Una nube en forma de hongo es una distintiva nube de escombros, humo y, por lo general, vapor de agua condensado con forma de hongo que resulta de una gran explosión. El efecto se asocia más comúnmente con una explosión nuclear , pero cualquier detonación o deflagración lo suficientemente enérgica producirá un efecto similar. Pueden ser causadas por armas convencionales poderosas , incluidas armas termobáricas como la ATBIP y la GBU-43/B MOAB . Algunas erupciones volcánicas y eventos de impacto pueden producir nubes en forma de hongo naturales.
Las nubes en forma de hongo son el resultado de la formación repentina de un gran volumen de gases de baja densidad a cualquier altitud, lo que provoca una inestabilidad de Rayleigh-Taylor . La masa flotante de gas se eleva rápidamente, lo que da lugar a vórtices turbulentos que se curvan hacia abajo alrededor de sus bordes, formando un anillo de vórtices temporal que arrastra una columna central, posiblemente con humo, escombros, vapor de agua condensado o una combinación de estos, para formar el "tallo del hongo". La masa de gas más el aire húmedo arrastrado finalmente alcanza una altitud en la que ya no es de menor densidad que el aire circundante; en este punto, se dispersa, volviendo a descender , lo que da lugar a la lluvia radiactiva después de una explosión nuclear. La altitud de estabilización depende en gran medida de los perfiles de la temperatura, el punto de rocío y la cizalladura del viento en el aire en la altitud inicial y por encima de ella.
Aunque el término parece haber sido acuñado a principios de la década de 1950, las nubes de hongos generadas por explosiones se describían siglos antes de la Era Atómica . Una aguatinta contemporánea de un artista desconocido del ataque franco-español de 1782 a Gibraltar muestra una de las baterías flotantes de la fuerza atacante explotando con una nube de hongos después de que los defensores británicos la incendiaran disparando balas incandescentes .
En 1798, Gerhard Vieth publicó un relato detallado e ilustrado de una nube en las cercanías de Gotha que "no tenía forma diferente a la de un hongo". La nube había sido observada por el consejero de la legación Lichtenberg unos años antes en una cálida tarde de verano. Se interpretó como una nube meteorológica irregular y parecía haber causado una tormenta con lluvia y truenos a partir de una nueva nube oscura que se formó debajo de ella. Lichtenberg afirmó haber observado posteriormente nubes algo similares, pero ninguna tan notable. [1]
La explosión de Halifax en 1917 produjo una nube en forma de hongo. En 1930, Olaf Stapledon, en su novela Last and First Men, imagina la primera demostración de un arma atómica como "nubes de vapor provenientes del mar hirviente... un gigantesco hongo de vapor y escombros". El 1 de octubre de 1937, The Times publicó un informe sobre un ataque japonés a Shanghái , China , que generó "un gran hongo de humo". Durante la Segunda Guerra Mundial , la destrucción del acorazado japonés Yamato produjo una nube en forma de hongo. [2]
La nube de humo y polvo que dejó la bomba atómica sobre Nagasaki , Japón, fue descrita en The Times de Londres del 13 de agosto de 1945 como un «enorme hongo de humo y polvo». El 9 de septiembre de 1945, The New York Times publicó un relato de un testigo presencial del bombardeo de Nagasaki, escrito por William L. Laurence , el corresponsal oficial del periódico del Proyecto Manhattan , que acompañó a uno de los tres aviones que realizaron el bombardeo. Escribió que la bomba produjo una «columna de fuego púrpura » de cuya parte superior surgió «un hongo gigante que aumentó la altura de la columna a un total de 45.000 pies». [3]
En 1946, las pruebas de bombas nucleares de la Operación Crossroads se describieron como una nube en forma de " coliflor ", pero un reportero presente también habló de "la seta, ahora el símbolo común de la era atómica". Las setas se han asociado tradicionalmente tanto con la vida como con la muerte, la comida y el veneno, lo que las convirtió en una conexión simbólica más poderosa que, por ejemplo, la nube en forma de "coliflor". [4]
Las nubes en forma de hongo se forman por muchos tipos de grandes explosiones bajo la gravedad de la Tierra, pero son más conocidas por su aparición después de detonaciones nucleares . Sin gravedad, o sin una atmósfera espesa, los gases derivados del explosivo permanecerían esféricos. Las armas nucleares generalmente se detonan sobre el suelo (no al impactar, porque parte de la energía se disiparía por los movimientos del suelo), para maximizar el efecto de su bola de fuego y onda expansiva que se expanden esféricamente . Inmediatamente después de la detonación, la bola de fuego comienza a elevarse en el aire, actuando según el mismo principio que un globo aerostático .
