Вернуться назад

Материал взят из "Энциклопедии постъядерного мира". Авторы: FEB и Patriarch. Содержимое статьи я не менял, поэтому ответственность за все опечатки и глюки в ней несут авторы.

Концепции и сценарии ядерной войны.

Первые ядерные взрывы были произведены сорок лет назад. За прошедшее с тех пор время пять ядерных держав, особенно США и СССР, накопили огромные запасы ядерного оружия. Невозможно точно предсказать, как будут развиваться потенциальные военные конфликты. Тем не менее основные принципы стратегического планирования достаточно хорошо известны, так что на их основе могут быть созданы и проанализированы возможные сценарии широкомасштабной ядерной войны, а также исследованы ее последствия.

— Ядерные силы НАТО и Организации Варшавского договора (стратегические и средней дальности) насчитывают примерно 24000 боеголовок суммарной мощностью около 12000 Мт. В настоящее время в арсеналах ядерных держав содержится около миллиона “Хиросим”.

— Предполагается, что в мировой ядерной войне будет взорвано более 12000 боеголовок суммарной мощностью около 6000 Мт. В данной работе изучаются в силу очевидной их важности климатические последствия ядерного конфликта такого масштаба. Как выяснилось, флуктуации характеристик атмосферы, вызванные ее задымлением, зависят от числа взрывов над городами и промышленными комплексами сильнее, чем от каких-либо других параметров сценария.

— Многие цели, по которым может быть нанесен ядерный удар, например шахты МБР и некоторые военные базы, размещены на значительном расстоянии от районов с высокой плотностью населения. Однако большое число важных в военном и стратегическом отношении объектов расположено в зонах высокой урбанизации. Поэтому даже при ударе только по военным целям городам может быть нанесен огромный ущерб. Как следствие при такой относительно ограниченной атаке могут возникнуть большие пожары и произойти массированные выбросы дыма в атмосферу.

— В современных доктринах сдерживания предполагается, что по мере развития возникшего ядерного конфликта большое число ударов может быть нанесено непосредственно по городам и промышленным предприятиям государства-противника. При осуществлении этих доктрин последствия могут оказаться крайне тяжелыми в связи с возможными пожарами, выбросами дыма и изменениями климата.

Масштаб пожаров и выбросы дыма

Во время второй мировой войны интенсивные пожары (на территории от 10 до 30 км2) были вызваны массированным применением зажигательных бомб, а также сравнительно маломощными ядерными взрывами в Хиросиме и Нагасаки. Ввиду малого количества этих пожаров и больших промежутков времени между ними общее количество дыма, выброшенного в атмосферу, было небольшим. В настоящее время в ходе обширного ядерного конфликта могут одновременно возникнуть тысячи интенсивных пожаров (каждый из которых будет охватывать территорию порядка нескольких сотен квадратных километров). Пожары охватят города, угле- и нефтеперерабатывающие предприятия и нефтехранилища, леса, степи и т. д. Пожаров такого масштаба и интенсивности никогда не было, поэтому нет и данных о масштабах выбросов дыма. Их получают путем экстраполяции результатов измерений, проделанных при пожарах значительно меньшей мощности. При определении количественных характеристик дымообразования с помощью такой процедуры возможны значительные ошибки, особенно в случае интенсивных пожаров.

— Около 70% населения Европы, Северной Америки и Советского Союза сконцентрировано в городах и пригородных зонах общей площадью порядка нескольких сотен тысяч квадратных километров. На этой территории содержится более десяти миллиардов тонн бумаги и дерева. Если пожары охватят 25—30% этой территории, за несколько часов или дней в атмосферу будет выброшено от нескольких десятков до более чем ста миллионов тонн дыма. От одной четверти до трети этого количества будет составлять элементарный углерод, эффективно поглощающий солнечное излучение.

— На территории городов и промышленных предприятий сосредоточено огромное количество нефти, масел, бензина, керосина и их производных (пластмассы, резины, асфальта, битума и т. п.). При сгорании небольшой доли (приблизительно 25—30%) от общего количества этих веществ (несколько миллиардов тонн) образуется 50—150 млн. т дыма с очень высоким содержанием (не менее 50%) элементарного углерода. Около 25—30% всего количества горючих материалов, накопленных в развитых странах, сконцентрировано на территории менее чем ста городских и промышленных зон.

— За несколько дней или недель в лесных и степных пожарах в зависимости от состояния растительности и масштаба распространения огня могут выгореть десятки и сотни тысяч квадратных километров. Летом в таких пожарах может образоваться несколько десятков миллионов тонн дыма, в зимнее время масштаб пожаров будет существенно меньше. В дыме лесных пожаров содержится 10% элементарного углерода.

Поэтому при оценке последствий ядерной войны значение таких пожаров меньше, чем пожаров в городах и промышленных комплексах, хотя его нельзя считать пренебрежимо малым.

— При наземных взрывах в стратосферу может быть заброшено несколько десятков миллионов тонн высокодисперсной (размер частиц менее 1 мкм) пыли. Эта пыль может находиться в атмосфере несколько лет. Хотя возможные выбросы пыли имеют значительно более слабые климатические последствия, чем задымление атмосферы, их также необходимо рассматривать.

4. Физические процессы в дымовом облаке; влияние дыма на перенос солнечного излучения в атмосфере

Поднимающиеся в потоках нагретого воздуха при больших пожарах частицы дыма состоят из аморфного элементарного углерода, сконденсировавшихся углеводородов и других веществ. Наиболее важным параметром при оценке влияния задымленности атмосферы на перенос солнечного излучения является содержание элементарного углерода в частицах, эффективный сферический диаметр которых составляет от 0,1 до, возможно, 1 мкм. Такие частицы могут быть разнесены ветрами по всему земному шару и оставаться в атмосфере от нескольких дней до нескольких месяцев.

— При сильных пожарах возникают мощные восходящие потоки воздуха и направленные к очагу ветры у поверхности земли. Частицы дыма, пепел и другие продукты сгорания, а также увлекаемая ветром пыль, вода, выделившаяся в процессе сгорания и захваченная из приземного слоя, поднимаясь вместе с потоком воздуха, за несколько минут могут достигнуть высоты 10—15 км. Общая масса заброшенных в верхние слои атмосферы частиц будет зависеть от скорости дымообразования, локальных метеорологических условий, интенсивности пожара и эффективности процессов вымывания, происходящих в конвективной колонке.

— При конденсации водяного пара в процессе охлаждения поднимающейся смеси воздуха и дыма, происходящего из-за адиабатического расширения и вовлечения окружающего воздуха, при определенных условиях могут образовываться куче-во-дождевые облака. Из-за того что в процессе конденсации выделяется скрытое (латентное) тепло, высота подъема воздуха (и частиц дыма) еще более возрастает.

— Большая часть водяного пара, захваченного в приземных слоях атмосферы, сконденсируется при подъеме воздуха; однако лишь часть пожаров индуцирует осадки. В конвективных колонках этих пожаров захват частиц сажи каплями воды будет происходить неэффективно. Частицы дыма, как правило, состоят из смеси веществ и по крайней мере частично могут захватываться каплями воды и кристаллами льда. Физика этих процессов в настоящее время изучена недостаточно. При испарении капель воды или кристаллов льда в наковальнях кучево-дождевых облаков или в окружающем воздухе частицы дыма могут освобождаться. В целом неизвестно, какая часть дыма будет захвачена каплями и будет удалена из атмосферы вместе с осадками.

— Сильная конвекция, однако, имеет место не при всех пожарах. Ее возникновение зависит от метеорологических условий и количества горючего на единицу площади. В современных исследованиях предполагается, что за первые сутки осадками будет удалено 30—50% дыма, заброшенного в атмосферу во всех пожарах. С этим допущением связана наибольшая неопределенность. При допущениях, используемых в настоящей работе, суммарное количество дыма в атмосфере после первичного вымывания будет составлять от 50 до 150 млн. т, а количество аморфного элементарного углерода — 30 млн. т.

— Частицы дыма, образующиеся в городских пожарах и при горении угля, нефти и нефтепродуктов, сильно поглощают солнечную радиацию, но, за исключением, быть может, каких-то особых случаев, слабо поглощают длинноволновое излучение, идущее от земной поверхности. Если над средними широтами Северного полушария будет распределено 30 млн. т элементарного углерода, попавшего в атмосферу при индустриальных/городских пожарах, то инсоляция у поверхности уменьшится по крайней мере на 30%. В ходе широкомасштабного ядерного конфликта возможен выброс больших количеств дыма, при этом инсоляция в местах его скопления уменьшится до 1% нормы, а затем по мере распространения дыма по всему Северному полушарию будет в среднем за сутки составлять всего несколько процентов нормы.

— Высокая плотность дымового облака, образующегося при пожаре, сохраняется в течение нескольких дней. За это время в результате коагуляции (столкновений со слипанием) число частиц дыма в единице объема облака уменьшится, а их размеры несколько увеличатся. Коагуляция частиц может также происходить при слиянии и последующем испарении содержащихся в дымовом облаке капель воды и кристаллов льда. Оптические свойства аэрозолей зависят от размера и формы частиц, поэтому оптические свойства облаков дыма с течением времени изменяются. Однако об этих процессах известно чрезвычайно мало, непонятно даже, в какую сторону будут происходить изменения. Тем не менее представляется, что оптические свойства “пушинок” сажи, образующихся при сгорании нефтепродуктов, слабо зависят от их размера. Для конгломератов плотных частиц это не совсем так.

