Поражающие факторы ядерного взрыва

Поражающие  факторы ядерного взрыва.

 
    Поражающими факторами ядерного взрыва (ЯВ) являются: световое излучение, проникающая  радиация, ударная волна, радиоактивное  заражение. Электромагнитный импульс (ЭМИ) влияния на людей по понятным причинам не оказывает, зато выводит из строя электронное оборудование. Примерно половина всей энергии выходит в виде ударной волны, остальное - световое излучение, на долю проникающей радиации (гамма-лучей и нейтронов) приходится не более 5%. Такое разнообразие поражающих факторов говорит о том, что ЯВ представляет собой гораздо более опасное явление, чем взрыв аналогичного по энерговыходу количества обычной взрывчатки.  
    Пропорции распределения энергии ЯВ между этими поражающими факторами остаются примерно одинаковыми практически во всем диапазоне мощностей (разница составляет +/- 10%), поэтому возможно описать простыми соотношениями радиусы поражения для каждого из факторов в зависимости от мощности заряда:  
 
здесь: R_L - радиус получения ожогов третьей степени (с омертвлением тканей) от светового излучения; R_B - разрушения домов ударной волной; R_R - получения дозы в 500 бэр от проникающей радиации; радиусы получаются в километрах; X - величина ЯВ в килотоннах. Для примера приведу небольшую табличку, созданную на основе этих формул:  
 

 
    О происхождении таких формул нетрудно догадаться: энергия рассеивается в пространстве, соответственно, в зависимости от типа поражающего фактора мы имеем тот или иной показатель степени:  
    Ударная волна - распределяет свою энергию по всему пройденному ей объему, поэтому сила ее уменьшается пропорционально кубическому корню от расстояния.  
    Световое излучение - распределяется лишь по площади сферы, и если бы не незначительное поглощение воздухом, убывало бы пропорционально квадратному корню.  
    Ионизирующие излучение интенсивно поглощается воздухом, поэтому при мощных взрывах его роль невелика. При слабых же наоборот, радиус поражения для него больше, чем для других факторов. Вот почему сила взрыва нейтронных зарядов, где оно - основной поражающий фактор, не превосходит нескольких кт - делать больше просто бесполезно.  
    В заключении этой части отметим, что при мощных взрывах, характерных для современных термоядерных зарядов наибольшее разрушение оказывает ударная волна, а далее всего распространяется световое излучение. На этом закончим и перейдем к подробному рассмотрению каждого из поражающих факторов ЯВ.

Световое излучение

    Это поток  световых лучей, исходящих из огненного  шара. Видимые и инфракрасные лучи испускаются в течении от долей, до нескольких секунд, в зависимости  от величины заряда. В течении этого времени, его интенсивность может превышать 1000 Вт/см² (максимальная интенсивность солнечного света - 0.14 Вт/см²).  
    Световое излучение поглощается непрозрачными материалами, и может вызывать массовые возгорания зданий и материалов, а так же ожоги кожи и поражение глаз. Дальность распространения светового излучения сильно зависит от погодных условий. Облачность, задымленность, запыленность сильно снижают эффективный радиус его действия.  
    Практически во всех случаях испускание светового излучения из области взрыва заканчивается к моменту прихода ударной волны. Это нарушается лишь в области тотального уничтожения, где любой из трех факторов (свет, радиация, ударная волна) причиняет смертельный урон.  
    Световое излучение вызывает ожоги кожи, степень которых зависит от силы бомбы и удаленности от эпицентра:  
 

 
Зависимость дистанции получения  ожогов различной степени тяжести  в зависимости от мощности:  
 
O₁ - расстояние получения ожогов первой степени, O₂ - второй степени, O₃ - третьей степени; X - заряд в килотоннах; расстояние в километрах.  
    Для ожога I степени характерно покраснение и отек кожи. При ожогах II степени на фоне отечной кожи имеются пузыри разных размеров, наполненные прозрачной желтоватой жидкостью. Ожоги III степени сопровождаются омертвением глубоких слоев кожи, а при ожогах IV степени омертвевают кожа и подлежащие ткани (подкожная жировая клетчатка, мышцы, кости).  
    Поражения глаз. Наиболее вероятное повреждение зрения при ядерном взрыве - повреждение роговицы, в следствии теплового действия света и временная слепота, при которой человек теряет зрение на время от нескольких секунд до нескольких часов. Более серьезные повреждения сетчатки происходят, когда взгляд человека направлен непосредственно на огненный шар взрыва. Яркость огненного шара не изменяется с расстоянием (за исключением случая тумана), просто уменьшается его видимый размер. Таким образом, повредить глаза можно на практически любом расстоянии, на котором видна вспышка. Вероятность этого выше в ночное время, из-за более широкого раскрытия зрачка.  
    Световое излучение, как и любой свет, не проходит через непрозрачные материалы, поэтому для укрытия от него подойдут любые предметы, создающие тень. На расстояния, равные границе распространения ожогов третьей степени, ударная волна подходит от нескольких секунд, для небольшого взрыва, до минуты при мегатонном взрыве. Это время можно использовать для нахождения более надежного убежища.  
    Хорошо известно и такое явление, как оставление "теней" непрозрачными объектами на каком-либо фоне.  
 
