Поражающие факторы ядерного взрыва
В зависимости от задач, решаемых ядерным оружием, от вида и расположения объектов, по которым планируются ядерные взрывы, а также от характера предстоящих боевых действий ядерные взрывы могут быть осуществлены в воздухе, у поверхности земли (воды) и под землей (водой). В соответствии с этим различают следующие виды ядерных взрывов: воздушный, высотный (в разряженных слоях атмосферы), наземный (надводный), подземный (подводный).
Ядерный взрыв способен мгновенно уничтожить или вывести из строя незащищенных людей, открыто стоящую технику, сооружения и различные материальные средства. Основными поражающими факторами ядерного взрыва (ПФЯВ) являются:
ударная волна;
световое излучение;
проникающая радиация;
радиоактивное заражение местности;
электромагнитный импульс (ЭМИ).
При ядерном взрыве в атмосфере распределение выделяющейся энергии между ПФЯВ примерно следующее: около 50% на ударную волну, на долю светового излучения 35%, на радиоактивное заражение 10% и 5% на проникающую радиацию и ЭМИ.
Ударная волна Ударная волна в большинстве случаев является основным поражающим фактором ядерного взрыва. По своей природе она подобна ударной волне вполне обычного взрыва, но действует более продолжительное время и обладает гораздо большей разрушительной силой. Ударная волна ядерного взрыва может на значительном расстоянии от центра взрыва наносить поражения людям, разрушать сооружения и повреждать боевую технику.
Ударная волна представляет собой область сильного сжатия воздуха, распространяющуюся с большой скоростью во все стороны от центра взрыва. Скорость распространения ее зависит от давления воздуха во фронте ударной волны; вблизи центра взрыва она в несколько раз превышает скорость звука, но с увеличением расстояния от места взрыва резко падает. За первые 2 с ударная волна проходит около 1000 м, за 5 с - 2000 м, за 8 с - около 3000 м.
Поражающее действия ударной волны на людей и разрушающее действие на боевую технику, инженерные сооружения и материальные средства прежде всего определяются избыточным давлением и скоростью движения воздуха в ее фронте. Незащищенные люди могут, кроме того, поражаться летящими с огромной скоростью осколками стекла и обломками разрушаемых зданий, падающими деревьями, а также разбрасываемыми частями боевой техники, комьями земли, камнями и другими предметами, приводимыми в движение скоростным напором ударной волны. Наибольшие косвенные поражения будут наблюдаться в населенных пунктах и в лесу; в этих случаях потери населения могут оказаться большими, чем от непосредственного действия ударной волны. Поражения, наносимые ударной волной, подразделяются на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые.
Легкие поражения наступают при избыточном давлении 20-40кПа (0,2-0,4кгс/см2) и характеризуются временным повреждением органов слуха, общей легкой контузией, ушибами и вывихами конечностей. Средние поражения возникают при избыточном давлении 40-60кПа (0,4-0,6кгс/см2). При этом могут возникнуть вывихи конечностей, контузия головного мозга, повреждение органов слуха, кровотечение из носа и ушей. Тяжелые поражения возможны при избыточном давлении ударной волны 60-100кПа (0,6-1,0кгс/см2) и 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. Крайне тяжелые травмы могут привести к смертельному исходу при избыточном давлении более 100кПа (1,0кгс/см2).
Степень поражения ударной волной зависит прежде всего от мощности и вида ядерного взрыва. При воздушном взрыве мощностью 20кТ легкие травмы у людей возможны на расстояниях до 2,5км, средние - до 2км, тяжелые - до 1,5км, крайне тяжелые - до 1,0км от эпицентра взрыва. С ростом калибра ядерного боеприпаса радиусы поражения ударной волной растут пропорционально корню кубическому из мощности взрыва.
Гарантированная защита людей от ударной волны обеспечивается при укрытии их в убежищах. В случае отсутствия убежищ используются естественные укрытия и рельеф местности.
При подземном взрыве возникает ударная волна в грунте, а при подводном - в воде. Ударная волна, распространяясь в грунте, вызывает повреждения подземных сооружений, канализации, водопровода; при распространении ее в воде наблюдается повреждение подводной части кораблей, находящихся даже на значительном расстоянии от места взрыва.
Применительно к гражданским и промышленным зданиям степени разрушения характеризуются слабым, средним, сильным и полным разрушениями.
Слабое разрушение сопровождается разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, частично разрушается кровля, возможны трещины в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются полностью.
