Una nube en forma de hongo es una distintiva nube inflamatoria con forma de hongo compuesta de escombros, humo y, generalmente, vapor de agua condensado que resulta de una gran explosión. El efecto se asocia más comúnmente con una explosión nuclear , pero cualquier detonación o deflagración suficientemente energética producirá el mismo efecto. Pueden ser causados por poderosas armas convencionales , como armas termobáricas como el ATBIP y el 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 resultan de la formación repentina de un gran volumen de gases de menor densidad a cualquier altitud, lo que provoca una inestabilidad de Rayleigh-Taylor . La masa flotante de gas se eleva rápidamente, lo que da como resultado vórtices turbulentos que se curvan hacia abajo alrededor de sus bordes, formando un anillo de vórtice temporal que dibuja una columna central, posiblemente con humo, escombros, vapor de agua condensado o una combinación de estos, para formar el " tallo de hongo". La masa de gas más el aire húmedo arrastrado finalmente alcanza una altitud en la que ya no tiene menor densidad que el aire circundante; en este punto, se dispersa y vuelve a descender (ver consecuencias ). La altitud de estabilización depende en gran medida de los perfiles de temperatura, punto de rocío y cizalladura del viento en el aire a la altitud inicial y por encima de ella.
Aunque el término parece haber sido acuñado a principios de la década de 1950, las nubes en forma de hongo generadas por explosiones se describían siglos antes de la era atómica .
Una aguatinta contemporánea realizada por 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 en forma de hongo después de que los defensores británicos le prendieron fuego disparando tiros calientes .
En 1798, Gerhard Vieth publicó un relato detallado e ilustrado de una nube en las cercanías de Gotha que "tenía forma similar 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 provocado una tormenta con lluvia y truenos a partir de una nueva nube oscura que se desarrolló debajo de ella. Lichtenberg afirmó haber observado más tarde nubes algo similares, pero ninguna tan notable. [1]
La explosión de Halifax de 1917 produjo una nube en forma de hongo.
En 1930, Olaf Stapledon en su novela Últimos y primeros hombres imagina la primera demostración de un arma atómica: "nubes de vapor del mar hirviente... un hongo gigantesco de vapor y escombros".
El Times publicó un informe el 1 de octubre de 1937 sobre un ataque japonés a Shanghai , China , que generó "una gran seta de humo".
Durante la Segunda Guerra Mundial , la destrucción del acorazado japonés Yamato produjo una nube en forma de hongo. [2]
La nube de la bomba atómica sobre Nagasaki , Japón , fue descrita en el Times de Londres del 13 de agosto de 1945 como una "enorme seta de humo y polvo". El 9 de septiembre de 1945, The New York Times publicó un relato de un testigo ocular del bombardeo de Nagasaki, escrito por William L. Laurence , corresponsal del periódico oficial 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 salió "un hongo gigante que aumentó la altura del pilar a un total de 45.000 pies". [3]
En 1946, las pruebas de bombas nucleares de la Operación Crossroads fueron descritas como si tuvieran una nube de " coliflor ", pero un periodista presente también habló de "el hongo, ahora el símbolo común de la era atómica ". Los hongos se han asociado tradicionalmente tanto con la vida como con la muerte, la comida y el veneno, lo que los convertía en una conexión simbólica más poderosa que, por ejemplo, la nube 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 casquete esférico", [5] ya que esto da una 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 aspirado hacia arriba y hacia la nube (similar a la corriente ascendente de una chimenea ), produciendo 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 atraerán tierra y escombros del suelo para formar el tallo de la nube en forma de hongo.
Después de 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 ayudado por el crecimiento de la superficie debido a la decadencia de la turbulencia.
