Поражающие факторы ядерного взрыва

В зависимости от задач, решаемых применением ядерного оружия, характера и местонахождения объектов ядерных ударов, ядерные взрывы могут осуществляться в воздухе на различной высоте, у поверхности земли (воды) и под землей (водой). Соответственно этому различают воздушный, наземный (надводный) или подземный (подводный) взрывы.

К воздушным ядерным взрывам относятся взрывы в воздухе на такой высоте, когда светящаяся область взрыва не касается поверхности земли (воды). Такого рода взрывы могут применяться для разрушения городских и промышленных зданий, для поражения людей и техники на поле боя, для поражения самолетов на аэродромах. Воздушные взрывы в этих случаях могут производиться на высоте нескольких сотен и тысяч метров над землей (низкий воздушный взрыв). Воздушный ядерный взрыв может быть применен для поражения летящих самолетов и самолетов-снарядов, ракет. В этом случае взрыв будет произведен на больших высотах над поверхностью земли (высокий ядерный взрыв).

К наземным (надводным) ядерным взрывам относятся взрывы на поверхности земли или воды или же в воздухе на небольшой высоте, когда светящаяся область касается поверхности земли (воды).

Наземный (надводный) взрыв может, применяться для разрушения различных наземных сооружений, аэродромов, железнодорожных узлов, убежищ тяжелого типа, а также для поражения надводных кораблей. Такой взрыв может быть произведен на высоте нескольких десятков метров над землей (водой) или непосредственно у поверхности земли (воды).

Точку на поверхности земли (воды), над которой произошел взрыв, называют эпицентром взрыва.

Подземный ядерный взрыв может применяться для разрушения особо прочных подземных сооружений, аэродромов, подземных заводов и складов. Наземный или подземный взрыв иногда может быть применен также для заражения местности в тылу противника радиоактивными веществами.

Подводный ядерный взрыв может быть применен для поражения подводных лодок, надводных кораблей и для разрушения разного рода гидротехнических сооружений.

Для уничтожения баллистических ракет на очень больших высотах и в космическом пространстве также могут быть использованы ядерные заряды. Такого рода ядерные взрывы можно отнести к космическим.

Наблюдаемые при ядерном взрыве явления в значительной мере зависят от вида взрыва.

Ядерный взрыв в воздухе начинается кратковременной ослепительной вспышкой (миллисекунды). Благодаря быстрому выделению энергии температура в зоне реакции достигает нескольких миллионов градусов. Вслед за вспышкой в воздухе образуется огненный шар.

В результате ядерного взрыва при огромных температурах происходит увеличение давления в зоне реакции. За короткое время огненный шар достигает значительных размеров. К концу третьей секунды с момента взрыва ядерного боеприпаса средней мощности огненный шар достигает в поперечнике примерно 300 м.

Вследствие расхода энергии на нагревание воздуха и излучения ее в окружающее пространство, а также в результате увеличения размеров светящейся области температура, а, следовательно, и интенсивность излучения световой энергии уменьшаются, и светящаяся область превращается в облако взрыва.

Поверхность огненного шара является источником электромагнитных излучений, главным образом в виде светового излучения.

Рис. Развитие воздушного ядерного взрыва: а — вспышка, б — огненный шар; в — грибовидное облако

Сразу же после взрыва часть энергии излучается в виде мягких рентгеновских лучей, которые практически полностью поглощаются слоем воздуха, окружающим компоненты взрыва. С ростом температуры до 8000°С излучаются преимущественно ультрафиолетовые лучи, а по мере ее уменьшения примерно до 2000°С испускаются в основном видимые и инфракрасные лучи. Таким образом, световое излучение включает в себя лучи инфракрасного, видимого и ультрафиолетового участков спектра. Через 2—3 с или более, в зависимости от мощности взрыва, действие светового излучения прекращается.

Наряду с испусканием светового излучения происходит расширение огненного шара, на передней границе которого создается слой сжатого воздуха. Характерными особенностями этого слоя воздуха являются резкий скачок давления на передней границе, а также сверхзвуковая скорость его распространения. Область высокого давления, распространяющаяся от места взрыва со сверхзвуковой скоростью, называется ударной волной, а его передняя граница — фронтом ударной волны.