Среднее разрушение проявляется в разрушении крыш, внутренних перегородок, окон, обрушением чердачных перекрытий, трещинами в стенах. Восстановление зданий возможно при проведении капитальных ремонтных работ.
Сильное разрушение характеризуется разрушением несущих конструкций и перекрытий верхних этажей, появлением трещин в стенах. Использование зданий становится невозможным. Ремонт и восстановление зданий становится нецелесообразным.
При полном разрушении обрушаются все основные элементы здания, включая и несущие конструкции. Использовать такие здания невозможно, и, чтобы они не представляли опасность, их полностью обрушают.
Световое излучение Световое излучение ядерного взрыва представляет собой поток лучистой энергии, включающей ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Источником светового излучения является светящаяся область, состоящая из раскаленных продуктов взрыва и раскаленного воздуха. Яркость светового излучения в первую секунду в несколько раз превосходит яркость Солнца. Максимальная температура светящейся области находится в пределах 8000-10000С0.
Поражающее действие светового излучения характеризуется световым импульсом. Световым импульсом называется отношение количества световой энергии к площади освещенной поверхности, расположенной перпендикулярно распространению световых лучей. Единицей светового импульса является джоуль на квадратный метр (Дж/м2) или калория на квадратный сантиметр (кал/см2).
Поглощенная энергия светового излучения переходит в тепловую, что приводит к разогреву поверхностного слоя материала. Нагрев может быть настолько сильным, что возможно обугливание или воспламенение горючего материала и растрескивание или оплавление негорючего, что может привести к огромным пожарам. При этом действие светового излучения ядерного взрыва эквивалентно массированному применению зажигательного оружия.
Кожный покров человека также поглощает энергию светового излучения, за счет чего может нагреваться до высокой температуры и получать ожоги. В первую очередь ожоги возникают на открытых участках тела, обращенных в сторону взрыва. Если смотреть в сторону взрыва незащищенными глазами, то возможно поражение глаз, приводящее к полной потере зрения.
Ожоги, вызываемые световым излучением, не отличаются от ожогов, вызываемых огнем или кипятком. Они тем сильнее, чем меньше расстояние до взрыва и чем больше мощность боеприпаса. При воздушном взрыве поражающее действие светового излучения больше, чем при наземном той же мощности. В зависимости от воспринятой величины светового импульса ожоги делятся на три степени.
Ожоги первой степени возникают при световом импульсе 2-4кал/см2 и проявляются в поверхностном поражении кожи: покраснении, припухлости, болезненности. При ожогах второй степени при световом импульсе 4-10 кал/см2 на коже появляются пузыри. При ожогах третьей степени при световом импульсе 10-15кал/см2 наблюдается омертвление кожи и образование язв.
При воздушном взрыве боеприпаса мощностью 20кТ и прозрачности атмосферы порядка 25 км ожоги первой степени будут наблюдаться в радиусе 4,2км от центра взрыва; при взрыве заряда мощностью 1МгТ это расстояние увеличится до 22,4км. Ожоги второй степени проявляются на расстояниях 2,9 и 14,4км и ожоги третьей степени - на расстояниях 2,4 и 12,8 км соответственно для боеприпасов мощностью 20кТ и 1МгТ.
Защитой от светового излучения могут служить различные предметы, создающие тень, но лучшие результаты достигаются при использовании убежищ и укрытий.
Проникающая радиация. Проникающая радиация представляет собой поток гамма квантов и нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва. Гамма кванты и нейтроны распространяются во все стороны от центра взрыва.
С увеличением расстояния от взрыва количество гамма квантов и нейтронов, проходящее через единицу поверхности, уменьшается. При подземном и подводном ядерных взрывов действие проникающей радиации распространяется на расстояния, значительно меньшие, чем при наземных и воздушных взрывах, что объясняется поглощением потока нейтронов и гамма квантов землей и водой.
Зоны поражения проникающей радиацией при взрывах ядерных боеприпасов средней и большой мощности несколько меньше зон поражения ударной волной и световым излучением.
Для боеприпасов с небольшим тротиловым эквивалентом (1000 тонн и менее), наоборот, зоны поражающего действия проникающей радиацией превосходят зоны поражения ударной волной и световым излучением.
