire creados por una explosión nuclear pueden causar lluvia; Se cree que los escombros hacen esto al actuar como núcleos de condensación de nubes. Durante la tormenta de fuego de la ciudad que siguió a la explosión de Hiroshima, se registraron gotas de agua del tamaño de canicas. Esto se denominó lluvia negra y ha servido como fuente de un libro y una película con el mismo nombre. La lluvia negra no es inusual después de grandes incendios y es comúnmente producida por nubes pirocúmulos durante grandes incendios forestales. Se dice que la lluvia directamente sobre Hiroshima ese día comenzó alrededor de las 9 am y cubrió una amplia área desde el hipocentro hasta el noroeste, lloviendo intensamente durante una hora o más en algunas áreas. La lluvia directamente sobre la ciudad puede haber transportado productos de combustión de materiales de construcción activados por neutrones, pero no transportó ningún desecho o lluvia radiactiva apreciable de armas nucleares, aunque esto es generalmente lo contrario de lo que afirman otras fuentes menos técnicas. El "aceitoso" partículas de hollín negro, son una característica de la combustión incompleta en la tormenta de fuego de la ciudad.

El elemento einstenio se descubrió al analizar la lluvia radiactiva.

Un efecto secundario de la prueba nuclear Pascal-B durante la Operación Plumbbob pudo haber resultado en el lanzamiento del primer objeto hecho por el hombre al espacio. El llamado "pozo del trueno" El efecto de la explosión subterránea puede haber lanzado una placa de cubierta de metal al espacio a seis veces la velocidad de escape de la Tierra, aunque la evidencia sigue siendo objeto de debate.

En 1942, hubo cierta especulación inicial entre los científicos que desarrollaban las primeras armas nucleares en el Proyecto Manhattan de que una explosión nuclear lo suficientemente grande podría encender la atmósfera de la Tierra. Esta noción se refería a la reacción nuclear de dos átomos de nitrógeno atmosférico formando carbono y un átomo de oxígeno, con una liberación de energía asociada. Los científicos plantearon la hipótesis de que esta energía calentaría el nitrógeno atmosférico restante lo suficiente como para mantener la reacción hasta que se consumieran todos los átomos de nitrógeno, quemando así toda la atmósfera de la Tierra (que está compuesta por casi un 80 % de nitrógeno diatómico) de una sola vez. único evento de combustión masiva. A Hans Bethe se le asignó la tarea de estudiar esta hipótesis desde los primeros días del proyecto, y finalmente llegó a la conclusión de que la combustión de toda la atmósfera no era posible: el enfriamiento de la bola de fuego debido a un efecto Compton inverso prácticamente garantizó que tal escenario no se convertiría en realidad. Se le pidió a Richard Hamming, un matemático, que hiciera un cálculo similar justo antes de la primera prueba nuclear, con el mismo resultado. Sin embargo, la noción ha persistido como un rumor durante muchos años y fue la fuente del humor negro apocalíptico en la prueba Trinity.

Supervivencia

Esto depende en gran medida de factores como si uno está adentro o afuera, el tamaño de la explosión, la proximidad a la explosión y, en menor grado, la dirección del viento que lleva la lluvia radiactiva. La muerte es muy probable y el envenenamiento por radiación es casi seguro si uno queda atrapado al aire libre sin terreno o efectos de enmascaramiento de edificios dentro de un radio de 0 a 3 km de una explosión de 1 megatón, y el 50% de probabilidad de muerte por la explosión se extiende a ~8 km de la misma explosión atmosférica de 1 megatón.

Para resaltar la variabilidad en el mundo real y el efecto que puede tener estar en el interior, a pesar de la radiación letal y la zona de explosión que se extiende mucho más allá de su posición en Hiroshima, Akiko Takakura sobrevivió a los efectos de una bomba atómica de 16 kt a distancia. de 300 metros del hipocentro, con heridas leves, debido principalmente a su posición en el vestíbulo del Banco de Japón, un edificio de hormigón armado, en ese momento. En contraste, la persona desconocida sentada afuera, completamente expuesta, en los escalones del Banco Sumitomo, al lado del Banco de Japón, recibió quemaduras letales de tercer grado y luego probablemente murió por la explosión, en ese orden, en dos segundos..

Con atención médica, la exposición a la radiación se puede sobrevivir a 200 rems de exposición a dosis aguda. Si un grupo de personas se expone a una dosis de radiación aguda de 50 a 59 rems (dentro de las 24 horas), nadie se enfermará por radiación. Si el grupo está expuesto a 60 a 180 rems, el 50% se enfermará con envenenamiento por radiación. Si reciben tratamiento médico, todo el grupo de 60 a 180 rems sobrevivirá. Si el grupo está expuesto a 200 a 450 rems, la mayoría, si no todo el grupo, se enfermará. El 50% del grupo de 200 a 450 rems morirá dentro de dos a cuatro semanas, incluso con atención médica. Si el grupo está expuesto a 460 a 600 rems, el 100% del grupo sufrirá envenenamiento por radiación. El 50% del grupo de 460 a 600 rems morirá dentro de una a tres semanas. Si el grupo se expone a 600 a 1000 rems, el 50% morirá en una a tres semanas. Si el grupo está expuesto a 1000 a 5000 rems, el 100 % del grupo morirá en 2 semanas. A 5000 rems, el 100% del grupo morirá en 2 días.

Explosión nuclear impacta a humanos en interiores

Investigadores de la Universidad de Nicosia simularon (Ioannis W. Kokkinakis y Dimitris Drikakis "Impacto de explosión nuclear en humanos en interiores", Physics of Fluids 35, 016114 (2023), utilizando dinámica de fluidos computacional de alto orden (CFD), la explosión de una bomba atómica de un misil balístico intercontinental típico y la onda expansiva resultante para ver cómo afectaría a las personas que se refugian en el interior. Descubrieron que la onda expansiva fue suficiente en la zona de daño moderado para derribar algunos edificios y lesionar a las personas atrapadas al aire libre. Sin embargo, los edificios más resistentes, como las estructuras de hormigón, pueden permanecer en pie. El equipo utilizó modelos informáticos avanzados para estudiar cómo una onda expansiva nuclear se acelera a través de una estructura en pie. Su estructura simulada presentaba habitaciones, ventanas, puertas y pasillos y les permitió calcular la velocidad del aire después de la onda expansiva y determinar los mejores y peores lugares para estar. El estudio mostró que las altas velocidades aerodinámicas siguen siendo un peligro considerable y aún pueden provocar lesiones graves o incluso la muerte. Además, el simple hecho de estar en un edificio sólido no es suficiente para evitar el riesgo. Los espacios reducidos pueden aumentar la velocidad del aire, y la participación de la onda expansiva hace que el aire se refleje en las paredes y se doble en las esquinas. En los peores casos, esto puede producir una fuerza equivalente a varias veces el peso corporal de un ser humano. Los lugares interiores críticos más peligrosos que se deben evitar son las ventanas, los pasillos y las puertas. El estudio anterior recibió un interés considerable por parte de la prensa internacional.