Los efectos de una explosión nuclear en sus inmediaciones suelen ser mucho más destructivos y multifacéticos que los provocados por los explosivos convencionales . En la mayoría de los casos, la energía liberada por un arma nuclear detonada en la atmósfera inferior se puede dividir aproximadamente en cuatro categorías básicas: [1]
Dependiendo del diseño del arma y del lugar en el que se detone, la energía distribuida a cualquiera de estas categorías puede ser significativamente mayor o menor. El efecto de explosión física se crea mediante el acoplamiento de inmensas cantidades de energía, que abarcan el espectro electromagnético , con el entorno. El entorno de la explosión (por ejemplo, submarino, explosión terrestre , explosión aérea o exoatmosférica) determina cuánta energía se distribuye a la explosión y cuánta a la radiación. En general, rodear una bomba con medios más densos, como agua, absorbe más energía y crea ondas de choque más potentes, al mismo tiempo que limita el área de su efecto. Cuando un arma nuclear está rodeada solo por aire, la explosión letal y los efectos térmicos aumentan proporcionalmente mucho más rápidamente que los efectos de la radiación letal a medida que aumenta el rendimiento explosivo . Esta burbuja es más rápida que la velocidad del sonido . [3] Los mecanismos de daño físico de un arma nuclear (explosión y radiación térmica) son idénticos a los de los explosivos convencionales, pero la energía producida por una explosión nuclear suele ser millones de veces más potente por unidad de masa y las temperaturas pueden alcanzar brevemente las decenas de millones de grados.
La energía de una explosión nuclear se libera inicialmente en varias formas de radiación penetrante. Cuando hay material circundante como aire, roca o agua, esta radiación interactúa con el material y lo calienta rápidamente hasta una temperatura de equilibrio (es decir, de modo que la materia esté a la misma temperatura que el combustible que alimenta la explosión). Esto provoca la vaporización del material circundante, lo que da como resultado su rápida expansión. La energía cinética creada por esta expansión contribuye a la formación de una onda de choque que se expande esféricamente desde el centro. La intensa radiación térmica en el hipocentro forma una bola de fuego nuclear que, si la explosión es lo suficientemente baja en altitud, a menudo se asocia con una nube de hongo . En una explosión a gran altitud donde la densidad de la atmósfera es baja, se libera más energía en forma de radiación gamma ionizante y rayos X que como una onda de choque que desplaza la atmósfera.
Las altas temperaturas y la radiación hacen que el gas se mueva radialmente hacia afuera en una capa delgada y densa llamada "frente hidrodinámico". El frente actúa como un pistón que empuja y comprime el medio circundante para crear una onda de choque que se expande esféricamente . Al principio, esta onda de choque está dentro de la superficie de la bola de fuego en desarrollo, que se crea en un volumen de aire calentado por los rayos X "suaves" de la explosión. En una fracción de segundo, el frente de choque denso oscurece la bola de fuego y continúa moviéndose más allá de ella, expandiéndose hacia afuera y libre de la bola de fuego, causando una reducción de la luz que emana de una detonación nuclear . Finalmente, la onda de choque se disipa hasta el punto en que la luz se vuelve visible nuevamente dando lugar al doble destello característico causado por la interacción onda de choque-bola de fuego. [5] Es esta característica única de las explosiones nucleares la que se explota al verificar que se ha producido una explosión nuclear atmosférica y no simplemente una gran explosión convencional, con instrumentos radiómetros conocidos como Bhangmeters capaces de determinar la naturaleza de las explosiones.
En el caso de las explosiones aéreas a nivel del mar o cerca de él, entre el 50 y el 60 % de la energía de la explosión se destina a la onda expansiva , según el tamaño y la potencia de la bomba . Por regla general, la fracción de la onda expansiva es mayor en el caso de las armas de baja potencia. Además, disminuye a grandes altitudes porque hay menos masa de aire para absorber la energía de la radiación y convertirla en una onda expansiva. Este efecto es más importante en altitudes superiores a los 30 km, lo que corresponde a menos del 1 % de la densidad del aire a nivel del mar.
