§ 4.7.5. Формирование следа облака ядерного взрыва, произведенного на суше

В районе ядерного взрыва наблюдаются сильные потоки воздуха, устремляющиеся к центру взрыва и вверх вслед за облаком. Увлекаемые этими потоками частицы грунта вместе с конденсировавшимися на них радиоактивными веществами попадают в облако ядерного взрыва, что особенно характерно для наземных ядерных взрывов, поскольку в этом случае пылевой столб (“ножка”) с момента его образования соединен с облаком (“шляпкой”). При воздушных взрывах в облако попадает значительно меньшее количество грунта ввиду того, что “ножка” в этом случае не соединяется со “шляпкой”. Этим объясняется то, что при воздушных ядерных взрывах радиоактивное заражение местности в основном ограничивается районом ядерного взрыва, а при “высоких” ядерных взрывах заражения местности может и не быть совсем.

При подъеме радиоактивного облака в результате вовлечения в него наружного воздуха и увеличения объема происходит охлаждение облака, что приводит к выравниванию температуры облака и окружающей среды. В результате выравнивания температур дальнейший подъем облака прекращается. Скорость подъема облака главным образом зависит от мощности взрыва и метеорологических условий. Так, при взрыве мощностью 1 млн. т эта скорость в первые 20 с после ядерного взрыва составляет примерно 125 м /с, а в первые 6 мин - до 16 м/с.

Максимальная высота подъема облака (Рис.4.10) определяется количеством тепла, выделяющегося при взрыве, иными словами, его мощностью и в меньшей степени такими метеорологическими параметрами, как степень вертикальной устойчивости атмосферы и содержание влаги в воздухе. Следует учесть также, что по достижении облаком тропопаузы (тропопауза - переходный слой между тропосферой, высота которой изменяется от 8 - 10 км в полярных широтах до 16 - 18 км у экватора, и стратосферой, высота которой от поверхности земли достигает 55 км) оно стремится распространиться в горизонтальном направлении. При взрывах крупного и сверхкрупного калибров облако может “пробить” тропопаузу и проникнуть в нижнюю часть стратосферы.

Радиоактивное облако, образованное в результате ядерного взрыва, несет в себе большое количество радиоактивных частиц различных размеров. Размеры частиц, образующихся при воздушных взрывах, как правило, не превышают 10 мкм, а средние размеры частиц при взрыве мощностью 20 тыс. т составляют 0,01 мкм. При более мощных взрывах средний размер частиц еще меньше.

При наземных взрывах образуется большое количество радиоактивных частиц в результате конденсации испарившихся радиоактивных продуктов на расплавленных частицах грунта. Почти все наиболее легкие радиоактивные частицы увлекаются в верхнюю часть облака; более тяжелые частицы остаются в нижней части облака и в пылевом столбе.

По мере уменьшения скорости подъема облака на максимальную высоту все большее количество радиоактивных частиц выпадает на поверхность земли в виде радиоактивных осадков, которые продолжают выпадать и после стабилизации облака. Поскольку облако перемещается по направлению ветра, выпадающие радиоактивные осадки образуют так называемый “шлейф” (рис.4.9.). Наиболее крупные частицы начинают выпадать из облака еще до момента его стабилизации, а более мелкие частицы вследствие меньших скоростей падения оседают на поверхность земли на значительно большем расстоянии от места взрыва. Выпадение радиоактивных осадков из облака ядерного взрыва на поверхность земли является следствием двух одновременно протекающих процессов: распространение радиоактивного облака на высоте его подъема по направлению ветра и оседания радиоактивных частиц под действием силы тяжести. Время оседания отдельной частицы на поверхность земли определяется высотой и скоростью оседания, зависящей не только от размеров частиц, но и от плотности воздуха на различных высотах.

За время своего оседания каждая отдельная частица под действием ветра будет отнесена от центра (эпицентра) взрыва в горизонтальном направлении на расстояние (в км) S = V x t, где t - время оседания частицы в ч, V - скорость ветра в км/ч. Так как время оседания t = , h - высота, с которой оседает частица в км, w - средняя скорость оседания частицы в км/ч, снос частицы (в км) будет равен .

Радиоактивные осадки при ядерных взрывах в зависимости от расстояния от центра (эпицентра) взрыва, на котором они выпадают, можно разделить на три группы.

