Nube en forma de hongo
Una nube en forma de hongo es una distintiva nube de escombros, humo y, por lo general, vapor de agua condensado en forma de hongo flamagenitus que resulta de una gran explosión. El efecto se asocia más comúnmente con una explosión nuclear, pero cualquier detonación o deflagración suficientemente energética producirá el mismo efecto. Pueden ser causados por poderosas armas convencionales, como armas termobáricas como ATBIP y GBU-43/B MOAB. Algunas erupciones volcánicas y eventos de impacto pueden producir nubes en forma de hongo naturales.
Las nubes en forma de hongo son el resultado de la formación repentina de un gran volumen de gases de menor densidad a cualquier altitud, lo que provoca una inestabilidad de Rayleigh-Taylor. La masa flotante de gas se eleva rápidamente, lo que da como resultado vórtices turbulentos que se curvan hacia abajo alrededor de sus bordes, formando un anillo de vórtice temporal que atrae una columna central, posiblemente con humo, escombros, vapor de agua condensado o una combinación de estos, para formar el & #34;tallo de hongo". La masa de gas más el aire húmedo arrastrado finalmente alcanza una altitud en la que ya no tiene una densidad más baja que el aire circundante; en este punto, se dispersa y vuelve a descender (ver consecuencias). La altitud de estabilización depende en gran medida de los perfiles de temperatura, punto de rocío y cizalladura del viento en el aire a la altitud inicial y por encima de ella.
Cuentas tempranas y orígenes del término
Aunque el término parece haber sido acuñado a principios de la década de 1950, las nubes en forma de hongo generadas por explosiones se describían siglos antes de la era atómica.
Un aguatinta contemporánea de un artista desconocido del ataque franco-español de 1782 en Gibraltar muestra una de las baterías flotantes de la fuerza atacante explotando con una nube de hongo después de que los defensores británicos la incendiaran con disparos al rojo vivo.
En 1798, Gerhard Vieth publicó un relato detallado e ilustrado de una nube en el vecindario de Gotha que "tenía una forma similar a la de un hongo". La nube había sido observada por el consejero de la legación Lichtenberg unos años antes en una cálida tarde de verano. Se interpretó como una nube meteorológica irregular y parecía haber provocado una tormenta con lluvia y truenos a partir de una nueva nube oscura que se desarrolló debajo de ella. Lichtenberg declaró haber observado más tarde nubes algo similares, pero ninguna tan notable.
La explosión de Halifax de 1917 produjo una nube en forma de hongo.
En 1930, Olaf Stapledon en su novela Últimos y primeros hombres imagina la primera demostración de un arma atómica "nubes de vapor del mar hirviendo... un hongo gigante de vapor y escombros&# 34;
The Times publicó un informe el 1 de octubre de 1937 sobre un ataque japonés a Shanghai, China, que generó "un gran hongo de humo".
Durante la Segunda Guerra Mundial, la destrucción del acorazado japonés Yamato produjo un hongo atómico.
La nube de la bomba atómica sobre Nagasaki, Japón, fue descrita en The Times de Londres del 13 de agosto de 1945 como un "enorme hongo de humo y polvo". El 9 de septiembre de 1945, The New York Times publicó un relato de un testigo presencial del bombardeo de Nagasaki, escrito por William L. Laurence, el corresponsal del periódico oficial del Proyecto Manhattan, quien acompañaba a uno de los tres aviones que hicieron la carrera de bombardeo. Escribió sobre la bomba que produjo una "columna de fuego púrpura" de la parte superior salió "un hongo gigante que aumentó la altura del pilar a un total de 45,000 pies".
En 1946, las pruebas de la bomba nuclear de la Operación Crossroads se describieron como si tuvieran una "coliflor" nube, pero un reportero presente también habló de "el hongo, ahora el símbolo común de la era atómica". Los hongos se han asociado tradicionalmente tanto con la vida como con la muerte, la comida y el veneno, lo que los convirtió en una conexión simbólica más poderosa que, por ejemplo, la "coliflor" nube.