Se descubrió que los efectos de una tormenta de lluvia moderada durante una explosión nuclear de la Operación Castillo amortiguaban o reducían los niveles de presión máxima en aproximadamente un 15 % en todos los rangos. [6]
Gran parte de la destrucción causada por una explosión nuclear se debe a los efectos de la onda expansiva. La mayoría de los edificios, excepto las estructuras reforzadas o resistentes a las explosiones, sufrirán daños moderados cuando se los someta a sobrepresiones de sólo 35,5 kilopascales (kPa) (5,15 libras-fuerza por pulgada cuadrada o 0,35 atm). Los datos obtenidos de los estudios japoneses posteriores a los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki determinaron que 8 psi (55 kPa) eran suficientes para destruir todas las estructuras residenciales de madera y ladrillo. Esta puede definirse razonablemente como la presión capaz de producir daños graves. [6]
El viento de la explosión a nivel del mar puede superar los 1.000 km/h, o ~300 m/s, acercándose a la velocidad del sonido en el aire. El alcance de los efectos de la explosión aumenta con el rendimiento explosivo del arma y también depende de la altitud de la explosión. Al contrario de lo que podría esperarse de la geometría, el alcance de la explosión no es máximo para explosiones en la superficie o a baja altitud, sino que aumenta con la altitud hasta una "altitud de explosión óptima" y luego disminuye rápidamente para altitudes mayores. Esto es causado por el comportamiento no lineal de las ondas de choque. Cuando la onda expansiva de una explosión aérea llega al suelo, se refleja. Por debajo de un cierto ángulo de reflexión, la onda reflejada y la onda directa se fusionan y forman una onda horizontal reforzada, conocida como " tronco de Mach " y es una forma de interferencia constructiva . [7] [8] [9] Este fenómeno es responsable de los baches o "codos" en el gráfico de rango de sobrepresión anterior.
Para cada sobrepresión objetivo, existe una cierta altura óptima de explosión en la que se maximiza el alcance de la explosión sobre los objetivos terrestres. En una explosión aérea típica, donde se maximiza el alcance de la explosión para producir el mayor alcance de daño severo, es decir, el mayor alcance sobre el que se extienden ~10 psi (69 kPa) de presión, es un alcance GR/suelo de 0,4 km para 1 kilotón (kt) de rendimiento de TNT; 1,9 km para 100 kt; y 8,6 km para 10 megatones (Mt) de TNT. La altura óptima de explosión para maximizar esta destrucción de alcance terrestre severo deseada para una bomba de 1 kt es de 0,22 km; para 100 kt, 1 km; y para 10 Mt, 4,7 km.
Con la onda expansiva en el aire se asocian dos fenómenos distintos y simultáneos :
La mayor parte de los daños materiales causados por una explosión nuclear en el aire se deben a una combinación de las altas sobrepresiones estáticas y los vientos de la onda expansiva. La compresión prolongada de la onda expansiva debilita las estructuras, que luego son destrozadas por los vientos de la onda expansiva. Las fases de compresión, vacío y arrastre juntas pueden durar varios segundos o más, y ejercen fuerzas mucho mayores que las del huracán más fuerte .
Las ondas de choque, que actúan sobre el cuerpo humano, provocan ondas de presión a través de los tejidos. Estas ondas dañan principalmente las uniones entre tejidos de diferente densidad (hueso y músculo) o la interfaz entre el tejido y el aire. Los pulmones y la cavidad abdominal , que contienen aire, resultan especialmente dañados. El daño provoca hemorragias graves o embolias aéreas , que pueden ser rápidamente mortales. Se estima que la sobrepresión que daña los pulmones es de unos 70 kPa. Algunos tímpanos probablemente se romperían a unos 22 kPa (0,2 atm) y la mitad lo harían entre 90 y 130 kPa (0,9 a 1,2 atm).
