Теория
Ядерная физика
Всё о радиации и радиоактивности
Принципы ядерного распада в научных выкладках
Торий
Уран
Плутоний

Практика
Замечательное руководство для желающих пережить ядерную войну, развенчивающее ровно столько мифов, сколько понавешали на развесистое ядерное дерево.
Закон об использовании ядерной энергии
Атомные электростанции
Атомные новости
Атомная энергетика и её безопасность
Урановая промышленность
Обогащение урана
Ядерный ракетный двигатель

Оружие
Энциклопедия ядерного оружия
Музей ядерного оружия
Атомная артиллерия
Боеприпасы с обеднённыи ураном

Выделение огромного количества энергии, происходящее в ходе цепной реакции деления, приводит к быстрому разогреву вещества взрывного устройства до температур порядка 107 К. При таких температурах вещество представляет собой интенсивно излучающую ионизированную плазму. На этом этапе в виде энергии электромагнитного излучения выделяется около 80% энергии взрыва. Максимум энергии этого излучения, называемого первичным, приходится на рентгеновский диапазон спектра. Дальнейший ход событий при ядерном взрыве определяется в основном характером взаимодействия первичного теплового излучения с окружающей эпицентр взрыва средой, а также свойствами этой среды.

В случае если взрыв произведен на небольшой высоте в атмосфере, первичное излучение взрыва поглощается воздухом на расстояниях порядка нескольких метров. Поглощение рентгеновского излучения приводит к образованию облака взрыва, характеризующегося очень высокой температурой. На первой стадии это облако растет в размерах за счет радиационной передачи энергии из горячей внутренней части облака к его холодному окружению. Температура газа в облаке примерно постоянна по его объему и снижается по мере его увеличения. В момент когда температура облака снижается до примерно 300 тысяч градусов, скорость фронта облака уменьшается до величин, сравнимых со скоростью звука. В этот момент формируется ударная волна, фронт которой "отрывается" от границы облака взрыва. Для взрыва мощностью 20 кт это событие наступает примерно через 0.1 мсек после взрыва. Радиус облака взрыва в этот момент составляет около 12 метров.

Интенсивность теплового излучения облака взрыва целиком определяется видимой температурой его поверхности. На некоторое время воздух, нагретый в результате прохождения взрывной волны, маскирует облако взрыва, поглощая излучаемую им радиацию, так что температура видимой поверхности облака взрыва соответствует температуре воздуха за фронтом ударной волны, которая падает по мере увеличения размеров фронта. Через примерно 10 миллисекунд после начала взрыва температура во фронте падает до 3000°С и он вновь становится прозрачным для излучения облака взрыва. Температура видимой поверхности облака взрыва вновь начинает расти и через примерно 0.1 сек после начала взрыва достигает примерно 8000°С (для взрыва мощностью 20 кт). В этот момент мощность излучения облака взрыва максимальна. После этого температура видимой поверхности облака и, соответственно, излучаемая им энергия быстро падает. В результате, основная доля энергии излучения высвечивается за время меньшее одной секунды.

Формирование импульса теплового излучения и образование ударной волны происходит на самых ранних стадиях существования облака взрыва. Поскольку внутри облака содержится основная доля радиоактивных веществ, образующихся в ходе взрыва, дальнейшая его эволюция определяет формирование следа радиоактивных осадков. После того как облако взрыва остывает настолько, что уже не излучает в видимой области спектра, процесс увеличения его размеров продолжается за счет теплового расширения и оно начинает подниматься вверх. В процессе подъема облако увлекает за собой значительную массу воздуха и грунта. В течение нескольких минут облако достигает высоты в несколько километров и может достичь стратосферы. Скорость выпадения радиоактивных осадков зависит от размера твердых частиц, на которых они конденсируются. Если в процессе своего формирования облако взрыва достигло поверхности, количество грунта, увлеченного при подъеме облака будет достаточно велико и радиоактивные вещества оседают в основном на поверхности частиц грунта, размер которых может достигать нескольких миллиметров. Такие частицы выпадают на поверхность в относительной близости от эпицентра взрыва, причем за время выпадения их радиоактивность практически не уменьшается.