Física
Las nubes en forma de hongo se forman por muchos tipos de grandes explosiones bajo la gravedad de la Tierra, pero son más conocidas por su aparición después de las detonaciones nucleares. Sin gravedad, o sin una atmósfera espesa, los gases derivados del explosivo permanecerían esféricos. Las armas nucleares generalmente se detonan sobre el suelo (no al impactar, porque parte de la energía se disiparía por los movimientos del suelo), para maximizar el efecto de su bola de fuego y onda expansiva que se expande esféricamente. Inmediatamente después de la detonación, la bola de fuego comienza a elevarse en el aire, actuando según el mismo principio que un globo aerostático.
Una forma de analizar el movimiento, una vez que el gas caliente se ha despejado lo suficiente del suelo, es como una "burbuja de casquete esférico", ya que esto da concordancia entre la velocidad de ascenso y el diámetro observado.
A medida que asciende, se forma una inestabilidad de Rayleigh-Taylor y el aire sube hacia la nube (similar a la corriente ascendente de una chimenea), lo que produce fuertes corrientes de aire conocidas como "vientos posteriores", mientras que, dentro de la cabeza de la nube, los gases calientes giran en forma toroidal. Cuando la altitud de la detonación es lo suficientemente baja, estos vientos posteriores atraerán tierra y escombros del suelo para formar el tallo de la nube en forma de hongo.
Una vez que la masa de gases calientes alcanza su nivel de equilibrio, el ascenso se detiene y la nube comienza a aplanarse hasta adoptar la característica forma de hongo, generalmente con la ayuda del crecimiento de la superficie debido a la turbulencia en descomposición.
Nubes en forma de hongo nuclear
Es posible que las detonaciones nucleares producidas muy por encima del suelo no creen nubes en forma de hongo con tallo. Las cabezas de las nubes en sí mismas consisten en partículas altamente radiactivas, principalmente los productos de fisión y otros aerosoles de restos de armas, y generalmente son dispersadas por el viento, aunque los patrones climáticos (especialmente la lluvia) pueden producir lluvia radiactiva problemática.
Las detonaciones significativamente por debajo del nivel del suelo o muy por debajo del agua (por ejemplo, cargas nucleares de profundidad) tampoco producen nubes en forma de hongo, ya que la explosión provoca la vaporización de una gran cantidad de tierra y agua en estos casos, creando una burbuja que luego se derrumba sobre sí mismo; en el caso de una explosión subterránea menos profunda, esto produce un cráter de hundimiento. Las detonaciones bajo el agua pero cerca de la superficie producen una columna de agua que, al colapsar, toma una forma similar a una coliflor, que se confunde fácilmente con una nube de hongo (como en las conocidas imágenes del Crossroads Baker prueba). Las detonaciones subterráneas a baja profundidad producen una nube en forma de hongo y una oleada de base, dos nubes diferentes y distintas. La cantidad de radiación expulsada a la atmósfera disminuye rápidamente al aumentar la profundidad de la detonación.
Con las ráfagas de aire en la superficie y cerca de la superficie, la cantidad de escombros que se elevan en el aire disminuye rápidamente con el aumento de la altitud de la ráfaga. A altitudes de explosión de aproximadamente 7 metros/kilotones1 ⁄3, no se forma un cráter y, en consecuencia, se producen menores cantidades de polvo y escombros. La altura de reducción de la lluvia radiactiva, por encima de la cual las partículas radiactivas primarias consisten principalmente en la condensación de la bola de fuego fina, es de aproximadamente 55 metros/kilotón0,4. Sin embargo, incluso a estas altitudes de explosión, la precipitación radiactiva puede formarse por una serie de mecanismos.
La distribución de la radiación en la nube en forma de hongo varía según el rendimiento de la explosión, el tipo de arma, la proporción de fusión-fisión, la altitud de explosión, el tipo de terreno y el clima. En general, las explosiones de bajo rendimiento tienen alrededor del 90 % de su radiactividad en la cabeza del hongo y el 10 % en el tallo. Por el contrario, las explosiones del orden de los megatones tienden a tener la mayor parte de su radiactividad en el tercio inferior de la nube en forma de hongo.