Ударная волна в начальной фазе своего развития движется совместно с расширяющимся огненным шаром. В связи с тем, что воздух в ударной волне сильно сжат и нагрет, температура в ударной волне возрастает до нескольких тысяч градусов.

Огненный шар и ударная волна первоначально распространяются совместно. После того как скорость расширения огненного шара станет меньше скорости распространения ударной волны, последняя отрывается от поверхности огненного шара и распространяется самостоятельно. Отрыв ударной волны приводит к тому, что непосредственно за зоной сжатия образуется зона разрежения. Ударная волна с этого момента включает как область повышенного давления, так и следующую за ней область разрежения, или пониженного давления.

В огненном шаре сосредоточены радиоактивные осколки деления, непрореагировавшие ядра и радиоактивные ядра, образовавшиеся под воздействием нейтронов. Поэтому одновременно с ударной волной и световым излучением из зоны ядерного взрыва распространяется мощный поток гамма-лучей и нейтронов, которые образуются в ходе ядерной реакции и процессе распада осколков деления. Хотя в процессе ядерных реакций образуются и другие виды радиоактивных излучений (α- и β-частицы), но из-за малой проникающей способности они не могут распространяться на значительные расстояния от центра взрыва.

Гамма-лучи и нейтроны обладают свойством проникать через значительные толщи различных материалов. По этой причине гамма-лучи и нейтроны, испускаемые при ядерном взрыве, принято называть проникающей радиацией.

Основным источником гамма-излучения при ядерном взрыве являются радиоактивные осколки деления. Нейтроны испускаются в основном непосредственно в процессе реакции деления, и только незначительная часть их — с радиоактивными осколками. Основная часть нейтронов поглощается корпусом боеприпаса и поэтому поверхности земли не достигает.

Завершающая фаза ядерного взрыва — образование грибовидного облака. Примерно через 10 с после взрыва свечение огненного шара прекращается, ударная волна переходит в звуковую и исчезает, горячие продукты взрыва поднимаются вверх и расширяются; образуется характерное для ядерных взрывов грибовидное облако. Восходящие потоки воздуха поднимают столб пыли. При низких воздушных взрывах столб пыли быстро догоняет облако и соединяется с ним.

Подъем облака продолжается до тех пор, пока его плотность в результате остывания станет равной плотности окружающего воздуха. Время подъема облака на максимальную высоту составляет около 7—10 мин.

Высота подъема облака и его размеры зависят от мощности ядерного взрыва. Так, например, при взрыве мощностью 30 килотонн верхняя кромка облака достигает максимальной высоты 10 — 11 км.

Втягиваемая в облако с поверхности земли пыль содержит радиоактивные вещества, образовавшиеся в грунте в непосредственной близости к эпицентру взрыва под воздействием нейтронов. Вначале температура в облаке настолько высока, что попавшаяся в него пыль частично расплавляется.

Плотность облака остается меньше плотности воздуха, поэтому облако поднимается вверх; вместе с тем оно, как правило, относится ветром от места взрыва. Выпавшие радиоактивные вещества создают радиоактивное заражение местности и объектов.

Приход ударной волны, скорость распространения которой оказывается выше скорости звука, сопровождается мощным громоподобным звуком. Звук взрыва может быть слышен на расстоянии многих десятков километров.

Взрыв водородной бомбы внешне характеризуется теми же признаками, что и взрыв ядерной бомбы. Однако вследствие большей мощности водородных бомб все видимые явления, сопровождающие взрыв, выглядят значительно грандиознее.

Высотный и космический ядерные взрывы внешне имеют свои особенности. Картина высотного ядерного взрыва напоминает воздушный взрыв, однако при этом взрыве с земли не поднимается столб пыли. При взрыве наблюдаются огненный шар и клубящееся облако.

При высотном ядерном взрыве поражение летящего самолета происходит или вследствие разрушения конструкции самолета под действием ударной волны и светового излучения, или в результате гибели его экипажа от проникающей радиации.