Una forma de analizar el movimiento, una vez que el gas caliente ha despejado el suelo lo suficiente, es como una "burbuja de capa esférica", [5] ya que esto da concordancia entre la tasa de ascenso y el diámetro observado.
A medida que asciende, se forma una inestabilidad de Rayleigh-Taylor y el aire es arrastrado hacia arriba y hacia el interior de la nube (de forma similar a la corriente ascendente de una chimenea ), lo que produce fuertes corrientes de aire conocidas como "vientos posteriores", mientras que, dentro de la cabeza de la nube, los gases calientes giran en forma toroidal . Cuando la altitud de detonación es lo suficientemente baja, estos vientos posteriores arrastrarán suciedad y escombros del suelo para formar el tallo de la nube en forma de hongo.
Una vez que la masa de gases calientes alcanza su nivel de equilibrio , el ascenso se detiene y la nube comienza a aplanarse hasta adquirir la característica forma de hongo, generalmente ayudada por el crecimiento de la superficie debido a la turbulencia en descomposición.
En el momento de una explosión nuclear, se forma una bola de fuego. La masa ascendente, aproximadamente esférica de gases calientes e incandescentes cambia de forma debido a la fricción atmosférica, y la superficie de la bola de fuego se enfría por la radiación de energía, pasando de una esfera a un vórtice esferoidal que gira violentamente. Se forma una inestabilidad de Rayleigh-Taylor cuando el aire frío debajo empuja inicialmente los gases de la bola de fuego inferior en una forma de copa invertida. Esto causa turbulencia y un vórtice que succiona más aire hacia el centro, creando vientos posteriores externos y enfriando aún más la bola de fuego. La velocidad de rotación disminuye a medida que la bola de fuego se enfría y puede detenerse por completo durante fases posteriores. Las partes vaporizadas del arma y el aire ionizado se enfrían en gases visibles, formando una nube; el núcleo del vórtice al rojo vivo se vuelve amarillo, luego rojo oscuro, luego pierde la incandescencia visible. Con un enfriamiento adicional, la mayor parte de la nube se llena a medida que la humedad atmosférica se condensa. A medida que la nube asciende y se enfría, su flotabilidad disminuye y su ascenso se ralentiza. Si el tamaño de la bola de fuego es comparable a la altura de la escala de densidad atmosférica , toda la elevación de la nube será balística, sobrepasando un gran volumen de aire sobredenso a altitudes mayores que la altitud de estabilización final. Las bolas de fuego significativamente más pequeñas producen nubes con ascenso controlado por la flotabilidad.
Después de alcanzar la tropopausa (la parte inferior de la región de fuerte estabilidad estática), la nube tiende a desacelerarse y extenderse. Si contiene suficiente energía, la parte central puede continuar elevándose hacia la estratosfera como un análogo de una tormenta eléctrica estándar . [6] Una masa de aire que asciende desde la troposfera a la estratosfera conduce a la formación de ondas de gravedad acústicas , virtualmente idénticas a las creadas por tormentas eléctricas intensas que penetran la estratosfera. Las explosiones de menor escala que penetran la tropopausa generan ondas de mayor frecuencia, clasificadas como infrasonidos . La explosión levanta una gran cantidad de aire cargado de humedad desde altitudes más bajas. A medida que el aire se eleva, su temperatura baja y su vapor de agua primero se condensa como gotitas de agua y luego se congela como cristales de hielo. El cambio de fase libera calor latente , calentando la nube y empujándola a altitudes aún mayores. Las cabezas de las nubes están formadas por partículas altamente radiactivas , principalmente productos de fisión y otros aerosoles de restos de armas, y suelen dispersarse por el viento, aunque los patrones climáticos (especialmente la lluvia) pueden producir lluvia radiactiva . [7] Las gotitas de agua condensada se evaporan gradualmente, lo que lleva a la aparente desaparición de la nube. Sin embargo, las partículas radiactivas permanecen suspendidas en el aire y la nube invisible continúa depositando lluvia radiactiva a lo largo de su camino.