En el momento de la explosión, se forma la bola de fuego. La masa ascendente, aproximadamente esférica, de gases calientes e incandescentes cambia de forma debido a la fricción atmosférica y enfría su superficie por radiación de energía, pasando de una esfera a un vórtice esferoidal que gira violentamente. Se forma una inestabilidad de Rayleigh-Taylor cuando el aire frío debajo inicialmente empuja los gases de la bola de fuego del fondo en forma de copa invertida. Esto provoca turbulencias y un vórtice que succiona más aire hacia su centro, creando vientos posteriores externos y enfriándose. La velocidad de su rotación disminuye a medida que se enfría y puede detenerse por completo durante las fases posteriores. Las partes vaporizadas del arma y el aire ionizado se enfrían en gases visibles, formando la nube inicial; el núcleo del vórtice al rojo vivo se vuelve amarillo, luego rojo oscuro y luego pierde la incandescencia visible. Con un mayor enfriamiento, la mayor parte de la nube se llena a medida que se condensa la humedad atmosférica. A medida que la nube asciende y se enfría, su flotabilidad disminuye y su ascenso se ralentiza.
Si el tamaño de la bola de fuego es comparable a la altura de la escala de densidad atmosférica, todo el ascenso de la nube será balístico, superando un gran volumen de aire sobredenso a altitudes mayores que la altitud de estabilización final. Bolas de fuego significativamente más pequeñas producen nubes con ascenso gobernado por flotabilidad.
Después de llegar a la tropopausa, la parte inferior de la región de fuerte estabilidad estática, la nube tiende a ralentizar su ascenso y expandirse. Si contiene suficiente energía, su parte central puede continuar elevándose hacia la estratosfera como un análogo de una tormenta estándar. Una masa de aire que asciende desde la troposfera a la estratosfera da lugar a la formación de ondas acústicas de gravedad, prácticamente idénticas a las creadas por intensas tormentas eléctricas que penetran en la estratosfera. Las explosiones de menor escala que penetran en la tropopausa generan ondas de mayor frecuencia, clasificadas como infrasonidos.
La explosión levanta una gran cantidad de aire cargado de humedad desde altitudes más bajas. A medida que el aire sube, su temperatura desciende y su vapor de agua primero se condensa en forma de gotas de agua y luego se congela en forma de cristales de hielo. Los cambios de fase liberan calor latente, calentando la nube y llevándola a altitudes aún mayores.
Una nube en forma de hongo pasa por varias fases de formación.
- Hora temprana, los primeros ♥20 segundos, cuando las formas de bola de fuego y los productos de fisión se mezclan con el material aspirado desde el suelo o expulsado del cráter. La condensación del suelo evaporado ocurre en los primeros segundos, más intensamente durante las temperaturas de bola de fuego entre 3500-4100 K.
- Fase de ida y estabilización, 20 segundos a 10 minutos, cuando se levantan los gases calientes y se deposita una caída temprana.
- Tiempo tardío, hasta unos 2 días después, cuando las partículas aéreas están siendo distribuidas por el viento, depositadas por la gravedad, y escavencidas por la precipitación.
La forma de la nube está influenciada por las condiciones atmosféricas locales y los patrones de viento. La distribución de la precipitación es predominantemente una pluma a favor del viento. Sin embargo, si la nube alcanza la tropopausa, puede propagarse contra el viento, porque su velocidad de convección es mayor que la velocidad del viento ambiental. En la tropopausa, la forma de la nube es más o menos circular y se extiende.
El color inicial de algunas nubes radiactivas puede ser de color rojo o marrón rojizo, debido a la presencia de dióxido de nitrógeno y ácido nítrico, formado inicialmente a partir de nitrógeno ionizado, oxígeno y humedad atmosférica. En el ambiente de alta temperatura y alta radiación de la explosión, también se forma ozono. Se estima que cada megatón de rendimiento produce alrededor de 5000 toneladas de óxidos de nitrógeno. También se han descrito tonalidades amarillas y anaranjadas. Este tono rojizo luego se ve oscurecido por el color blanco de las nubes de agua/hielo, que se condensan del aire que fluye rápidamente a medida que la bola de fuego se enfría, y el color oscuro del humo y los escombros son absorbidos por la corriente ascendente. El ozono le da a la explosión su característico olor a descarga de corona.
Las gotas de agua condensada se evaporan gradualmente, lo que lleva a la aparente desaparición de la nube. Las partículas radiactivas, sin embargo, permanecen suspendidas en el aire, y la nube ahora invisible continúa depositando lluvia a lo largo de su camino.
Los estallidos en el aire producen tallos blancos y humeantes, mientras que los estallidos en el suelo producen tallos grises a marrones a medida que la nube de hongo absorbe grandes cantidades de polvo, suciedad, tierra y escombros. Las explosiones terrestres producen nubes en forma de hongo oscuras que contienen material irradiado desde el suelo además de la bomba y su carcasa y, por lo tanto, producen más lluvia radiactiva, con partículas más grandes que se depositan fácilmente localmente.