Образование "теней" происходит из-за выгорания (или, наоборот, обугливания) поверхности за непрозрачным предметом, в то время как в зоне его тени этого не происходит. В Хиросиме подобные тени оставались и от людей.

Проникающая радиация

    Проникающая радиация - это поток гамма-лучей  и нейтронов, испускаемый из области  взрыва в течении нескольких секунд. Из-за очень сильного поглощения в  атмосфере, проникающая радиация поражает людей только на расстоянии 2-3 км от места взрыва, даже для больших по мощности зарядов. Расстояния, пройдя которое поток ослабевает в 10 раз для различных величин взрывов:  
1 кт: L = 330 м  
10 кт: L = 440 м  
100 кт: - L = 490 м  
1 Мт: L = 560 м  
10 Мт: L = 670 м  
20 Мт: L = 700 м.  
Таким образом, можно вычислить уровень радиации на любом расстоянии от эпицентра:  
 
Doze - доза приникающей радиации в рад, D - расстояние в метрах, L - константа ослабления, X - мощность взрыва в килотоннах.  
    Действие радиации на организм, в долгосрочном плане проявляется мутациями, а в краткосрочном - лучевой болезнью различной степени тяжести. Ионизирующее излучение воздействует на клетки организма, вызывая разрушение их белковой структуры, это приводит к образованию свободных радикалов и других продуктов распада. Помимо смерти самой клетки, ее остатки вызывают общее отравление организма. Хотя клетка и имеет мощные возможности для самовосстановления, при интенсивном облучении не помогают и они.  
    Наиболее чувствительны к радиации интенсивно делящиеся клетки, т.к. если в момент деления будет разрушена одна клетка, то погибнут обе. Это ведет к истощению запаса этого типа клеток (если клетки интенсивно делятся, то они примерно с такой же скоростью и умирают). Таким образом, более всего страдают ткани костного мозга и лимфатической системы: эритроциты и лейкоциты постоянно обновляются в организме. Так же чувствительны клетки желудочно-кишечного тракта, клетки волосяного фолликула. Менее всего чувствительны к радиации неделящиеся клетки нервной системы. Из этого следует, дети и подростки более восприимчивы к радиации, чем взрослые, а наиболее чувствителен - эмбрион в утробе.  
    Действие проникающей радиации на человека ослабляется различными материалами. Ее уровень снижается в 10 раз после прохождения 11 см стали, либо 35 см бетона, либо 50 см грунта или кирпичной кладки, либо 1 м древесины.  
 

Еденицы измерения  радиации

    Мерой ионизирующего действия является поглощенная  единицей массы вещества энергия. Единицей этого является рад - поглощенная доза ионизирующего излучения, при которой облучаемое вещество массой 1 кг поглотит 0.01 Дж энергии. Степень поражения живой ткани радиацией зависит не только от поглощенной дозы, но и от "качества", природы излучения. Например, ионизирующая способность альфа-частиц, нейтронов, протонов в 10 раз превосходит гамма-лучей и электронов. Для оценки этого влияния вводится коэффициент биологического действия радиации:  
Гамма- рентгеновские лучи: 1  
Бета-излучение: 1  
Альфа-излучение: 10 - 20 (при наружном/внутреннем облучении)  
Быстрые нейтроны: 10 (в общем случае)  
Быстрые нейтроны: 1 немедленное действие  
Быстрые нейтроны: 4 - 6 развитие катаракты  
Быстрые нейтроны: 10 развитие рака  
Быстрые нейтроны: 20 развитие лейкоза  
Скорректированная таким образом единица измерения, учитывающая действие на человека различных видов излучения, называется бэр (биологический эквивалент рентгена). Т.е. дозы, выраженные одинаковым числом бэр, вызывают одинаковый биологический эффект.  
    Кстати, широко известная единица измерения поглощенной энергии рентген является единицей действия только гамма- и рентгеновского излучения. Она соответствует поглощению 1 кг вещества 0.0094 Дж энергии.  
    Естественный радиационный фон, зависящий от высоты места, минерального состава почвы региона, находится в пределах 0.1 - 0.2 бэр/год. На горных вершинах, благодаря действию космических лучей фон увеличивается до 0.4 бэр/год. В некоторых местах, например в районах Бразилии, Индии, Шри-Ланки из-за повышенной концентрации радиоактивных пород доза годового облучения 0.5 - 12 бэр/год.