— Мезомасштабные метеорологические процессы (т. е. процессы, масштаб которых превышает размеры дымового облака, но меньше размеров континентов) изучены недостаточно полно. При движениях мезо- и синоптического масштаба может происходить сильное перемешивание дыма и изменение его состава, а также вымывание частиц в течение нескольких первых дней с начала выброса. Необходимы дополнительны; исследования для количественного описания микрофизической эволюции частиц дыма в этот период времени. Хотя эти исследования могут частично изменить наши представления о протекающих физических процессах, кажется вероятным, что значительная часть дыма останется в атмосфере и будет оказывать влияние на погоду и климат в глобальном масштабе.

Изменения атмосферных процессов, вызванные дымом

В ходе широкомасштабной ядерной войны за несколько дней над Европой, Северной Америкой и большей частью Азии могут образоваться облака дыма, размеры которых будут сопоставимы с размерами континентов. Для изучения переноса, эволюции и вымывания дыма из атмосферы, а также его влияния на температурный режим, осадкообразование, циркуляцию и другие важные процессы была использована иерархия численных моделей (от одномерных, описывающих эволюцию средних по земному шару величин, до трехмерных гидродинамических моделей глобальной циркуляции атмосферы). Все расчеты показывают, что существует высокая вероятность изменений погоды в большом пространственном масштабе из-за выбросов дыма в обширных пожарах, инициированных ядерными ударами. В этих моделях, однако, ряд важных физических процессов описывается упрощенно или не вполне точно. Тем не менее эти модели, вероятно, позволяют правильно оценить общий характер отклика атмосферы на инжекцию дыма.

— При выбросах больших количеств дыма на высоту порядка нескольких километров, происходящих в весенне-летний (для Северного полушария) период, за несколько дней средняя температура воздуха у поверхности под покровом густого дыма может понизиться на 20—40°С в зависимости от конкретных метеорологических условий и продолжительности существования плотного дымового покрова. Некоторые из этих скоплений дыма могут переноситься на большие расстояния, вызывая кратковременное похолодание. В начальный период распространения дыма в силу значительной пространственной неоднородности загрязнения атмосферы инсоляция и, следовательно, температура земной поверхности могут сильно меняться как по времени, так и по пространству.

— В течение нескольких недель большая часть Северного полушария будет закрыта (все еще весьма неоднородным) слоем дыма. При выбросах в весенне-летний период быстрый нагрев слоя дыма солнечным излучением приведет к тому, что значительная часть дымового аэрозоля будет заноситься возникающими вертикальными движениями воздуха в верхние слои тропосферы и стратосферу. Нагрев этих слоев может повысить устойчивость атмосферы и подавить вертикальные движения воздуха в нижележащих слоях. Вследствие этого время жизни аэрозоля увеличится от нескольких дней до, возможно, нескольких месяцев и более.

— Если конфликт произойдет в летнее (для Северного полушария) время года, то в средних широтах температура земной поверхности может на несколько недель снизиться до уровня, типичного для осени или начала зимы. При этом на всей территории (за исключением, быть может, областей под южной кромкой дымового облака) будет подавлена конвекция и связанные с ней осадки. Из-за охлаждения воздуха у поверхности в начальный период времени в прибрежных районах, низменностях и речных долинах могут образовываться туманы и измороси. Во внутренних районах континентов возможны сильные, как в середине зимы, морозы. Если конфликт произойдет зимой, то при сильном снижении инсоляции температурные аномалии и уменьшение уровня осадков по сравнению со средними для этого периода значениями будут выражены в меньшей степени, чем летом. Во многих районах погода будет практически такой же, как при суровой зиме. Такие условия, однако, сформируются одновременно на значительной части территории среднеширотного пояса Северного полушария, причем холодные воздушные массы могут проникать далеко на юг, в районы, где никогда или почти никогда не было морозов.

— Независимо от времени года похолодание в субтропиках Северного полушария при мощных выбросах дыма может оказаться более значительным, чем в зимний сезон. Во внутренних районах континентов, где не сказывается смягчающее влияние океана, температура может упасть до О^С и ниже. Перенос необходимой для экосистем и сельского хозяйства влаги во внутренние районы континентов в субтропических широтах осуществляется муссонами. Подавление конвекции может привести к тому, что муссонная циркуляция по существу прекратится. В прибрежных районах, однако, уровень осадков может несколько увеличиться.

— Если выбросы дыма произойдут в Северном полушарии в период между апрелем и сентябрем, то по мере прогрева солнечным излучением дым будет подниматься в верхние слои атмосферы и двигаться по направлению к экватору, при этом сильно возрастет перенос воздуха в Южное полушарие (в Южном полушарии индуцированные нисходящие движения воздуха могут привести к уменьшению количества осадков). В течение одной или двух недель в атмосфере низких и средних широт Южного полушария появятся узкие протяженные полосы дыма, предшествующие образованию более однородной дымовой пелены со значительной (хотя и существенно меньшей, чем в Северном полушарии) оптической толщиной. Во внутренних районах континентов может наступить умеренное похолодание. Вероятно, в зимний (для Южного полушария) сезон температура воздуха снизится не больше, чем на несколько градусов. В более “жестких”, но менее вероятных, сценариях выбросов дыма климатические эффекты в Южном полушарии значительно возрастают, особенно в течение последующих весны и лета.

— В настоящее время недостаточно полно исследованы атмосферные процессы большого временного масштаба, т. е. длительностью свыше нескольких недель, происходящие после стадии быстрых и значительных изменений в атмосфере, вызванных массированными выбросами дыма в ядерной войне. Мало что известно о процессах, ответственных за удаление частиц дыма из атмосферы на больших интервалах времени: вымывании осадками, химическом окислении и ряде других. Неясно также, каково время жизни аэрозоля в возмущенной атмосфере как в приполярных регионах, где за счет охлаждения частицы дыма могут опускаться из стратосферы в те слои тропосферы, откуда они могут быть удалены осадками, так и в освещаемых Солнцем сверхустойчивой тропосфере и стратосфере.

— В существующих оценках предполагается, что частицы дыма, поднятые (непосредственно факелами пожаров или при нагреве солнечным излучением) в устойчивые или стабилизировавшиеся слои, могут оставаться в атмосфере год и более, вызывая таким образом глобальное долговременное (от нескольких месяцев до нескольких лет) снижение температуры на несколько градусов, особенно после сильного охлаждения океанов. При таких условиях также может значительно понизиться уровень осадков. Особое беспокойство вызывает возможность падения интенсивности летнего муссона над Азией и Африкой. Понижение температуры океанов, механизмы климатической обратной связи (например, лед—альбедо) и сопутствующие экологические изменения также могут продлить период, в течение которого будут наблюдаться значительные климатические сдвиги.

Химические процессы в атмосфере после ядерной войны

При ядерных взрывах и последующих пожарах могут в большом количестве образовываться токсичные химические соединения. Кроме того, перенос излучения в атмосфере и ее химический состав могут измениться так, что это повлияет на биосферу, климат и здоровье людей.

— Окислы азота (NOx), генерируемые в огненных шарах ядерных взрывов, при мощности взрыва более нескольких сотен килотонн забрасываются главным образом в стратосферу. Эти окислы служат катализаторами химических реакций, в результате которых через несколько месяцев содержание озона в атмосфере Северного полушария будет составлять от 10 до 30% его количества в свободной от аэрозоля атмосфере. (Уменьшение содержания озона будет, конечно, зависеть от количества взрывов большой мощности.) Восстановление озонового слоя займет несколько лет. Однако при сильных возмущениях атмосферных процессов, вызванных нагревом дыма солнечным излучением и выбросами газообразных продуктов сгорания, долговременные изменения концентрации озона могут значительно возрасти. При современном уровне научных знаний невозможно предсказать, какими будут эти изменения.

— Уменьшение концентрации озона на десятки процентов может в несколько раз увеличить интенсивность биологически активного ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхности. В начальный период времени УФ-излучение будет поглощаться дымом. Однако при подъеме дыма в стратосферу забрасываются сажа и химически активные вещества, стратосфера нагревается и становятся возможными дополнительные химические реакции. Эти эффекты могут увеличить продолжительность и масштаб изменений озонового слоя.

— При сгорании (в том числе тлеющем) нескольких миллиардов тонн целлюлозосодержащих веществ, продуктов нефтехимии и других горючих в приземный слой атмосферы попадет большое количество окиси углерода, углеводородов, окислов серы и азота, соляной кислоты, пиротоксинов, тяжелых металлов, асбеста и других веществ. Находясь в атмосфере, эти вещества, среди которых есть и ядовитые, будут представлять прямую и/или косвенную угрозу многим формам жизни. Кроме того, при разрушении хранилищ токсичные химические соединения разольются, заражая воду и почву, и, кроме того, будут подняты ветром в атмосферу. Этот сложный и, по-видимому, очень важный вопрос глубоко не исследовался.