Una detonación de mayor rendimiento puede llevar los óxidos de nitrógeno de la explosión lo suficientemente alto en la atmósfera como para causar un agotamiento significativo de la capa de ozono.
Se puede formar un hongo doble, con dos niveles, bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, el disparo Buster-Jangle Sugar formó la primera cabeza de la explosión en sí, seguida de otra generada por el calor del cráter caliente recién formado.
La lluvia radiactiva en sí puede aparecer como copos secos similares a cenizas o como partículas demasiado pequeñas para ser visibles; en este último caso, las partículas a menudo son depositadas por la lluvia. Grandes cantidades de partículas más nuevas y más radiactivas depositadas en la piel pueden causar quemaduras beta, que a menudo se presentan como manchas descoloridas y lesiones en la espalda de los animales expuestos. La lluvia radiactiva de la prueba de Castle Bravo tenía la apariencia de polvo blanco y recibió el apodo de nieve de bikini; los pequeños copos blancos parecían copos de nieve, se pegaban a las superficies y tenían un sabor salado. El 41,4 % de las consecuencias de la prueba de la Operación Wigwam consistió en partículas opacas irregulares, poco más del 25 % de partículas con áreas transparentes y opacas, aproximadamente el 20 % de organismos marinos microscópicos y el 2 % de hilos radioactivos microscópicos de origen desconocido.
Composición de nubes
La nube contiene tres clases principales de material: los restos del arma y sus productos de fisión, el material adquirido del suelo (solo significativo para altitudes de explosión por debajo de la altitud de reducción de lluvia radioactiva, que depende del rendimiento del arma) y vapor de agua. La mayor parte de la radiación contenida en la nube consiste en productos de fisión nuclear; Los productos de activación de neutrones de los materiales del arma, el aire y los desechos del suelo forman solo una fracción menor. La activación de neutrones comienza durante el estallido de neutrones en el instante del estallido mismo, y el alcance de este estallido de neutrones está limitado por la absorción de los neutrones a medida que atraviesan la atmósfera terrestre.
La mayor parte de la radiación es creada por los productos de fisión. Las armas termonucleares producen una parte importante de su rendimiento a partir de la fusión nuclear. Los productos de fusión normalmente no son radiactivos. Por lo tanto, el grado de producción de lluvia radiactiva se mide en kilotones de fisión. La Tsar Bomba, que produjo el 97% de su rendimiento de 50 megatones a partir de la fusión, era un arma muy limpia en comparación con lo que normalmente se esperaría de un arma de su rendimiento (aunque todavía producía 1,5 megatones de su rendimiento a partir de la fisión), como su tamper de fusión estaba hecho de plomo en lugar de uranio-238; de lo contrario, su rendimiento habría sido de 100 megatones con 51 de ellos por fisión. Si fuera detonado en la superficie o cerca de ella, su lluvia radiactiva representaría una cuarta parte de todas las lluvias radiactivas de todas las pruebas de armas nucleares, combinadas.
Inicialmente, la bola de fuego contiene un plasma altamente ionizado que consta únicamente de átomos del arma, sus productos de fisión y gases atmosféricos del aire adyacente. A medida que el plasma se enfría, los átomos reaccionan, formando finas gotas y luego partículas sólidas de óxidos. Las partículas se unen a otras más grandes y se depositan en la superficie de otras partículas. Las partículas más grandes generalmente se originan a partir de material aspirado en la nube. Las partículas aspiradas mientras la nube todavía está lo suficientemente caliente como para derretirlas se mezclan con los productos de fisión en todo su volumen. Las partículas más grandes obtienen materiales radiactivos fundidos depositados en su superficie. Las partículas aspiradas en la nube más tarde, cuando su temperatura es lo suficientemente baja, no se contaminan significativamente. Las partículas formadas solo por el arma en sí son lo suficientemente finas como para permanecer en el aire durante mucho tiempo y se dispersan y diluyen ampliamente a niveles no peligrosos. Las explosiones a mayor altitud que no aspiran desechos del suelo, o que aspiran polvo solo después de enfriarse lo suficiente y donde la fracción radiactiva de las partículas es, por lo tanto, pequeña, causan un grado mucho menor de precipitación radiactiva localizada que las explosiones a menor altitud en las que se forman partículas radiactivas más grandes.
