Kesan letupan nuklear

Tenaga yang dibebaskan daripada senjata nuklear diletupkan dalam troposfera boleh dibahagikan kepada empat kategori asas:
 Letupan—40–50% daripada jumlah tenaga
 Sinaran terma—30–50% daripada jumlah tenaga
 Sinaran pengionan—5% daripada jumlah tenaga (lebih dalam bom neutron)
 Sinaran sisa—5–10% daripada jumlah tenaga dengan jisim letupan

Bergantung kepada reka bentuk senjata dan persekitaran di mana ia diletupkan, tenaga yang diedarkan ini boleh bertambah atau berkurangan. Kesan letupan dicipta oleh gandingan jumlah tenaga yang besar, yang merangkumi spektrum elektromagnet, dengan persekitaran. Lokasi seperti bawah laut, permukaan, letusan udara, atau ekso-atmosfera menentukan berapa banyak tenaga yang dihasilkan sebagai letupan dan berapa banyak sebagai sinaran. Secara umum, medium yang lebih padat sekitar bom, seperti air, menyerap lebih banyak tenaga, dan mewujudkan gelombang kejutan lebih kuat dan pada masa yang sama menghadkan keluasan kesannya.

Apabila letusan udara berlaku, skala kesan letupan dan haba maut berkadaran lebih cepat berbanding kesan radiasi maut.

Mekanisme kerosakan fizikal senjata nuklear (letupan dan radiasi haba) adalah sama dengan bahan letupan konvensional, tetapi tenaga yang dihasilkan oleh letupan nuklear adalah berjuta-juta kali lebih kuat per gram dan suhu yang tercapai adalah secara ringkas dalam berpuluh-puluh juta darjah.

Tenaga dari letupan nuklear pada mulanya dikeluarkan pada beberapa bentuk sinaran menembusi. Apabila terdapat bahan sekitar seperti udara, batu, atau air, radiasi ini berinteraksi dengannya dan dengan pantas memanaskannya kepada suhu keseimbangan (iaitu supaya jirim tersebut pada suhu yang sama dengan jirim bom atom). Ini menyebabkan pengewapan bahan sekitarnya yang mengakibatkan pengembangan yang pantas. Tenaga kinetik yang dicipta oleh pengembangan ini menyumbang kepada pembentukan gelombang kejutan. Apabila letupan nuklear berlaku di udara berhampiran aras laut, banyak tenaga yang dibebaskan akan berinteraksi dengan atmosfera dan mencipta gelombang kejutan yang mengembang secara sfera dari hipopusat. Sinaran haba kuat di hipopusat membentuk bola api nuklear dan jika ledakan adalah cukup rendah, ia sering dikaitkan dengan awan cendawan. Dalam ledakan tinggi, di mana ketumpatan udara rendah, lebih banyak tenaga dilepaskan sebagai sinaran gama dan sinar-X pengion berbanding gelombang kejutan atmosfera.

Pada tahun 1942 terdapat beberapa spekulasi awal di kalangan para saintis yang membangunkan senjata nuklear pertama bahawa mungkin terdapat kemungkinan menyalakan atmosfera Bumi dengan letupan nuklear yang cukup besar. Ini akan melibatkan tindak balas nuklear daripada dua atom nitrogen membentuk karbon dan atom oksigen, dengan pembebasan tenaga. Tenaga ini akan memanaskan nitrogen yang tinggal yang cukup untuk memastikan tindak balas berterusan sehingga semua atom nitrogen dibakar habis. Hans Bethe telah diberi tugas untuk mengkaji sama ada terdapat kemungkinan pada zaman awal itu, dan membuat kesimpulan tiada kemungkinan disebabkan oleh penyejukan kesan Compton songsang terhadap bola api. Richard Hamming, ahli matematik, telah diminta untuk membuat pengiraan yang sama sejurus sebelum Ujian Trinity dijalankan, dengan keputusan yang sama. Walau bagaimanapun, tanggapan itu telah berterusan sebagai khabar angin selama bertahun-tahun, dan menjadi bahan jenaka hitam dalam kalangan pengkaji terlibat ujian tersebut.