— Увеличение концентрации углеводородов и окислов азота в невозмущенной тропосфере приведет к многократному возрастанию средней фоновой концентрации озона в тропосфере. Однако это практически не окажет влияния на процессы, уменьшающие концентрацию озона в стратосфере. Последние к тому же имеют большие характерные времена. Кроме того, неясно, возможно ли вообще значительное увеличение концентрации озона в задымленной тропосфере, так как для осуществления соответствующих химических реакций требуется, помимо окислов азота, определенная интенсивность света. Не исключено, что окислы азота, образовавшиеся в пожарах, будут удалены из задымленной атмосферы до того, как станут возможными фотохимические реакции, приводящие к образованию озона.

— При вымывании соединений азота, серы и хлора, заброшенных в атмосферу во время пожаров, кислотность осадков на большой территории может повыситься примерно на порядок в течение нескольких месяцев. Эти явления могут быть до некоторой степени ослаблены, если в атмосферу в достаточных количествах попадут щелочные соединения (например, пыль).

— Быстрое охлаждение под плотными облаками дыма может привести к образованию устойчивых холодных слоев воздуха у поверхности. Выделяющиеся в продолжительных тлеющих пожарах химические вещества будут задерживаться в этих слоях. При этом концентрация СО, НС1, пиротоксинов и кислотных продуктов сгорания может достигать опасно высокого уровня. Возможные эффекты локального и регионального масштабов, например в населенных речных долинах и низменностях, заслуживают самого пристального внимания.

Радиационные эффекты

Вблизи от эпицентра взрыва стратегической ядерной боеголовки воздействие первичного ионизирующего излучения на людей незначительно по сравнению с воздействием ударной волны и теплового излучения. Однако в связи с тем, что в реакциях деления образуется большое количество радиоактивных изотопов, а испускаемые при взрыве нейтроны создают наведенную радиоактивность, оставшиеся в живых люди могут получить опасную дозу облучения. Радиационное заражение может быть как локальным (т. е. ограничится областями, расположенными в направлении движения облака взрыва), так и глобальным (т. е. охватит все полушарие и даже весь земной шар).

— Зоны, где доза может достичь летального уровня, образуются при оседании сравнительно крупных радиоактивных частиц при наземных взрывах (согласно сценарию, принятому в настоящем исследовании) в течение первых нескольких дней. Площадь таких зон будет составлять до 7% общей территории стран НАТО и ОВД (предполагается, что радиационная защита отсутствует). Особенно высокий уровень радиоактивности будет в регионах, находящихся с подветренной стороны от шахт МБР и других сильно защищенных целей. Даже за пределами этих зон радиоактивность будет достаточно высокой для того, чтобы вызвать сильные лучевые поражения (при дозе облучения, составляющей половину летальной, может развиться острая лучевая болезнь). В сочетании с другими поражениями и психологическим стрессом эти дозы могут увеличить число жертв. Если удастся вывести большое число людей из зоны высокого заражения или принять широкомасштабные меры по радиационной защите, то, по-видимому, воздействие локальных радиоактивных осадков на людей будет в значительной степени ослаблено.

— Уровень неопределенности при расчетах зон радиоактивного заражения весьма высок. При единичном ядерном взрыве размеры зон заражения и соответственно доз облучения меняются в 2—4 раза в зависимости от метеорологических условий и принятых в модели допущений. При аккуратном расчете перекрывающихся зон при многих ядерных взрывах площадь зараженной территории значительно возрастает (в одном из рассмотренных случаев—втрое). Результаты чувствительны также к изменениям сценария ядерного удара.

— Средняя по Северному полушарию доза внешнего облучения, которая может быть получена в результате постепенного оседания в течение нескольких десятков лет радиоактивных частиц сравнительно малого размера, образовавшихся при воздушных и наземных взрывах стратегических боеголовок, будет составлять от 10 до 20 рад. Наиболее высокие значения приходятся на полосу 30—60 с.ш., где для рассмотренных сцен-а-риев доза облучения лежит в пределах от 20 до 60 рад. Полагают, что в отсутствие других отягощающих влияний канцерогенный и мутагенный эффект таких доз будет незначительным (т. е. число заболевших увеличится не более чем на несколько процентов относительно современного уровня). Вызванные дымом стабилизация атмосферы и снижение скорости оседания радиоактивных частиц могут уменьшить оценки доз примерно на 15%.

— Радиоактивное заражение, обусловленное процессами большого и промежуточного временных масштабов, будет из-за метеорологических эффектов весьма неоднородным по пространству. При этом возможно образование “горячих пятен” площадью до нескольких сотен тысяч квадратных километров, где средняя доза облучения может достигать 100 рад и соответственно территорий, где радиоактивность будет ниже среднего уровня.

— В Южном полушарии и в тропиках радиоактивность, созданная глобальными осадками, будет значительно ниже. Дозы облучения при этом будут относительно малыми (около 5% дозы в Северном полушарии) даже с учетом индуцированного дымом переноса воздуха в Южное полушарие. Дополнительное заражение, обусловленное локальными осадками, важно учитывать на расстояниях до нескольких сотен километров с подветренной стороны от тех наземных взрывов, которые будут произведены в Южном полушарии.

— Приведенные выше оценки можно дополнить, рассмотрев еще ряд факторов. По-видимому, важно учитывать, особенно при оценке долговременных последствий, “внутреннее” облучение при вдыхании радиоактивных частиц или их поглощении с пищей. Бета-излучение может сильно влиять на биоту, подвергшуюся воздействию локальных радиоактивных осадков. В рассмотренном сценарии принято, что коэффициент термо-ядерности боеголовок малой мощности составляет 0,5. Если предположить, что боеголовки будут чисто ядерными (и соответственно модифицировать сценарий), то площадь зон, где доза облучения достигает летального уровня, может увеличиться на 20%. Тактическое ядерное оружие и оружие средней дальности, не учтенное в данных расчетах, может увеличить площади этих зон в определенных географических районах, особенно в Европе, также на 20%. Если же произойдет разрушение атомных электростанций, военных реакторов и хранилищ радиоактивных веществ (хотя некоторые исследователи считают такой ход событий маловероятным), то доза облучения как в локальном, так и в глобальном масштабе может увеличиться в несколько раз по сравнению с вариантами, в которых учитываются лишь удары по стратегическим целям.

Направления будущих исследований

Широкомасштабные исследования и оценки, проведенные за последние несколько лет, показали, что в результате ядерной войны окружающая среда может измениться таким образом, что биологическим процессам будет нанесен катастрофический ущерб. Эти изменения повлияют на сельское хозяйство, функционирование природных экосистем, чистоту воздуха и воды и другие важные элементы биосферы. В связи с тем что научные выводы об отклике атмосферы на такого рода воздействия пока очень неопределенны, необходимо предпринять дополнительные исследования с тем, чтобы получить более определенные результаты в тех случаях, когда это возможно.

— Необходимо провести лабораторные и полевые эксперименты для того, чтобы уточнить как физические характеристики частиц дыма, так и оценки количества дыма, образующегося при больших пожарах, особенно при сгорании нефти, нефтепродуктов и полимеров, имеющихся на территориях городов и промышленных предприятий. В экспериментах как можно более точно должны быть воссозданы условия, имитирующие физические эффекты при пожарах большого масштаба.

— Необходимы лабораторные, полевые и теоретические исследования скорости вымывания частиц дыма в конвективных колонках пожаров большого масштаба, а также процессов промежуточного и глобального масштабов, отвечающих за удаление из атмосферы распространившихся в ней частиц.

— Необходимы дальнейшие вычислительные эксперименты по исследованию зависимости отклика атмосферы от того, в какое время года происходят массированные выбросы дыма; особый интерес представляет интенсивность возмущений в начальный период времени, когда загрязнение сильно неоднородно по пространству. Необходимо моделирование и процессов большого временного масштаба—от нескольких месяцев до года и более, т. е. эволюции сильно возмущенной атмосферы с учетом того, что в ее верхние слои может быть заброшено значительное количество дыма. Большее внимание должно быть уделено моделированию процессов в низких широтах и Южном полушарии, где, как представляется, климатические эффекты более важны, чем непосредственное воздействие ядерных взрывов, которые будут сосредоточены в основном в Северном полушарии.

— Нужны лабораторные и теоретические исследования потенциальных локальных и глобальных изменений химического состава атмосферы, а также влияния частиц дыма на химические реакции в верхних слоях атмосферы и процессов удаления дыма из атмосферы в результате химических реакций.

— Моделирование радиологических последствий должно быть проведено с использованием моделей, "точнее описывающих перекрытие зон заражения и метеорологические условия и учитывающих как внешнюю, так и внутреннюю дозы облучения. Оценку различных сценариев следует производить на основе данных о размещении целей и вероятной стратегии их выбора. Круг вопросов, связанных с выбросами радиоактивности при возможном разрушении атомных электростанций, хранилищ радиоактивных материалов и т. п., должен быть исследован более тщательно.