La concentración de productos de condensación es la misma para las partículas pequeñas y para las capas superficiales depositadas de partículas más grandes. Se forman alrededor de 100 kg de partículas pequeñas por kilotonelada de rendimiento. El volumen y, por lo tanto, la actividad de las partículas pequeñas es casi tres órdenes de magnitud menor que el volumen de las capas superficiales depositadas sobre las partículas más grandes.
Para voladuras a mayor altitud, los principales procesos de formación de partículas son la condensación y la posterior coagulación. Para voladuras a menor altitud y en el suelo, con participación de partículas de suelo, el proceso principal es la deposición sobre las partículas extrañas.
Una detonación a baja altura produce una nube con una carga de polvo de 100 toneladas por megatón de rendimiento. Una detonación en tierra produce nubes con aproximadamente tres veces más polvo. Para una detonación terrestre, se derriten aproximadamente 200 toneladas de suelo por kilotón de rendimiento y entran en contacto con la radiación.
El volumen de la bola de fuego es el mismo para una detonación superficial o atmosférica. En el primer caso, la bola de fuego es un hemisferio en lugar de una esfera, con un radio correspondientemente mayor.
Los tamaños de las partículas van desde submicrómetros y micrómetros (creados por la condensación del plasma en la bola de fuego), pasando por 10–500 micrómetros (material de la superficie agitado por la onda expansiva y levantado por los vientos posteriores), hasta milímetros y más (eyección del cráter). El tamaño de las partículas, junto con la altitud a la que son transportadas, determina la duración de su permanencia en la atmósfera, ya que las partículas más grandes están sujetas a la precipitación seca. Las partículas más pequeñas también pueden ser eliminadas por la precipitación, ya sea por la humedad que se condensa en la propia nube o por la intersección de la nube con una nube de lluvia. La precipitación provocada por la lluvia se conoce como lluvia si se elimina durante la formación de la nube de lluvia, y lavado si es absorbida por las gotas de lluvia que ya se han formado.
Las partículas de las ráfagas de aire son más pequeñas que 10 a 25 micrómetros, generalmente en el rango de submicrómetros. Están compuestos mayoritariamente por óxidos de hierro, con menor proporción de óxido de aluminio, y óxidos de uranio y plutonio. Las partículas de más de 1 a 2 micrómetros son muy esféricas y corresponden al material vaporizado que se condensa en gotitas y luego se solidifica. La radiactividad se distribuye uniformemente por todo el volumen de la partícula, lo que hace que la actividad total de las partículas dependa linealmente del volumen de la partícula. Alrededor del 80% de la actividad está presente en los elementos más volátiles, que se condensan solo después de que la bola de fuego se enfría en un grado considerable. Por ejemplo, el estroncio-90 tendrá menos tiempo para condensarse y fusionarse en partículas más grandes, lo que dará como resultado un mayor grado de mezcla en el volumen de aire y partículas más pequeñas. Las partículas producidas inmediatamente después del estallido son pequeñas, con el 90% de la radiactividad presente en partículas menores de 300 nanómetros. Estos coagulan con aerosoles estratosféricos. La coagulación es más extensa en la troposfera y, a nivel del suelo, la mayor parte de la actividad está presente en partículas entre 300 nm y 1 µm. La coagulación compensa los procesos de fraccionamiento en la formación de partículas, equilibrando la distribución isotópica.
