Explosión submarina

Una explosión submarina (también conocida como UNDEX) es una explosión química o nuclear que ocurre bajo la superficie de una masa de agua. Si bien son útiles en la guerra antibuque y contra submarinos, las bombas submarinas no son tan efectivas contra las instalaciones costeras.

Las explosiones submarinas se diferencian de las explosiones en el aire debido a las propiedades del agua:

• Mass and incompressibility (all explosions) – el agua tiene una densidad mucho mayor que el aire, lo que hace que el agua sea más difícil de mover (inercia más alta). También es relativamente difícil comprimir (aumento de densidad) cuando está bajo presión en un rango bajo (hasta cerca de 100 atmósferas). Estos dos juntos hacen del agua un excelente conductor de ondas de choque de una explosión.
• Efecto de la exposición de neutrones en el agua salada (sólo explosiones nucleares) – la mayoría de los escenarios de explosión subacuática ocurren en agua de mar, no agua fresca o pura. El agua en sí no está muy afectada por los neutrones, pero la sal está fuertemente afectada. Cuando se expone a la radiación de neutrones durante el microsegundo detonación activa de un pozo nuclear, el agua en sí no suele "activar", o convertirse en radiactiva. Los dos elementos en agua, hidrógeno y oxígeno, pueden absorber un neutron extra, convirtiéndose en deuterio y oxígeno-17 respectivamente, ambos isótopos estables. Incluso el oxígeno-18 es estable. Los átomos radiactivos pueden resultar si un átomo de hidrógeno absorbe dos neutrones, un átomo de oxígeno absorbe tres neutrones, o oxígeno-16 sufre una reacción de neutrones de alta energía (n-p) para producir un nitrógeno-16 de corta duración. En cualquier escenario típico, la probabilidad de tales capturas múltiples en números significativos en el corto tiempo de reacciones nucleares activas alrededor de una bomba es muy baja. Son algo mayores cuando el agua se irradia continuamente, como en el sistema de enfriamiento primario cerrado de un reactor nuclear. Sin embargo, la sal en agua de mar absorbe fácilmente neutrones en los átomos de sodio-23 y cloro-35, que cambian a isótopos radiactivos. Sodium-24 tiene una vida media de aproximadamente 15 horas, mientras que la de cloro-36 (que tiene una sección transversal de menor activación) es de 300.000 años. El sodio es el contaminante más peligroso después de la explosión porque tiene una vida media corta. Estos son generalmente los principales contaminantes radiactivos en una explosión subacuática; otros son la mezcla habitual de minerales irradiados, corales, combustible nuclear no utilizado y componentes de caso bomba presentes en una explosión de superficie nuclear, llevados en suspensión o disueltos en el agua. La destilación o evaporación de agua (en ciernes, humedad y precipitación) elimina la contaminación por radiación, dejando atrás las sales radiactivas.

Los efectos de una explosión submarina dependen de varios factores, entre ellos la distancia a la que se encuentra la explosión, la energía de la explosión, la profundidad de la explosión y la profundidad del agua.

Las explosiones submarinas se clasifican según la profundidad de la explosión. Las explosiones submarinas poco profundas son aquellas en las que el cráter formado en la superficie del agua es grande en comparación con la profundidad de la explosión. Las explosiones submarinas profundas son aquellas en las que el cráter es pequeño en comparación con la profundidad de la explosión o inexistente.

El efecto general de una explosión submarina depende de la profundidad, el tamaño y la naturaleza de la carga explosiva, y la presencia, composición y distancia de superficies reflectantes como el fondo marino, la superficie, las termoclinas, etc. Este fenómeno se ha utilizado ampliamente en el diseño de ojivas antibuque, ya que una explosión submarina (en particular una debajo del casco) puede producir mayores daños que una explosión del mismo tamaño de explosivo sobre la superficie. El daño inicial a un objetivo será causado por la primera onda de choque; este daño se amplificará por el posterior movimiento físico del agua y por las repetidas ondas de choque secundarias o el pulso de burbuja. Además, la detonación de la carga lejos del objetivo puede provocar daños en un área más grande del casco.

