השפעות פיצוץ גרעיני

ההשפעה של פיצוץ גרעיני על סביבתו הקרובה הרסנית לאין שיעור מהשפעתו של פיצוץ קונבנציונלי. האנרגיה המשוחררת עקב פיצוץ גרעיני המתרחש בטרופוספירה היא:
אנרגיית פיצוץ - 50-40% מהאנרגיה הכוללת
קרינה תרמית - 50-30% מהאנרגיה הכוללת
קרינה מייננת - 5% מהאנרגיה הכוללת
נשורת גרעינית - 10-5% מהאנרגיה הכוללת

ברם, כתלות בתכנון הנשק ובסביבה בה נוסה, פילוג האנרגיה שלעיל יכול לגדול או לקטון עד לביטול מוחלט. השפעת הפיצוץ היא תוצאה של כמויות אדירות של אנרגיה בכל הספקטרום האלקטרומגנטי.
אופי הסביבה בה מתרחש הפיצוץ קובע כמה אנרגיה היא אנרגיית פיצוץ וכמה היא אנרגיית קרינה. סביבה תת-מימית יוצרת סביב הפצצה אזורים צפופים יותר, אשר קולטים יותר אנרגיה ויוצרים גלי הדף חזקים יותר, אך בד בבד מגבילים את אזור ההשפעה.

האנרגיה המשתחררת בעת פיצוץ גרעיני היא מיליוני פעמים חזקה יותר מזו המשתחררת בעת פיצוץ רגיל. הטמפרטורה בעת הפיצוץ נמדדת רגעית בעשרות מיליוני מעלות 20 קילומטר רדיוס

חלק מהאנרגיה המשתחררת בעת פיצוץ גרעיני משתחררת כקרינה חודרת. כאשר קיים חומר סובב כמו אוויר, סלעים או מים הקרינה מחממת את החומר במהירות לטמפרטורת שווי משקל. הדבר גורם לרתיחה של החומר הסובב והתפשטותו המהירה. אנרגיה קינטית הנוצרת על ידי ההתפשטות תורמת להיווצרות גל הדף. כאשר הפיצוץ הגרעיני מתרחש באוויר בקרבת גובה פני הים, רוב האנרגיה המשוחררת יוצרת גל הדף אשר מתרחב בצורת כדור ממרכז הפיצוץ. קרינה תרמית חזקה באזור מרכז הפיצוץ יוצרת כדור אש ואת ענן הפטרייה. בעת פיצוץ בגובה רב יותר, בשל צפיפות נמוכה יותר של האוויר, משתחררת יותר אנרגיה כקרינת גמא מייננת וכקרני רנטגן ולא כגל הדף.

בשנת 1945 הייתה סברה בקרב מדענים, אשר פיתחו את כלי הנשק הגרעיניים הראשונים, כי קיימת אפשרות שפיצוץ גרעיני גדול מספיק יוכל להבעיר את האטמוספירה של כדור הארץ. תגובה גרעינית של שני אטומי חנקן תייצר אטום פחמן ואטום חמצן בנוסף לאנרגיה שתשתחרר בתגובה. אנרגיה זו תחמם את החנקן הנותר במידה מספקת על מנת להמשיך את התגובה עד שכל אטומי החנקן יתכלו. הדבר הוכח עד מהרה כלא סביר עד בלתי אפשרי, אך הסברה המשיכה להתקיים כשמועה במהלך שנים רבות.

