Grzyb atomowy – zasada powstawania, wysokość, skład

Wybuch bomby atomowej budzi grozę i wszechogarniający strach, nawet, gdy do detonacji ładunku dochodzi na polu testowym. Charakterystyczny grzyb atomowy zaczyna formować się już po kilku sekundach od momentu eksplozji i szybko unosi się ponad chmury na wysokość nawet kilkudziesięciu kilometrów. Z czego składają się grzyby atomowe i co sprawia, że przybierają tak charakterystyczne kształty? Na te i inne pytania odpowiemy w dzisiejszym artykule.

Grzyb atomowy – definicja

Grzyb atomowy (ang. nuclear mushroom cloud) jest efektem wybuchu bomby atomowej. Chmura ta o kształcie grzyba tworzy się po naziemnym, powietrznym lub płytkim podziemnym wybuchu jądrowym. Za charakterystyczne formowanie się grzyba atomowego odpowiada gorące powietrze (o temperaturze nawet stu milionów kelwinów), powstałe w wyniki reakcji jądrowej. Grzyb atomowy składa się głównie z drobnych pyłów i aerozoli (w tym promieniotwórczych) wraz ze stopionymi, odparowanymi i rozproszonymi cząsteczkami gleby i resztkami samej bomby.

Podobne chmury mogą powstawać na skutek eksplozji konwencjonalnych materiałów wybuchowych o wysokiej mocy.

Jak powstaje grzyb atomowy?

Grzyb atomowy powstaje na skutek eksplozji nuklearnych lub podczas detonacji ładunków konwencjonalnych o ogromnej mocy. Warunkiem koniecznym do uformowania się grzyba atomowego jest oddziaływanie ziemskiej grawitacji. Bez niej lub w przypadku bardzo cienkiej atmosfery, produkty wybuchu przybiorą postać sferyczną. Wysokość grzyba atomowego może sięgać od kilku do nawet kilkudziesięciu kilometrów.

Bomby atomowe detonowane są w pewnej odległości od powierzchni ziemi, tak aby zwiększyć zasięg i siłę rażenia. Dla przykładu Car Bomba została zdetonowana na wysokości 4 km, a Little Boy 580 m nasz Hiroszimą. Tuż po wybuchu bomby atomowej kula ognia zaczyna unosić się ku górze, podobnie jak zachowują się balony na gorące powietrze. Wraz z unoszeniem się kuli ognia, zaczyna formować się tzw. niestabilność typu Rayleigha-Taylora. Efekt ten sprawia, że gorące powietrze zaczyna unosić się ku górze i kierować do chmury (na zasadzie ciągu w kominie), podczas gdy znajdują się już w chmurze rozgrzane powietrze, zaczyna rotować. Jeżeli do detonacji bomby atomowej doszło na niskiej wysokości, wtedy gorące powietrze dodatkowo zasysa znajdujące się przy powierzchni ziemi zanieczyszczenia, tworząc tym samym charakterystyczną nogę.

Po osiągnięciu przez grzyb atomowy konkretnej wysokości i tzw. poziomu Equilibrium (ang. equilibrium level, EL), czyli stanu równowagi pomiędzy temperaturą chmury a temperatura otoczenia, grzyb atomowy zaczyna się rozpłaszczać, tworząc charakterystyczny kształt rozwiniętego grzyba. Doskonale obrazuje to zdjęcie w artykule, przedstawiające wybuch bomby atomowej Castle Bravo o mocy 15 Mt.

Nie przy każdej eksplozji nuklearnej da się zauważyć charakterystyczną chmurę w kształcie grzyba:

• jeżeli do wybuchu doszło na dużej wysokości, wtedy kula ognia utworzy jedynie górną część grzyba atomowego, bez charakterystycznej nogi;
• w przypadku eksplozji podziemnej lub podwodnej również nie utworzy się pełny grzyb atomowy, aczkolwiek dojdzie wtedy do intensywnego parowania ogromnych pokładów gruntu lub wody (w zależności od miejsca wybuchu). Z kolei podwodny wybuch jądrowy na niewielkiej głębokości utworzy wysoki słup wody, który podczas opadania przybierze kształt kalafiora.

W przypadku eksplozji po kontakcie z gruntem lub na niskiej wysokości, ilość zasysanej ziemi i zanieczyszczeń z gruntu maleje wraz ze wzrostem wysokości. W przypadku eksplozji na wysokości 7 metrów/1 kt^1⁄3 nie pojawi się krater, a ilość zassanych zanieczyszczeń będzie bardzo niewielka. Z kolei wysokość, na której kula ognia składa się już niemal wyłącznie z gorącego powietrza, a nie ładunków promieniotwórczych można obliczyć ze wzoru: 55 metrów /1 kt ^0,4.

