Physik

Was erzeugt die Pilzwolke, wenn eine Atombombe explodiert?

Was erzeugt die Pilzwolke, wenn eine Atombombe explodiert?


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Die Vorstellung, wie eine nukleare Explosion aussieht, ist wahrscheinlich in Ihrem Gedächtnis verankert. Entweder durch das Anschauen von Dokumentationen und Filmen, die eine Explosion darstellen, oder durch das Betrachten der Bilder in der Popkultur ist eine Explosion der Natur und Größe einer nuklearen Detonation nicht leicht zu vergessen.

Der vielleicht auffälligste Aspekt dieser Explosionen sind die großen Pilzwolken, die sie erzeugen. Die meisten Bomben erzeugen ähnliche Wolken, aber nicht ganz so wie nach einer nuklearen Detonation.

Was bewirkt also die Bildung dieser Wolken?

Kurz gesagt, weil die Bombe plötzlich große Mengen an Energie freisetzt. Diese Energie erzeugt eine sehr heiße Gasblase, die mit der kühleren Umgebungsluft interagiert und diese weniger dicht macht. Bei einer nuklearen Detonation sendet die Bombe einen Röntgenstrahl aus, der die Umgebungsluft ionisiert und erwärmt. Diese heiße Gasblase ist als Feuerball bekannt.

Der heiße Feuerball steigt sehr schnell auf und erzeugt einen starken Aufwind, der dann von der Umgebungsluft und dem Staub gefüllt wird. Dies schafft die Wolke.

Das war jedoch die schnelle Antwort. Um es besser zu verstehen, müssen wir etwas tiefer tauchen.

Was sind Pilzwolken?

Um zu verstehen, warum nukleare Explosionen Pilzwolken erzeugen, müssen wir zunächst genau definieren, was diese Wolken sind.

Pilzwolken sind Rauchwolken und Trümmer, die sich nach einer Explosion durch die Luft bewegen. Diese Wolkentypen bilden sich nicht nur nach nuklearen Explosionen, sondern auch nach Ereignissen, die sehr schnell Wärme erzeugen. Ein Beispiel hierfür könnte der Ausbruch einer konventionellen Bombe oder sogar eines Vulkans sein.

Warum verursachen nukleare Detonationen große Pilzwolken?

Die Antwort mag an dieser Stelle einfach erscheinen, wenn man bedenkt, dass wir sie im Grunde bereits in diesem Artikel angesprochen haben, aber die Geschichte enthält noch mehr.

Natürlich verursacht die starke nukleare Explosion eine plötzliche Wärmeabgabe, die mit der Umgebungsluft reagiert und diese Luft weniger dicht macht - wie wir bereits besprochen haben.

Die Wechselwirkung zwischen zwei Materialien (Flüssigkeiten oder Gase) unterschiedlicher Dichte, wenn sie zusammengedrückt werden, ist als Rayleigh-Taylor-Instabilität bekannt.

Dieses Prinzip charakterisiert hauptsächlich die Bewegung zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte. Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften auf unterschiedliche Weise von einer bestimmten Kraft beeinflusst. Einfach erklärt, tritt eine RT-Instabilität auf, wenn eine schwere Flüssigkeit von einer leichteren getragen wird. Die Flüssigkeiten tendieren zum Gleichgewicht, wodurch die weniger dichte Flüssigkeit durch die dichtere Flüssigkeit schießt.

Bei Explosionen, bei denen die weniger dichte heiße Luft zentralisiert ist, erfolgt dieses "Durchschießen" der weniger dichten heißen Luft durch die dichtere kältere Umgebungsluft an einem zentralisierten Punkt. Durch die Wechselwirkungen dieser Gase bildet sich die Pilzform.

Eine zu beachtende Sache ist, dass diese Wechselwirkung in allen Flüssigkeiten vorhanden ist, in denen eine weniger dichte Flüssigkeit eine schwerere unterstützt, beispielsweise die Wechselwirkung von Öl und Wasser in einer Tasse. Bei nuklearen Explosionen würde die Wechselwirkung ohne Rauch oder Schmutz bestehen bleiben. Der Rauch und die Trümmer ermöglichen es uns einfach, die Pilzwolkenbildung leichter zu beobachten.