Ядерный взрыв в космосе происходит на такой высоте, на которой плотность воздуха практически равна нулю. Поэтому энергия взрыва передается только тому веществу, из которого состоит ядерный заряд и связанные с ним устройства, например ракета-носитель. Разогреваясь до очень высокой температуры, все это вещество испаряется и превращается в сильно ионизированный газ. В отличие от всех других видов взрыва значительная часть энергии при космическом взрыве излучается в окружающее пространство в виде световых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Эти два вида излучения воздухом не поглощаются — они воздействуют на летящий объект, разогревая его до высокой температуры. Так как космический взрыв происходит в безвоздушном пространстве, ударной волны при этом не образуется. Для наземных объектов ядерный взрыв на высоте в несколько сотен километров не представляет большой опасности. Однако он может вызвать помехи в работе радиосредств.

Наземный ядерный взрыв. В отличие от воздушного взрыва светящаяся область наземного ядерного взрыва соприкасается с землей. При этом светящаяся область в начале имеет форму полушария, лежащего основанием на поверхности земли. В зоне соприкосновения светящейся области с землей поверхностный слой грунта под действием огромных давлений и высокой температуры размельчается, расплавляется, частично превращается в пар, перемешиваясь при этом с радиоактивными продуктами взрыва.

При наземном взрыве большое количество грунта втягивается воздушными потоками в облако. Некоторая часть расплавленного грунта после остывания превращается в стекловидный сильно радиоактивный шлак черного или серого цвета, который покрывает поверхность земли в радиусе нескольких сотен метров от эпицентра взрыва.

Существенным отличием наземного взрыва от воздушного является то, что возникающие при наземном взрыве сильные воздушные потоки на поверхности земли приводят к образованию значительно более мощного пылевого облака и столба пыли, чем при воздушном взрыве.

При наземном взрыве обычно образуется воронка, размеры которой тем значительней, чем ниже центр взрыва и чем больше мощность взрыва.

Подземный ядерный взрыв. При подземном ядерном взрыве вспышка и светящаяся область взрыва могут не наблюдаться, так как все процессы с раскаленными и сильно сжатыми газами и парами происходят под землёй. Подземный ядерный взрыв приводит к образованию в грунте сильной ударной волны, которая, распространяясь, вызывает колебания в поверхностном слое земли, напоминающие землетрясение.

При неглубоких взрывах пары и газы прорываются на поверхность земли, выбрасывают грунт и образуют большую воронку, размеры которой зависят от мощности заряда, глубины взрыва и типа грунта: Выброшенный из воронки грунт, перемешиваясь с радиоактивными продуктами взрыва, оседает на землю, покрывая местность в районе взрыва слоем толщиной в несколько десятков сантиметров. Вследствие этого в районе воронки подземного взрыва радиоактивное заражение местности значительно больше по сравнению с воздушным и наземным взрывами.

При подземном взрыве проникающая радиация, и в особенности световое излучение, значительно слабее, чем при воздушном или наземном. Характерного грибовидного облака при подземном взрыве обычно не образуется.

Подводный ядерный взрыв. Для внешней картины подводного взрыва характерным является то, что вспышка и светящаяся область взрыва, как правило, не видны. При подводном взрыве раскаленные продукты взрыва образуют в воде светящуюся область в виде газового пузыря; в месте взрыва на поверхности воды наблюдается ярко освещенное пятно. Энергия, излучаемая светящейся областью, расходуется в основном на испарение и нагревание окружающих слоев воды.

Вследствие быстрого расширения газового пузыря в воде образуется мощная ударная волна. При подводном взрыве (на небольшой глубине) поднимается столб воды, достигающий высоты нескольких километров. Над ним образуется облако, состоящее главным образом из паров воды, которое увеличивается в размерах, достигая нескольких сотен метров в диаметре.

Спустя несколько секунд после взрыва из столба начинается падение воды, не разогретой до газообразного состояния. При этом у основания столба образуется огромное облако, состоящее из мелких капель воды. По мере падения массы воды это облако быстро расширяется в высоту. Одновременно с этим из облака выпадает радиоактивный дождь. Через некоторое время подъем водяного столба прекращается и начинается его разрушение.