Поражающее действие проникающей радиации определяется способностью гамма квантов и нейтронов ионизировать атомы среды, в которой они распространяются. Проходя через живую ткань, гамма кванты и нейтроны ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав клеток, которые приводят к нарушению жизненных функций отдельных органов и систем. Под влиянием ионизации в организме возникают биологические процессы отмирания и разложения клеток. В результате этого у пораженных людей развивается специфическое заболевание, называемое лучевой болезнью.
Для оценки ионизации атомов среды, а следовательно, и поражающего действия проникающей радиации на живой организм введено понятие дозы облучения (или дозы радиации), единицей измерения которой является рентген (Р). Дозе радиации 1Р соответствует образование в одном кубическом сантиметре воздуха приблизительно 2 миллиардов пар ионов.
В зависимости от дозы излучения различают четыре степени лучевой болезни. Первая (легкая) возникает при получении человеком дозы от 100 до 200Р. Она характеризуется общей слабостью, легкой тошнотой, кратковременным головокружением, повышением потливости; личный состав, получивший такую дозу, обычно не выходит из строя. Вторая (средняя) степень лучевой болезни развивается при получении дозы 200-300Р; в этом случае признаки поражения - головная боль, повышение температуры, желудочно-кишечное расстройство - проявляются более резко и быстро, личный состав в большинстве случаев выходит из строя. Третья (тяжелая) степень лучевой болезни возникает при дозе свыше 300-500Р; она характеризуется тяжелыми головными болями, тошнотой, сильной общей слабостью, головокружением и другими недомоганиями; тяжелая форма нередко приводит к смертельному исходу. Доза облучения свыше 500Р вызывает лучевую болезнь четвертой степени и для человека обычно считается летальной.
Защитой от проникающей радиации служат различные материалы, ослабляющие поток гамма- и нейтронного излучений. Степень ослабления проникающей радиации зависит от свойств материалов и толщины защитного слоя. Ослабление интенсивности гамма- и нейтронного излучений характеризуется слоем половинного ослабления, который зависит от плотности материалов.
Слой половинного ослабления - это слой вещества, при прохождении которого интенсивность гамма-лучей или нейтронов уменьшается в два раза.
Радиоактивное заражение. Радиоактивное заражение людей, боевой техники, местности и различных объектов при ядерном взрыве обусловливается осколками деления вещества заряда (Pu-239, U-235, U-238) и не прореагировавшей частью заряда, выпадающими из облака взрыва, а также наведенной радиоактивностью. С течением времени активность осколков деления быстро уменьшается, особенно в первые часы после взрыва. Так, например, общая активность осколков деления при взрыве ядерного боеприпаса мощностью 20кТ через один день будет в несколько тысяч раз меньше, чем через одну минуту после взрыва.
При взрыве ядерного боеприпаса часть вещества заряда не подвергается делению, а выпадает в обычном своем виде; распад ее сопровождается образованием альфа-частиц. Наведенная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами (радионуклидами), образующимися в грунте в результате облучения его нейтронами, испускаемыми в момент взрыва ядрами атомов химических элементов, входящих в состав грунта. Образовавшиеся изотопы, как правило, бета-активны, распад многих из них сопровождается гамма-излучением. Периоды полураспада большинства из образующихся радиоактивных изотопов, сравнительно невелики - от одной минуты до часа. В связи с этим наведенная активность может представлять опасность лишь в первые часы после взрыва и только в районе, близком к эпицентру.
Основная часть долгоживущих изотопов сосредоточена в радиоактивном облаке, которое образуется после взрыва. Высота поднятия облака для боеприпаса мощностью 10кТ равна 6км, для боеприпаса мощностью 10МгТ она составляет 25км. По мере продвижения облака из него выпадают сначала наиболее крупные частицы, а затем все более и более мелкие, образуя по пути движения зону радиоактивного заражения, так называемый след облака. Размеры следа зависят главным образом от мощности ядерного боеприпаса, а также от скорости ветра и могут достигать в длину несколько сотен и в ширину несколько десятков километров.
Степень радиоактивного заражения местности характеризуется уровнем радиации на определенное время после взрыва. Уровнем радиации называют мощность экспозиционной дозы (Р/ч) на высоте 0,7-1м над зараженной поверхностью.
Возникающие зоны радиоактивного заражения по степени опасности принято делить на следующие четыре зоны.
Зона Г - чрезвычайно опасного заражения. Ее площадь составляет 2-3% площади следа облака взрыва. Уровень радиации составляет 800Р/ч.
Зона В - опасного заражения. Она занимает примерно 8-10% площади следа облака взрыва; уровень радиации 240Р/ч.