Непосредственное воздействие ядерных взрывов

1.1. Хиросима и Нагасаки

1.1.1. Исторические замечания

Ядерное оружие впервые было применено в военных целях 6 августа 1945 г. в 8 ч 15 мин утра (по местному времени) в Хиросиме. Второй (и последний) раз оно было применено в Нагасаки 9 августа 1945 г. в 11 ч 2 мин утра. Бомба, сброшенная на Хиросиму (“Малыш”), имела мощность порядка 15± ±3 кт (взрыв мощностью в 1 кт по количеству высвобождаемой энергии эквивалентен взрыву примерно 1000 т тротила; 1 мегатонна (Мт)=1000 кт). На Нагасаки была сброшена бомба (“Толстяк”) мощностью 21 ±2 кт (Okhifa, 1985). Анализ последствий этих бомбардировок позволил многое узнать о воздействии ядерных взрывов на людей и города. В обоих городах было сразу убито около 120 тыс. человек, а к 1981 г. общее число жертв составило 210 тыс. человек (Ishikawa, Swain, 1981). В Хиросиме были разрушены городские строения на территории примерно 13 км2, в Нагасаки — на территории порядка 7 км2. Рис. 1.1 дает полное представление о том, до какой степени был разрушен центр Хиросимы; остались лишь остовы наиболее прочных железобетонных строений.

1.1.2. Физические последствия бомбардировок

В Хиросиме и Нагасаки были произведены воздушные взрывы на высоте соответственно 580 и 500 м. При взрывах на такой высоте огненный шар не касается земли (см. ниже), поэтому образуется сравнительно мало радиоактивных осадков, однако воздействие ударной волны и теплового излучения оказывается близким к максимально возможному. Как следствие, мощный импульс теплового излучения вызвал серьезные ожоги открытых частей тела и первичные возгорания на расстояниях до нескольких километров от эпицентра. Ударной волной в Хиросиме и Нагасаки были сильно разрушены строения на расстояниях соответственно 2 и 3 км от эпицентра. Часть первичных очагов возгорания была подавлена ударной волной, однако из-за разрушения печей, жаровен, коротких замыканий в электросетях и т. п. возникло множество “вторичных” пожаров. Суммарное воздействие теплового излучения и ударной волны, а также падение давления воды в городской сети привело к тому, что борьба с огнем стала практически невозможной. В руинах обоих городов развились массовые пожары, и в течение 24 ч значительные территории выгорели дотла.

В обоих японских городах после атомной бомбардировки прошел “черный дождь”. Архивные данные показывают, что этот дождь был вызван конвективным движением воздуха, возникшим из-за массовых пожаров. Во время бомбежек как в Хиросиме, так и в Нагасаки стояла обычная для августа теплая и влажная погода. Полагают, что в Хиросиме мог развиться “огненный шторм” (мощный массовый пожар, при котором возникает интенсивное вихревое движение воздуха с конвергенцией), сопровождавшийся сильной конвекцией (Ishikawa, Swain, 1981). Над городом сформировалась огромная грозовая туча. Дождь временами был черным и жирным, маслянистым, очевидно, из-за вымывания частиц дыма и сажи. Несмотря на то что не существует измерений или оценок эффек тивности вымывания частиц дыма осадками такого типа, феномен “черного дождя” дает качественное подтверждение тому, что по крайней мере в условиях высокой влажности при пожарах в масштабе города может иметь место вынужденное вы-мывание частиц дыма.

В обоих городах наблюдались случаи лучевого поражения людей. Поскольку мощность первых атомных бомб была относительно малой и взрывы производились в воздухе, лучевое поражение главным образом было вызвано потоками ^-излучения и быстрых нейтронов от взрыва. Эффективный радиус распространения такого излучения в атмосфере (на уровне моря) имеет порядок нескольких километров (Glasstone, Dolan, 1977). Поэтому смертельную дозу облучения могли получить лишь люди, находившиеся достаточно близко к эпицентру. Более вероятно, что они сразу были убиты ударной волной или тепловой вспышкой. Среди выживших, однако, часто отмечались случаи лучевой болезни {Ishikawa, Swain, 1981).

В Хиросиме и Нагасаки имело место выпадение радиоактивных осадков. Небольшая часть радиоактивного аэрозоля выпала, очевидно, вместе с прошедшим над обоими городами черным дождем {Molenkamp, 1980). Влияние этих радиоактивных осадков на радиационную обстановку (вместе с остаточной радиоактивностью, наведенной быстрыми нейтронами) не определялось. Согласно оценке, максимальная доза облучения, полученная людьми, пережившими бомбардировку, имеет величину порядка 13 рад в Хиросиме и от 42 до 129 рад в Нагасаки (Shimazu, 1985). Физиологические эффекты при таких дозах не всегда легко идентифицируются сразу (воздействие радиации на людей обсуждается в гл. 7).

1.1.3. Выводы

Анализ последствий атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки в 1945 г. позволяет сделать несколько очевидных выводов:

1. Разрушительная мощь ядерного оружия чрезвычайно велика — целый город может быть уничтожен единственной бомбой в течение нескольких секунд. Это тем более справедливо сегодня, когда мощность типичной стратегической боеголовки по крайней мере в десять раз больше, чем у бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки.

2. Ядерное оружие является эффективным зажигательным средством большого радиуса действия — вся территория, пораженная ударной волной, легко может быть выжжена пожаром.

3. Ядерный взрыв влияет на состояние атмосферы над большой территорией: в воздух поднимаются пыль и дым, образуются облака, могут выпасть осадки, окружающая среда загрязняется радиоактивными продуктами распада. Непосредственное воздействие ядерных взрывов 39

4. Воздействие взрыва на людей ужасно: увечья, нанесенные ударной волной, тяжелые ожоги, вызванные тепловым излучением, лучевое поражение, стрессовые состояния; кроме того, имеют место долгосрочные эффекты, обсуждаемые в настоящей книге.

Далее в этой главе дается обзор основных процессов, происходящих при ядерных взрывах. Учет этих процессов необходим при оценке возможных глобальных последствий ядерной войны. Экологические последствия подробно обсуждаются в книге Харуэлла и Хатчинсона (Harwell, Hutchinson, 1985).

1.2. Тепловое излучение

1.2.1. Огненный шар

После подрыва ядерное взрывное устройство разрушается и испаряется в течение Ю-6 с (Glasstone, Dolan, 1977). За это время от 70 до 80% высвобожденной энергии преобразуется в “мягкое” рентгеновское излучение, почти все остальное — в кинетическую энергию осколков бомбы. Эффективная температура излучения составляет несколько десятков миллионов градусов Цельсия. На уровне моря первичное тепловое рентгеновское излучение поглощается воздухом на расстояниях порядка нескольких метров от эпицентра взрыва. При этом воздух нагревается и образуется эмбриональный огненный шар. За счет лучистого теплопереноса этот чудовищно горячий шар быстро растет. По мере его расширения и охлаждения интенсивность излучения падает и рост шара замедляется. Когда шар охладится до температуры порядка 300 000 °С, формируется ударная волна, которая распространяется впереди фронта излучения (“гидродинамическое разделение”). Воздух в ударной волне нагревается до свечения и экранирует излучение огненного шара. По мере распространения ударной волны нагрев воздуха уменьшается и, начиная приблизительно с 3000 °С, огненный шар снова становится виден. Дистанционно регистрируемая радиационная температура быстро возрастает до температуры огненного шара, которая составляет 7500°С, т. е. примерно равна температуре поверхности Солнца, а затем начинает падать по мере того, как огненный шар охлаждается за счет излучения, расширения и вовлечения окружающего воздуха.

Формирование и рост огненного шара сопровождаются соответственно двумя импульсами теплового излучения. Суммарно они уносят около 35% мощности взрыва, главным образом в видимой и близкой инфракрасной областях спектра (по спектральному составу излучение в среднем близко к солнечному). Первый импульс (ослабленный до некоторой степени из-за поглощения в слое озона и окислов азота, образующемся перед ударной волной за счет проникающего ядерного излучения) испускается фронтом ударной волны. Продолжительность этого импульса — несколько микросекунд; он уносит около 1 % всей энергии взрыва. Хотя зажигательное действие этого импульса невелико, он может вызвать поражение сетчатки глаза. Вторая вспышка света, собственно тепловой импульс, начинается, когда воздух в ударной волне делается прозрачным и пылающий огненный шар становится видимым. Характерное время, в течение которого длится вторая вспышка, составляет несколько секунд, причем оно растет с увеличением мощности взрыва. На эту вспышку приходится почти вся излучаемая энергия (около 35% энергии взрыва).

Взрывы, происходящие на высоте от нуля до 30 км, характеризуются примерно одинаковым распределением энергии, а именно тепловое излучение—35%, ударная волна—50%, радиоактивное излучение при взрыве—5%, остаточное излучение—10%. В оценку мощности ядерного взрыва обычно не включается энергия остаточного излучения, т. е. энергия, выделившаяся при радиоактивном распаде позже, чем через 1 мин после взрыва. Для ядерного оружия это величина порядка 10%, для термоядерного—5%. В термоядерной бомбе выход энергии от реакций деления и синтеза примерно одинаков; на стадии деления основным источником энергии является распад тяжелого экрана из ^U, используемого в качестве отражателя нейтронов и рентгеновского излучения на стадии синтеза. В настоящем исследовании различие между ядерным и термоядерным оружием существенно лишь при анализе радиоактивных осадков (см. гл. 7).