Las armas nucleares emiten grandes cantidades de radiación térmica en forma de luz visible, infrarroja y ultravioleta, a la que la atmósfera es en gran medida transparente. Esto se conoce como "destello". [10] Los principales peligros son las quemaduras y las lesiones oculares. En días despejados, estas lesiones pueden producirse mucho más allá del alcance de la explosión, dependiendo del rendimiento del arma. [3] Los incendios también pueden iniciarse por la radiación térmica inicial, pero los fuertes vientos posteriores debidos a la onda expansiva pueden apagar casi todos esos incendios, a menos que el rendimiento sea muy alto, en cuyo caso el alcance de los efectos térmicos supera ampliamente el de los efectos de la explosión, como se observa en las explosiones en el rango de varios megatones. [3] Esto se debe a que la intensidad de los efectos de la explosión disminuye con la tercera potencia de la distancia desde la explosión, mientras que la intensidad de los efectos de la radiación disminuye con la segunda potencia de la distancia. Esto da como resultado que el alcance de los efectos térmicos aumente notablemente más que el alcance de la explosión a medida que se detonan dispositivos de mayor rendimiento. [3]
La radiación térmica representa entre el 35 y el 45% de la energía liberada en la explosión, dependiendo del rendimiento del dispositivo. En las zonas urbanas, la extinción de incendios iniciados por radiación térmica puede tener poca importancia, ya que en un ataque sorpresa los incendios también pueden iniciarse por cortocircuitos eléctricos inducidos por el efecto de la explosión, llamas piloto de gas, estufas volcadas y otras fuentes de ignición, como fue el caso del bombardeo de Hiroshima a la hora del desayuno. [11] No se sabe si estos incendios secundarios se apagarán a su vez cuando los edificios modernos de ladrillo y hormigón no combustibles se derrumben sobre sí mismos por la misma onda expansiva, sobre todo porque el efecto de enmascaramiento de los paisajes urbanos modernos sobre la transmisión térmica y de la explosión es un tema que se examina continuamente. [12] Cuando los edificios de estructura combustible fueron derribados en Hiroshima y Nagasaki, no ardieron tan rápidamente como lo habrían hecho si hubieran permanecido en pie. Los escombros no combustibles producidos por la explosión frecuentemente cubrieron e impidieron la quema de material combustible. [13]
Los expertos en incendios sugieren que, a diferencia de Hiroshima, debido a la naturaleza del diseño y la construcción de las ciudades modernas de Estados Unidos, es poco probable que se produzca una tormenta de fuego en los tiempos modernos después de una detonación nuclear. [14] Esto no excluye que se inicien incendios, pero significa que estos incendios no se convertirán en una tormenta de fuego, debido en gran medida a las diferencias entre los materiales de construcción modernos y los utilizados en Hiroshima durante la Segunda Guerra Mundial.
Existen dos tipos de lesiones oculares por radiación térmica: ceguera por destello y quemadura de retina . La ceguera por destello es causada por el destello brillante inicial de luz producido por la detonación nuclear. La retina recibe más energía luminosa de la que puede tolerar, pero menos de la que se requiere para una lesión irreversible. La retina es particularmente susceptible a la luz infrarroja de longitud de onda corta y visible, ya que esta parte del espectro electromagnético es enfocada por el cristalino en la retina. El resultado es el blanqueamiento de los pigmentos visuales y ceguera temporal durante hasta 40 minutos. Una quemadura de retina que resulta en daño permanente por cicatrización también es causada por la concentración de energía térmica directa en la retina por el cristalino. Ocurrirá solo cuando la bola de fuego esté realmente en el campo visual del individuo y sería una lesión relativamente poco común. Las quemaduras de retina pueden sufrirse a distancias considerables de la explosión. La altura de la explosión y el tamaño aparente de la bola de fuego, una función del rendimiento y el alcance, determinarán el grado y la extensión de la cicatrización de la retina. Una cicatriz en el campo visual central sería más debilitante. Generalmente, lo único que probablemente ocurra será un defecto limitado del campo visual, que apenas será perceptible.
Cuando la radiación térmica incide sobre un objeto, una parte se refleja, otra parte se transmite y el resto se absorbe. La fracción que se absorbe depende de la naturaleza y el color del material. Un material fino puede transmitir la mayor parte de la radiación. Un objeto de color claro puede reflejar gran parte de la radiación incidente y, por lo tanto, no sufrir daños, como la pintura blanca antirreflejos . La radiación térmica absorbida eleva la temperatura de la superficie y provoca quemaduras, carbonización y quema de madera, papel, tejidos, etc. Si el material es un mal conductor térmico, el calor se limita a la superficie del material.