При подводном взрыве на поверхности воды образуются волны, высота которых на малом расстоянии от места взрыва может достигать нескольких десятков метров. По мере удаления от места взрыва высота волн быстро уменьшается. Если подводный взрыв происходит в неглубоком водоеме, то на дне его образуется большая воронка, и в воздух вместе с водой поднимается значительное количество грунта.

Таким образом, ядерный взрыв отличается от взрыва обычных боеприпасов не только большей мощностью, но также и тем, что наряду с ударной волной, характерной для взрыва обычных боеприпасов, он может нанести поражение световым излучением, проникающей радиацией и образующимися при взрыве радиоактивными веществами. Ядерный взрыв сопровождается выделением огромного количества энергии и способен на значительном расстоянии мгновенно поразить незащищенных людей, открыто стоящую технику, сооружения и различные материальные средства.

К поражающим факторам ядерного взрыва относятся:

Ø ударная волна,

Ø световое излучение,

Ø проникающая радиация,

Ø радиоактивное заражение местности,

Ø электромагнитный импульс.

Основным поражающим фактором ядерного взрыва принято считать ударную волну, на образование которой расходуется около 50% всей энергии ядерного взрыва. На световое излучение приходится около 35%, а на долю проникающей радиации — 4%, радиоактивного заражения местности — 10% и электромагнитного импульса — 1% энергии ядерного взрыва.

Ударная волна и ее поражающее действие. Ударная волна представляет собой область сильно сжатого воздуха, распространяющегося с большой скоростью во все стороны от центра взрыва.

Ударная волна может наносить поражения людям, разрушать и повреждать боевую технику, сооружения. При взрыве ядерных бомб над японскими городами непосредственное воздействие ударной волны на людей не явилось основной причиной их гибели и ранений. Главную роль играло косвенное воздействие ударной волны, - поражения под влиянием вторичных факторов: обрушивающихся зданий, обломков, бревен и других предметов, увлекаемых ударной волной. Косвенное воздействие ударной волны приводило к поражению людей на значительных расстояниях: случаи ранения людей обломками зданий были отмечены на расстоянии до 3200—3700 м от эпицентра взрыва, а тяжелые ранения — до 2000 м. Вследствие косвенного воздействия ударной волны больше всего жертв оказалось среди людей, находившихся в помещениях, в которых вероятность поражения обломками разрушаемых зданий была наибольшей.

В числе пострадавших в Хиросиме и Нагасаки приблизительно 70% имели открытые раны (порезы и рваные раны), а ушибы (контузии) и переломы — 10 - 20%. Более 60% открытых ранений было вызвано летящими предметами (осколки стекла, обломки строений) и свыше 50% ушибов было нанесено обломками обрушившихся зданий. Повреждения, причиненные людям летящими предметами и обломками разрушенных зданий, составили 70 - 80% всех травм.

Световое излучение и его поражающее действие. Источником светового излучения ядерного взрыва является светящаяся область, состоящая из раскаленных продуктов взрыва и раскаленного воздуха. Температура воздуха в светящейся области огромна. Некоторую долю времени температура светящейся области сравнима с температурой поверхности Солнца (около 6000°С).

Световое излучение при ядерном взрыве длится несколько секунд. Несмотря на кратковременность действия, световое излучение способно вызывать у людей ожоги различных степеней, а также возгорание материалов.

Около 50% всех смертельных случаев после ядерных бомбардировок японских городов Хиросима и Нагасаки было вызвано различного рода ожогами, причем из этого числа 20 — 30% случаев было вызвано ожогами от светового излучения, а остальные — ожогами пламенем от возникших пожаров.

Ожоги, вызываемые световым излучением, по внешнему виду не отличаются от обычных ожогов пламенем. Световое излучение в первую очередь воздействует на открытые части тела: кисти рук, лицо, шею, глаза.

Значительное ослабление воздействия светового излучения ядерного взрыва наблюдается при тумане, выпадении снега, дождя и т. д.