Las pruebas nucleares submarinas cerca de la superficie pueden dispersar agua y vapor radiactivos en una gran área, con graves efectos sobre la vida marina, las infraestructuras cercanas y los seres humanos. La detonación de armas nucleares bajo el agua fue prohibida por el Tratado de Prohibición Parcial de los Ensayos Nucleares de 1963 y también está prohibida por el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares de 1996.

La prueba nuclear Baker en el atolón de Bikini en julio de 1946 fue una explosión submarina poco profunda, parte de la Operación Crossroads. Una ojiva de 20 kilotones fue detonada en una laguna que estaba aproximadamente a 200 pies (61 m) de profundidad. El primer efecto fue la iluminación del mar desde la bola de fuego submarina. Una burbuja de gas en rápida expansión creó una onda de choque que causó un anillo en expansión de agua aparentemente oscura en la superficie, llamado la mancha, seguido por un anillo en expansión de agua aparentemente blanca, llamado la grieta. Un montículo de agua y rocío, llamado la cúpula de rocío, se formó en la superficie del agua que se volvió más columnar a medida que ascendía. Cuando la burbuja de gas ascendente rompió la superficie, también creó una onda de choque en el aire. El vapor de agua en el aire se condensó como resultado de los ventiladores de expansión Prandtl-Meyer que disminuyeron la presión, la densidad y la temperatura del aire por debajo del punto de rocío; La formación de una nube esférica que marcaba la ubicación de la onda de choque. El agua que llenaba la cavidad formada por la burbuja hizo que una columna hueca de agua, llamada chimenea o pluma, se elevara 6.000 pies (1.800 m) en el aire y atravesara la parte superior de la nube. Una serie de olas superficiales del océano se desplazaron hacia afuera desde el centro. La primera ola tenía unos 94 pies (29 m) de altura a 1.000 pies (300 m) del centro. Le siguieron otras olas, y a distancias mayores algunas de ellas eran más altas que la primera ola. Por ejemplo, a 22.000 pies (6.700 m) del centro, la novena ola fue la más alta a 6 pies (1,8 m). La gravedad hizo que la columna cayera a la superficie y provocó que una nube de niebla se desplazara rápidamente hacia afuera desde la base de la columna, llamada oleada de base. El tamaño máximo de la oleada de base fue de 5,6 km (3,5 mi) de diámetro y 550 m (1.800 pies) de altura. La oleada de base se elevó desde la superficie y se fusionó con otros productos de la explosión, para formar nubes que produjeron lluvias moderadas a fuertes durante casi una hora.

Un ejemplo de explosión submarina profunda es la prueba Wahoo, que se llevó a cabo en 1958 como parte de la Operación Hardtack I. Se detonó un Mk-7 de 9 kt a una profundidad de 500 pies (150 m) en aguas profundas. Hubo poca evidencia de una bola de fuego. La cúpula de pulverización se elevó a una altura de 900 pies (270 m). El gas de la burbuja atravesó la cúpula de pulverización para formar chorros que se dispararon en todas direcciones y alcanzaron alturas de hasta 1.700 pies (520 m). La oleada base en su tamaño máximo fue de 2,5 millas (4,0 km) de diámetro y 1.000 pies (300 m) de altura.

Las alturas de las olas superficiales generadas por explosiones submarinas profundas son mayores porque se transmite más energía al agua. Durante la Guerra Fría, se pensaba que las explosiones submarinas operaban bajo los mismos principios que los tsunamis, aumentando potencialmente de altura de manera espectacular a medida que se desplazaban sobre aguas poco profundas e inundando la tierra más allá de la costa. Investigaciones y análisis posteriores sugirieron que las olas de agua generadas por explosiones eran diferentes de las generadas por tsunamis y deslizamientos de tierra. Méhauté et al. concluyen en su resumen de 1996 Ondas de agua generadas por explosiones submarinas que las olas superficiales de incluso una explosión submarina muy grande en alta mar gastarían la mayor parte de su energía en la plataforma continental, lo que daría como resultado una inundación costera no peor que la causada por una fuerte tormenta.

La prueba de la Operación Wigwam en 1955 se produjo a una profundidad de 610 m (2000 pies), la detonación más profunda de cualquier dispositivo nuclear.

A menos que rompa la superficie del agua mientras todavía es una burbuja de gas caliente, una explosión nuclear submarina no deja rastros en la superficie, sino agua caliente y radiactiva que sube desde abajo. Esto siempre ocurre con las explosiones a una profundidad superior a los 610 m.