Es posible que las detonaciones nucleares producidas a gran altura sobre el suelo no creen nubes en forma de hongo con tallo. Las propias cabezas de las nubes están formadas por partículas altamente radiactivas , principalmente productos de fisión y otros aerosoles de restos de armas, y normalmente son dispersadas por el viento, aunque los patrones climáticos (especialmente la lluvia) pueden producir lluvias nucleares problemáticas . [6]
Las detonaciones muy por debajo del nivel del suelo o muy por debajo del agua (por ejemplo, cargas nucleares de profundidad) tampoco producen nubes en forma de hongo, ya que la explosión provoca la vaporización de una gran cantidad de tierra y agua en estos casos, creando una burbuja que luego colapsa en en sí mismo; En el caso de una explosión subterránea menos profunda, se produce un cráter de hundimiento . Las detonaciones bajo el agua, pero cerca de la superficie, producen una columna de agua que, al colapsar, adopta una forma parecida a una coliflor, que se confunde fácilmente con una nube en forma de hongo (como en las famosas imágenes de la prueba de Crossroads Baker ). Las detonaciones subterráneas a baja profundidad producen una nube en forma de hongo y una oleada de base , dos nubes distintas. La cantidad de radiación liberada a la atmósfera disminuye rápidamente a medida que aumenta la profundidad de la detonación.
En el caso de ráfagas de aire en la superficie y cerca de la superficie, la cantidad de escombros elevados al aire disminuye rápidamente a medida que aumenta la altitud de la explosión. En altitudes 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 de reducción de la precipitación, por encima de la cual las partículas radiactivas primarias se componen principalmente de la fina condensación de la bola de fuego, es de aproximadamente 55 metros/kilotón 0,4 . [6] Sin embargo, incluso a estas altitudes explosivas, la lluvia radiactiva puede formarse mediante una serie de mecanismos.
La distribución de la radiación en la nube en forma de hongo varía según el rendimiento de la explosión, el tipo de arma, la relación de fusión-fisión, la altitud de la explosión, el tipo de terreno y el clima. En general, las explosiones de menor rendimiento tienen aproximadamente el 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. [8]
En el momento de la explosión se forma una bola de fuego. La masa ascendente, aproximadamente esférica, de gases incandescentes calientes cambia de forma debido a la fricción atmosférica y enfría su superficie mediante radiación de energía, pasando de una esfera a un vórtice esferoidal que gira violentamente. Una inestabilidad de Rayleigh-Taylor se forma cuando el aire frío que hay debajo empuja inicialmente los gases de la bola de fuego del fondo en forma de copa invertida. Esto provoca turbulencias y un vórtice que aspira más aire hacia su centro, creando vientos externos y enfriándose. La velocidad de rotación disminuye a medida que se enfría y puede detenerse por completo durante las fases posteriores. Las partes vaporizadas del arma y el aire ionizado se enfrían y se convierten en gases visibles, formando la nube primitiva; el núcleo candente del vórtice se vuelve amarillo, luego rojo oscuro y luego pierde la incandescencia visible. Con un mayor enfriamiento, la mayor parte de la nube se llena a medida que se condensa la humedad atmosférica. A medida que la nube asciende y se enfría, su flotabilidad disminuye y su ascenso se hace más lento.
Si el tamaño de la bola de fuego es comparable a la altura de la escala de densidad atmosférica , todo el ascenso de la nube será balístico, sobrepasando un gran volumen de aire sobredenso a altitudes mayores que la altitud de estabilización final. Bolas de fuego significativamente más pequeñas producen nubes con un ascenso gobernado por la flotabilidad.
Después de alcanzar la tropopausa , el fondo de la región de fuerte estabilidad estática, la nube tiende a frenar su ascenso y a extenderse. Si contiene suficiente energía, su parte central puede seguir elevándose hacia la estratosfera como una tormenta normal. [9] Una masa de aire que asciende desde la troposfera a la estratosfera conduce a la formación de ondas de gravedad acústicas , prácticamente idénticas a las creadas por intensas tormentas que penetran en la estratosfera . Las explosiones de menor escala que penetran en 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 asciende, su temperatura desciende y su vapor de agua primero se condensa en forma de gotas de agua y luego se congela en forma de cristales de hielo. Los cambios de fase liberan calor latente , calentando la nube y llevándola a altitudes aún mayores.