Свет, излучаемый вспышкой ядерного взрыва, как и солнечный свет, распространяется прямолинейно и не проникает через непрозрачные материалы. Поэтому любая преграда (стена, укрытие, густой лес, сад, брезент и т. д.) способны создать тень и защитить людей или объекты от прямого воздействия света.

Проникающая радиация. При ядерном взрыве испускаются гамма-лучи и нейтроны, которые распространяются от центра взрыва на значительные расстояния. Время действия проникающей радиации не превышает 10-15 с с момента взрыва.

Гамма-лучи и нейтроны, проходя через вещество, ионизируют его атомы. В результате ионизации атомов, входящих в состав живого организма, возникает особая форма заболевания — лучевая болезнь.

При ядерной бомбардировке американцами Хиросимы и Нагасаки на расстоянии до 1200 м от эпицентра взрыва число опасных поражений проникающей радиацией доходило до 50%, а на расстоянии более 2000 м таких случаев отмечено не было. Количество смертельных случаев поражения людей проникающей радиацией было в пределах 5 - 15% от общего числа пострадавших. Это поражающее действие радиации на незащищенных людей отмечалось на расстоянии до 800 м от эпицентра взрыва.

Радиоактивное заражение. Возникает в результате выпадения радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва. Такое облако содержит: малую часть ядерного заряда, которая не участвовала в реакции деления и распыляется в облаке; продукты деления веществ, составляющих ядерный заряд (около 200 радиоактивных изотопов тридцати шести химических элементов); наведённую активность, возникающую в результате воздействия потока нейтронов ядерного взрыва на некоторые химические элементы, входящие в состав грунта, оказавшегося в облаке (натрий, кремний и др.).

Существенной особенностью радиоактивного заражения является то, что его нельзя обнаружить ни по цвету, ни по вкусу, ни по запаху. Наличие этого заражения может быть установлено лишь с помощью дозиметрического контроля.

Радиоактивные вещества попадают внутрь организма чаще всего вместе с воздухом, особенно при передвижениях по зараженным пыльным дорогам. Кроме того, радиоактивные вещества могут быть занесены в организм вместе с пищей, водой, при соприкосновении с зараженными предметами.

Радиоактивные вещества, попавшие в достаточно большом количестве на кожу, особенно на слизистые оболочки глаз, носа и рта, могут вызывать воспаления и язвы.

Проникая в организм, радиоактивные вещества разносятся по всему телу и могут вызывать лучевые заболевания.

Поражающее действие радиоактивного заражения, так же как и проникающей радиации, определяется суммарной дозой радиации, полученной за все время облучения.

Электормагнитный импульс. Ядерный взрыв сопровождается электромагнитным излучением в виде мощного и весьма короткого импульса. При ядерном взрыве в окружающую природную среду одномоментно испускается огромное количество гамма-квантов и нейтронов, которые взаимодействуют с атомами среды, сообщая им импульс энергии. Эта энергия идет на ионизацию атомов и сообщение электронам и ионам поступательного движения от центра взрыва. Так как масса электрона значительно меньше массы атома, то электроны приобретают высокую скорость, а ионы остаются практически на месте.

Эти электроны называют первичными. Их энергии достаточно для дальнейшей ионизации среды, причем каждый первичный (быстрый) электрон образует до 30000 вторичных (медленных) электронов и положительных ионов. Под действием электрического поля от оставшихся положительных ионов вторичные электроны начинают двигаться к центру взрыва и вместе с положительными вторичными ионами создают электрические поля и токи, компенсирующие первичные. Из-за огромной разницы в скоростях первичных и вторичных электронов процесс компенсации длится значительно дольше, чем процесс их возникновения. В результате возникают кратковременные электрические и магнитные поля, которые и представляют собой электромагнитный импульс (ЭМИ), что характерно лишь для ядерного взрыва.

Нейтроны в области взрыва захватываются атомами азота воздуха, создавая при этом гамма-излучение, механизм воздействия которого на окружающий воздух аналогичен первичному гамма-излучению, то есть способствует поддержанию электромагнитных полей и токов.