Воздействие различных доз радиации

    При одномоментном  облучении ионизирующем излучением возникает лучевая болезнь различной  степени тяжести. Интересно отметить, что принятая как некая планка доза в 600 рад, летальная в большинстве  случаев, для человека массой в 75 кг соответствует поглощению энергии в 450 Дж. При этом пуля массой 10 г, летящая на скорости 300 м/с (на излете траектории), имеет кинетическую энергию тоже в 450 Дж.  
Менее 100 бэр.  
    Такие дозы не оказывают существенного влияния на здоровье. Изменения в составе крови начинаются с 25 бэр. Эти изменения включают в себя общие изменение содержания белых кровяных клеток (уменьшение лимфоцитов), уменьшение тромбоцитов, и небольшое уменьшение красных кровяных клеток, такое состояние определяется лишь по анализу крови и устанавливается в течении нескольких дней после облучения. Продолжительность изменений в организме - около месяца. При 50 бэр становятся заметными ослабление лимфатических желез, снижение иммунитета. 80 Бэр дают 50% вероятность временного бесплодия у мужчин.  
100-200 бэр.  
    Симптомы умеренной степени тяжести. Возможна тошнота (в половине случаев при 200 бэр), иногда сопровождающаяся рвотой, появляющаяся через 3-6 часов после получения дозы и длящаяся от нескольких часов до дня. За этим следует период ремиссии, в течении которого пострадавший находится в нормальном самочувствии. Изменения в крови постепенно нарастают из-за естественной убыли и невосполнения кровяных клеток. Через 10-14 дней происходит следующее ухудшение самочувствия: потеря аппетита (у 50% при 150 бэр), недомогание, утомляемость (у 50% при 200 бэр) продолжающееся около месяца. В это время отмечается повышенная заболеваемость, из-за сниженного иммунитета, временное бесплодие у мужчин. Для доз из верхнего предела этого интервала клиническая картина сходная, за исключением меньшего периода ремиссии, более выраженных симптомов и большего периода выздоровления.  
200-400 бэр.  
    Степень заболевания достаточно серьезна. Основной пораженной тканью организма остается кроветворная. Тошнота наблюдается у 100% пострадавших при облучении в 300 бэр, в половине случаев она сопровождается рвотой. Начальные симптомы выявляются уже после 1-6 часов и длятся 1-2 дня. После 7-14 дней ремиссии, они возвращаются, к ним может прибавиться потеря волос, недомогание, усталость, диарея. При дозах более 350 бэр появляются кровотечения изо рта, подкожные, гематурия - наличие крови в моче. Возможно постоянное бесплодие у мужчин, выздоровление занимает несколько месяцев.  
400-600 бэр.  
    При таких дозах полученной радиации, смертность, без оказания серьезной медицинской помощи (пересадка костного мозга), резко идет вверх: от 50% при 350 бэр до 90% при 600. Первоначальные симптомы возникают в период от 30 мин до 2 часов и продолжаются до двух дней. После 1-2 недель появляются все признаки характерные для облучения в 200-400 бэр, только в гораздо более тяжелой форме. Смерть наступает после 2-12 недель от многочисленных кровоизлияний и заражения каким-либо заболеванием (иммунитет практически отсутствует). Период излечения - около года, состав крови нормализуется еще дольше. Может происходить развитие бесплодия у женщин.  
600-1000 бэр.  
    Костный мозг отмирает практически полностью. Вероятность выжыть без его пересадки - отсутствует. Первоначальное ухудшение состояния наступает через 15-30 минут, и продолжается 2 дня. После 5-10 дней скрытого периода смерть наступает через 1-4 недели.  
Более 1000 бэр.  
    Такие высокие дозы ионизирующего излучения вызывают немедленное нарушение обмена веществ, понос, кровотечения, потерю жидкости организмом и нарушение электролитного баланса.  
    При дозах 1000 - 5000 бэр это время уменьшается до 5-30 минут. Если удается пережить этот период, наступает фаза мнимого благополучия от пары часов до пары дней. Термальная фаза продолжается 2-10 дней, в течении ее больной впадает в прострацию, теряет аппетит, начинается кровавый понос. Пострадавший впадает в делирий, затем кому. Лечение таких доз направлено только на облегчение страданий умирающего.  
    Получение более 5000 бэр приводит к нарушением, затрагивающим непосредственно нервную систему. Человек моментально теряет ориентацию, чуть позже впадает в кому. Смерть наступает в течении двух суток.  
    Согласно оценкам, доза в 8000 бэр, например от нейтронной бомбы, ведет к моментальному впадению в кому и последующей смерти.