Kesan langsung

Kerosakan akibat letupan 

Suhu yang tinggi dan sinaran menyebabkan gas bergerak keluar secara jejarian dalam cangkerang padat nipis dipanggil "perenggan hidrodinamik". Perenggan bertindak seperti omboh yang menolak terhadap dan memampatkan medium sekeliling untuk membuat gelombang kejutan mengembang secara sfera. Pada mulanya, gelombang kejutan ini adalah di dalam permukaan bola api yang sedang terbentuk, yang dicipta dalam isipadu udara yang dipanaskan oleh sinar-X "lembut" letupan. Dalam beberapan pecahan per saat, perenggan kejutan yang padat mengaburi bola api, dan terus bergerak melepasinya, kini mengembang ke arah luar, bebas daripada bola api, menyebabkan ciri dua nadi cahaya dilihat dari letupan nuklear, dengan lekuknya menyebabkan nadi berganda akibat kejutan interaksi gelombang dan bola api. Adalah ciri letupan nuklear unik ini yang dieksploitasi ketika mengesahkan bahawa letupan nuklear atmosfera telah berlaku dan bukan semata-mata satu letupan konvensional yang besar, dengan alat radiometer dikenali sebagai Bhangmeter mampu menentukan jenis letupan.

Bagi letupan udara pada atau berhampiran paras laut, 50–60% daripada letupan tenaga yang menjadi gelombang letupan, bergantung kepada saiz dan hasil bom. Sebagai panduan, pecahan letupan yang lebih tinggi adalah untuk senjata yang hasil rendah. Tambahan pula, ia berkurangan pada altitud tinggi kerana terdapat kurang jisim udara untuk menyerap tenaga sinaran dan menukarkannya kepada letupan. Kesan ini adalah paling penting bagi ketinggian di atas 30 km, sepadan dengan <1 peratus daripada ketumpatan udara aras laut.

Kesan hujan ribut sederhana semasa letupan nuklear Operation Castle didapati menjejaskan, atau mengurangkan, tahap tekanan puncak kira-kira 15% pada semua julat.

Banyak kemusnahan yang disebabkan oleh letupan nuklear adalah kerana kesan letupan. Kebanyakan bangunan, kecuali struktur bertetulang atau kalis letupan, akan mengalami kerosakan sederhana apabila dikenakan tekanan berlebihan hanya 35.5 kilopascal (kPa) (5.15 paun-daya per inci persegi atau 0.35 atm).
Data yang diperoleh daripada kaji selidik Jepun mendapati bahawa  adalah mencukupi untuk memusnahkan semua struktur kediaman kayu dan bata. Ini secara munasabah boleh ditakrifkan sebagai tekanan yang mampu menghasilkan kerosakan teruk.

Angin letupan di paras laut mungkin melampaui satu ribu km/j, or ~300 m/s, menghampiri kelajuan bunyi di udara. Julat bagi kesan letupan meningkat dengan hasil letupan senjata dan juga bergantung kepada altitud letusan. Bertentangan dengan apa yang mungkin dijangkakan daripada geometri jarak letupan tidak maksimum bagi permukaan atau letupan altitud rendah tetapi meningkat dengan altitud sehingga satu "altitud letusan optimum" dan kemudian berkurangan dengan cepat bagi ketinggian yang lebih tinggi. Ini adalah disebabkan oleh tingkah laku gelombang kejutan yang tak linear. Apabila gelombang letupan dari letusan udara sampai ke permukaan bumi, ia dipantulkan. Di bawah sudut suatu pantulan tertentu, gelombang yang terpantul dan gelombang langsung bergabung dan membentuk gelombang mendatar yang diperkuat, ini dikenali sebagai 'stem Mach' (dinamakan sempena Ernst Mach) dan adalah satu bentuk interferens membina.

 Interferens membina ini adalah fenomena yang bertanggungjawab bagi benjolan atau 'lutut 'dalam graf julat tekanan lampau di atas.