La ignición real de los materiales depende de cuánto dura el pulso térmico y del espesor y contenido de humedad del objetivo. Cerca de la zona cero, donde el flujo de energía supera los 125 J /cm2 , lo que puede arder, lo hará. Más lejos, solo los materiales que se encienden con mayor facilidad arderán. Los efectos incendiarios se ven agravados por incendios secundarios iniciados por los efectos de la onda expansiva, como los de estufas y hornos volcados.
En Hiroshima , el 6 de agosto de 1945, se desató una tremenda tormenta de fuego en los 20 minutos siguientes a la detonación, que destruyó muchos más edificios y viviendas, construidos principalmente con materiales de madera "endebles". [11] Una tormenta de fuego se produce cuando soplan vientos huracanados hacia el centro del fuego desde todas las direcciones. No es algo exclusivo de las explosiones nucleares, ya que se observó con frecuencia en grandes incendios forestales y después de ataques incendiarios durante la Segunda Guerra Mundial. A pesar de que los incendios destruyeron una gran zona de Nagasaki , no se produjo una verdadera tormenta de fuego en la ciudad, a pesar de que se utilizó un arma de mayor potencia. Muchos factores explican esta aparente contradicción, entre ellos, un momento de bombardeo diferente al de Hiroshima, el terreno y, fundamentalmente, una menor carga/densidad de combustible que la de Hiroshima.
Nagasaki probablemente no proporcionó suficiente combustible para el desarrollo de una tormenta de fuego en comparación con los numerosos edificios en el terreno llano de Hiroshima. [15]
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Como la radiación térmica viaja más o menos en línea recta desde la bola de fuego (a menos que se disperse), cualquier objeto opaco producirá una sombra protectora que brinda protección contra la quemadura del destello. Dependiendo de las propiedades del material de la superficie subyacente, el área expuesta fuera de la sombra protectora se quemará hasta un color más oscuro, como madera carbonizada, [16] o un color más brillante, como asfalto. [17] Si un fenómeno meteorológico como niebla o neblina está presente en el punto de la explosión nuclear, dispersa el destello , y la energía radiante alcanza las sustancias sensibles a las quemaduras desde todas las direcciones. En estas condiciones, los objetos opacos son, por lo tanto, menos efectivos de lo que serían de otra manera sin dispersión, ya que demuestran un efecto de sombra máximo en un entorno de visibilidad perfecta y, por lo tanto, cero dispersiones. De manera similar a un día nublado o brumoso, aunque en ese día hay pocas sombras producidas por el sol, si es que hay alguna, la energía solar que llega al suelo procedente de los rayos infrarrojos del sol se ve, no obstante, considerablemente disminuida, debido a que es absorbida por el agua de las nubes y a que la energía también se dispersa de nuevo en el espacio. De manera análoga, también se atenúa la intensidad en un rango de energía de destello ardiente, en unidades de J /cm2 , junto con el rango oblicuo/horizontal de una explosión nuclear, durante condiciones de niebla o neblina. De modo que, a pesar de que cualquier objeto que proyecte una sombra se vuelve ineficaz como escudo contra el destello por la niebla o neblina, debido a la dispersión, la niebla cumple la misma función protectora, pero generalmente solo en los rangos en los que la supervivencia al aire libre es solo una cuestión de estar protegido de la energía del destello de la explosión. [18]
El pulso térmico también es responsable de calentar el nitrógeno atmosférico cerca de la bomba y causar la creación de componentes de smog atmosférico NOx . Este, como parte de la nube de hongo , se lanza a la estratosfera donde es responsable de disociar el ozono allí , de la misma manera que lo hacen los compuestos de NOx de combustión. La cantidad creada depende del rendimiento de la explosión y del entorno de la explosión. Los estudios realizados sobre el efecto total de las explosiones nucleares en la capa de ozono han sido al menos tentativamente exculpadores después de los desalentadores hallazgos iniciales. [19]
Los rayos gamma de una explosión nuclear producen electrones de alta energía a través de la dispersión Compton . En las explosiones nucleares a gran altitud, estos electrones son capturados por el campo magnético de la Tierra a altitudes de entre 20 y 40 kilómetros, donde interactúan con el campo magnético de la Tierra para producir un pulso electromagnético nuclear coherente (NEMP) que dura aproximadamente un milisegundo. Los efectos secundarios pueden durar más de un segundo. El pulso es lo suficientemente potente como para hacer que objetos metálicos moderadamente largos (como cables) actúen como antenas y generen altos voltajes debido a las interacciones con el pulso electromagnético. Estos voltajes pueden destruir dispositivos electrónicos sin protección. No se conocen efectos biológicos del EMP. El aire ionizado también interrumpe el tráfico de radio que normalmente rebotaría en la ionosfera .