Una nube en forma de hongo pasa por varias fases de formación. [10]
La forma de la nube está influenciada por las condiciones atmosféricas locales y los patrones del viento. La distribución de la lluvia radiactiva es predominantemente una columna a favor del viento . 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 , formados a partir de nitrógeno , oxígeno y humedad atmosférica inicialmente ionizados . En el ambiente de alta temperatura y alta radiación de la explosión, también se forma ozono . Se estima que cada megatón de rendimiento produce unas 5.000 toneladas de óxidos de nitrógeno. [12] También se han descrito tonalidades amarillas y anaranjadas. Este tono rojizo se oscurece más tarde por el color blanco de las nubes de agua/hielo, que se condensan en el aire que fluye rápidamente a medida que la bola de fuego se enfría, y el color oscuro del humo y los escombros son absorbidos por la corriente ascendente. El ozono confiere a la explosión su característico olor a descarga de corona . [13]
Las gotas de agua condensada se evaporan gradualmente, provocando la aparente desaparición de la nube. Las partículas radiactivas, sin embargo, permanecen suspendidas en el aire y la nube, ahora invisible, continúa depositando lluvia radiactiva a lo largo de su camino.
Las explosiones en el aire producen tallos blancos y humeantes, mientras que las explosiones en el suelo producen tallos de color gris a marrón a medida que la nube en forma de hongo absorbe grandes cantidades de polvo, suciedad, tierra y escombros. Las explosiones producen nubes oscuras en forma de hongo que contienen material irradiado desde el suelo, además de la bomba y su carcasa, y por lo tanto producen más lluvia radioactiva, con partículas más grandes que se depositan fácilmente localmente.
Una detonación de mayor rendimiento puede transportar los óxidos de nitrógeno de la explosión a una altura suficiente en la atmósfera como para causar un agotamiento significativo de la capa de ozono .
Se puede formar un hongo doble, con dos niveles, bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, el disparo de Buster-Jangle Sugar formó la primera cabeza de la propia explosión, seguida de otra generada por el calor del cráter recién formado. [14]
La propia lluvia radiactiva puede aparecer como escamas secas, parecidas a cenizas, o como partículas demasiado pequeñas para ser visibles; en el último caso, las partículas suelen ser depositadas por la lluvia. Grandes cantidades de partículas más nuevas y radiactivas depositadas en la piel pueden causar quemaduras beta , que a menudo se presentan como manchas y lesiones descoloridas en el lomo de los animales expuestos. [15] Las consecuencias de la prueba de Castle Bravo tenían la apariencia de polvo blanco y fueron apodadas Nieve Bikini ; Los diminutos copos blancos parecían copos de nieve , se pegaban a las superficies y tenían un sabor salado. El 41,4% de la lluvia radiactiva de la prueba de la Operación Wigwam consistió en partículas opacas irregulares, poco 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]
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 por debajo de la altitud de reducción de la lluvia radiactiva, que depende del rendimiento del arma) y vapor de agua. La mayor parte de la radiación contenida en la nube consiste en productos de fisión nuclear ; Los productos de activación de neutrones de los materiales de las armas, el aire y los escombros del suelo forman sólo una fracción menor. La activación de neutrones comienza durante la explosión de neutrones en el instante de la explosión misma, 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 terrestre.
La mayor parte de la radiación es creada por los productos de fisión. Las armas termonucleares obtienen una parte importante de su rendimiento a partir de la fusión nuclear . Los productos de fusión normalmente no son radiactivos. Por tanto, el grado de producción de radiación se mide en kilotones de fisión. La Tsar Bomba , que produjo el 97% de su rendimiento de 50 megatones a partir de la fusión, era un arma muy limpia en comparación con lo que normalmente se esperaría de un arma de su rendimiento (aunque todavía producía 1,5 megatones de su rendimiento a partir de la fisión), como su pisón de fusión estaba hecho de plomo en lugar de uranio-238; de lo contrario, su rendimiento habría sido de 100 megatones, 51 de ellos procedentes de fisión. Si fuera detonado en la superficie o cerca de ella, sus consecuencias representarían una cuarta parte de todas las consecuencias de cada prueba de armas nucleares, combinadas.