Una nube en forma de hongo pasa por varias fases de formación. [8]
La forma de la nube está influenciada por las condiciones atmosféricas locales y los patrones de viento. La distribución de la lluvia radiactiva es predominantemente una columna a sotavento . Sin embargo, si la nube alcanza la tropopausa, puede extenderse contra el viento, porque su velocidad de convección es mayor que la velocidad del viento ambiental. En la tropopausa, la forma de la nube es aproximadamente circular y extendida. El color inicial de algunas nubes radiactivas puede ser rojo o marrón rojizo, debido a la presencia de dióxido de nitrógeno y ácido nítrico , formado a partir de nitrógeno inicialmente ionizado , oxígeno y humedad atmosférica. En el entorno de alta temperatura y alta radiación de la explosión, también se forma ozono . Se estima que cada megatón de rendimiento produce alrededor de 5.000 toneladas de óxidos de nitrógeno. [10] Una detonación de mayor rendimiento puede transportar los óxidos de nitrógeno de la explosión lo suficientemente alto en la atmósfera para causar un agotamiento significativo de la capa de ozono . También se han descrito tonos amarillos y anaranjados. Este tono rojizo se oscurece más tarde por el color blanco de las nubes de agua y hielo que se condensan en el aire que fluye rápidamente a medida que la bola de fuego se enfría, y por el color oscuro del humo y los escombros que absorbe la corriente ascendente. El ozono le da a la explosión su característico olor similar al de una descarga de corona . [11]
La distribución de la radiación en la nube en forma de hongo varía con el rendimiento de la explosión, el tipo de arma, la relación fusión -fisión, la altitud de la explosión, el tipo de terreno y el clima. En general, las explosiones de menor rendimiento tienen alrededor del 90% de su radiactividad en la cabeza del hongo y el 10% en el tallo. Por el contrario, las explosiones de alcance de megatones tienden a tener la mayor parte de su radiactividad en el tercio inferior de la nube en forma de hongo. La lluvia radiactiva puede aparecer como copos secos, similares a cenizas, o como partículas demasiado pequeñas para ser visibles; en el último caso, las partículas a menudo se depositan por la lluvia. Grandes cantidades de partículas más nuevas y más radiactivas depositadas en la piel pueden causar quemaduras beta , que a menudo se presentan como manchas descoloridas y lesiones en las espaldas de los animales expuestos. [13] La lluvia radiactiva de la prueba de Castle Bravo tenía la apariencia de polvo blanco y fue apodada nieve de Bikini ; los diminutos copos blancos se parecían a los copos de nieve , se pegaban a las superficies y tenían un sabor salado. En la Operación Wigwam , el 41,4% de la lluvia radiactiva consistió en partículas opacas irregulares, algo más del 25% de partículas con áreas transparentes y opacas, aproximadamente el 20% de organismos marinos microscópicos y el 2% de hilos radiactivos microscópicos de origen desconocido. [14]
En las explosiones aéreas en la superficie y cerca de ella, la cantidad de escombros que se elevan al aire disminuye rápidamente a medida que aumenta la altitud de la explosión. A una altitud de explosión de aproximadamente 7 metros/kilotón 1 ⁄ 3 , no se forma un cráter y, en consecuencia, se producen menores cantidades de polvo y escombros. La altura que reduce la precipitación radiactiva, por encima de la cual las partículas radiactivas primarias consisten principalmente en la condensación fina de la bola de fuego, es de aproximadamente 55 metros/kilotón 0,4 . [7] Sin embargo, incluso a estas altitudes de explosión, la precipitación radiactiva puede formarse por otros mecanismos. Las explosiones aéreas producen tallos blancos y humeantes, mientras que las explosiones superficiales producen tallos grises a marrones porque grandes cantidades de polvo, suciedad, tierra y escombros son succionados hacia la nube en forma de hongo. Las explosiones superficiales producen nubes en forma de hongo oscuras que contienen material irradiado del suelo además de la bomba y su carcasa y, por lo tanto, producen más precipitación radiactiva, con partículas más grandes que se depositan fácilmente a nivel local.