Aproximadamente un segundo después de tal explosión, la burbuja de gas caliente colapsa porque:

• La presión de agua es enorme debajo de 2.000 pies (610 m).
• La expansión reduce la presión de gas, que disminuye la temperatura.
• La inestabilidad de Rayleigh-Taylor en el límite de gas/agua hace que los "fingers" de agua se extiendan a la burbuja, aumentando la superficie fronteriza.
• El agua es casi incompresible.
• Las grandes cantidades de energía se absorben por el cambio de fase (el agua se convierte en vapor en el límite de bolas de fuego).
• La expansión rápidamente se vuelve insostenible porque la cantidad de agua empujada hacia fuera aumenta con el cube del radio de burbujas.

Como el agua no se comprime fácilmente, al moverla tan rápidamente se absorbe una enorme cantidad de energía, que proviene en su totalidad de la presión dentro de la burbuja en expansión. La presión del agua fuera de la burbuja hace que pronto colapse y vuelva a convertirse en una pequeña esfera y rebote, expandiéndose nuevamente. Esto se repite varias veces, pero cada rebote contiene solo alrededor del 40% de la energía del ciclo anterior.

En el diámetro máximo de la primera oscilación, una bomba nuclear muy grande que explota en aguas muy profundas crea una burbuja de aproximadamente 800 metros de ancho en aproximadamente un segundo y luego se contrae, lo que también lleva aproximadamente un segundo. Las burbujas de explosión de las explosiones nucleares profundas tienen oscilaciones ligeramente más largas que las de las superficiales. Dejan de oscilar y se convierten en agua caliente en aproximadamente seis segundos. Esto sucede antes en las explosiones nucleares que en las burbujas de los explosivos convencionales.

La presión del agua de una explosión profunda impide que sobrevivan burbujas que puedan flotar hasta la superficie.

La drástica pérdida de energía del 60% entre los ciclos de oscilación se debe en parte a la fuerza extrema de una explosión nuclear que empuja la pared de la burbuja hacia afuera a una velocidad supersónica (más rápida que la velocidad del sonido en el agua salada). Esto provoca la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Es decir, la pared de agua lisa que toca la cara de la explosión se vuelve turbulenta y fractal, con dedos y ramas de agua fría del océano que se extienden hacia la burbuja. Esa agua fría enfría el gas caliente del interior y hace que se condense. La burbuja deja de ser una esfera y se parece más a la Nebulosa del Cangrejo, cuya desviación de una superficie lisa también se debe a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, ya que el material estelar expulsado empuja a través del medio interestelar.

Como era de esperar, las explosiones grandes y superficiales se expanden más rápido que las explosiones profundas y pequeñas.

A pesar de estar en contacto directo con la bola de fuego de una explosión nuclear, el agua en la pared de la burbuja en expansión no hierve; la presión dentro de la burbuja supera (por lejos) la presión de vapor del agua. El agua que toca la explosión solo puede hervir durante la contracción de la burbuja. Esta ebullición es como la evaporación, enfría la pared de la burbuja y es otra razón por la que una burbuja de explosión oscilante pierde la mayor parte de la energía que tenía en el ciclo anterior.

Durante estas oscilaciones de gas caliente, la burbuja se eleva continuamente por la misma razón que una nube en forma de hongo: es menos densa. Esto hace que la burbuja de la explosión nunca sea perfectamente esférica. En cambio, la parte inferior de la burbuja es más plana y, durante la contracción, incluso tiende a "estirarse" hacia el centro de la explosión.

En el último ciclo de expansión, la parte inferior de la burbuja toca la parte superior antes de que los lados hayan colapsado por completo, y la burbuja se convierte en un toro en su último segundo de vida. Unos seis segundos después de la detonación, todo lo que queda de una gran explosión nuclear profunda es una columna de agua caliente que se eleva y se enfría en el océano casi helado.

Se realizaron relativamente pocas pruebas nucleares submarinas antes de que fueran prohibidas por el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas Nucleares. Estas son:

Nota: a menudo se cree que los franceses realizaron extensas pruebas submarinas en los atolones de Moruroa y Fangataufa, en la Polinesia Francesa Occidental. Esto es incorrecto; las bombas se colocaron en pozos perforados en el coral y la roca volcánica subyacentes, y no dejaron escapar la lluvia radiactiva intencionalmente.