 השפעות ישירות 
 נזק בעת הפיצוץ

ממוזער|200px|שמאל|עודף לחץ נוצר בטווח שבין 1 ל-50 psi עבור התפוצצות 1 קילוטון חומר נפץ כפונקציה של גובה הפיצוץ. הקו השחור מצביע על גובה הפיצוץ האופטימלי.
ממוזער|ימין|300px|הערכה לגבי גודל הנזק שנגרם בעת ההפצצה על הירושימה ונגסקי. פצצת מימן מודרנית עשויה להיות מאות מונים חזקה יותר ולגרום לרמות דומות של נזק במרחק הגדול פי 2 עד 5 פעמים.
הטמפרטורות הגבוהות והלחצים גורמים לגז לנוע החוצה באופן רדיאלי בקליפה דקה וצפופה הקרויה "החזית ההידרודינמית". החזית מתנהגת כבוכנה הדוחקת ומכווצת את התווך באזור הפיצוץ על מנת ליצור גל הלם המתרחב באופן כדורי. בתחילה, גל ההלם מצוי בתוך המשטח של כדור האש הגדל, אשר נוצר בגלל חימום האוויר שבסמוך למוקד הפיצוץ על ידי קרני הרנטגן. ברם, בתוך חלקיק שנייה חזית הלחץ הכדורית הצפופה חולפת על פני כדור האש; מכיוון שהאוויר שבחזית הלחץ מתלהט ומתיינן עד כדי הפיכתו לפלזמה, חזית הלחץ ממסכת את מעבר הקרינה האלטרומגנטית (התרמית) ממוקד הפיצוץ ובכך מסתירה את כדור האש. לאחר פרק זמן קצר, במהלכו טמפרטורת האוויר בחזית גל ההלם צונחת והוא הופך למיונן פחות, הקרינה העזה ממוקד הפיצוץ נחשפת שוב. זהו האפקט המוכר של "ההבזק הכפול" הנצפה בעת פיצוץ גרעיני; אפקט זה של הבזק כפול הוא סימן היכר ייחודי לפיצוצים גרעינים שמאפשר לזהותם ולהבדיל בינם לבין פיצוצים קונבנציונליים גדולים.

רוב ההרס הנוצר על ידי פיצוץ גרעיני נובע מהשפעות ההדף. רוב המבנים, למעט מבנים מחוזקים או חסיני הדף, ינזקו נזק בינוני עד קשה כאשר יהיו תחת לחץ יתר של 0.35 אטמוספירות.

רוח ההדף עשויה להגיע למהירות של מאות קילומטרים בשעה. טווח ההדף משתנה כתלות בעוצמת הנשק ובגובה הפיצוץ. טווח הפיצוץ אינו מקסימלי כאשר הפיצוץ מבוצע על פני הקרקע או באזורים נמוכים אלא הוא גדל ככל שגובה הפיצוץ גדל עד לנקודת אופטימום שממנה והלאה הטווח קטן עם הגדלת הגובה. הסיבה לכך היא ההתנהגות הלא ליניארית של גלי ההדף. אם גל ההדף מגיע לקרקע הוא מוחזר. מתחת לזווית החזרה מסוימת מתאחדים הגל הפוגע והגל המוחזר ויוצרים גל אופקי מחוזק הקרוי עמוד מאך על שם ארנסט מאך.

ישנן שתי תופעות הקשורות בגל ההדף הנע באוויר:
לחץ עודף סטטי - עליה חדה בלחץ הנגרמת על ידי גל ההלם. הלחץ העודף בכל נקודה נתונה תלוי ישירות בצפיפות האוויר בגל.
לחץ עודף דינמי - כוח התנגדות המופעל על ידי רוחות ההדף. הרוחות מסוגלות לדחוף, להפוך ולהרוס עצמים.

רוב הנזק הנגרם לחומר על ידי פיצוץ אוויר גרעיני נגרם על ידי צירוף של לחץ עודף סטטי גבוה ורוחות ההדף. הדחיסה הארוכה של גל ההדף מחלישה מבנים, אשר אז נקרעים לחלקים. פאזות הדחיסה, הוואקום והלחץ עשויות להמשך מספר שניות או יותר ולהפעיל כוחות גדולים בהרבה מסופת ההוריקן החזקה ביותר.

גלי ההדף אשר פוגעים בגוף האדם גורמים לגלי לחץ העוברים דרך הרקמות. הגלים הללו פוגעים לרוב בצמתים בין רקמות בעלות צפיפויות שונות (עצם ושריר) או בממשק המקשר בין הרקמה והאוויר. הלחץ העודף הפוגע בריאות הוא כ-70 kPa. עור התוף יקרע בלחץ שבין 22 kPa לבין 90 kPa.