Para los estallidos terrestres y de baja altitud, la nube también contiene partículas de suelo vaporizadas, derretidas y fusionadas. La distribución de la actividad a través de las partículas depende de su formación. Las partículas formadas por vaporización-condensación tienen una actividad distribuida uniformemente a través del volumen como las partículas que revientan en el aire. Las partículas fundidas más grandes tienen los productos de fisión difundidos a través de las capas exteriores, y las partículas fundidas y no fundidas que no se calentaron lo suficiente pero que entraron en contacto con el material vaporizado o las gotitas atrapadas antes de su solidificación tienen una capa relativamente delgada de material de alta actividad depositado en su superficie. La composición de tales partículas depende del carácter del suelo, generalmente un material similar al vidrio formado a partir de minerales de silicato. Los tamaños de partículas no dependen del rendimiento sino del carácter del suelo, ya que se basan en granos individuales del suelo o sus racimos. Hay dos tipos de partículas presentes, esféricas, formadas por vaporización-condensación completa o al menos derretimiento del suelo, con actividad distribuida uniformemente a través del volumen (o con un volumen de 10-30% de núcleo inactivo para partículas más grandes entre 0,5-2 mm), y partículas de forma irregular formadas en los bordes de la bola de fuego por fusión de partículas del suelo, con actividad depositada en una capa superficial delgada. La cantidad de partículas irregulares grandes es insignificante. Las partículas formadas a partir de detonaciones sobre el océano o dentro del mismo contendrán isótopos de sodio radiactivos de vida corta y sales del agua de mar. La sílice fundida es un solvente muy bueno para los óxidos metálicos y elimina fácilmente las partículas pequeñas; las explosiones sobre suelos que contienen sílice producirán partículas con isótopos mezclados en todo su volumen. Por el contrario, los desechos de coral, a base de carbonato de calcio, tienden a adsorber partículas radiactivas en su superficie.
Los elementos se fraccionan durante la formación de partículas, debido a su diferente volatilidad. Los elementos refractarios (Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm) forman óxidos con puntos de ebullición elevados; estos precipitan más rápido y en el momento de la solidificación de las partículas, a una temperatura de 1400 °C, se consideran totalmente condensados. Los elementos volátiles (Kr, Xe, I, Br) no se condensan a esa temperatura. Los elementos intermedios tienen sus (o sus óxidos) puntos de ebullición cercanos a la temperatura de solidificación de las partículas (Rb, Cs, Mo, Ru, Rh, Tc, Sb, Te). Los elementos en la bola de fuego están presentes como óxidos, a menos que la temperatura esté por encima de la temperatura de descomposición de un óxido dado. Menos productos refractarios se condensan en superficies de partículas solidificadas. Los isótopos con precursores gaseosos se solidifican en la superficie de las partículas a medida que se producen por descomposición.
Las partículas más grandes, y por lo tanto las más radiactivas, son depositadas por lluvia radiactiva en las primeras horas después de la explosión. Las partículas más pequeñas se transportan a altitudes más altas y descienden más lentamente, alcanzando el suelo en un estado menos radiactivo ya que los isótopos con vidas medias más cortas se descomponen más rápido. Las partículas más pequeñas pueden llegar a la estratosfera y permanecer allí durante semanas, meses o incluso años, y cubrir todo un hemisferio del planeta a través de las corrientes atmosféricas. La precipitación radiactiva localizada a corto plazo y de mayor peligro se deposita principalmente a favor del viento desde el lugar de la explosión, en un área en forma de cigarro, suponiendo un viento de fuerza y dirección constantes. Los vientos cruzados, los cambios en la dirección del viento y la precipitación son factores que pueden alterar en gran medida el patrón de lluvia radiactiva.
La condensación de las gotas de agua en la nube en forma de hongo depende de la cantidad de núcleos de condensación. Demasiados núcleos de condensación en realidad inhiben la condensación, ya que las partículas compiten por una cantidad relativamente insuficiente de vapor de agua.
La reactividad química de los elementos y sus óxidos, las propiedades de adsorción de iones y la solubilidad de los compuestos influyen en la distribución de partículas en el medio ambiente después de su deposición desde la atmósfera. La bioacumulación influye en la propagación de radioisótopos radiactivos en la biosfera.
Radioisótopos
El peligro principal de las lluvias radiactivas es la radiación gamma de los radioisótopos de vida corta, que representan la mayor parte de la actividad. Dentro de las 24 horas posteriores al estallido, el nivel de radiación gamma cae 60 veces. Los radioisótopos de vida más larga, típicamente el cesio-137 y el estroncio-90, presentan un peligro a largo plazo. La intensa radiación beta de las partículas de la lluvia radiactiva puede causar quemaduras beta a las personas y los animales que entran en contacto con la lluvia radiactiva poco después de la explosión. Las partículas ingeridas o inhaladas provocan una dosis interna de radiación alfa y beta, lo que puede provocar efectos a largo plazo, incluido el cáncer.