С высотой плотность атмосферного воздуха уменьшается, и в месте взрыва наблюдается асимметрия в распределении электрического заряда. Этому может способствовать и асимметрия потока гамма-квантов, различная толщина оболочки ядерного боеприпаса и наличие магнитного поля Земли. Вследствие указанных причин электромагнитные поля теряют сферическую симметрию и при наземном ядерном взрыве приобретают вертикальную направленность.

Основными параметрами ЭМИ, определяющими его поражающее действие, являются: форма импульса (характер изменения напряженности электрической и магнитной составляющих поля во времени) и амплитуда импульса (максимальная величина напряженности поля). Диапазон частот ЭМИ простирается до 100 МГц, но основная его энергия приходится на частоты 10 - 15 кГц.

Район, где гамма-излучение взаимодействует с атмосферой, называется районом источника ЭМИ. Плотная атмосфера на малых высотах ограничивает эффективное распространение гамма-квантов до сотен метров, то есть при наземном ядерном взрыве площадь этого района занимает несколько квадратных километров. При высотном ядерном взрыве гамма-кванты проходят сотни километров до полной потери энергии из-за большой разреженности воздуха, то есть район источника ЭМИ значительно больше: диаметр до 1600 км, а глубина до 20 км. Его нижняя граница находится на высоте около 18 км. Большие размеры района источника ЭМИ при высотном ядерном взрыве приводят к поражению электромагнитным импульсом в местах, где не действуют другие поражающие факторы этого ядерного взрыва. Такие районы могут отстоять от места взрыва на тысячи километров Показательным примером подобного случая является проведение ядерных испытаний в атмосфере в августе 1958 г. В момент произведенного США термоядерного взрыва мощностью 1 Мт за пределами атмосферы над островом Джонстон в 1000 км от эпицентра взрыва, на Гавайях, погасло уличное освещение. Это произошло в результате воздействия ЭМИ на линии электропередач, которые сыграли роль протяженных антенн.

Величина ЭМИ может быть разной: от десятков до сотен киловольт на метр антенны. Так как время нарастания ЭМИ составляет миллиардные доли секунды, то обычные электронные системы могут не обеспечить защиту работающего в момент действия ЭМИ электронного оборудования, которое получит огромную перегрузку и может выйти из строя.

Воздействие ЭМИ может привести к выходу из строя электро- и радиотехнических элементов, связанных с антеннами и длинными линиями связи, из за появления значительных токов, которые наводятся и распространяются на десятки и сотни километров от места взрыва, то есть за пределами действия других поражающих факторов. Если через эти зоны будут проходить линии указанной длины, то наведенные в них токи будут распространяться за пределы указанных зон и выводить из строя аппаратуру, особенно ту, что работает при малых напряжениях (на полупроводниках и интегральных схемах), вызывать короткие замыкания, ионизацию диэлектриков, портить магнитные записи, лишать памяти ЭВМ. По этой же причине могут быть выведены из строя системы оповещения, управления и связи, установленные в убежищах.

Непосредственного действия на человека ЭМИ не оказывает. Поражение людей из-за воздействия ЭМИ может возникнуть при контакте с токоведущими объектами.

В настоящее время разрабатываются и находятся на вооружении боеприпасы, основанные на использовании преимущественно какого либо одного поражающего фактора. Например, существует разновидность ядерного оружия – нейтронные боеприпасы (с термоядерным зарядом малой мощности), поражающее действие которых в основном определяется воздействием потока быстрых нейтронов и гамма-лучей. Оружие предназначено для поражения живой силы противника при максимальном сохранении материальных ценностей. Так, при взрыве нейтронного боеприпаса мощностью 1 Кт в радиусе до 1 км люди будут погибать непосредственно от действия потока нейтронов и гамма-лучей, а в радиусе до 2 км – получать тяжелую лучевую болезнь, в результате которой большая часть людей погибнет в течение нескольких недель.

Если обычные боеприпасы снарядить радиоактивными изотопами, то подрыв их приведёт к радиоактивному заражению местности (радиологическое оружие).

Заряды, создающие главным образом электромагнитный импульс, выводят из строя или создают помехи в работе электронных устройств.