Зона Б - сильного заражения, на долю которой приходится примерно 10 % площади радиоактивного следа, уровень радиации 80Р/ч.
Зона А - умеренного заражения площадью 70-80% от площади всего следа взрыва. Уровень радиации на внешней границе зоны через 1 час после взрыва составляет 8Р/ч.
Поражения в результате внутреннего облучения появляются вследствие попадания радиоактивных веществ внутрь организма через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт. В этом случае радиоактивные излучения вступают в непосредственный контакт с внутренними органами и могут вызвать сильную лучевую болезнь; характер заболевания будет зависеть от количества радиоактивных веществ, попавших в организм.
На вооружение, боевую технику и инженерные сооружения радиоактивные вещества не оказывают вредного воздействия.
Электромагнитный импульс. Ядерные взрывы в атмосфере и в более высоких слоях приводят к возникновению мощных электромагнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременного существования принято называть электромагнитным импульсом (ЭМИ).
Поражающее действие ЭМИ обусловлено возникновением напряжений и токов в проводниках различной протяженности, расположенных в воздухе, технике, на земле или на других объектах. Действие ЭМИ проявляется, прежде всего, по отношению к радиоэлектронной аппаратуре, где под действием ЭМИ наводятся электрические токи и напряжения, которые могут вызвать пробой электроизоляции, повреждение трансформаторов, сгорание разрядников, порчу полупроводниковых приборов и других элементов радиотехнических устройств. Наиболее подвержены воздействию ЭМИ линии связи, сигнализации и управления. Сильные электромагнитные поля могут повредить электрические цепи и нарушить работу неэкранированного электротехнического оборудования.
Высотный взрыв способен создать помехи в работе средств связи на очень больших площадях. Защита от ЭМИ достигается экранированием линий энергоснабжения и аппаратуры.
Очаг ядерного поражения. Очагом ядерного поражения называется территория, на которой под воздействием поражающих факторов ядерного взрыва возникают разрушения зданий и сооружений, пожары, радиоактивное заражение местности и поражения населения. Одновременное воздействие ударной волны, светового излучения и проникающей радиации в значительной мере обусловливает комбинированный характер поражающего действия взрыва ядерного боеприпаса на людей, военную технику и сооружения. При комбинированном поражении людей травмы и контузии от воздействия ударной волны могут сочетаться с ожогами от светового излучения с одновременным возгоранием от светового излучения. Радиоэлектронная аппаратура и приборы, кроме того, могут потерять работоспособность в результате воздействия электромагнитного импульса (ЭМИ).
Размеры очага тем больше, чем мощнее ядерный взрыв. Характер разрушений в очаге зависит также от прочности конструкций зданий и сооружений, их этажности и плотности застройки.
За внешнюю границу очага ядерного поражения принимают условную линию на местности, проведенную на таком расстоянии от эпицентра взрыва, где величина избыточного давления ударной волны равна 10кПа.
Радиоактивные осадки
При делении тяжёлых ядер урана и плутония образуются сотни различных радионуклидов с разными периодами полураспада. Распределение дочерних продуктов по массовым числам имеет два максимума, находящихся в интервалах 85-105 и 130-150. С высоким выходом образуются радионуклиды цезия-137 и стронция-90. Они имеют относительно большие периоды полураспада (около 30-ти лет) и поэтому представляют особую опасность для здоровья человека. В первые недели после взрыва особое значение имеет йод-131 (период полураспада 8 дней), способный накапливаться в щитовидной железе и тем самым создавать высокие локальные дозы облучения.
Образующиеся при ядерном или термоядерном взрыве нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, входящих в состав атмосферы, почвы, конструкционных материалов. Так, их взаимодействие с ядрами атмосферного азота приводит к образованию радиоактивного углерода 14C.
Источниками радиоактивных веществ могут являться продукты деления ядерного горючего, не вступившая в реакцию часть ядерного заряда и радиоактивные изотопы, образовавшиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов (наведённая активность).
Наземный или низкий взрыв втягивает в огненное облако, содержащее радиоактивные продукты деления ядер урана и плутония, множество пылинок почвы. Пылинки оплавляются с поверхности и при этом поглощают (растворяют) радиоактивные вещества. Когда атомное облако движется в ту или иную сторону под действием господствующих верховых (стратосферных) ветров пылинки постепенно выпадают на землю – сначала более крупные, потом всё более и более мелкие. Образуется длинная радиоактивная полоса – “след” – результат выпадения из поднятого в воздух облака значительного количества радиоактивных веществ. Форма следа может быть самой разнообразной, в зависимости от окружающих условий.