Inicialmente, la bola de fuego contiene un plasma altamente ionizado que consta únicamente de átomos del arma, sus productos de fisión y gases atmosféricos del aire adyacente. A medida que el plasma se enfría, los átomos reaccionan formando finas gotas 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 del material aspirado a la nube. Las partículas aspiradas mientras la nube aún está lo suficientemente caliente como para derretirlas se mezclan con los productos de fisión en todo su volumen. Las partículas más grandes obtienen materiales radiactivos fundidos depositados en su superficie. Las partículas aspiradas a la nube más tarde, cuando su temperatura es lo suficientemente baja, no se contaminan significativamente. Las partículas formadas únicamente a partir del arma misma son lo suficientemente finas como para permanecer en el aire durante mucho tiempo y dispersarse y diluirse ampliamente hasta niveles no peligrosos. Las explosiones a mayor altitud que no aspiran escombros 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. Por cada kilotón de producción se forman unos 100 kg de pequeñas partículas. El volumen, y por tanto la actividad, de las partículas pequeñas es casi tres órdenes de magnitud menor que el volumen de las capas superficiales depositadas en las 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 tierra, 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 rendimiento. Una detonación terrestre produce nubes con aproximadamente tres veces más polvo. En una detonación terrestre, se funden aproximadamente 200 toneladas de suelo por kilotón de producción y entran en contacto con la radiación. [11]
El volumen de la bola de fuego es el mismo para una detonación superficial o atmosférica. En el primer caso, la bola de fuego es un hemisferio en lugar de una esfera, con un radio correspondientemente mayor. [11]
Los tamaños de partículas varían desde tamaños submicrométricos y micrométricos (creados por la condensación del plasma en la bola de fuego), pasando por 10 a 500 micrómetros (material de la superficie agitado por la onda expansiva y elevado por los vientos posteriores), hasta milímetros y más (ejectas 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 precipitaciones secas . Las partículas más pequeñas también pueden ser eliminadas por la precipitación , ya sea por la humedad que se condensa en la propia nube o por la intersección de la nube con una nube de lluvia . La lluvia arrastrada por la lluvia se conoce como lluvia si es arrastrada durante la formación de las nubes de lluvia, y deslave si es absorbida por las gotas de lluvia ya formadas que caen. [dieciséis]
Las partículas de las ráfagas de aire miden menos de 10 a 25 micrómetros, generalmente en el rango submicrómetro. Están compuestos mayoritariamente por óxidos de hierro , con menor proporción de óxido de aluminio , y óxidos de uranio y plutonio . Las partículas de más de 1 a 2 micrómetros son muy esféricas y corresponden a material vaporizado que se condensa en gotas y luego se solidifica. La radiactividad se distribuye uniformemente por todo el volumen de las partículas, lo que hace que la actividad total de las partículas dependa linealmente del volumen de las partículas. [11] Alrededor del 80% de la actividad está presente en elementos más volátiles, que se condensan sólo 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 dará como resultado un mayor grado de mezcla en el volumen de aire y partículas más pequeñas. [17] Las partículas producidas inmediatamente después de la explosión son pequeñas, con el 90% de la radiactividad presente en partículas de menos de 300 nanómetros. Estos se coagulan con aerosoles estratosféricos. La coagulación es más extensa en la troposfera y, a nivel del suelo, la mayor actividad está presente en partículas de entre 300 nm y 1 µm . La coagulación compensa los procesos de fraccionamiento en la formación de partículas, igualando la distribución isotópica.