Una detonación a gran altura puede producir una nube de hongo sin tallo. En determinadas condiciones se puede formar un hongo doble, con dos niveles. Por ejemplo, el disparo de Buster-Jangle Sugar formó la primera cabeza de la explosión, seguida de otra generada por el calor del cráter recién formado. [14]
Una detonación a una profundidad significativamente inferior al nivel del suelo o bajo el agua (por ejemplo, una carga nuclear de profundidad) no produce una nube en forma de hongo, ya que la explosión provoca la vaporización de una enorme cantidad de tierra o agua, creando una burbuja que luego colapsa sobre sí misma; en el caso de una explosión subterránea a menor profundidad, esto produce un cráter de hundimiento . Una detonación submarina cerca de la superficie puede producir una columna de agua que colapsa para formar una forma similar a una coliflor, que se confunde fácilmente con una nube en forma de hongo (como en las conocidas imágenes de la prueba Crossroads Baker ). Una detonación subterránea a baja profundidad produce una nube en forma de hongo y una oleada de base , dos nubes distintas. La cantidad de radiación emitida a la atmósfera disminuye rápidamente al aumentar la profundidad de la detonación.
La nube contiene tres clases principales de material: los restos del arma y sus productos de fisión, el material adquirido del suelo (sólo significativo para altitudes de explosión inferiores a la altitud de reducción de la precipitación radiactiva, que depende del rendimiento del arma) y vapor de agua. La mayor parte de la radiación contenida en la nube consiste en los productos de fisión nuclear; los productos de activación de neutrones de los materiales del arma, el aire y los restos del suelo forman sólo una fracción menor. La activación de neutrones comienza durante la explosión de neutrones en el instante de la explosión, y el alcance de esta explosión de neutrones está limitado por la absorción de los neutrones a medida que pasan a través de la atmósfera de la Tierra.
Las armas termonucleares producen una parte significativa de su potencia a partir de la fusión nuclear . Los productos de fusión normalmente no son radiactivos. Por lo tanto, el grado de producción de radiación se mide en kilotones de fisión. La Bomba del Zar , que produjo el 97% de su potencia de 50 megatones a partir de la fusión, era un arma muy limpia en comparación con lo que se esperaría normalmente de un arma de su potencia (aunque todavía produjo 1,5 megatones de su potencia a partir de la fisión), ya que su dispositivo de manipulación de la fusión estaba hecho de plomo en lugar de uranio-238 ; de lo contrario, su potencia habría sido de 100 megatones y 51 megatones producidos a partir de la fisión. Si se detonase en la superficie o cerca de ella, su precipitación radiactiva comprendería una cuarta parte de toda la precipitación radiactiva de todas las pruebas de armas nucleares combinadas.
Inicialmente, la bola de fuego contiene un plasma altamente ionizado que consiste únicamente en átomos del arma, sus productos de fisión y gases atmosféricos del aire adyacente. A medida que el plasma se enfría, los átomos reaccionan, formando gotitas finas y luego partículas sólidas de óxidos. Las partículas se fusionan para formar otras más grandes y se depositan en la superficie de otras partículas. Las partículas más grandes generalmente se originan a partir de material aspirado en la nube. Las partículas aspiradas mientras la nube aún está lo suficientemente caliente como para fundirlas se mezclan con los productos de fisión en todo su volumen. Las partículas más grandes reciben materiales radiactivos fundidos depositados en su superficie. Las partículas aspiradas en la nube más tarde, cuando su temperatura es lo suficientemente baja, no se contaminan significativamente. Las partículas formadas solo a partir del arma son lo suficientemente finas como para permanecer en el aire durante mucho tiempo y se dispersan y diluyen ampliamente a niveles no peligrosos. Las explosiones a mayor altitud que no aspiran restos del suelo, o que aspiran polvo sólo después de enfriarse lo suficiente y donde la fracción radiactiva de las partículas es, por lo tanto, pequeña, causan un grado mucho menor de lluvia radiactiva localizada que las explosiones a menor altitud en las que se forman partículas radiactivas más grandes.