В случае если облако взрыва не касается поверхности, содержащиеся в нем радиоактивные вещества конденсируются в гораздо меньшие частицы с характерными размерами 0.01-20 микрон. Поскольку такие частицы могут достаточно долго существовать в верхних слоях атмосферы, они рассеиваются над очень большой площадью и за время, прошедшее до их выпадения на поверхность, успевают потерять значительную долю своей радиоактивности. В этом случае радиоактивный след практически не наблюдается. Минимальная высота, взрыв на которой не приводит к образованию радиоактивного следа, зависит от мощности взрыва и составляет примерно 200 метров для взрыва мощностью 20 кт и около 1 км для взрыва мощностью 1 Мт.

Ударная волна, формирующаяся на ранних стадиях существования облака взрыва, представляет собой один из основных поражающих факторов атмосферного ядерного взрыва. Основными характеристиками ударной волны являются пиковое избыточное давление и динамическое давление во фронте волны. Способность объектов выдерживать воздействие ударной волны зависит от множества факторов, таких как наличие несущих элементов, материал постройки, ориентация по отношению ко фронту. Избыточное давление в 1 атм (15 фунтов/кв. дюйм), возникающее на расстоянии 2.5 км от наземного взрыва мощностью 1 Мт, способно разрушить многоэтажное здание из железобетона. Для противостояния воздействию ударной волны военные объекты, особенно шахты баллистических ракет проектируют таким образом, чтобы они могли выдержать избыточные давления в сотни атмосфер. Радиус области, в которой при взрыве в 1 Мт создается подобное давление составляет около 200 метров. Соответственно, для поражения укрепленных целей особую роль играет точность атакующих баллистических ракет.

На начальных стадиях существования ударной волны ее фронт представляет собой сферу с центром в точке взрыва. После того как фронт достигает поверхности, образуется отраженная волна. Так как отраженная волна распространяется в среде, через которую прошла прямая волна, скорость ее распространения оказывается несколько выше. В результате, на некотором расстоянии от эпицентра две волны сливаются возле поверхности, образуя фронт, характеризуемый примерно в два раза большими значениями избыточного давления. Поскольку для взрыва данной мощности расстояние, на котором образуется подобный фронт, зависит от высоты взрыва, высоту взрыва можно подобрать для получения максимальных значений избыточного давления на определенной площади. Если целью взрыва является уничтожение укрепленных военных объектов, оптимальная высота взрыва оказывается очень малой, что неизбежно приводит к образованию значительного количества радиоактивных осадков.

Еще одним поражающим фактором ядерного оружия является проникающая радиация, представляющая собой поток высокоэнергетичных нейтронов и гамма-квантов, образующихся как непосредственно в ходе взрыва так и в результате распада продуктов деления. Наряду с нейтронами и гамма-квантами, в ходе ядерных реакций образуются также альфа- и бета-частицы, влияние которых можно не учитывать из-за того что они очень эффективно задерживаются на расстояниях порядка нескольких метров. Нейтроны и гамма-кванты продолжают выделяться в течение достаточно длительного времени после взрыва, оказывая воздействие на радиационную обстановку. К собственно проникающей радиации обычно относят нейтроны и гамма-кванты появляющиеся в течение первой минуты после взрыва. Подобное определение связано с тем, что за время порядка одной минуты облако взрыва успевает подняться на высоту, достаточную для того, чтобы радиационный поток на поверхности стал практически незаметен.

Интенсивность потока проникающей радиации и расстояние на котором ее действие может нанести существенный ущерб, зависят от мощности взрывного устройства и его конструкции. Доза радиации, полученная на расстоянии около 3 км от эпицентра термоядерного взрыва мощностью 1 Мт достаточна для того чтобы вызвать серьезные биологические изменения в организме человека. Ядерное взрывное устройство может быть специально сконструировано таким образом чтобы увеличить ущерб, наносимый проникающей радиацией по сравнению с ущербом, наносимым другими поражающими факторами (так называемое нейтронное оружие).