1.2.2. Термические эффекты

Мощное излучение, испускаемое огненным шаром в видимой области спектра, легко вызывает возгорание подобно сфокусированному линзой солнечному свету. Следовательно, сразу же после ядерного взрыва происходит инициация “первичных” пожаров на большой территории (где есть горючие вещества). Суммарный энерговклад от лучистой энергии, падающей на объект, выражается в калориях на 1 см2; эта величина получается при интегрировании нормальной к поверхности объекта составляющей потока энергии по всем длинам волн и времени экспозиции^. При воздушном взрыве мощностью 1 Мт бумага и листья загораются при энерговкладе 6 кал/см2, ткани — при 15 кал/см2, кровельный материал и дерево—при 30 кал/см2 (Glasstone, Dolan, 1977). При мощности взрыва, меньшей 1 Мт, величина энерговклада, необходимого для воспламенения вещества, слабо зависит от мощности взрыва. Вообще чем меньше мощность, тем меньше и требуемый энерговклад. Дело в том, что импульсы большой длительности (характерной для большой мощности взрыва) в некотором смысле менее эффективно вызывают нагрев и инициируют воспламенение, когда уровень энерговклада невелик. Размеры, форма, цвет и ориентация объекта относительно падающего излучения также влияют на то, насколько легко он может воспламениться.

При наземных взрывах мощностью от 0,1 до 10 Мт энерговклады примерно вдвое меньше, чем при воздушных (Glasstone, Dolan, 1977). На расстояниях до нескольких километров от эпицентра воздушного взрыва мощностью 1 Мт энерговклады могут превосходить 100 кал/см2. В реальных условиях, однако, энерговклад на поверхности может быть существенно ниже благодаря а) затенению складками местно-gth, зданиями и растительностью и б) ослаблению теплового излучения паром, дымом и пылью, поднятыми взрывной волной и самим излучением с растений и почвы. К тому же излучение может рассеиваться и фокусироваться облаками, пылью и паром; при этом на большой территории тепловое воздействие вспышки усиливается, причем могут возникать изолированные очаги возгорания, весьма удаленные от основной зоны пожаров.

При высокой прозрачности атмосферы и наличии сухих легковоспламеняющихся материалов (с порогом воспламенения примерно 5—10 кал/см2) тепловой импульс от взрыва мощностью 1 Мт может инициировать первичные возгорания на площади 1000 км2 (рис. 1.3). При более типичных значениях видимости и для веществ с большим порогом воспламенения площадь зоны первичных возгорании при взрыве той же мощности может составлять от 200 до 500 км2 (что эквивалентно приходящейся на единицу мощности площади зоны первичных возгорании, равной 0,2—0,5 км^кт) (NRC, 1985). В Хиросиме и Нагасаки территории, охваченные пожаром, составляли соответственно 0,9 и 0,3 км2/кт. Вообще говоря, чем меньше мощность ядерного оружия, тем больше его эффективность как зажигательного устройства (больше площадь зоны первичных возгорании на килотонну). Причина этого—более быстрое высвобождение тепловой энергии и меньшее влияние видимости. В Хиросиме, возможно, была достигнута максимальная эффективность такого рода (приблизительно 1 км2/кт), хотя распространение огня за пределы зоны первичных возгорании могло привести к значительному увеличению площади, охваченной пожарами (см. гл. 3 и приложение ЗА).

1.2.3. Взаимодействие огня и взрывной волны

Ударная волна (см. разд. 1.3) очень сильно влияет на развитие пожаров, инициированных ядерным взрывом {Glasstone, Dolan, 1977). Первичные очаги возгорания могут быть задуты ветром, инициированным ударной волной. Не все первичные пожары, однако, будут подавлены; кроме того, многие горючие вещества будут тлеть и со временем снова вспыхнут. Еще более важно то, что ударная волна создает “вторичные” очаги возгорания, возникают благоприятные условия для распространения огня, осложняется борьба с пожарами; с другой стороны, горючие вещества могут быть засыпаны обломками зданий и щебнем. Для развития массовых пожаров в Хиросиме и Нагасаки вторичные возгорания были, бесспорно, так же важны, как и первичные (Ishikawa, Swain, 1981). Вторичные пожары могут быть вызваны короткими замыканиями в электросети, разрушением газопроводов, разлетающимися искрами и т. п. Предполагается, что в типичных городских условиях на каждые 10000 м2 площади зданий придется по крайней мере один очаг вторичного загорания (Kang et al., 1985; см. также приложение ЗА). В общем прохождение ударной волны способствует распространению огня и затрудняет тушение пожаров. Огонь легко распространяется в зданиях с разбитыми окнами, разрушенными дверями и брандмауэрами, вдоль потоков разлившихся нефтепродуктов, жидких и газообразных топлив; пылающие обломки могут разлетаться на большие расстояния, преодолевая таким образом естественные препятствия для огня. Положение усугубляется многочисленностью очагов загорания, завалами, падением давления воды в городской сети, большим числом раненых среди личного состава пожарных частей. Как следствие, организовать борьбу с огнем в сколько-нибудь значительном масштабе не удается. Именно такая ситуация сложилась в Хиросиме и Нагасаки (Ishikawa, Swain, 1981).

Вблизи от эпицентра взрыва могут быть совершенно разрушены даже самые прочные жилые и промышленные здания. На участках территории с очень плотной застройкой некоторая часть горючих материалов может оказаться под толстым слоем негорючего щебня. Суммарная площадь этих районов будет составлять, по-видимому, менее 10% площади всей зоны разрушений и пожаров (NRC, 1985), но количество горючего на этой территории может быть непропорционально велико. Однако даже в непосредственно прилегающей к эпицентру области интенсивное тепловое излучение мгновенно вызовет много загорании типа “вспышки” (этот эффект наблюдался во время испытательного ядерного взрыва, 27 кт, Невада, 8 мая 1953 г.). Такие “молниеносные” пожары будут распространяться и тлеть под обломками. Как описанный эффект, так и другие данные о зажигательном воздействии ядерных взрывов дают основание предполагать, что в городских пожарах, вызванных ядерным взрывом, будет гореть все: центры городов, пригороды со свободной планировкой, промышленные предприятия (NRC, 1985).

Сельскохозяйственные угодья, леса и другие природные экосистемы также являются легко уязвимыми. Тепловое излучение не только воспламеняет сухие горючие материалы, но и подсушивает влажные, в частности растительность, увеличивая их горючесть (Кегг et al., 1971). Ударная волна подавляет отдельные пожары, однако она же разносит горящие куски дерева, что приводит к возникновению вторичных очагов. Сбитые ударной волной листва и ветви становятся дополнительным источником топлива для низовых пожаров, которые поэтому будут более сильными, чем обычные пожары. Ударная волна от воздушного взрыва мощностью 1 Мт, произведенного над сравнительно ровной местностью, оголяет лиственный лес на территории примерно 500 км2, а если взрыв произошел над хвойным лесом или сухостоем, то волна сбивает ветви на пло-Щади порядка 350 км2 (Glasstone, Dolan, 1977). При ядерном взрыве пожары инициируются одновременно на обширной территории. растительность высыхает под действием теплового излучения, количество горючих материалов на поверхности увеличивается за счет ударных эффектов. Вследствие этого лесные пожары, инициированные взрывом, быстрее развиваются, поглощают больше топлива и горят более интенсивно, чем природные (NRC, 1985). В настоящее время оценка масштаба и последствий лесных пожаров, инициированных при ядерном конфликте, возможна лишь на основании исторических данных и информации, полученной при проведении контролируемых пожаров. Уязвимость природных экосистем по отношению к пожарам очень сильно зависит от времени года; зимой, видимо, пожаров будет меньше. Частота возникновения пожаров в городах по историческим данным от времени года почти не зависит (Chandler et al„ 1963).

Ряд технических вопросов, связанных с пожарами и образованием дыма при ядерных взрывах, обсуждается в гл. 3.

1.3. Динамические явления при ядерных взрывах

1.3.1. Ударная волна в воздухе

При ядерном взрыве распространение ударной волны в воздухе начинается, как объяснено в разд. 1.2.1, с момента гидродинамического разделения. С этого момента ударная волна ядерного взрыва ничем не отличается от обычной волны сжатия. При взрывах на небольшой высоте происходит отражение ударной волны от поверхности; при этом взаимодействие падающей и отраженной волны может происходить с образованием так называемой “ножки Маха”, скачок давления в которой примерно вдвое больше, чем в падающей ударной волне. Если высота, на которой произведен взрыв, не превосходит 30 км, то ударная волна уносит примерно 50% энергии взрыва.