Местные (локальные) радиоактивные осадки – это осадки, которые выпадают в течение первых нескольких часов, но не более чем через сутки после взрыва. Они образуют на местности радиоактивный след облака взрыва с достаточно высокими уровнями загрязнения. Такие локальные следы могут образовываться в основном после наземных взрывов в зоне, непосредственно примыкающей к воронке взрыва.
Глобальные радиоактивные осадки – это те продукты ядерных взрывов, которые достаточно долго находились в стратосфере, т.е. выше тропопаузы. Затем, спустя примерно 4-6 месяцев после ядерного взрыва, они начинают выпадать на поверхность Земли в виде очень мелких частиц, распространяясь практически по всему земному шару. Выпадению глобальных радиоактивных частиц способствуют обычные атмосферные осадки – дождь, снег, туман.
Кроме того, после воздушных ядерных взрывов среднего и крупного калибров возможно формирование радиоактивного загрязнения в промежуточной зоне за счёт тропосферных выпадений, особенно когда приземное пылевое образование втягивается в облако взрыва. Это – полуглобальные радиоактивные осадки, выпадение которых начинается спустя примерно 10-20ч. после взрыва на расстояниях около 500-1000км от места взрыва и может продолжаться в течение 2-4 недель. Радиоактивные частицы, составляющие эти выпадения, легко переносятся ветрами.
Масштабы и степень радиационного загрязнения окружающей среды в результате применения ядерного оружия зависят от вида и мощности взрыва.
Воздушный ядерный взрыв – это взрыв, произведенный на высоте до 10км, когда светящаяся область не касается земли (воды). Сильное радиоактивное заражение местности образуется в основном вблизи эпицентров низких воздушных взрывов. Их характерной особенностью является то, что, несмотря на соединение пылевого столба с облаком взрыва, поднятые с поверхности земли частицы грунта не вступают во взаимодействие с радиоактивными продуктами – осколками деления ядерного топлива. В связи с этим формирование источника радиоактивного загрязнения происходит за счёт конденсации паров только конструкционных материалов бомбы. Радиоактивные продукты локализуются в каплях образовавшейся жидкости. Размер образовавшихся таким образом радиоактивных частиц – порядка 10мкм. Эти частицы распространяются и выпадают на землю на расстояниях до нескольких сотен и даже тысяч километров от места проведения взрыва. Помимо этого, подвергшиеся воздействию нейтронного излучения частицы поверхностного слоя грунта вовлекаются в возмущённую область атмосферы и в последующем выпадают из пылевого столба на ближних расстояниях от эпицентра взрыва.
При высоких воздушных взрывах минеральные (почвенные) частицы практически не вовлекаются в облако взрыва. Радиоактивное загрязнение местности происходит в зоне распространения нейтронов проникающей радиации в районе эпицентра, а образующиеся в основном из конструкционных материалов ядерного боеприпаса радиоактивные частицы становятся одной из составляющих глобальных выпадений радионуклидов.
При высотном ядерном взрыве (высота взрыва более 10км) радиоактивные продукты достигают поверхности земли спустя много времени после его проведения и только в виде глобальных выпадений.
При подводном взрыве мгновенные гамма-кванты и нейтроны поглощаются водой, а радиоактивные продукты распределяются между воздушной средой и морской водой. Возникает полый водяной столб с облаком вверху. После обрушения водяного столба у его основания образуется базисная волна, которая представляет собой приводное облако, состоящее из мелких радиоактивных капель воды и тумана. Через некоторое время это облако отрывается от поверхности воды, передвигается по ветру, и из него выпадает радиоактивный дождь, образуя локальный след. Протяжённость следа и плотность радиоактивного загрязнения местности при выпадении осадков на твёрдую поверхность после подводного взрыва существенно меньше, чем после наземного.
Надводный ядерный взрыв – это взрыв, произведённый на поверхности воды, при котором образующаяся в процессе взрыва светящаяся область касается поверхности воды. Облако надводного взрыва по высоте подъёма и своему виду аналогично облаку наземного взрыва, но размеры локального следа и плотность загрязнения хотя и значительны, но меньше, чем после наземного, однако больше, чем после подводного взрыва ядерного заряда примерно такой же мощности.