Bagi setiap matlamat tekanan lampau, terdapat ketinggian optimum letusan tertentu di mana julat letupan dimaksimumkan ke atas sasaran di darat. Dalam ledakan udara biasa, di mana jarak letupan dimaksimumkan untuk menghasilkan kerosakan teruk dengan kesan terbesar, iaitu julat yang paling besar ~ tekanan dilanjutkan ke atas, adalah GR/julat darat 0.4 km untuk 1 kilotan (kt) hasil TNT; 1.9 km untuk 100 kt; san 8.6 km bagi 10 megatan (Mt) TNT. Ketinggian optimum letusan untuk memaksimumkan julat kemusnahan darat teruk yang diingini bagi bom 1 kt adalah 0.22 km; bagi 100 kt, 1 km; dan untuk 10 Mt, 4.7 km.

Dua fenomena berbeza yang serentak dikaitkan dengan gelombang letupan di udara:

 Tekanan lampau statik, iaitu, peningkatan mendadak dalam tekanan yang dikenakan oleh gelombang kejutan. Tekanan lampau pada mana-mana titik adalah berkadar langsung dengan ketumpatan udara di dalam gelombang.
 Tekanan dinamik, iaitu, daya seret yang dikenakan oleh angin letupan diperlukan untuk membentuk gelombang letupan. Angin ini menolak, menggoyang dan mengoyakkan objek.

Kebanyakan kerosakan material yang disebabkan oleh ledakan udara nuklear adalah disebabkan oleh gabungan tekanan lampau statik yang tinggi dan angin letupan. Pemampatan panjang geombang letupan melemahkan struktur, yang kemudiannya dimusnahkan oleh angin letupan. Fasa mampatan, vakum dan seret bersama-sama boleh bertahan beberapa saat atau lebih, dan mengenakan kuasa berkali-kali lebih besar daripada hurikan yang paling kuat.

Bertindak ke atas tubuh manusia, gelombang kejutan menyebabkan gelombang tekanan melalui tisu. Gelombang ini kebanyakannya merosakkan pertembungan antara tisu-tisu dengan ketumpatan yang berbeza (tulang dan otot) atau antara muka di antara tisu dan udara. Paru-paru dan rongga perut, yang mengandungi udara, akan teruk tercedera. Kerosakan itu menyebabkan pendarahan teruk atau embolisme udara, yang kedua-duanya boleh cepat membawa maut. Tekanan lampau dianggarkan merosakkan paru-paru pada kira-kira 70 kPa. Sesetengah gegendang telinga mungkin akan pecah sekitar 22 kPa (0.2 atm) setengah akan pecah antara 90 dan 130 kPa (0.9 ke 1.2 atm).

Angin letupan: Tenaga seret angin letupan adalah berkadaran kepada halaju padu mereka didarab dengan jangka masa. Angin ini boleh mencapai beberapa ratus kilometer sejam.

Sinaran terma 

Senjata nuklear mengeluarkan sejumlah besar sinaran haba sebagai cahaya tampak, inframerah, dan ultraungu, yang sebahagian besarnya lutsinar di atmosfera. Ini dikenali sebagai "Kilat". Bahaya utama adalah luka bakar dan kecederaan mata. Pada hari yang cerah, kecederaan ini boleh berlaku juga di luar julat letupan, bergantung kepada hasil senjata. Kebakaran juga boleh dimulakan oleh sinaran haba awal, tetapi angin kencang berikut disebabkan oleh gelombang letupan boleh memadamkan hampir semua kebakaran itu, kecuali hasil adalah sangat tinggi, di mana julat jarak kesan haba jauh melebihi julat jarak kesan letupan, seperti yang diperhatikan dalam julat multi-megatan. Ini kerana keamatan kesan letupan menurun dengan dengan kuasa ketiga jarak dari letupan, manakala keamatan kesan radiasi menurun dengan kuasa kedua jarak itu. Ini mengakibatkan julat kesan haba meningkat dengan ketara berbanding julat letupan apabila peranti dengan hasil yang lebih tinggi diletupkan.