La concentración de productos de condensación es la misma para las partículas pequeñas y para las capas superficiales depositadas de partículas más grandes. Se forman alrededor de 100 kg de partículas pequeñas por kilotón de rendimiento. El volumen, y por lo tanto la actividad, de las partículas pequeñas es casi tres órdenes de magnitud menor que el volumen de las capas superficiales depositadas sobre partículas más grandes. Para explosiones a mayor altitud, los principales procesos de formación de partículas son la condensación y la posterior coagulación. Para explosiones a menor altitud y en el suelo, con participación de partículas del suelo, el proceso principal es la deposición sobre las partículas extrañas.
Una detonación a baja altitud produce una nube con una carga de polvo de 100 toneladas por megatón de potencia. Una detonación en tierra produce nubes con aproximadamente tres veces más polvo. En una detonación en tierra, se funden aproximadamente 200 toneladas de tierra por kilotón de potencia y entran en contacto con la radiación. [9] El volumen de la bola de fuego es el mismo para una detonación en la superficie o en la atmósfera. En el primer caso, la bola de fuego es un hemisferio en lugar de una esfera, con un radio correspondientemente mayor. [9]
Los tamaños de las partículas varían desde submicrométricas y micrométricas (creadas por la condensación del plasma en la bola de fuego), pasando por 10-500 micrómetros (material de la superficie agitado por la onda expansiva y levantado por los vientos posteriores), hasta milímetros y más (eyección del cráter). El tamaño de las partículas, junto con la altitud a la que son transportadas, determina la duración de su estancia en la atmósfera, ya que las partículas más grandes están sujetas a precipitación seca. Las partículas más pequeñas también pueden ser arrastradas por la precipitación, ya sea de la humedad que se condensa en la nube o de la nube que se cruza con una nube de lluvia. La lluvia que cae se conoce como lluvia si se recoge durante la formación de la nube de lluvia, y como lavado si se absorbe en gotas de lluvia que ya están formadas. [15]
Las partículas de las explosiones de aire son más pequeñas que 10-25 micrómetros, generalmente en el rango submicrométrico. Están compuestas principalmente de óxidos de hierro , con una proporción menor de óxido de aluminio y óxidos de uranio y plutonio . Las partículas más grandes que 1-2 micrómetros son muy esféricas, correspondientes a material vaporizado que se condensa en gotitas y luego se solidifica. La radiactividad se distribuye uniformemente en todo el volumen de partículas, lo que hace que la actividad total de las partículas dependa linealmente del volumen de partículas. [9] Alrededor del 80% de la actividad está presente en elementos más volátiles, que se condensan solo después de que la bola de fuego se enfría en un grado considerable. Por ejemplo, el estroncio-90 tendrá menos tiempo para condensarse y fusionarse en partículas más grandes, lo que resulta en un mayor grado de mezcla en el volumen de aire y partículas más pequeñas. [16] Las partículas producidas inmediatamente después de la explosión son pequeñas, con el 90% de la radiactividad presente en partículas más pequeñas que 300 nanómetros. Estas se coagulan con aerosoles estratosféricos. La coagulación es más extensa en la troposfera y, a nivel del suelo, la mayor actividad se presenta en partículas entre 300 nm y 1 μm . La coagulación compensa los procesos de fraccionamiento en la formación de partículas, nivelando la distribución isotópica.