Одна из характеристик разрушительной мощи ядерного взрыва — это максимальное избыточное давление, создаваемое им на различных расстояниях от эпицентра. Оно определяется как разность между максимальным статическим давлением на фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением (101,3 кПа на уровне моря). На рис. 1.4 изображена зависимость избыточного давления при взрыве мощностью 1 Мт от высоты взрыва и расстояния вдоль поверхности. Начало отсчета по оси абсцисс помещено в эпицентр взрыва. Если задать избыточное давление, то, вообще говоря, можно подобрать высоту взрыва так, чтобы радиус зоны, в которой величина избыточного давления равна заданной, был максимальным. Однако вблизи эпицентра избыточное давление при наземных и низковысотных взрывах практически одинаково.Непосредственное воздействие ядерных взрывов 45

Кроме того, при прохождении ударной волны возникает сильное движение воздуха, создающее избыточное динамическое (ветровое) давление, называемое скоростным напором. Известно физическое соотношение, связывающее избыточное статическое давление, скоростной напор и максимальную скорость ветра (Glasstone, Dolan, 1977). Например, при избыточных давлениях 690; 69 и 13,8 кПа скоростной напор равен соответственно 828; 15,2 и 0,7 кПа, а скорость ветра—630, 130 и 30 м/с (т. е. 2270, 470 и 110 км/ч). (Для сравнения: скорость ветра в тропических циклонах достигает 150—250 км/ч.) Следовательно, скоростной напор необходимо учитывать для зданий с большой парусностью, причем по мере приближения к эпицентру эта характеристика становится более важной, чем величина избыточного давления, создаваемого взрывом.

1.3.2. Ударная волна в грунте

При воздушных ядерных взрывах волны в грунте генерируются в процессе взаимодействия ударной волны с поверхностью земли. При наземных и подземных взрывах энергия ядерного заряда преобразуется непосредственно в ударную волну, распространяющуюся в земле. Если же заглубление заряда невелико или взрыв произведен на поверхности, то образующаяся воздушная ударная волна индуцирует волновое движение в грунте на значительных расстояниях от эпицентра (Glasstone, Dolan, 1977).

Подземные взрывы могут вызывать вторичные толчки и смещения вдоль разломов, начинающихся неподалеку от эпицентра (Glasstone, Dolan, 1977). Однако после подземных взрывов мегатонной мощности на полигонах в Неваде и на о. Амчитка (Алеутские острова) аномальная сейсмическая активность в сколько-нибудь значительных масштабах зарегистрирована не была. Еще одна опасность связана с возможностью образования обвалов и оползней (Bennett et al., 1984). Все эти эффекты зависят от локальных характеристик геологической структуры и должны оцениваться специально в каждом конкретном случае.

1.3.3. Разрушения, вызываемые ударной волной

Бомбардировки Хиросимы и Нагасаки ясно показали, насколько велика разрушительная мощь ядерного оружия (см. рис. 1.1). Уязвимы все виды строений (Glasstone, Dolan, 1977). Жилые здания с деревянным каркасом (и деревянными или кирпичными стенами) получают сильные повреждения при избыточном давлении 13,8 кПа, а при 34,5 кПа разрушаются полностью. Стекла повреждаются при избыточном давлении от 3 до 7 кПа. Полное разрушение железобетонных строений наступает при 70—100 кПа (внутренние перегородки, окна, двери и фасады повреждаются при значительно меньших избыточных давлениях). Самолеты, находящиеся в воздухе или на открытых стоянках, сильно повреждаются при 7—20 кПа. Хранилища жидкого горючего разрушаются при избыточных давлениях от 20 до 70 кПа в зависимости от их размера и от того, насколько они заполнены (чем больше заполнена емкость, тем менее она уязвима).

Травматические повреждения у людей в основном вызываются разлетающимися при взрыве осколками, кусками стекла и т. п. Человеческий организм выдерживает весьма значительное избыточное давление (сильные и тяжелые травмы возникают при избыточном давлении более 70 кПа). Однако разлетающиеся при 7—15 кПа осколки стекла, обломки и т. п. представляют серьезную опасность.

Как отмечалось, распространение ударной волны способствует возникновению очагов вторичных возгорании. Из сказанного выше следует, что вторичные возгорания могут возникнуть в любом месте зоны, избыточное давление в которой не менее 15 кПа.

1.3.4. Подъем и стабилизация огненного шара

По существу, огненный шар ядерного взрыва — это некий объем воздуха с положительной плавучестью, и он начинает подниматься вверх (“всплывать”) сразу же после взрыва. За несколько секунд огненный шар, возникший при взрыве мощностью 1 Мт, приобретает вертикальную скорость более 100 м/с. Из-за неустойчивости поднимающаяся сфера трансформируется в тороид, из которого впоследствии и образуется “шляпка” грибовидного облака. Быстрый подъем огненного шара вызывает у поверхности сильную тягу. При этом воздух у поверхности земли, первоначально двигавшийся от центра взрыва (по направлению движения ударной волны), благодаря тяге, создавшейся при подъеме огненного шара, начинает двигаться к центру—направление ветра почти мгновенно меняется на противоположное. Период времени, в течение которого ветер направлен к центру взрыва, называется фазой отрицательного давления (фазой разрежения). Восходящий поток воздуха, формирующий ножку грибовидного облака, увлекает за собой испарившийся, расплавленный тепловой вспышкой и раздробленный ударной волной материал, находившийся на поверхности.

Стабилизация огненного шара наступает, когда температура и давление в нем становятся равными температуре и давлению окружающего воздуха. Следовательно, локальные профили температуры и влажности атмосферы влияют на подъем огненного шара. При взрывах мощностью менее 100 кт, произведенных в средних широтах, облако почти полностью стабилизируется в тропосфере (сильно перемешанный слой атмосферы от поверхности до тропопаузы; в средних широтах тропопауза находится на высоте примерно 10—15 км). Если мощность больше 100—200 кт, огненный шар проникает в стратосферу (термически устойчивая часть атмосферы, расположенная от тропопаузы до высоты 50 км). Можно полагать, что облако взрыва мощностью 1 Мт, произведенного в средних широтах, стабилизируется в стратосфере. Для мощностей взрыва более 100—200 кт высота, на которой стабилизируется облако, пропорциональна У0'2, где У—мощность в мегатоннах (Glasstone, Dolan, 1977). Ограниченность информации об атмосферных процессах, происходящих при мощных ядерных взрывах в средних широтах, вынуждает оценивать высоту подъема облака путем интерполирования данных, полученных во время испытаний в высоких и низких широтах, с последующим сравнением с результатами немногих численных экспериментов. Погрешности при такой процедуре могут быть порядка нескольких километров

1.3.5. Образование окислов азота

Окислы азота (NOx) образуются, когда воздух, состоящий главным образом из Nz и Oz, нагревается до температуры более 2000 °С, а затем быстро охлаждается. При ядерном взрыве окислы азота образуются при прохождении ударной волны через воздух и при вовлечении воздуха в поднимающийся огненный шар. На мегатонну мощности ядерного взрыва в среднем образуется 1032 молекул N0;c. Фотохимические эффекты, вызванные NOx, обсуждаются в гл. 6.

1.3.6. Подводные взрывы

С феноменологической точки зрения взрывы над водной поверхностью похожи на взрывы над поверхностью суши. В данном случае в восходящее движение вовлекается вода, а не частицы почвы; кроме того, могут возникнуть поверхностные волны. При глубоких подводных ядерных взрывах избыточное давление в ударной волне выше, а продолжительность его действия меньше, чем при воздушных взрывах (на таком же расстоянии от эпицентра). При подводных взрывах, как и при подземных, возникает воздушная ударная волна, когда огненный шар прорывается через поверхность. Дополнительно могут генерироваться цуги волн (волновые пакеты), уносящие до 5% энергии взрыва. От места взрыва могут распространяться волны высотой более 10 м. Эти волны могут вызывать значительные разрушения, особенно если они распространяются в устья рек или заливы.

1.4. Радиоактивность

1.4.1. Радиоактивное излучение

Различают следующие виды радиоактивного излучения, испускаемого при ядерных взрывах:

1. Поток быстрых нейтронов, испускаемых во время реакций деления и синтеза.

2. Первичное ^-излучение, сопровождающее ядерные/термоядерные реакции, включая процессы захвата нейтронов и неупругого рассеяния, а также распад короткоживущих^изотопов.

3. Вторичное "f- и ^-излучение за счет наведенной потоком нейтронов-радиоактивности.

4. Вторичное ^- и ^-излучение, испускаемое при распаде долгоживущих изотопов (с временем жизни более минуты), образовавшихся в реакции деления.

На Хиросиму и Нагасаки были сброшены бомбы относительно малой мощности, и радиус области, в пределах которой первичное излучение сильно воздействовало на людей, оставшихся в живых после тепловой вспышки и прохождения ударной волны, составлял несколько километров. Однако при более мощных взрывах радиус области лучевого поражения составляет те же несколько километров из-за сильного ослабления первичных излучений при их распространении в воздухе. Поэтому, когда речь идет о существующем ядерном оружии, большее внимание следует уделять радиоактивности выпадающих продуктов распада.

В реакциях деления при ядерных/термоядерных взрывах образуется несколько сотен различных радионуклидов (Glas-stone, Dolan, 1977). Различные изотопы распадаются с разной скоростью, испуская ^-лучи и р-частицы. Ввиду высокой проникающей способности ^-излучения его источники представляют опасность даже на расстоянии. Напротив, источники ji-ча-стиц опасны лишь при непосредственном контакте с живой тканью (наружном или внутреннем), так как проникающая способность этого излучения весьма мала.