Sinaran haba mengambil antara 35-45% daripada tenaga yang dibebaskan dalam letupan, bergantung kepada hasil peranti. Di kawasan bandar, pemadaman kebakaran yang dicetuskan oleh sinaran haba mungkin perkara kecil, kerana kebakaran mengejut mungkin juga boleh dimulakan dengan pintasan elektrik yang disebabkan kesan letupan, gas api pandu, dapur terbalik, dan sumber pencucuhan lain, seperti mana yang berlaku pada masa sarapan ketika pengeboman Hiroshima. Sama ada atau tidak kebakaran kedua ini seterusnya dapat dilenyapkan memandangkan bata dan bangunan konkrit moden yang kalis api meruntuh akibat gelombang letupan yang sama adalah tidak pasti, tidak kurang juga, kerana kesan menopeng landskap bandar moden terhadap haba dan letupan sentiasa diperiksa.

Apabila kerangka bangunan mudah terbakar dihambur di Hiroshima dan Nagasaki, ia tidak membakar secepat jika ketika masih berdiri. Serpihan yang sukar terbakar yang dihasilkan oleh letupan sering melindungi dan menghalang pembakaran bahan mudah terbakar.
Pakar-pakar kebakaran mencadangkan bahawa tidak seperti Hiroshima, kerana sifat reka bentuk dan pembinaan bandar AS moden, ribut api pada zaman moden adalah tidak mungkin selepas berlakunya letupan nuklear. Ini tidak bermakna kebakaran tidak boleh bermula, tetapi bermakna bahawa kebakaran ini tidak akan membentuk ribut api, sebahagian besarnya disebabkan oleh perbezaan antara bahan binaan moden dan yang digunakan dalam era Hiroshima Perang Dunia II.

Terdapat dua jenis kecederaan mata daripada sinaran haba daripada senjata:

Kebutaan kilat disebabkan oleh kilatan cahaya cemerlang awal yang dihasilkan oleh letupan nuklear. Lebih banyak tenaga cahaya yang diserap pada retina berbanding yang boleh diterima, tetapi kurang daripada yang diperlukan untuk kecederaan kekal. Retina adalah mudah terdedah kepada cahaya tampak dan panjang gelombang inframerah pendek, kerana bahagian spektrum elektromagnet ini ditumpu oleh kanta pada retina. Hasilnya ialah pelunturan pigmen visual dan buta sementara sehingga 40 minit.

Lecuran retina yang mengakibatkan kerosakan yang kekal daripada parut juga disebabkan oleh penumpuan tenaga haba langsung pada retina oleh kanta. Ia akan berlaku hanya apabila bola api benar-benar dalam medan penglihatan individu dan akan menjadi kecederaan yang agak luar biasa. Lecuran retina boleh kekal pada jarak yang agak jauh dari letupan. Ketinggian letupan, dan saiz ketara bola api, fungsi hasil dan jarak akan menentukan sejauh mana tahap parut retina. Parut dalam medan visual pusat akan jadi lebih meruncing. Secara umumnya, kecacatan medan penglihatan terhad yang paling berkemungkinan adalah yang hampir tidak ketara.

Penyalaan sebenar bahan bergantung kepada berapa lama denyut haba berlarutan serta ketebalan dan kelembapan kandungan sasaran. Berdekatan sifar bumi di mana fluks tenaga melebihi 125 J/cm2, apa sahaja yang boleh membakar, akan terbakar. Yang lebih jauh, hanya bahan yang paling mudah dinyalakan akan bernyala. Kesan pembakaran diburukkan lagi oleh kebakaran kedua yang dimulakan oleh kesan gelombang letupan seperti dari dapur dan relau yang dirosakkannya.