En el caso de las explosiones terrestres y a baja altitud, la nube contiene partículas de suelo vaporizadas, fundidas y fusionadas. La distribución de la actividad a través de las partículas depende de su formación. Las partículas formadas por vaporización-condensación tienen una actividad distribuida uniformemente a través del volumen, al igual que las partículas de la explosión aérea. Las partículas fundidas más grandes tienen los productos de fisión difundidos a través de las capas externas, y las partículas fusionadas y no fundidas que no se calentaron lo suficiente pero entraron en contacto con el material vaporizado o las gotitas recogidas antes de su solidificación tienen una capa relativamente delgada de material de alta actividad depositada en su superficie. La composición de dichas partículas depende de la naturaleza del suelo, generalmente un material similar al vidrio formado a partir de minerales de silicato . Los tamaños de las partículas no dependen del rendimiento, sino de la naturaleza del suelo, ya que se basan en granos individuales del suelo o sus grupos. Hay dos tipos de partículas, esféricas, formadas por vaporización-condensación completa o al menos fusión del suelo, con actividad distribuida uniformemente a través del volumen (o con un volumen de 10-30% de núcleo inactivo para partículas más grandes entre 0,5-2 mm), y partículas de forma irregular formadas en los bordes de la bola de fuego por fusión de partículas de suelo, con actividad depositada en una capa superficial delgada. La cantidad de partículas irregulares grandes es insignificante. [9] Las partículas formadas a partir de detonaciones sobre o en el océano, contendrán isótopos de sodio radiactivos de vida corta y sales del agua de mar . La sílice fundida es un muy buen disolvente para óxidos metálicos y elimina partículas pequeñas fácilmente; las explosiones sobre suelos que contienen sílice producirán partículas con isótopos mezclados a través de su volumen. Por el contrario, los restos de coral , a base de carbonato de calcio , tienden a adsorber partículas radiactivas en su superficie. [16]
Los elementos sufren fraccionamiento durante la formación de partículas, debido a su diferente volatilidad . Los elementos refractarios ( Sr , Y , Zr , Nb , Ba , La , Ce , Pr , Nd , Pm ) forman óxidos con altos puntos de ebullición ; estos precipitan más rápido y en el momento de la solidificación de la partícula, a una temperatura de 1400 °C, se consideran completamente condensados. Los elementos volátiles ( Kr , Xe , I , Br ) no se condensan a esa temperatura. Los elementos intermedios tienen sus puntos de ebullición (o sus óxidos) cercanos a la temperatura de solidificación de las partículas ( Rb , Cs , Mo , Ru , Rh , Tc , Sb , Te ). Los elementos en la bola de fuego están presentes como óxidos, a menos que la temperatura sea superior a la temperatura de descomposición de un óxido dado. Los productos menos refractarios se condensan en las superficies de las partículas solidificadas. Los isótopos con precursores gaseosos se solidifican en la superficie de las partículas a medida que se producen por desintegración.
Las partículas más grandes y, por lo tanto, más radiactivas se depositan por la lluvia radiactiva en las primeras horas posteriores a la explosión. Las partículas más pequeñas son transportadas a mayores altitudes y descienden más lentamente, llegando al suelo en un estado menos radiactivo, ya que los isótopos con las vidas medias más cortas se desintegran más rápidamente. Las partículas más pequeñas pueden alcanzar la estratosfera y permanecer allí durante semanas, meses o incluso años, y cubrir un hemisferio entero del planeta a través de las corrientes atmosféricas. La lluvia radiactiva localizada, de mayor peligro y de corta duración, se deposita principalmente a sotavento del lugar de la explosión, en una zona con forma de cigarro, suponiendo que el viento tenga una fuerza y una dirección constantes. Los vientos cruzados, los cambios en la dirección del viento y las precipitaciones son factores que pueden alterar en gran medida el patrón de la lluvia radiactiva. [17]
La condensación de las gotitas de agua en la nube en forma de hongo depende de la cantidad de núcleos de condensación . De hecho, un exceso de núcleos de condensación inhibe la condensación, ya que las partículas compiten por una cantidad relativamente insuficiente de vapor de agua. La reactividad química de los elementos y sus óxidos, las propiedades de adsorción de iones y la solubilidad de los compuestos influyen en la distribución de las partículas en el medio ambiente después de su deposición desde la atmósfera. La bioacumulación influye en la propagación de los radioisótopos de la precipitación radiactiva en la biosfera .
El principal peligro de la lluvia radiactiva es la radiación gamma de los radioisótopos de vida corta , que representan la mayor parte de la actividad. Dentro de las 24 horas posteriores a una explosión, el nivel de radiación gamma de la lluvia radiactiva se reduce 60 veces. Los radioisótopos de vida más larga, típicamente el cesio-137 y el estroncio-90 , presentan un peligro a largo plazo. La intensa radiación beta de las partículas de la lluvia radiactiva puede causar quemaduras beta a las personas y animales que entran en contacto con la lluvia radiactiva poco después de la explosión. Las partículas ingeridas o inhaladas causan una dosis interna de radiación alfa y beta, que puede provocar efectos a largo plazo, incluido el cáncer. La irradiación de neutrones de la atmósfera produce una pequeña cantidad de activación, principalmente en forma de carbono-14 de larga duración y argón -41 de corta duración . Los elementos más importantes para la radiactividad inducida en el agua de mar son el sodio -24, el cloro , el magnesio y el bromo . En el caso de las explosiones en tierra, los elementos que preocupan son el aluminio -28, el silicio -31, el sodio-24, el manganeso -56, el hierro -59 y el cobalto-60 .