1. Ближние или локальные (местные) выпадения в районе, находящемся от места взрыва на расстоянии до нескольких десятков или сотен километров по направлению ветра. Обычно эту зону выпадений называют следом облака ядерного взрыва. в пределах этого следа в основном выпадают частицы диаметром свыше 50 мкм. При этом суммарная активность выпавших осадков в зависимости от типа грунта в районе взрыва может изменяться от 10 - 15 до 40 - 80 % общей активности, заключенной в облаке ядерного взрыва. При взрывах, проведенных на песчаных грунтах, радиоактивные частицы будут значительно крупнее по размерам, чем при взрывах той же мощности, проведенных на связных грунтах (глинистых, суглинистых, скальных). Вследствие этого степень заражения на ближнем следе при взрывах, проведенных на песчаных грунтах, будет в несколько раз большей, чем при взрывах, проведенных на связных грунтах.

Рис. 4.10. Последствия радиоактивного излучения

2. Полуглобальные выпадения, которые могут быть зафиксированы за несколько тысяч километров от места взрыва. Такие выпадения состоят в основном из сравнительно мелких частиц диаметром 1 - 5 мкм, выпадающих из верхних слоев тропосферы. Продолжительность их выпадения на поверхность земли составляет две - три недели с момента взрыва. При этом большая часть короткоживущих радиоактивных изотопов к моменту выпадения распадается.

3. Глобальные выпадения, продолжающиеся в течение нескольких месяцев и даже лет (5 - 7) после взрыва, состоят в основном из мельчайших частиц диаметром менее 1 мкм, достигающих при взрыве стратосферы. Под воздействием турбулентности атмосферы (неупорядоченного движения воздуха) радиоактивные частицы проникают из стратосферы в тропосферу через разрывы в тропопаузе. Выпадение этих частиц на поверхность земли на 80 - 90 % вызывается влажными выпадениями.

Различают два вида подземных взрывов: с выбросом радиоактивных веществ в атмосферу и без выброса в атмосферу (так называемый камуфлетный взрыв).

Взрыв, произведенный на выброс, приводит к попаданию на земную поверхность и в атмосферу расплавленных или частично оплавленных частиц породы, пылевидных и газообразных радиоактивных продуктов взрыва. Крупные частицы диаметром более мм выпадают вблизи эпицентра взрыва, создавая радиоактивное заражение бруствера воронки. Более мелкие частицы, как и при наземных взрывах, уносятся ветром, образуя след облака ядерного взрыва на расстоянии десятков и сотен километров.

При другом виде подземного взрыва - камуфлетном - образуется полость, близкая по форме к сферической, ограниченная слоем расплавленной породы. Радиационного заражения местности при этом взрыве не происходит. Возможно заражение атмосферы в результате утечки радиоактивных газов из полости через трещины в грунте.

Размеры зон радиоактивного заражения при наземных и подземных ядерных взрывах зависят главным образом от таких факторов, как мощность и вид взрыва, а также от скорости ветра и его профиля по высоте в пределах высоты подъема облака ядерного взрыва. При небольшом изменении направления ветра с высотой (в пределах 10 - 200), т.е. при простых метеорологических условиях, след облака ядерного взрыва будет иметь форму, напоминающую эллипс, а отношение длины и ширины следа в зависимости от вида взрыва, его мощности и скорости ветра, колеблется в пределах от 1,5:1 до 12:1.

При сложных метеорологических условиях в момент ядерного взрыва направление ветра с высотой может резко изменяться вплоть до поворота на 1800. Это может привести к разрыву облака ядерного взрыва, что существенным образом скажется на конфигурации следа, который может в подобных условиях приобретать самые различные очертания.

Атмосферные осадки в виде дождя или снега также могут оказать влияние на распределение радиоактивных веществ на местности. Это объясняется тем, что радиоактивные частицы, попадая в область дождя (снега), выпадают на поверхность земли вместе с дождем (снегом).

Рельеф местности практически не оказывает влияния на размеры зон радиоактивного заражения, но в ряде случаев может явиться причиной перераспределения радиоактивных веществ на местности. Например, на обратных по отношению к направлению движения облака скатах возвышенностей наблюдается менее высокие плотности заражения, чем на прямых скатах. Это особенно характерно для горных районов.

Плотности заражения, создаваемые в лесных массивах, будут, как правило, меньшими, чем на безлесной местности, вследствие того, что часть радиоактивных частиц задерживается на кронах деревьев, а излучение частично экранируется деревьями. Однако следует учитывать и то, что молодой лес, а также лес, не имеющий покрова, практически не снижает радиоактивного заражения.

В тех случаях, когда ядерное оружие применяется массировано и центры взрывов находятся на сравнительно небольших удалениях друг от друга, может произойти наложение следов от соседних взрывов или их слияние с образованием обширных зон радиоактивного заражения.

Для оценки зон радиоактивного заражения используют две методики - детерминированную и вероятностную (рис.4.9.).

Детерминированная методика прогнозирования не учитывает погрешности определения исходных данных, и положение следа облака ядерного взрыва имеет определенное значение. Эта методика предполагает, что направление оси следа облака ядерного взрыва совпадает с направлением среднего ветра, а след облака наносится в виде эллипсов.