С осадками выпадают главным образом тяжелые радионуклиды, конденсирующиеся при охлаждении огненного шара на поднятых в воздух частицах грунта. Увлеченные воздухом при подъеме огненного шара пыль и обломки, следовательно, будут радиоактивными. Выпадение частиц большого размера происходит быстро, в то время как высокодисперсная фаза может оставаться в воздухе и на протяжении нескольких месяцев и даже лет. Выпадающие сразу после взрыва радиоактивные осадки представляют наибольшую опасность. Напротив, газообразные радионуклиды, образовавшиеся в реакциях деления в синтеза (например, ^С, содержащийся в углекислом газе, и тритий, содержащийся в испарившейся ТгО), и остатки ядерного горючего (т. е. ^U и "Ти) менее важны, хотя и должны учитываться.

Общепринятой единицей дозы облучения является рад; доза в 1 рад соответствует энергии излучения 0,01 Дж, поглощенной веществом массой 1 кг (Glasstone, Dolan, 1977). Единицей биологической дозы служит 1 бэр, равный дозе (рад), поглощенной организмом, умноженной на коэффициент “относительной биологической эффективности” излучения определенного типа по сравнению с ^-излучением. Для ^- и рентгеновских лучей, а также для р-частиц рад и бэр примерно эквивалентны. Выражение “приходящаяся на весь организм доза радиации” употребляется в тех случаях, когда весь организм подвергался воздействию (примерно) однородного внешнего радиационного поля. Так, в поле ^-излучения подвергаются воздействию все клетки и все внутренние органы организма из-за высокой проникающей способности этого излучения.

Степень поражения зависит также от времени, за которое

1.4.2. Радиоактивные осадки

Впервые тяжелые последствия выпадения радиоактивных осадков наблюдались после испытательного взрыва “Браво” (наземный взрыв мощностью 15 Мт; 1 марта 1954 г., атолл Бикини). Стечение обстоятельств привело к тому, что население атолла Ронгелап, расположенного с подветренной стороны от полигона, подверглось интенсивному облучению. Жители Маршалловых островов, несмотря на проведенную вскоре после взрыва эвакуацию, получили значительные, хотя я не смертельные, дозы облучения (Glasstone, Dolan, 1977). В зоне выпадения радиоактивных осадков оказалось также японское рыболовное судно “Счастливый дракон”. Не подозревавшие об опасности белого пепла рыбаки не приняли, никаких мер защиты. В результате несколько человек получили опасную дозу облучения в сотни рад, один погиб.

Восстановленная по результатам измерений зона радиоактивного заражения при взрыве “Браво” изображена на рис. 1.5. Хотя конфигурация зоны может сильно изменяться в зависимости от метеорологической ситуации, приведенная схема типична для наземных взрывов. Зона смертельно опасного заражения (для лиц, подвергавшихся непрерывной экспозиции до 4 дней) простирается на несколько сотен километров в направлении ветра и покрывает площадь порядка 5000 км2. Числа у кривых на рис. 1.5 указывают внешнюю дозу ^-облучения, приходящуюся на весь организм. При использовании укрытий реально полученная доза облучения была бы меньше; увеличение времени экспозиции, однако, привело бы к увеличению дозы. Кроме того, на зараженной местности радиоактивные вещества попадают в организм с водой, пищей и воздухом. Наиболее опасны изотопы 131!, "Sr, '"Cs и '^Ва (Glasstone, Dolan, 1977). Большинство этих элементов накапливается в определенных внутренних органах (например, 131! в щитовидной железе). Таким образом, эти органы подвергаются хроническому воздействию облучения, доза которого превышает дозу внешнего облучения, полученную всем организмом (Lee, Stro-ре, 1974).

Данные, собранные во время испытаний 50—60-х годов (типа изображенных на рис. 1.5), были использованы для построения моделей заражения местности при наземных ядерных взрывах (Glasstone, Dolan, 1977). В этих эмпирических моделях учитывается скорость выпадения радиоактивных осадков, снижение уровня активности выпадающей смеси радионуклидов. с течением времени и суммарная по времени доза ^-излучения. Выпадающие за первый день после наземного взрыва продукты распада (от 40 до 60% от общего их количества) определяют первичное (локальное) заражение. Уровень радиации на местности, зараженной взрывом типичного ядерного устройства, спадает пропорционально ^-1'2, т. е. при семикратном увеличении промежутка времени уровень радиации падает примерно-в 10 раз (например, в интервале от 1 до 7 ч, от 7 до 49 ч и т. д.). Эта закономерность позволяет грубо оценить уровень радиоактивности в период времени, начиная с 1 ч до 180 дней после взрыва.

В стандартных моделях радиоактивного заражения не рассматривается оседание продуктов распада по истечении более одних суток с момента взрыва. Действительно, по прошествии нескольких дней большая часть радиоактивной пыли удаляется из атмосферы за счет осадков. Характерный временной масштаб в этом случае составляет от одной-двух недель до нескольких лет. Такие большие времена обусловлены чрезвычайно малым размером частиц (отметим, что при воздушном взрыве на долю высокодисперсной фракции приходится почти 100% образующихся радиоактивных веществ, при наземном—от 40 до 60%). В тропосфере эти частицы могут находиться несколько недель, в стратосфере же время жизни такого аэрозоля составляет от нескольких месяцев до нескольких лет (Glas-stone, Dolan, 1977).

Радиационное заражение, обусловленное долговременными процессами вымывания частиц малых размеров, слабее, чем при локальных первичных осадках. Это объясняется тем, что частицы оседают на более обширной территории и уровень их радиоактивности существенно снижается за время их пребывания в атмосфере. Уровень остаточной радиоактивности определяется изотопами ^Sr и '"Cs, период полураспада которых составляет около 30 лет. Учет радиоактивных осадков при оценке последствий ядерной войны необходим в связи с тем, что угроза заражения существует на протяжении нескольких лет или даже десятилетий, поскольку доза облучения накапливается с течением времени; из-за осадков и локальных эффектов могут образовываться “горячие пятна” с высокой концентрацией долгоживущих изотопов.

Подробное исследование возможных зон заражения и доз облучения, которые могут быть получены в крупномасштабном ядерном конфликте, проводится в гл. 7. Там же описываются соответствующие физические процессы.

1.5. Воздействие высотных ядерных взрывов

1.5.1. Электромагнитный импульс

При ядерном взрыве на высоте более 40 км значительная территория подвергается импульсному воздействию мощного электромагнитного излучения. Физика явления иллюстрируется рис. 1.6.

Первичное "f-излучение взрыва поглощается в атмосфере Земли на высотах примерно от 20 до 40 км. Этот слой воздуха служит источником электромагнитного излучения {Glasstone, Dolan, 1977). При рассеянии "^-излучения на молекулах воздуха образуется (за счет эффекта Комптона) поток электронов с высокой энергией. Электромагнитные поля, возникающие при взаимодействии этих электронов с магнитным полем Земли, распространяются по направлению к поверхности. Скорость испускания и поглощения "f-лучей настолько велика, что время нарастания электромагнитного импульса имеет порядок нескольких наносекунд, а его длительность составляет несколько cотен наносекунд. Главным фактором, ограничивающим мощность электромагнитного импульса (ЭМИ), служит рост проводимости атмосферы, обусловленный вторичными электронами, освобождающимися при столкновениях комптоновских электронов с молекулами воздуха. Напряженность электрического поля в ЭМИ может достигать на поверхности Земли нескольких десятков киловольт на метр, что в 109—1011 раз превышает значения напряженности, на которые, как правило, рассчитана радиоаппаратура (Wik et al., 1985). Спектр ЭМИ также очень широк и перекрывает полосу частот, используемых при радиосвязи.

К числу других видов ЭМИ относятся: магнитогидродинамический ЭМИ (МГД-ЭМИ), который индуцирует квазипостоянные токи в очень длинных проводящих структурах, и низковысотный ЭМИ, создающий очень сильные поля на расстоянии до нескольких километров. Эти виды ЭМИ важны, вообще говоря, лишь в особых случаях: например, аппаратура управления, оповещения и связи, защищенная от воздействия ударной волны и тепловой вспышки, может оказаться уязвимой к действию ЭМИ.

В результате воздействия ЭМИ во внутренних цепях объектов, в воздушных линиях электроснабжения или связи, в подземных кабелях возникают огромные электрические напряжения. Значительные токи и напряжения наводятся во всех металлических предметах, которые могут служить антеннами. Эти напряжения могут нарушить функционирование аппаратуры, вывести ее из строя, выжечь элементы электрических и электронных схем. Широко используемые в современной аппаратуре полупроводниковые и интегральные схемы чрезвычайно чувствительны к воздействию внешних электромагнитных полей и выходят из строя при крайне малых перегрузках (менее 10~6 Дж при коротких импульсах) (Wik et al., 1985).

Высотные ядерные взрывы проводились США в 1958 и 1962 гг. над акваторией Тихого океана. Во время этих испытаний отмечались нарушения функционирования или повреждение различной аппаратуры даже на расстояниях до нескольких сотен километров (Glasstone, Dolan, 1977). Открытая информация об ЭМИ, который, возможно, наблюдался при аналогичных испытаниях, проводившихся Советским Союзом, отсутствует. Недостаток экспериментальных данных не позволяет достоверно оценить воздействие ЭМИ на современную электронную аппаратуру.