Die weniger dichte heiße Luft steigt aus dem anfänglichen Feuerball auf und erzeugt ein Vakuum in seinem Kielwasser. Dadurch wird die dichtere kalte Luft angesaugt, während der Feuerball weiter steigt.

Die aufsteigende heiße Luft trifft auf den Widerstand der dichteren kalten Luft, die als Widerstand gegen ihre Aufwärtsbewegung wirkt. Es ist dieser Widerstand, der die aufsteigende Wolke abflacht und sie in eine Pilzform verwandelt.

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Die Ränder der Wolke scheinen sich ständig zu kräuseln. Dies ist auf die Flüssigkeitsbewegung infolge dieses Widerstands zurückzuführen. Die Luft auf der Oberfläche des Feuerballs wird langsam zurückgezogen, nur um herumzurollen und wieder in den Boden des Feuerballs gesaugt zu werden.

Dieser gesamte Prozess wird fortgesetzt, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Der Feuerball hört nur auf zu steigen, bis er einen Punkt erreicht, an dem die Umgebungsluft die gleiche Dichte hat. Bei nuklearen Explosionen ist dies in der Atmosphäre, normalerweise in der Ozonschicht, ziemlich hoch.

Nach einem Artikel in Wissenschaftlicher Amerikaner"Alle Atombomben produzieren eine Ausbuchtung und einen Stiel, aber die wirklich riesigen Pilzwolken entstehen durch die sehr ertragreichen Explosionen von Kernwaffen (Wasserstoffbomben). Der Feuerball einer H-Bombe steigt so hoch, dass er auf die trifft." Tropopause, die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre. In der Tropopause gibt es einen starken Temperaturgradienten, der verhindert, dass sich die beiden Schichten der Atmosphäre stark vermischen. Die heiße Blase des Feuerballs dehnt sich zunächst aus und steigt an Vom Meeresspiegel bis zur Tropopause gestiegen, ist es nicht mehr heiß genug, um die Grenze zu durchbrechen. ... An diesem Punkt flacht der Feuerball ab, kann sich nicht mehr nach oben ausdehnen und dehnt sich seitlich zu einer übertriebenen Pilzkappe aus . "

Wie groß sind Atompilzwolken?

Wir können uns jetzt alle vorstellen, wie eine nukleare Explosion aussieht, aber was schwieriger ist, ist das Ausmaß der Explosion zu verstehen. Da es unwahrscheinlich ist, dass wir jemals persönlich eine nukleare Explosion gesehen haben, kann es schwierig sein, das Ausmaß zu erfassen.

Im Allgemeinen können die Pilzwolken in Minuten bis zu Zehntausenden von Fuß aufsteigen. Als Referenz kreuzen die meisten Passagierflugzeuge umher33,000 Füße oder 10,000 Meter.

Wenn wir auf eine historische Explosion zurückblicken, werfen wir einen Blick darauf, was nach der Atomexplosion in Hiroshima in 1945. Innerhalb der ersten 10 Minuten stieg die Pilzwolke auf mehr als60,000 Füße oder grob 20,000 Meter.

Das gibt uns aber nicht das ganze Bild. Während es mehr als war20,000 Meter hoch in den ersten 10 Minuten, innerhalb der ersten 30 Sekunden war die Wolke über der Reiseflughöhe der Enola Gay aufgegangen, dem Flugzeug, das die Bombe abgeworfen hatte. Das heißt, die Wolke war aufgegangen 10,000 Meter in 30 Sekunden. Gemittelt bedeutet dies, dass sich die Wolke bei nach oben ausdehnt 333 m / s anfangs und dann verlangsamt, um bei nur a zu steigen 100 m / s durchschnittlich nach 10 Minuten.

Letztendlich sind Pilzwolken nicht spezifisch für nukleare Explosionen, sondern spezifisch für Rayleigh-Taylor-Instabilitäten in Flüssigkeiten - ein Prinzip, das wir jeden Tag um uns herum in Aktion sehen.


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