 קרינה תרמית 
ממוזער|שמאל|250 px|
גובה ענן הפטרייה תלוי בעוצמה עבור פיצוצים המתרחשים על פני הקרקע. 0 = גובה של טיסות אזרחיות1 = איש שמן2 = Castle Bravo.

נשק גרעיני פולט קרינה אלקטרומגנטית בכמויות גדולות. הקרינה נפלטת בצורת אור נראה, אור אינפרה אדום ואור אולטרה סגול. רוב הסכנות הן כוויות ופגיעות עיניים. בימים בהירים, הפציעות עשויות להתרחש הרבה מעבר לטווחי הפיצוץ. האור הוא כה חזק שהוא יכול להצית אש שתתפשט במהירות בהריסות שיותיר ההדף. טווח האפקטים התרמיים גדל משמעותית כתלות בעוצמת הנשק. לקרינה התרמית נתח של 35–45 אחוזים מהאנרגיה המשתחררת בפיצוץ, כתלות בעוצמת הנשק.

קיימים שני סוגים של פגיעות עיניים כתוצאה מקרינה תרמית של נשק גרעיני:

עיוורון הבזק אור נוצר בשל הבזק התחלתי של אור אשר נוצר בעת פיצוץ גרעיני. הרשתית קולטת אנרגיית אור בכמות גדולה מכפי יכולתה, אולם פחות מהכמות הדרושה לנזק בלתי הפיך. הרשתית רגישה במיוחד לאור נראה וכן לאור אינפרה אדום בעל גל קצר. הסיבה היא שהעדשה על הרשתית ממקדת את החלק הזה של הספקטרום האלקטרומגנטי. התוצאה היא הלבנה של הפיגמנטים האחראים על הראייה וכתוצאה מכך עיוורון זמני לפרק זמן של עד 40 דקות.

ימין|ממוזער|300px|כוויות שנוצרו על גופה של אישה לאחר ההפצצה בהירושימה

כווית הרשתית היוצרת נזק תמידי נגרמת גם מריכוז אנרגיה תרמית ישירה על הרשתית על ידי העדשה. הכוויה תתרחש רק במידה וכדור האש בשדה הראייה של הפרט ולכן זו פציעה נדירה. עם זאת כוויות רשתית עשויות להיגרם גם במרחקים גדולים מאזור הפיצוץ. הדבר תלוי בעוצמת הנשק ובגודל כדור האש.

כאשר קרינה תרמית פוגעת בעצם נתון, חלק מהקרינה מוחזרת, חלק מועברת וחלק נספגת בתוך העצם. החלק שנספג תלוי באופי ובצבע החומר ממנו עשוי החפץ. חומר דק עשוי להעביר הרבה. חומר בעל צבע בהיר עשוי להחזיר את רוב הקרינה ולא להנזק. הקרינה התרמית הנספגת מעלה את טמפרטורת המשטח וגורמת לשרפה של עץ, נייר, בדים וחומרים נוספים. אם החומר מהווה מוליך תרמי גרוע, החום יכלא באזור המשטח של החומר.

תבערה של חומרים תלויה בפרק הזמן שבו נמשך הפולס התרמי ובעובי ובלחות המטרה. ליד אזור הפיצוץ שטף האנרגיה גדול מ-125 ג'אול לסנטימטר מרובע וכל דבר שיכול להישרף ישרף. במרחק רב יותר, רק חומרים שקל להבעירם יעלו באש.

בעיר הירושימה, התפתחה סופת אש אדירת ממדים תוך 20 דקות לאחר הפיצוץ. הסופה השמידה בניינים ובתים רבים. סופת אש מורכבת מרוחות בעלות כח אדיר הנושבות לעבר מרכז האש מכל רוחות השמיים. עם זאת, התופעה אינה ייחודית לפיצוצים גרעיניים ונצפתה גם בעת התרחשותן של שרפות יער גדולות וגם בעת הפצצות שטיח במהלך מלחמת העולם השנייה.