La irradiación de neutrones de la atmósfera en sí produce una pequeña cantidad de activación, principalmente como carbono-14 de vida larga y argón-41 de vida corta. Los elementos más importantes para la radiactividad inducida del agua de mar son el sodio-24, el cloro, el magnesio y el bromo. Para las explosiones de tierra, los elementos de preocupación son el aluminio-28, el silicio-31, el sodio-24, el manganeso-56, el hierro-59 y el cobalto-60.
La carcasa de la bomba puede ser una fuente importante de radioisótopos activados por neutrones. El flujo de neutrones en las bombas, especialmente en los dispositivos termonucleares, es suficiente para reacciones nucleares de alto umbral. Los isótopos inducidos incluyen cobalto-60, 57 y 58, hierro-59 y 55, manganeso-54, zinc-65, itrio-88 y posiblemente níquel-58 y 62, niobio-63, holmio-165, iridio-191, y manganeso-56, sodio-24, silicio-31 y aluminio-28 de vida corta. Puede haber europio-152 y 154, así como dos isómeros nucleares de rodio-102. Durante la Operación Hardtack, se produjeron tungsteno-185, 181 y 187 y renio-188 a partir de elementos agregados como marcadores a las carcasas de las bombas, para permitir la identificación de la lluvia radiactiva producida por explosiones específicas. El antimonio-124, el cadmio-109 y el cadmio-113m también se mencionan como trazadores.
Las fuentes de radiación más significativas son los productos de fisión de la etapa de fisión primaria y, en el caso de las armas de fisión-fusión-fisión, de la fisión del tamper de uranio de la etapa de fusión. Se liberan muchos más neutrones por unidad de energía en una explosión termonuclear en comparación con un rendimiento de fisión pura que influye en la composición de los productos de fisión. Por ejemplo, el isótopo uranio-237 es un marcador de explosión termonuclear único, ya que se produce mediante una reacción (n,2n) a partir del uranio-238, con una energía de neutrones mínima necesaria de unos 5,9 MeV. Cantidades considerables de neptunio-239 y uranio-237 son indicadores de una explosión de fisión-fusión-fisión. También se forman cantidades menores de uranio-240, y la captura de grandes cantidades de neutrones por parte de los núcleos individuales conduce a la formación de cantidades pequeñas pero detectables de elementos transuránicos superiores, p. einstenio-255 y fermio-255.
Uno de los productos de fisión importantes es el criptón-90, un gas noble radiactivo. Se difunde fácilmente en la nube y sufre dos desintegraciones a rubidio-90 y luego a estroncio-90, con vidas medias de 33 segundos y 3 minutos. La falta de reactividad y la rápida difusión del gas noble son responsables del agotamiento de la lluvia radiactiva local en Sr-90 y del correspondiente enriquecimiento de Sr-90 de la lluvia radiactiva remota.
La radiactividad de las partículas disminuye con el tiempo, y los diferentes isótopos son significativos en diferentes intervalos de tiempo. Para los productos de activación del suelo, el aluminio-28 es el contribuyente más importante durante los primeros 15 minutos. Siguen manganeso-56 y sodio-24 hasta aproximadamente 200 horas. El hierro-59 sigue a las 300 horas y, después de 100 a 300 días, el contribuyente significativo se convierte en cobalto-60.
Las partículas radiactivas se pueden transportar distancias considerables. La radiación de la prueba Trinity fue eliminada por una tormenta en Illinois. Esto se dedujo, y se rastreó el origen, cuando Eastman Kodak descubrió que las películas de rayos X estaban empañadas por los envases de cartón producidos en el Medio Oeste. Vientos inesperados llevaron dosis letales de lluvia radiactiva de Castle Bravo sobre el atolón Rongelap, lo que obligó a su evacuación. La tripulación del Daigo Fukuryu Maru, un barco pesquero japonés ubicado fuera de la zona de peligro prevista, también se vio afectada. El estroncio-90 encontrado en las lluvias radiactivas en todo el mundo condujo más tarde al Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas.
Brillo fluorescente
La intensa radiación en los primeros segundos después de la explosión puede causar un aura observable de fluorescencia, el brillo azul-violeta-púrpura del oxígeno ionizado y el nitrógeno a una distancia significativa de la bola de fuego, rodeando la cabeza de la nube en forma de hongo que se está formando.. Esta luz es más fácilmente visible por la noche o en condiciones de luz diurna débil. El brillo del resplandor disminuye rápidamente con el tiempo transcurrido desde la detonación, volviéndose apenas visible después de unas pocas decenas de segundos.