Сущность вероятностной методики сводится к тому, что находится не какое - то определенное положение следа облака ядерного взрыва, а район, в пределах которого возможно радиоактивное заражение (так называемый район возможного радиоактивного заражения). По такой методике прогнозирования в 90 % случаев след облака ядерного взрыва не выйдет за пределы сектора с центральным углом, примерно равным 400. Границами зон заражения будут границы сектора и дуги, очерченные радиусами из центра ядерного взрыва.

След радиоактивного облака на равнинной местности условно делится на район взрыва и четыре зоны (для обоих методик прогнозирования): умеренного (А), сильного (Б), опасного (В) и чрезвычайно опасного (Г) заражения. Границы зон радиоактивного заражения с разной степенью опасности для людей принято характеризовать дозой гамма - излучения, получаемой за время от момента образования следа до полного распада радиоактивных веществ, Д (измеряется в радах), или мощностью дозы излучения (уровнем радиации) через 1 час после взрыва (Р1).

Внешняя граница зоны А характеризуется Д = 40 рад и Р1 = 8 рад/час. Доля зоны от площади всего радиоактивного следа составляет 60 %.

На внешней границе зоны Б Д = 400 рад и Р1 = 80 рад/час. Доля зоны от площади следа составляет 20 %.

На внешней границе зоны В Д = 1200 рад и Р1 = 240 рад/час. Доля зоны от площади следа составляет 13 %.

На внешней границе зоны Г Д = 4000 рад и Р1 = 800 рад/час, внутри зоны - до 10 000 рад. Доля зоны от площади следа составляет 7 %.

На схемах и на картах внешние границы зон радиоактивного заражения наносятся разными цветами: зона А - синим, зона Б - зеленым, зона В - коричневым, зона Г - черным.

С течением времени, вследствие естественного распада радиоактивных веществ, уровни радиации на следе радиоактивного заражения уменьшаются. Спад уровня радиации подчиняется зависимости:

где Pt - уровень радиации на любое заданное время t после взрыва, рад/час;

Р1 - уровень радиации на 1 час после взрыва, рад/час;

t - время, прошедшее после ядерного взрыва, час.

Из этой формулы следует, что в результате распада радиоактивных веществ уровни радиации уменьшаются по принципу “7 - 10”, иначе говоря, с увеличением времени в 7 раз они уменьшаются в 10 раз, и наиболее интенсивный спад уровней наблюдается в первые двое суток.

Местность считается зараженной и требуется применять средства защиты, если уровень радиации, измеренный на высоте 0,7 - 1 м от поверхности земли, составляет 0,5 рад/час и более.

Зависимость доз излучения от расстояния до эпицентра взрыва (мощность взрыва в Хиросиме 12,5 кт, в Нагасаки - 22 кт тринитротолуола).

Вид излучения	Город	Расстояние от эпицентра, км	Доза излучения, рад.
Гамма – излучение	Хиросима	605	4240
		635	1582
		965	338
	Нагасаки	640	1188
		970	937
		1020	824
Нейтроны	Хиросима	590	514
		1180	51
	Нагасаки	1030	52

1 марта 1954 года вооруженными силами США на испытательном полигоне на аттоле Эниветок Маршалловых островов с экспериментальными целями была взорвана термоядерная бомба. В результате взрыва произошло выпадение радиоактивных осадков на территории ближайших населенных атоллов. В некоторых районах (атолл Ронгелап) уровень радиоактивной загрязненности был весьма высоким. Вычисленная на кожу доза, обусловленная загрязнением земли, в группе пострадавших составляла 20 Гр. на уровне стоп, 6 Гр. на уровне верхней части бедра и 3 Гр. - на уровне головы. Локальное экранирование и передвижение людей вызвали большие вариации в дозах.

Еще более своеобразной была ситуация при локальном выпадении осадков термоядерного взрыва на экипаж судна, попавшего в зону радиоактивных выпадений.

Лучевое поражение возникло у 23 японских рыбаков, подвергшихся действию выпавшего пепла Бикини”. В течение 2х недель пути в свой порт эти люди жили на маленьком судне, которое было сильно загрязнено. На верхней палубе мощность экспозиционной дозы достигала 11-4Гр./час, а в матросском кубрике - 8-4 Гр./час. Одежда их также была в значительной степени загрязнена радиоактивными продуктами ядерного взрыва. Некоторые ели плохо отмытую от “пепла” рыбу грязными руками. Уже по прибытии судна в Токио, один из рыбаков доставил в Токийский университет около 1г белого пепла. Экспозиционная доза внешнего излучения в течение 2х недельного пребывания людей на судне была оценена разными авторами от 2 до 5 Гр.