En el caso de explosiones terrestres y de baja altitud, la nube también contiene partículas de suelo vaporizadas, derretidas y fusionadas. La distribución de la actividad a través de las partículas depende de su formación. Las partículas formadas por vaporización-condensación tienen actividad distribuida uniformemente en todo el volumen como las partículas que estallan en el aire. 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 gotas eliminadas antes de su solidificación tienen una capa relativamente delgada de material de alta actividad depositada sobre su superficie. La composición de tales partículas depende del carácter del suelo, generalmente un material similar al vidrio formado a partir de minerales de silicato . Los tamaños de partículas no dependen del rendimiento sino del carácter del suelo, ya que se basan en granos individuales del suelo o en sus racimos. Hay dos tipos de partículas presentes, esféricas, formadas por vaporización-condensación completa o al menos fusión del suelo, con actividad distribuida uniformemente en todo el volumen (o con un volumen de 10 a 30% de núcleo inactivo para partículas más grandes entre 0,5 y 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 fina capa superficial. La cantidad de partículas grandes e irregulares es insignificante. [11] Las partículas formadas por detonaciones sobre o dentro del océano contendrán isótopos de sodio radiactivos de vida corta y sales del agua de mar . La sílice fundida es un muy buen disolvente para los óxidos metálicos y elimina fácilmente las partículas pequeñas; Las explosiones sobre suelos que contienen sílice producirán partículas con isótopos mezclados en todo su volumen. Por el contrario, los restos de coral , a base de carbonato de calcio , tienden a adsorber partículas radiactivas en su superficie. [17]
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 las partículas, 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 de la bola de fuego están presentes como óxidos, a menos que la temperatura sea superior a la temperatura de descomposición de un óxido determinado. Productos menos refractarios se condensan en superficies de 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 tanto, las más radiactivas, se depositan por la lluvia radiactiva en las primeras horas después de 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 vidas medias más cortas se desintegran más rápidamente. Las partículas más pequeñas pueden llegar a la estratosfera y permanecer allí durante semanas, meses o incluso años, y cubrir todo un hemisferio del planeta a través de las corrientes atmosféricas. La lluvia radiactiva localizada de mayor peligro, a corto plazo, se deposita principalmente a favor del viento desde el lugar de la explosión, en un área con forma de cigarro, asumiendo un viento de fuerza y 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 lluvia radiactiva. [18]
La condensación de las gotas de agua en la nube en forma de hongo depende de la cantidad de núcleos de condensación . Demasiados núcleos de condensación en realidad inhiben 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 radiactivos en la biosfera .
El principal peligro de lluvia radiactiva es la radiación gamma procedente de radioisótopos de vida corta, que representan la mayor parte de la actividad. Dentro de las 24 horas posteriores a la explosión, el nivel de radiación gamma cae 60 veces. Los radioisótopos de vida más larga, normalmente el cesio-137 y el estroncio-90 , presentan un peligro a largo plazo. La intensa radiación beta de las partículas radiactivas puede causar quemaduras beta a personas y animales que entren en contacto con la precipitación radiactiva poco después de la explosión. Las partículas ingeridas o inhaladas provocan una dosis interna de radiación alfa y beta, que puede provocar efectos a largo plazo, incluido el cáncer .
La irradiación de neutrones de la propia atmósfera produce una pequeña cantidad de activación, principalmente en forma de carbono-14 de vida larga y argón - 41 de vida corta. Los elementos más importantes para la radiactividad inducida del agua de mar son el sodio -24, el cloro , el magnesio y el bromo . Para las explosiones en tierra, los elementos de interés 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 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, sodio-24, silicio-31 y aluminio-28 de vida corta. Pueden estar presentes 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. También se mencionan como trazadores el antimonio -124, el cadmio -109 y el cadmio-113m. [11]
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 de la etapa de fusión del uranio. En una explosión termonuclear se liberan muchos más neutrones por unidad de energía que en una pura fisión, lo que influye en la composición de los productos de fisión. Por ejemplo, el isótopo de uranio-237 es un marcador de explosión termonuclear único, ya que se produce mediante una reacción (n,2n) del uranio-238 , siendo la 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 cantidades menores 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. [11]
Uno de los productos de fisión importantes es el criptón-90 , un gas noble radiactivo . Se difunde fácilmente en la nube y sufre dos desintegraciones: rubidio-90 y luego estroncio-90 , con vidas medias de 33 segundos y 3 minutos. La falta de reactividad del gas noble y su rápida difusión son responsables del agotamiento de la lluvia radiactiva local en Sr-90 y del correspondiente enriquecimiento con Sr-90 de la lluvia radiactiva remota. [19]
La radiactividad de las partículas disminuye con el tiempo, siendo importantes los diferentes isótopos en diferentes períodos de tiempo. Para los productos de activación del suelo, el aluminio-28 es el contribuyente más importante durante los primeros 15 minutos. Siguen manganeso-56 y sodio-24 hasta aproximadamente 200 horas. Le sigue el hierro-59 a las 300 horas y, después de 100 a 300 días, el contribuyente importante se convierte en cobalto-60.