מאחר שקרינה תרמית עוברת בקו ישר מכדור האש כל עצם שאינו שקוף יצור צל שיגן עליו. במידה שערפל יפזר את האור, הצל יהיה פחות יעיל אולם הערפל יפחית את טווח ההשפעה של הקרינה.

 השפעות לא ישירות 
 פולס אלקטרומגנטי 
קרני גמא מפיצוץ גרעיני מייצרים אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה בשל פיזור קומפטון.
האלקטרונים נלכדים בשדה המגנטי של כדור הארץ, בגבהים שבין 20 ל-40 קילומטרים שם הם מקבלים תהודה. הזרם החשמלי המתנדנד מייצר פולס אלקטרומגנטי (EMP) אשר נמשך כמילישנייה אחת לערך. אפקטים משניים עשויים להמשך למשך שנייה או יותר.

הפולס חזק דיו על מנת לגרום לעצמים מתכתיים ארוכים (כמו כבלים) להתנהג כאנטנות ולייצר מתח גבוה כאשר הפולס עובר. המתחים הללו, והזרם הגבוה הקשור בהם, יכול להרוס התקנים אלקטרוניים לא מוגנים ואפילו חוטים. אין השפעות ביולוגיות ידועות לפולסים אלקטרומגנטיים. האוויר המיונן משבש את תקשורת הרדיו שבאופן שגרתי הייתה מדלגת מהיונוספירה.

ניתן להגן על מכשירים אלקטרוניים על ידי עטיפתם בחומר מוליך או בכל סוג אחר של כלוב פאראדיי. כמובן שלא ניתן להפעיל מכשירי רדיו כאשר הם מוגנים משום שגלי רדיו משודרים לא יכולים להגיע אליהם.

 קרינה מייננת 

כ-5% מהאנרגיה המשוחררת בגל הדף גרעיני היא מסוג קרינה מייננת: קרינת נייטרונים, קרני גמא, חלקיקי אלפא ואלקטרונים הנעים במהירויות גבוהות אך כאלו שלא מתקרבות למהירות האור. מקור הנייטרונים מהביקוע הגרעיני ומההיתוך הגרעיני.

העוצמה של הקרינה הגרעינית ההתחלתית דועכת במהירות כתלות במרחק מנקודת מוקד הפיצוץ משום שהקרינה מתפזרת על פני שטח גדול. הקרינה גם פוחתת כתלות בספיגה אטמוספירית ובפיזור.

אופי הקרינה בנקודה נתונה משתנה כתלות במרחק ממוקד הפיצוץ. ליד המוקד, עוצמת הנייטרונים גבוהה מעוצמת הגמא, אולם בעוד המרחק גדל הרי שהיחס נייטרונים לגמא מצטמצם. לבסוף, מרכיב הנייטרונים של הקרינה ההתחלתית הופך זניח בהשוואה למרכיב הגמא. הטווח לרמות קרינה משמעותיות של הקרינה ההתחלתית אינו גדל באופן ניכר כתלות בעוצמת הנשק. בפצצות כבדות מעל 50 קילוטון, השפעות תרמיות ומכניות הופכות להיות חשובות מהשפעות הקרינה.

קרינת הנייטרונים משנה את צורת החומר באזור הפיצוץ והופכת אותו לרדיואקטיבי. הפיצוץ משחרר חומר רדיואקטיבי רב. זיהום רדיואקטיבי כזה מכונה נשורת גרעינית.

 רעידת אדמה
גל הלחץ מפיצוץ תת-קרקעי יעבור דרך הקרקע ויגרום לרעידת אדמה קלה . התאוריה גורסת כי פיצוץ גרעיני עלול להפעיל מישור שבר. זאת עקב הלחץ והמאמצים שיוצר הפיצוץ בסביבת מישור השבר, ואז לגרום לרעידת אדמה חזקה במרחקים של עשרות קילומטרים .