La carcasa de la bomba puede ser una fuente importante de radioisótopos activados por neutrones. El flujo de neutrones en las bombas, especialmente en los dispositivos termonucleares, es suficiente para que se produzcan reacciones nucleares de alto umbral . Los isótopos inducidos incluyen cobalto-60, 57 y 58, hierro-59 y 55, manganeso-54, zinc-65, itrio-88 y posiblemente níquel-58 y 62, niobio-63, holmio-165, iridio-191 y manganeso-56 de vida corta, sodio-24, silicio-31 y aluminio-28. Puede estar presente europio -152 y 154, así como dos isómeros nucleares de rodio -102. Durante la Operación Hardtack , se produjeron tungsteno -185, 181 y 187 y renio -188 a partir de elementos añadidos como trazadores a las carcasas de las bombas, para permitir la identificación de la lluvia radiactiva producida por explosiones específicas. El antimonio -124, el cadmio -109 y el cadmio-113m también se mencionan como trazadores. [9]
Las fuentes de radiación más importantes son los productos de fisión de la etapa de fisión primaria y, en el caso de las armas de fisión-fusión-fisión, de la fisión del uranio manipulado en la etapa de fusión. En una explosión termonuclear se liberan muchos más neutrones por unidad de energía en comparación con un rendimiento puramente de fisión, lo que influye en la composición de los productos de fisión. Por ejemplo, el uranio-237 es un marcador único de explosión termonuclear, ya que se produce por una reacción (n,2n) a partir del uranio-238 , con una energía neutrónica mínima necesaria de aproximadamente 5,9 MeV. Cantidades considerables de neptunio-239 y uranio-237 son indicadores de una explosión de fisión-fusión-fisión. También se forman pequeñas cantidades de uranio-240, y la captura de grandes cantidades de neutrones por núcleos individuales conduce a la formación de cantidades pequeñas pero detectables de elementos transuránicos superiores , por ejemplo, einstenio -255 y fermio -255. [9]
Uno de los productos de fisión más importantes es el criptón-90 , un gas noble radiactivo . Se difunde fácilmente en la nube y sufre dos desintegraciones para dar lugar a rubidio-90 y luego a estroncio-90 , con períodos de semidesintegración de 33 segundos y 3 minutos. La falta de reactividad y la rápida difusión de los gases nobles son responsables de la reducción de la precipitación local en Sr-90 y del correspondiente enriquecimiento de Sr-90 de la precipitación remota. [18]
La radiactividad de las partículas disminuye con el tiempo, y los diferentes isótopos son significativos en diferentes intervalos de tiempo. En el caso de los productos de activación del suelo, el aluminio-28 es el contribuyente más importante durante los primeros 15 minutos. El manganeso-56 y el sodio-24 siguen hasta aproximadamente las 200 horas. El hierro-59 sigue a las 300 horas y, después de 100 a 300 días, el contribuyente significativo pasa a ser el cobalto-60.