Las partículas radiactivas pueden transportarse a distancias considerables. La radiación de la prueba Trinity fue eliminada por una tormenta en Illinois . Esto se dedujo, y se rastreó el origen, cuando Eastman Kodak descubrió que las películas de rayos X estaban empañadas por envases de cartón producidos en el Medio Oeste . Vientos inesperados arrastraron dosis letales de la lluvia radiactiva de Castle Bravo sobre el atolón Rongelap , lo que obligó a su evacuación. También resultó afectada la tripulación del Daigo Fukuryu Maru , un pesquero japonés situado fuera de la zona de peligro prevista. El estroncio-90 encontrado en la lluvia radiactiva mundial condujo más tarde al Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares . [17]
La intensa radiación en los primeros segundos después de la explosión puede causar un aura observable de fluorescencia , el brillo 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 que se está formando. [20] [21] [22] Esta luz es más fácilmente visible durante la noche o en condiciones de poca luz diurna. [6] El brillo del resplandor disminuye rápidamente con el tiempo transcurrido desde la detonación, volviéndose apenas visible después de unas pocas decenas de segundos. [23]
Las nubes nucleares en forma de hongo 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 repentina rarefacción 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 y rodea la explosión. Cuando la presión y la temperatura vuelven a la normalidad, la nube de Wilson se disipa. [24] Los científicos que observaron las pruebas nucleares de la Operación Crossroads en 1946 en el atolón Bikini llamaron a esa nube transitoria una "nube Wilson" debido a su similitud visual con una cámara de niebla Wilson ; la cámara de niebla 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 ve a veces sobre las alas de los aviones a reacción a baja altitud y 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, como lo indica 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 en el aire, produciendo gotas de agua que se vuelven visibles como una nube blanca. En términos técnicos, la "nube Wilson" es también un ejemplo de la singularidad Prandtl-Glauert en aerodinámica. [ cita necesaria ]
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 encima de la bola de fuego son una característica que se observa comúnmente. Los anillos alrededor de la bola de fuego pueden estabilizarse y convertirse en anillos alrededor del tallo ascendente. Las explosiones de mayor rendimiento provocan intensas corrientes ascendentes , donde la velocidad del aire puede alcanzar las 300 millas por hora (480 km/h). El arrastre de aire con mayor humedad, combinado con la correspondiente caída de presión y temperatura, conduce a la formación de faldones y campanas alrededor del tallo. Si las gotas de agua se vuelven lo suficientemente grandes, la estructura de nubes que forman puede volverse lo suficientemente pesada como para descender; de esta forma se puede producir un tallo ascendente con una campana descendente a su alrededor. Las capas de humedad en la atmósfera, responsables de la aparición de los anillos de condensación en lugar de una nube esférica, también influyen 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 provoca 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, provoca primero la condensación del vapor de agua fuera del aire y luego hace que las gotitas resultantes se congelen, formando casquetes polares (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 Castillo Bravo tuvo, en distintas fases de su desarrollo, 4 anillos de condensación, 3 casquetes polares, 2 faldas y 3 campanas.