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  Crossroads Baker
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  Operación Huracán
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  Hardtack Umbrella
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  Dominic Swordfish

Existen varios métodos para detectar detonaciones nucleares. La hidroacústica es el principal método para determinar si se ha producido una detonación nuclear bajo el agua. Los hidrófonos se utilizan para controlar el cambio de presión del agua a medida que las ondas sonoras se propagan por los océanos del mundo. El sonido viaja a través del agua a 20 °C a aproximadamente 1482 metros por segundo, en comparación con la velocidad de 332 m/s del sonido a través del aire. En los océanos del mundo, el sonido viaja con mayor eficacia a una profundidad de aproximadamente 1000 metros. Las ondas sonoras que viajan a esta profundidad viajan a una velocidad mínima y quedan atrapadas en una capa conocida como el canal de fijación y localización del sonido (SOFAR). Los sonidos se pueden detectar en el SOFAR desde grandes distancias, lo que permite un número limitado de estaciones de monitoreo necesarias para detectar la actividad oceánica. La hidroacústica se desarrolló originalmente a principios del siglo XX como un medio para detectar objetos como icebergs y bancos de arena para prevenir accidentes en el mar.

Antes de la adopción del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares se construyeron tres estaciones hidroacústicas: dos estaciones de hidrófonos en el océano Pacífico Norte y en el océano Atlántico Medio, y una estación de fase T frente a la costa occidental de Canadá. Cuando se adoptó el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares, se construyeron ocho estaciones hidroacústicas más para crear una red integral capaz de identificar detonaciones nucleares submarinas en cualquier parte del mundo. Estas once estaciones hidroacústicas, además de 326 estaciones de vigilancia y laboratorios, forman parte del Sistema Internacional de Vigilancia (SMI), que es supervisado por la Comisión Preparatoria de la Organización del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (OTPCE).

Actualmente, en la red IMS se utilizan dos tipos diferentes de estaciones hidroacústicas: 6 estaciones de monitoreo de hidrófonos y 5 estaciones de fase T. Estas 11 estaciones están ubicadas principalmente en el hemisferio sur, que es principalmente océano. Las estaciones de monitoreo de hidrófonos consisten en un conjunto de tres hidrófonos suspendidos de cables atados al fondo del océano. Están ubicados a una profundidad ubicada dentro del SOFAR para recolectar lecturas de manera efectiva. Cada hidrófono registra 250 muestras por segundo, mientras que el cable de amarre suministra energía y lleva información a la costa. Esta información se convierte a un formato utilizable y se transmite a través de un enlace satelital seguro a otras instalaciones para su análisis. Las estaciones de monitoreo de fase T registran señales sísmicas generadas a partir de ondas de sonido que se han acoplado con el fondo del océano o la costa. Las estaciones de fase T generalmente se ubican en islas con pendientes pronunciadas para recolectar las lecturas sísmicas más limpias posibles. Al igual que las estaciones de hidrófonos, esta información se envía a la costa y se transmite a través de un enlace satelital para su posterior análisis. Las estaciones de hidrófonos tienen la ventaja de recolectar lecturas directamente del SOFAR, pero generalmente son más costosas de implementar que las estaciones de fase T. Las estaciones hidroacústicas monitorean frecuencias de 1 a 100 hercios para determinar si se ha producido una detonación submarina. Si una o más estaciones han identificado una posible detonación, las señales recolectadas contendrán un ancho de banda alto y el espectro de frecuencia indicará una cavidad submarina en la fuente.

• Ensayo de armas nucleares
• Ingeniería marina
• Factor de choque
• Bomba de profundidad nuclear
• torpedo nuclear
• Operación Chastise

• Glasstone, Samuel; Dolan, Philip (1977). Los efectos de las armas nucleares (tercera edición). Washington: Departamento de Defensa de los Estados Unidos; Administración de Investigación y Desarrollo de Energía.
• Le Méhauté, Bernard; Wang, Shen (1995). Olas de agua generadas por la explosión subacuática (PDF). Serie avanzada sobre Ingeniería Oceánica. Vol. 10. Publicación científica mundial. ISBN 981-02-2083-9. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2019.