Dystrybucja promieniowania w grzybie atomowym zależy od:

• siły eksplozji;
• rodzaju bomby;
• proporcji „fuzja-rozszczepienie”;
• wysokości detonacji;
• ukształtowania terenu;
• warunków pogodowych.

Najczęściej po wybuchu bomby atomowej o niskiej mocy, 90% cząsteczek radioaktywnych znajduje się w grzybie atomowym, a 10% w jego podstawie „nóżce”. Z kolei mocniejsze eksplozje nuklearne generują najwięcej cząstek radioaktywnych u podstawy grzyba atomowego.

Tuż po wybuchu atomowym zwiększa się wilgotność w otaczającym powietrzu. Powietrze to wraz ze wzrostem wysokości schładza się, co powoduje w pierwszej kolejności intensywne parowanie i skraplanie pary wodnej, a w dalszym procesie zamarzanie do kryształków lodu. Zmiany te uwalniają spore ilości tzw. ciepła utajonego (ang. latent heat), które dodatkowo wynoszą chmurę atomową na jeszcze większą wysokość.

Fazy formowania się grzyba atomowego

1. Faza początkowa – w ciągu pierwszych 20 sekund od wybuchu następuje formowanie się kuli ognia, która zaczyna unosić się i zasysać zanieczyszczenia z gruntu lub utworzonego na skutek eksplozji krateru. Kondensacja wyparowanych cząstek z ziemi następuję w ciągu kilku sekund, najmocniej w chwili osiągnięcia kuli ognia temperatury 3500–4100 K.
2. Faza wnoszenia i stabilizowania – najczęściej trwa od 20 sekund do nawet 10 minut. Obejmuje okres, w którym fala gorąca wznosi się i następuje przy tym wczesny opad radioaktywny.
3. Faza końcowa – trwa ok. 48 godzin i w tym czasie radioaktywne cząsteczki zostają rozniesione przez wiatr, opadną na ziemię na skutek grawitacji lub opadu atmosferycznego.

Pierwotny kolor grzyba atomowego najczęściej przybiera barwę czerwoną lub ciemno-czerwoną. Kolor radioaktywnej chmury zależy głównie od obecności dwutlenku azotu i kwasu azotowego, które powstają na skutek jonizacji wodoru, tlenu i wilgoci zawartej w powietrzu atmosferycznym. W skrajnie wysokich temperaturach i wysokim współczynniku promieniowania, może dojść do formowania się cząsteczek ozonu. Szacuje się, że wybuch atomowy o mocy 1 Mt wydziela do atmosfery ok. 5000 ton tlenków azotu. Potężne eksplozje atomowe mogą wynosić tlenki azotu na bardzo duże wysokości, co w konsekwencji może nawet zaburzyć spójność warstwy ozonowej.

W wyjątkowych sytuacjach, istnieje możliwość uformowania się podwójnych grzybów atomowych, co miało już miejsce np. podczas operacji Buster-Jangle, kiedy to gorące powietrze utworzone w kraterze zaczęło formować kolejny grzyb atomowy, chwilę po głównym wybuchu.

Grzyb atomowy – skład

Widoczna chmura o kształcie grzyba po wybuchu atomowym zawiera m.in.:

• resztki bomby i produkty radioaktywne;
• materiał zassany z powierzchni ziemi (pod pewnymi warunkami);
• parę wodną.

Główna masa radioaktywna zawiera z kolei:

• produkty rozszczepienia jąder atomowych;
• produkty aktywacji neutronowej;
• powietrze;
• cząsteczki zassane z gruntu (o mniejszej frakcji).

Najwięcej produktów radioaktywnych wytwarzanych jest na skutek rozszczepiania jąder atomowych. Bomby termojądrowe pozyskują swoją moc głównie na skutek reakcji fuzji jądrowych, które najczęściej nie są promieniotwórcze. Dlatego też stopień radioaktywności po wybuchu atomowym mierzony jest w kilotonach rozszczepień jąder atomowych. Dla przykładu ogromna moc wybuchu Car Bomby pochodziła w 97% z reakcji fuzji atomowej, co czyniło ją względnie „czystą” pod kątem radioaktywności bombą. Niemniej jednak na skutek wybuchu doszło do uwolnienia 1,5 Mt energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomowych. Było to możliwe dzięki zastąpieniu części uranu zwykłym ołowiem. W przeciwnym wypadku skala zanieczyszczenia radioaktywnego była równa 1/4 wszystkich zrzuconych bomb atomowych w historii.