Процессы, происходящие в ходе взрыва на значительной высоте, где плотность воздуха невелика, несколько отличаются от происходящих при проведении взрыва на небольших высотах. Прежде всего, из-за малой плотности воздуха поглощение первичного теплового излучения происходит на гораздо больших расстояниях и размер облака взрыва может достигать десятков километров. Существенное влияние на процесс формирования облака взрыва начинают оказывать процессы взаимодействия ионизированных частиц облака с магнитным полем Земли. Ионизированные частицы, образовавшиеся в ходе взрыва, оказывают также заметное влияние на состояние ионосферы, затрудняя, а иногда и делая невозможным распространение радиоволн (этот эффект может быть использован для ослепления радиолокационных станций).

Одним из результатов проведения высотного взрыва оказывается возникновение мощного электромагнитного импульса, распространяющегося над очень большой территорией. Электромагнитный импульс возникает и в результате взрыва на малых высотах, однако напряженность электромагнитного поля в этом случае быстро спадает по мере удаления от эпицентра. В случае же высотного взрыва, область действия электромагнитного импульса охватывает практически всю видимую из точки взрыва поверхность Земли.

В случае если взрыв произведен под землей, на начальной стадии взрыва поглощение окружающей средой первичного теплового излучения приводит к образованию полости, давление в которой в течение менее чем микросекунды возрастает до нескольких миллионов атмосфер. Далее, в течение долей секунды в окружающей породе формируется ударная волна, фронт которой обгоняет распространение полости взрыва. Ударная волна вызывает разрушение породы в непосредственной близости от эпицентра и, ослабляясь по мере своего продвижения, дает начало серии сейсмических импульсов, сопровождающих подземный взрыв. Полость взрыва продолжает расширяться с несколько меньшей чем в начале скоростью, достигая в итоге значительных размеров. Так, радиус полости, образованной взрывом мощностью 150 кт может достичь 50 метров. На этом этапе стены полости представляют собой расплавленную породу. На третьем этапе газ внутри полости остывает, а расплавленная порода застывает на дне.

В течение следующей стадии, которая может длиться от нескольких секунд до нескольких часов, давление газов в полости падает так, что они больше неспособны выдерживать нагрузку верхних слоев породы, которые обрушиваются вниз. В результате образуется вертикальная сигарообразная структура, заполненная обломками породы. Размеры этой структуры зависят от характера породы, в которой произведен взрыв. В верхнем конце этой структуры остается полость, заполненная радиоактивными газами. В случае если взрыв произошел на недостаточно большой глубине, часть газов может выйти на поверхность.

В 1975 году в США был опубликован отчет «Общемировые долговременные эффекты широкомасштабного применения ядерного оружия». Согласно этому документу, эффект от пыли после ядерных взрывов относительно невелик. В 1979 году вышел правительственный отчет «Эффекты ядерной войны», где утверждалось, что ядерная война теоретически способна привести к необратимым неблагоприятным последствиям для окружающей среды. Но поскольку многие составляющие подобных процессов были изучены плохо, в отчёте указывалось, что оценить вероятный размер ущерба невозможно.

Тремя годами позже (1982 год) под эгидой Шведской академии наук была издана работа «Атмосфера после ядерной войны: сумерки в полдень», авторы которой попытались оценить эффект от горящих лесов и городов. Они предположили, что в результате пожаров возникнет так много дыма, что из-за огромного облака над северным полушарием уровень инсоляции Земли упадет ниже предела, необходимого для фотосинтеза, и этот эффект продлится, по крайней мере, несколько недель.

В следующем году группа из пяти ученых, включая Ричарда Турко и Карла Сагана опубликовала в журнале Science статью «Ядерная зима: глобальные последствия множественных ядерных взрывов». Это так называемый отчет TTAPS, в котором была предпринята попытка более строгой оценки вероятных атмосферных изменений, в основном, за счет использования актуальной компьютерной модели глобального климата.

В основе TTAPS лежит другое уравнение, которое не встречается в явном виде, но которое можно представить следующим образом:

Ds = Wn · Ws · Wh · Tf · Tb · Pt · Pr · Pe …

(количество пыли в тропосфере равняется произведению количества боеголовок, мощности боеголовок, высоты грибообразного облака, воспламеняемости пораженных целей, длительности горения целей, количества частиц, попавших в тропосферу, отражательной способности этих частиц, степени живучести вышеупомянутых частиц и т. д.).