Efectos de condensación
Las nubes en forma de hongo nuclear suelen ir acompañadas de nubes de vapor de corta duración, conocidas como "nubes de Wilson", nubes de condensación o anillos de vapor. La "fase negativa" seguir la sobrepresión positiva detrás de un frente de choque provoca un enrarecimiento repentino del medio circundante. Esta región de baja presión provoca una caída adiabática de la temperatura, lo que hace que la humedad del aire se condense en una capa que se mueve hacia afuera y rodea la explosión. Cuando la presión y la temperatura vuelven a la normalidad, la nube de Wilson se disipa. Los científicos que observaron las pruebas nucleares de la Operación Crossroads en 1946 en el atolón de Bikini llamaron a esa nube transitoria una 'nube de Wilson'. por su similitud visual con una cámara de niebla de Wilson; la cámara de niebla utiliza la condensación de una rápida caída de presión para marcar las huellas de partículas subatómicas cargadas eléctricamente. Los analistas de pruebas de bombas nucleares posteriores utilizaron el término más general "nube de condensación" con preferencia a la "nube de Wilson".
A veces se ve el mismo tipo de condensación sobre las alas de los aviones a reacción a baja altura en condiciones de mucha humedad. La parte superior de un ala es una superficie curva. La curvatura (y el aumento de la velocidad del aire) provoca una reducción de la presión del aire, según lo establece la Ley de Bernoulli. Esta reducción en la presión del aire provoca el enfriamiento, y cuando el aire se enfría más allá de su punto de rocío, el vapor de agua se condensa fuera del aire, produciendo gotitas de agua, que se vuelven visibles como una nube blanca. En términos técnicos, la "nube de Wilson" es también un ejemplo de la singularidad de Prandtl-Glauert en aerodinámica.
La forma de la onda de choque está influenciada por la variación de la velocidad del sonido con la altitud, y la temperatura y la humedad de las diferentes capas atmosféricas determina la aparición de las nubes de Wilson. Los anillos de condensación alrededor o por encima de la bola de fuego son una característica comúnmente observada. Los anillos alrededor de la bola de fuego pueden estabilizarse y convertirse en anillos alrededor del tallo ascendente. Las explosiones de mayor potencia provocan corrientes ascendentes intensas, donde la velocidad del aire puede alcanzar las 300 millas por hora (480 km/h). El arrastre de aire con mayor humedad, combinado con la caída asociada de presión y temperatura, conduce a la formación de faldas y campanas alrededor del tallo. Si las gotas de agua se vuelven lo suficientemente grandes, la estructura de la nube que forman puede volverse lo suficientemente pesada como para descender; de esta manera, se puede producir un tallo ascendente con una campana descendente alrededor. Las capas de humedad en la atmósfera, responsables de la aparición de los anillos de condensación en lugar de una nube esférica, también influyen en la forma de los artefactos de condensación a lo largo del tallo de la nube en forma de hongo, ya que la corriente ascendente provoca un flujo laminar. El mismo efecto sobre la parte superior de la nube, donde la expansión de la nube ascendente empuja hacia arriba una capa de aire cálido y húmedo de baja altitud hacia el aire frío de gran altitud, primero provoca la condensación del vapor de agua del aire y luego hace que las gotitas resultantes se congelen, formando casquetes de hielo (o casquetes de hielo), similares en apariencia y mecanismo de formación a las nubes de bufanda.
Las estructuras compuestas resultantes pueden volverse muy complejas. La nube Castle Bravo tenía, en varias fases de su desarrollo, 4 anillos de condensación, 3 casquetes de hielo, 2 faldas y 3 campanas.
La nube de hongos de la bomba de hidrógeno del castillo Bravo de 15 megatones, mostrando múltiples anillos de condensación, 1 de marzo de 1954.
La nube de hongos del castillo de 11 megatones Romeo prueba de bomba de hidrógeno, mostrando un anillo de condensación prominente.
La nube de hongos de la prueba de bomba de hidrógeno de la Unión del Castillo de 6.9 megatones, mostrando múltiples anillos de condensación.
La columna de agua de la prueba Crossroads Baker de 21 kilómetros, que implica una explosión nuclear subacuática, mostrando una nube prominente y esférica de Wilson.
La nube de hongos de la prueba Greenhouse George 225-kiloton, mostrando una campana bien desarrollada.
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