Di Hiroshima pada 6 Ogos 1945, ribut api yang besar terbina dalam tempoh 20 minit selepas letupan dan memusnahkan lebih banyak bangunan dan rumah-rumah, dibina daripada bahan-bahan yang kebanyakannya kayu 'rapuh'. Ribut api mempunyai angin daya ribut bertiup ke arah pusat api dari semua arah mata angin. Ia bukanlah satu perkara baru khusus bagi letupan nuklear, telah diperhatikan dengan kerap dalam kebakaran hutan besar dan serangan semasa Perang Dunia II. Walaupun kebakaran memusnahkan kawasan besar bandar Nagasaki, tiada ribut api sebenar berlaku di bandar itu, walaupun senjata yang mampu memberi hasil lebih tinggi telah digunakan. Banyak faktor yang menerangkan kerumitan ini, termasuk masa pengeboman yang berbeza daripada Hiroshima, rupa bumi, dan kejituan, muatan bahan api/ketumpatan bahan api yang lebih rendah di bandar itu berbanding dengan Hiroshima.

Apabila sinaran haba bergerak, sedikit atau banyak, dalam garis lurus daripada bola api (kecuali ia berselerak) mana-mana objek legap akan menghasilkan bayang-bayang perlindungan yang memberi perlindungan daripada kebakaran kilat. Tambahan pula, bergantung kepada sifat bahan permukaan yang di belakangnya, kawasan yang terdedah di luar bayang-bayang perlindungan akan sama ada dibakar kepada warna yang lebih gelap, seperti kayu hangus, atau warna yang lebih cerah, seperti asfalt.

Jika terdapat sebarang fenomena cuaca kabus atau jerebu semasa letupan nuklear, ia akan menyerakkan kilatan, apabila samaai ke bahan-bahan mudah terbakar dari semua arah di bawah keadaan tersebut, objek legap kurang berkesan kerana ia hanya menunjukkan kesan pembayangan maksimum dalam persekitaran penglihatan yang sempurna (cuaca cerah) dan sifar serakan. Serupa dengan hari berkabus atau mendung, walaupun sedikit bayang-bayang yang dihasilkan oleh matahari pada ketika itu, jika ada, sebenarnya tenaga suria yang sampai ke bumi dari sinar inframerah matahari adalah berkurangan dengan ketara, kerana ia diserap oleh air awan dan tenaga juga sedang tersebar kembali ke dalam ruang lain. Tamsilannya, begitu juga keamatan pada jarak tenaga pembakaran kilat yang dilemahkan ketika keadaan berkabus atau jerebu, dalam unit J/cm2, bersama-sama julat condong /mendatar letupan nuklear. Jadi, walaupun sebarang objek yang membentuk bayang-bayang tidak berkesan sebagai perisai daripada denyar dalam situasi kabus atau jerebu akibat fenomena serakan, kabus memberikan peranan perlindungan yang sama, tetapi secara umum hanya pada julat apabila kelangsungan hidup dalam keadaan terbuka hanyalah berlindung dari letupan tenaga kilat.

Denyut haba juga bertanggungjawab ke atas pemanasan nitrogen atmosfera yang berhampiran bom, dan menyebabkan penciptaan komponen NOx kabut atmosfera. Ini, sebagai sebahagian daripada awan cendawan, ditembak ke dalam stratosfera di mana ia bertanggungjawab terhadap peleraian ozon di sana, dalam cara yang sama seperti pembakaran sebatian NOx. Jumlah yang dicipta bergantung kepada hasil letupan dan persekitaran letupan itu. Kajian yang dilakukan ke atas kesan menyeluruh letupan nuklear terhadap lapisan ozon sekurang-kurangnya tidak memberi kesan buat sementara waktu selepas penemuan awalnya yang tidak menggalakkan.

Kesan tidak langsung

Denyut elektromagnet 

Sinar gamma daripada letupan nuklear menghasilkan elektron bertenaga tinggi melalui serakan Compton. Bagi letupan nuklear altitud tinggi, elektron ini terperangkap dalam medan magnet Bumi pada ketinggian antara dua puluh dan empat puluh kilometer di mana ia berinteraksi dengan medan magnet Bumi untuk menghasilkan denyut elektromagnet nuklear (NEMP) koheren yang berlangsung selama kira-kira satu milisaat. Kesan sekunder pula boleh bertahan selama lebih daripada satu saat.