Las partículas radiactivas pueden transportarse a distancias considerables. La radiación de la prueba Trinity fue arrastrada por una tormenta de lluvia en Illinois . Esto se dedujo, y se rastreó el origen, cuando Eastman Kodak descubrió que las películas de rayos X estaban siendo empañadas por los envases de cartón producidos en el Medio Oeste . Vientos imprevistos transportaron dosis letales de la lluvia radiactiva de Castle Bravo sobre el atolón de Rongelap , lo que obligó a su evacuación. La tripulación del Daigo Fukuryu Maru , un barco pesquero japonés ubicado fuera de la zona de peligro prevista, también se vio afectada. El estroncio-90 encontrado en la lluvia radiactiva mundial condujo posteriormente al Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares . [16]
La intensa radiación en los primeros segundos después de la explosión puede causar un aura observable de fluorescencia , el resplandor azul-violeta-púrpura del oxígeno y nitrógeno ionizados a una distancia significativa de la bola de fuego, rodeando la cabeza de la nube en forma de hongo. [19] [20] [21] Esta luz es más fácilmente visible por la noche o en condiciones de luz diurna débil. [7] El brillo del resplandor disminuye rápidamente con el tiempo transcurrido desde la detonación, volviéndose apenas visible después de unas pocas decenas de segundos. [22]
Las nubes de hongo nuclear suelen ir acompañadas de nubes de vapor de corta duración, conocidas como "nubes de Wilson", nubes de condensación o anillos de vapor. La "fase negativa" que sigue a la sobrepresión positiva detrás de un frente de choque provoca una rarefacción repentina del medio circundante. Esta región de baja presión provoca una caída adiabática de la temperatura, lo que hace que la humedad del aire se condense en una capa que se mueve hacia afuera alrededor de la explosión. Cuando la presión y la temperatura vuelven a la normalidad, la nube de Wilson se disipa. [23] Los científicos que observaron las pruebas nucleares de la Operación Crossroads en 1946 en el atolón de Bikini llamaron a esa nube transitoria "nube de Wilson" debido a su similitud visual con una cámara de nubes de Wilson; la cámara de nubes utiliza la condensación de una rápida caída de presión para marcar las huellas de partículas subatómicas cargadas eléctricamente . Los analistas de pruebas de bombas nucleares posteriores utilizaron el término más general "nube de condensación" en lugar de "nube de Wilson".
El mismo tipo de condensación se observa a veces sobre las alas de los aviones a reacción a baja altitud en condiciones de alta humedad. La parte superior de un ala es una superficie curva. La curvatura (y el aumento de la velocidad del aire) provoca una reducción de la presión del aire, tal como se indica en la Ley de Bernoulli . Esta reducción de la presión del aire provoca un enfriamiento y, cuando el aire se enfría más allá de su punto de rocío , el vapor de agua se condensa y produce gotitas de agua que se vuelven visibles como una nube blanca. En términos técnicos, la "nube de Wilson" también es un ejemplo de la singularidad de Prandtl-Glauert en aerodinámica. [ cita requerida ]
La forma de la onda de choque está influenciada por la variación de la velocidad del sonido con la altitud, y la temperatura y la humedad de las diferentes capas atmosféricas determinan la apariencia de las nubes de Wilson. Los anillos de condensación alrededor o por encima de la bola de fuego son una característica que se observa comúnmente. Los anillos alrededor de la bola de fuego pueden estabilizarse, convirtiéndose en anillos alrededor del tallo ascendente. Las explosiones de mayor rendimiento causan corrientes ascendentes intensas , donde las velocidades del aire pueden alcanzar las 300 millas por hora (480 km/h). El arrastre de aire con mayor humedad, combinado con la caída asociada de presión y temperatura, conduce a la formación de faldas y campanas alrededor del tallo. Si las gotas de agua se vuelven lo suficientemente grandes, la estructura de la nube que forman puede volverse lo suficientemente pesada como para descender; de esta manera, se puede producir un tallo ascendente con una campana descendente a su alrededor. La estratificación de la humedad en la atmósfera, responsable de la apariencia de los anillos de condensación en oposición a una nube esférica, también influye en la forma de los artefactos de condensación a lo largo del tallo de la nube en forma de hongo, ya que la corriente ascendente causa un flujo laminar . El mismo efecto sobre la parte superior de la nube, donde la expansión de la nube ascendente empuja una capa de aire cálido, húmedo y de baja altitud hacia arriba, hacia aire frío y de gran altitud, primero provoca la condensación del vapor de agua del aire y luego hace que las gotitas resultantes se congelen, formando capas de hielo (o casquetes polares ), similares tanto en apariencia como en mecanismo de formación a las nubes bufanda .
Las estructuras compuestas resultantes pueden llegar a ser muy complejas. La nube Castle Bravo tuvo, en varias fases de su desarrollo, 4 anillos de condensación, 3 casquetes glaciares, 2 faldones y 3 campanas.