Сходство с уравнением Дрейка поразительно. И здесь и там ни одну из переменных невозможно определить. Ни одну! В исследовании TTAPS частично обошли эту проблему, рассматривая сразу несколько сценариев военных действий и меняя соответствующие значения переменных, но все равно остаются переменные, значение которых неизвестно. Никто не знает, сколько пепла попадет в атмосферу, как долго будут гореть города, какие именно частицы образуются, и как долго всё это будет продолжаться. Никто не знает, как на количество частиц, попавших в тропосферу, повлияют местные погодные условия. Никто не знает, сколько частицы продержатся в тропосфере. И так далее.

Вспомним, что прошло всего четыре года, после того как авторы правительственного отчета признали, что процессы, лежащие в основе явления, столь плохо изучены, что никаких достоверных оценок сделать нельзя. Тем не менее, в TTAPS не только есть эти оценки, но и сделаны выводы о катастрофичности последствий.

Если верить Сагану и его коллегам, то даже ограниченного обмена ядерными ударами общей мощностью в 5 тысяч мегатонн хватит, для того чтобы средняя температура на планете упала более чем на 35 градусов Цельсия и оставалась на этой отметке три месяца. Самые сильные извержения вулканов, известные нам, понижают общемировую температуру примерно на 0,5–2 градуса. Во время ледниковых периодов температура падала на 10 градусов. А здесь у нас оценка втрое большая. Можно было бы ожидать, что она станет темой для дискуссии.

Однако Саган сотоварищи были готовы к этому, а публикации их работы о «ядерной зиме» предшествовала хорошо подготовленная медиакампания. Первое сообщение о «ядерной зиме» появилось в статье Сагана в воскресном приложении к Parade. Буквально на следующий день в Вашингтоне началась широко разрекламированная и привлекшая всеобщее внимание конференция, посвященная вопросам долговременных последствий ядерной войны. Под председательством Карла Сагана и Пола Эрлиха, наиболее известных и смекалистых в вопросах взаимоотношений со СМИ ученых того поколения. Саган появлялся на шоу Джимми Карсона сорок раз. Эрлих приходил на двадцать пять программ. За конференцией последовали пресс-конференции, встречи с конгрессменами и тому подобное. Официальные статьи в Science появились только несколько месяцев спустя.

Так наука не делается. Так продаются товары.

На вашингтонской конференции Эрлиху напомнили, как после Хиросимы и Нагасаки ученые предсказывали, что ничто не вырастет на месте этих городов в течение 75 лет, хотя на самом деле уже на следующий год там выращивали дыни. Так насколько же, спросили его, точны нынешние выкладки? Эрлих ответил: «Я думаю, они чрезвычайно точны. Ученые могут делать подобные заявления, несмотря на то, что я не могу представить, на чем они основывались, даже с учетом состояния науки в то время, но отдельный исследователь всегда может сказать что-то абсурдное. Здесь же мы представляем вам результаты консенсуса большой группы учёных».
***
Еще одно свидетельство политической природы этого проекта можно обнаружить, если проанализировать то, как апологеты «ядерной зимы» отвечали на критику. В отличие от Ричарда Фейнмана, который в своей обычной грубоватой манере заявил: «Сомневаюсь, что эти ребята знают, о чём говорят», другие видные ученые были куда менее разговорчивы. Как сказал Фримен Дайсон: «Это чудовищно с научной точки зрения, но кто хочет быть обвинен в поддержке ядерной войны?» Ему вторит Виктор Вайскопф: «С научной точки зрения это никуда не годится, но психологически все просчитано верно». Пропагандисты «ядерной зимы» реагировали на публикацию подобных высказываний письмами в редакции, отрицая, что эти заявления вообще имели место, хотя процитированные ученые позже подтвердили свои взгляды.
***
Заключительный аккорд прозвучал в 1991 году, когда Карл Саган в Nightline предсказал, что горящие нефтяные скважины в Кувейте спровоцируют эффект «ядерной зимы», что приведёт к «году без лета» и поставит под угрозу сбор урожая чуть ли не во всём мире. Саган так был уверен в своих словах, что даже предлагал изменить планы военной кампании. Но ни один из его прогнозов не сбылся.

По прошествии года «ядерная зима», по-видимому, закончится.