Denyutan tersebut cukup kuat untuk menyebabkan objek logam sederhana panjang (seperti kabel) untuk bertindak sebagai antena dan menjana voltan tinggi kerana interaksi dengan denyut elektromagnet. Voltan ini boleh memusnahkan peranti elektronik yang tidak dilindungi. Tiada kesan biologi yang diketahui oleh EMP. Udara terion juga mengganggu isyarat radio yang biasanya akan melantun dari ionosfera.

Peranti elektronik boleh dilindungi dengan dibungkus sepenuhnya di dalam bahan konduktif seperti kerajang logam; keberkesanan perlindungan yang berkenaan mungkinlah tidak sempurna. Perlindungan yang sebenar adalah suatu perkara yang kompleks kerana banyak pembolehubah yang terlibat. Semikonduktor, terutamanya litar bersepadu, amat mudah terdedah kepada kesan EMP kerana simpang PN yang berdekatan, tetapi ini tidak berlaku dengan tiub termionik (atau injap) yang agak kebal terhadap EMP. Sangkar Faraday tidak menyediakan perlindungan daripada kesan EMP kecuali jejaring yang direka mempunyai lubang yang tidak lebih besar daripada panjang gelombang yang paling kecil yang dipancarkan daripada letupan nuklear.

Senjata nuklear besar yang diletupkan di altitud tinggi juga menyebabkan arus teraruh secara geomagnetik dalam konduktor elektrik yang sangat panjang. Mekanisme penjanaan arus teraruh secara geomagnetik adalah sama sekali berbeza daripada denyut teraruh oleh sinar gamma yang dihasilkan oleh elektron Compton.

Kegelapan radar 

Haba letupan menyebabkan udara di kawasan itu untuk menjadi terion, mewujudkan bola api. Elektron bebas dalam bola api memberi kesan kepada gelombang radio, terutama pada frekuensi yang lebih rendah. Ini menyebabkan kawasan yang besar dari langit untuk menjadi legap kepada radar, terutamanya yang beroperasi dalam frekuensi VHF dan UHF, yang biasa untuk radar amaran awal jarak jauh. Kesannya adalah kurang untuk frekuensi yang lebih tinggi dalam gelombang mikro, serta tidak terlalu lama - kesan berkurangan dari segi kekuatan dan frekuensi yang terlibat apabila bebola api menjadi sejuk dan elektron mula membentuk semula pada nukleus bebas.

Rujukan

Pautan luar 

 Nuclear Weapon Testing Effects  – Comprehensive video archive
 Underground Bomb Shelters
 The Federation of American Scientists provide solid information on weapons of mass destruction, including nuclear weapons and their effects 
 The Nuclear War Survival Skills is a public domain text and is an excellent source on how to survive a nuclear attack.
 Ground Zero: A Javascript simulation of the effects of a nuclear explosion in a city
 Oklahoma Geological Survey Nuclear Explosion Catalog lists 2,199 explosions with their date, country, location, yield, etc.
 Australian Government database of all nuclear explosions
 Nuclear Weapon Archive from Carey Sublette (NWA) is a reliable source of information and has links to other sources.
 NWA repository of blast models mainly used for the effects table (especially DOS programs BLAST and WE)
 Nuclear Weapon Effects Calculator - Javascript form to calculate blast, heat, and radiation effects of a given explosive yield.
 HYDESim: High-Yield Detonation Effects Simulator - Mashup of Google Maps and Javascript to calculate blast effects.
 NUKEMAP - Google Maps/Javascript effects mapper, which includes fireball size, blast pressure, ionizing radiation, and thermal radiation as well as qualitative descriptions.
 Nuclear Weapons Frequently Asked Questions
 Atomic Forum
 Samuel Glasstone and Philip J. Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, United States Department of Defense & Energy Research and Development Administration Available Online
 Nuclear Emergency and Radiation Resources

Senjata nuklear
Fizik nuklear
Rencana mengandungi klip video

sv:Kärnexplosion