Ударная волна

    Ударная волна представляет собой скачек уплотнения в атмосфере и движется со сверхзвуковой скоростью. Скачок уплотнения - это зона (очень небольшая), в которой происходит резкое (почти мгновенное) увеличение температуры, давления, плотности воздуха.  
 
 
Помимо самого скачка давления за ним образуется спутный поток (сильный ветер). V_ск, Р_ск - скорость, давление развиваемое скачком уплотнения, V_сп, Р_сп - скорость спутного потока, давление спутного потока.  
    Ударная волна разрушает здания, сооружения и поражает незащищенных людей. Поражения, наносимые ударной волной непосредственно человеку, подразделяются на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые. Легкие поражения характеризуются временным повреждением органов слуха, общей легкой контузией, ушибами и вывихами конечностей. Тяжелые поражения характеризуются сильной контузией всего организма; при этом могут наблюдаться повреждения головного мозга и органов брюшной полости, сильное кровотечение из носа и ушей, тяжелые переломы и вывихи конечностей.  
    Разрушения строительных сооружений, производимые избыточным давлением:  
720 кг/м² (1 psi - фунт/кв. дюйм) - вылетают окна и двери;  
2160 кг/м² (3 psi) - разрушение жилых домов;  
3600 кг/м² (5 psi) - разрушение или сильное повреждение зданий из монолотного железобетона;  
7200 кг/м² (10 psi) - разрушение особо прочных бетонных сооружений;  
14400 кг/м² (20 psi) - выдерживают такое давление только специальные сооружения (типа бункеров).  
Радиусы распространения этих зон давления можно рассчитать по следующей формуле:  
R = C * X^0.333,  
R - радиус в километрах, X - заряд в килотоннах, C - константа, зависящая от уровня давления:  
C = 2.2, для давления 1 psi  
C = 1.0, для давления 3 psi  
C = 0.71, для давления 5 psi  
C = 0.45, для давления 10 psi  
C = 0.28, для давления 20 psi.

Радиоактивное заражение

    Радиоактивное заражение - результат выпадения  из поднятого на большую высоту облака взрыва огромного количества радиоактивных веществ - как ставших таковыми из-за наведенной радиоактивности, так и продуктов деления. Оседая на поверхность земли по направлению движения ветра, они создают радиоактивный участок, называемый радиоактивным следом. В зависимости от степени заражения этот участок условно делят на три зоны - умеренного, сильного и опасного заражения. Распад атомного ядра может пойти по 40 различным путям, с образованием 80 различных изотопов. Часть из них не радиоактивна, часть имеет очень короткий период полураспада, часть - очень длинный. Наибольшую опасность являют изотопы с периодом полураспада, измеряемым годами (а не днями или тысячами лет) - с одной стороны их активность достаточно велика, а с другой - сохраняется по меркам человеческой жизни очень долго, такие как цезий-137, стронций-89, 90, углерод-14, еще и трансурановые элементы - источники альфа-частиц.  
    Всего несколько кюри изотопа на км² делают район непригодным для проживания по современным нормам радиационной безопасности. Заряд мегатонного уровня производит достаточно радиоактивных веществ, чтобы покрыть территорию около 200 000 км² и сделать ее непригодной для хозяйственной деятельности.  
    При мощных взрывах (> 200 кт) столб гриба взрыва достигает верхних слоев стратосферы (30-40 км), что резко замедляет скорость выпадения осадков. Которые, при таких обстоятельствах, могут разноситься за сотни и тысячи километров от места взрыва.  
    Радиоактивное заражение характеризуется относительно невысоким уровне радиоактивности, но зато сохраняющимся в течении долгого периода времени и большой вероятностью попадания радиоактивных изотопов в организм человека. Это приводит к "отложенности" эффекта его проявления. Низкий фон позволяет организму восстанавливать поврежденные клетки, однако, в следствии долговременного облучения, существует вероятность "неправильной" починки или повреждения ДНК, в результате которого может развиться рак.  
    Для определения уровня радиоактивности после взрыва атомной бомбы деления хорошо подходит "правило семи". Оно состоит в том, что десятикратное снижение уровня радиоактивности происходит за увеличивающиеся в 7 раз промежутки времени. Так установившийся через 1 фон через 7 часов уменьшается в 10 раз. Через 7*7=49 ~ 2 дня радиация снижается в 100 раз по отношению к первому часу. После 7*2 дня = 2 недели уровень радиоактивности снизится еще на 90%, аналогично для 7* 2 недели = 3.5 месяца. Это правило соответствует отношению t^-1.2.