Трудности возникают не только при экспериментальных исследованиях эффектов ЭМИ большого пространственного масштаба — математическому моделированию реальных систем препятствует их чрезвычайно высокая сложность. Кроме того, эти системы часто подвергаются модификации. Наконец, большинство исследований по ЭМИ засекречено и недоступно для анализа.

Представляется маловероятным, что от воздействия ЭМИ выйдут из строя все средства связи, силовые линии и все электронное оборудование. Однако немногочисленные повреждения, распределенные по большой и сложной системе, могут вывести ее из строя или ухудшить ее устойчивость и функциональные характеристики. В этом смысле наиболее уязвимы сети связи и электроснабжения. Кроме того, неясно, возможна ли устойчивая работа АЭС при воздействии ЭМИ (Wik et al., 1985).

Воздействие ЭМИ может привести к тому, что во время кризисной ситуации, когда возникнет необходимость решения вопроса о применении ядерного оружия, связь между дипломатами, политическими лидерами и военными окажется нарушенной. Кроме того, за несколько минут после первых ядерных взрывов могут оказаться поврежденными сложные военные системы командования, управления, оповещения и связи. Означенные эффекты могут стать помехой при нанесении ответного удара и/или послужить причиной ослабления контроля над тактическим ядерным оружием.

Принимаются меры по защите стратегических систем командования, оповещения и управления от воздействия ЭМИ. В то же время идет совершенствование и повышение мощности оружия. Следовательно, вопрос о том, выдержат ли стратегические системы управления, оповещения, связи воздействие ЭМИ, остается открытым. Телекоммуникации играют важную роль в управлении кризисными ситуациями как на национальном, так и на интернациональном уровне, и любое сколько-нибудь значительное нарушение функционирования сетей связи может повлиять на течение ядерного конфликта.

Космическое пространство играет все возрастающую роль в военных планах при решении задач связи, навигации и наблюдения. Не исключено, что в космосе будут размещены системы ПРО. Поэтому множество взрывов в ходе ядерного конфликта может произойти на высоте от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Следовательно, роль эффектов, связанных с высотными ядерными взрывами, в том числе ЭМИ, по мере развития военной техники может стать еще более важной.

1.5.2. Распространение радиоволн и космические системы связи

При ядерных взрывах в космическом пространстве ухудшается прохождение радиоволн в различных диапазонах—от десятков герц (Гц) до десятков гигагерц (ГГц). Коротковолновые радиосигналы поглощаются, а микроволновые ослабляются за счет сцинтилляционных эффектов. При таких взрывах в ионосфере увеличивается фоновая плотность электронов и ионов, а также возникают структурные изменения различных масштабов (вместе с долговременными изменениями химического состава). Следовательно, при высотных взрывах функционирование систем связи, навигации и разведки может быть нарушено как преднамеренно, так и при случайном стечении обстоятельств. Прохождение радиоволн в определенных диапазонах, особенно высокочастотных, т. е. тех, которые используются для дальней связи, может на несколько часов прекратиться. Трудно сказать, насколько сильно будут искажаться радиосигналы от спутников при прохождении через слои повышенной ионизации, созданные ядерным взрывом. Осуществляемая при помощи геостационарных спутников связь на частотах выше 10 ГГц также может оказаться неустойчивой (Wik et al., 1985). Наконец, при ядерных взрывах возникают сильные радиопомехи.

В космическом пространстве спутники связи и другие электронные системы могут подвергнуться воздействию радиации даже на больших расстояниях от эпицентра взрыва. При взаимодействии проникающего излучения ("f- и рентгеновских лучей) с различными веществами возникают сильные электромагнитные поля, которые могут вывести электронную аппаратуру из строя. В литературе такое взаимодействие обозначается термином SGEMP — System Generated Electromagnetic Pulse (ЭМИ, излучаемый аппаратурой). Распространяющиеся и отраженные (рассеянные) поля обычного ЭМИ также могут повлиять на функционирование космических систем.

Первичное ^-излучение, поток нейтронов и рентгеновских лучей может непосредственно воздействовать на радиоэлектронную аппаратуру. При этом возникают временные, а иногда и постоянные нарушения в функционировании полупроводниковых приборов и оптических систем. Высокоэнергетичные нейтроны, например, могут создавать дефекты в кристаллической решетке. Защита спутников от проникающего излучения затруднена (в связи с ограничениями на массу экрана), а новые электронные схемы зачастую оказываются более уязвимыми, чем старые (Wik et al., 1985).

Ионизация и гидродинамические движения, вызванные высотными ядерными взрывами, могут сильно повлиять на ионосферу и радиационные пояса Земли. Повышенная концентрация электронов может сохраняться месяцы или годы. Это приведет к тому, что спутники, функционирующие в слоях с повышенной ионизацией, будут быстрее выходить из строя из-за более интенсивной бомбардировки заряженными частицами

1.6. Пространственные и временные масштабы физических процессов при ядерных взрывах

Ранее в этой главе были качественно описаны наиболее важные физические процессы, происходящие при ядерных взрывах. В данном разделе приводятся количественные характеристики этих процессов как при воздушных, так и при наземных ядерных взрывах различной мощности. В табл. 1.1 приведены площади территорий, которые могут подвергаться воздействию тепловой вспышки и ударной волны, а также радиоактивному заражению. Эти оценки неточны и приводятся для того, чтобы дать качественную картину возможных последствий ядерных взрывов.

Последовательность эффектов при ядерном взрыве такова:

тепловое излучение, ударная волна, ветер, радиоактивные осадки (особенно при наземном взрыве), возникновение и распространение пожаров. Воздействие первичного излучения ('Y-лучей и быстрых нейтронов) важно лишь, как это отмечалось ранее, в особых случаях; при взрыве типичной стратегической боеголовки над военной или промышленной целью его можно, вообще говоря, не учитывать (Glasstone, Dolan, 1977). Действие других поражающих факторов (на большей части территории) более или менее разделено во времени (Glasstone, Dolan, 1977). Тепловое излучение испускается в течение первых 1—10 с после взрыва. Промежуток времени от момента взрыва до прихода ударной волны может составлять несколько секунд, поэтому поражение ударной волной происходит, как правило, после тепловой вспышки; продолжительность действия избыточного давления—около 1 с. Затем на протяжении нескольких минут дует ветер. В течение первого часа после наземного взрыва идет наиболее интенсивное выпадение радиоактивных осадков; эти осадки являются и наиболее опасными Несмотря на многочисленность очагов возгорания, может пройти несколько часов, прежде чем разовьются массовые пожары.

В этот же период времени при наземных взрывах радиоактивное заражение местности будет продолжаться по мере распространения облака взрыва.

Вообще, чем меньше мощность, тем больше площадь зоны разрушений и пожаров, приходящаяся на единицу мощности ядерного оружия. Площадь территории, на которой избыточное давление превосходит заданную величину (например, 14 кПа), пропорциональна У273, где У—мощность в мегатоннах (Glasstone, Dolan, 1977). Площадь территории, на которой энерговклад от тепловой вспышки не меньше заданного значения (например, 10 кал/см2), грубо оценивается как У0'8 для У, лежащих в пределах от 0,1 Мт до нескольких мегатонн.

При наземных взрывах зоны поражения ударной волной и тепловой вспышкой примерно вдвое меньше, чем при воздушных (Glasstone, Dolan, 1977). При наземных взрывах также происходит очень сильное заражение местности. На площади порядка 1000 км2/Мт в следе облака взрыва возможен уровень заражения, отвечающий дозе 450 рад при экспозиции 48 ч. Менее интенсивное заражение местности происходит на гораздо более обширных территориях. Вопросы, связанные с пере-крыванием зон заражения от нескольких взрывов, обсуждаются в гл. 7.

1.7. Параметризация эффектов при моделировании последствий ядерной войны

В предыдущих разделах этой главы обсуждались те физические процессы при отдельных ядерных взрывах, которые представляются наиболее важными для оценки климатических и биологических последствий ядерной войны. Эти процессы хорошо изучены как теоретически, так и в ходе ядерных испытаний. После Хиросимы и Нагасаки все поняли, насколько велика мощь ядерного оружия.

Если предположить, что зоны поражения не будут перекрываться, то при суммарной мощности использованного оружия порядка 6000 Мт (в настоящее время его накоплено значительно больше) только за счет непосредственного воздействия ядерных взрывов будет опустошена территория около 3-Ю6 км2, т. е. примерно 2—3% всей поверхности суши в Северном полушарии. Урбанизированные территории занимают около 1% суши (NRC, 1985); следовательно, в случае атаки города могут быть уничтожены. Однако, как будет показано в последующих главах (см. также Harwell, Hutchinson, 1985), возможность выживания человечества может в большей степени определяться косвенными последствиями ядерных взрывов (например, изменением климата), чем непосредственным воздействием (например, разрушением городов) . Косвенные долговременные последствия ядерных взрывов, очевидно, обусловлены непосредственными первичными эффектами: образованием дыма в пожарах и забросом в атмосферу пыли и радиоактивных веществ.



Используются технологии uCoz