 סיכום ההשפעות 

הטבלה הבאה מסכמת את ההשפעות החשובות ביותר של פיצוץ גרעיני תחת תנאים מסוימים.

+השפעות'''תוצר הפיצוץ/ גובה הפיצוץ 1 קילוטון / 200 מטרים 20 קילוטון / 540 מטרים 1 מגהטון/ 2.0 קילומטר 20 מגהטון / 5.4 קילומטר הטווח מהקרקע האפקטיבי לפיצוץ Ground range / km אזורים עירוניים מושמדים לגמרי (20 PSI) 0.2 0.6 2.4 6.4 הרס רוב המבנים האזרחיים (5 PSI) 0.6 1.7 6.2 17 נזק בינוני לבניינים אזרחיים (1 PSI) 1.7 4.7 17 47  קרינה תרמית - טווח קרקע אפקטיביGR / km שרפה 0.5 2.0 10 30 כוויות דרגה שלישית 0.6 2.5 12 38 כוויות דרגה שנייה 0.8 3.2 15 44 כוויות דרגה ראשונה 1.1 4.2 19 53השפעות של קרינה גרעינית מיידית - טווח משופע1 SR / km מנה קטלנית 2 (נייטרונים וקרני גאמא) 0.8 1.4 2.3 4.7 מנה כוללת לתסמונת קרינה חמורה2 1.2 1.8 2.9 5.4

1) עבור השפעות קרינה ישירות מסתכלים על טווח משופע במקום על טווח קרקע משום שחלק מההשפעות לא באות לידי ביטוי אפילו בנקודת הפיצוץ הגרעיני עבור חלק מגבהי הפיצוץ. טווח הקרקע יכול להשאב מהטווח המשופע ומגובה הפיצוץ באמצעות משפט פיתגורס.

2) "Acute radiation syndrome" corresponds here to a total dose of one gray, "lethal" to ten grays. Note that this is only a rough estimate since biological conditions are neglected here.

 תופעות אחרות 
בעוד כדור האש נישא באוויר, הוא מקבל צורה של טבעת מערבולת שבמרכזה חומר זורח, כפי שניתן לראות בתמונות.
לעיתים בזמן הפיצוץ מתרחשים ברקים. בתמונות של פיצוצים גרעיניים ניתן לראות שובלי עשן, הנוצרים מרקטות פולטות עשן אשר נורות לפני הפיצוץ. שובלי העשן משמשים על מנת לקבוע מהו מיקום גל ההדף, הבלתי נראה באופיו, במילי-שניות לאחר הפיצוץ. הדבר נעשה על ידי שבירת קרני האור, אשר יוצרת שבירה אופטית בשובלי העשן בזמן שגל ההדף עובר.

 הישרדות 
היכולת לשרוד תלויה במידה רבה בגורמים כמו הקרבה למוקד הפיצוץ וכיוון הרוח הנושאת את הנשורת.

 ראו גם 
 המלחמה הקרה
 ניסוי גרעיני
 התכופף והתכסה
 נשק גרעיני
 היסטוריה של הנשק הגרעיני
 תכן נשק גרעיני
 מלחמה גרעינית
 פיצוץ גרעיני לצורכי שלום
 פיצוץ תת-מימי

 קישורים חיצוניים 
 ארכיב וידאו השפעות של ניסויים גרעיניים 

מקלטים תת-קרקעיים
מיומנויות הישרדות לעת מלחמה גרעינית הסברים מקיפים בנוגע לשיטות הישרדות בעת מתקפה גרעינית
מסד נתונים של ממשלת אוסטרליה של כל הפיצוצים הגרעיניים
מודלים של הדף הלקוחים מארכיב הנשק הגרעיני משמשים ליצירת טבלת ההשפעות.
מחשבון השפעות של נשק גרעיני - חישוב ההדף, החום והשפעות הקרינה כתלות בעוצמת הנשק
שאלות תכופות בנושא נשק גרעיני
פורום בנושאי אטום

הערות שוליים

*
קטגוריה:פיזיקה גרעינית
קטגוריה:חומרי נפץ

sv:Kärnexplosion