Los componentes electrónicos se pueden proteger envolviéndolos completamente en material conductor como una lámina metálica; la eficacia del blindaje puede ser menos que perfecta. El blindaje adecuado es un tema complejo debido a la gran cantidad de variables involucradas. Los semiconductores , especialmente los circuitos integrados , son extremadamente susceptibles a los efectos del pulso electromagnético debido a la proximidad de sus uniones p-n , pero este no es el caso de los tubos termoiónicos (o válvulas) que son relativamente inmunes al pulso electromagnético. Una jaula de Faraday no ofrece protección contra los efectos del pulso electromagnético a menos que la malla esté diseñada para tener agujeros no más grandes que la longitud de onda más pequeña emitida por una explosión nuclear.
Las grandes armas nucleares detonadas a gran altitud también provocan corrientes inducidas geomagnéticamente en conductores eléctricos muy largos. El mecanismo por el que se generan estas corrientes inducidas geomagnéticamente es completamente diferente del pulso inducido por rayos gamma producido por los electrones Compton.
El calor de la explosión hace que el aire de las inmediaciones se ionice, creando la bola de fuego. Los electrones libres en la bola de fuego afectan a las ondas de radio, especialmente a las frecuencias más bajas. Esto hace que una gran zona del cielo se vuelva opaca para los radares, especialmente los que operan en las frecuencias VHF y UHF , lo que es común para los radares de alerta temprana de largo alcance . El efecto es menor para las frecuencias más altas en la región de las microondas , además de durar menos tiempo: el efecto disminuye tanto en fuerza como en las frecuencias afectadas a medida que la bola de fuego se enfría y los electrones comienzan a reorganizarse en núcleos libres. [20]
Un segundo efecto de apagón es causado por la emisión de partículas beta de los productos de fisión . Estas pueden viajar largas distancias, siguiendo las líneas del campo magnético de la Tierra. Cuando alcanzan la atmósfera superior, causan una ionización similar a la de la bola de fuego, pero sobre un área más amplia. Los cálculos demuestran que un megatón de fisión, típico de una bomba H de dos megatones, creará suficiente radiación beta para a oscuras un área de 400 kilómetros (250 millas) de ancho durante cinco minutos. La selección cuidadosa de las altitudes y ubicaciones de la explosión puede producir un efecto de supresión del radar extremadamente eficaz. [20] Los efectos físicos que dan lugar a los apagones también causan EMP, que también puede causar apagones eléctricos. Los dos efectos no están relacionados de otra manera, y la denominación similar puede ser confusa.
Alrededor del 5% de la energía liberada en una explosión nuclear en el aire se presenta en forma de radiación ionizante : neutrones , rayos gamma, partículas alfa y electrones que se mueven a velocidades que pueden alcanzar la velocidad de la luz. Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas de alta energía; los demás son partículas que se mueven más lentamente que la luz. Los neutrones resultan casi exclusivamente de las reacciones de fisión y fusión , mientras que la radiación gamma inicial incluye la que surge de estas reacciones, así como la resultante de la desintegración de productos de fisión de corta duración. La intensidad de la radiación nuclear inicial disminuye rápidamente con la distancia desde el punto de explosión porque la radiación se extiende sobre un área mayor a medida que se aleja de la explosión ( ley del cuadrado inverso ). También se reduce por la absorción y dispersión atmosféricas.
El carácter de la radiación recibida en un lugar determinado también varía con la distancia desde la explosión. [21] Cerca del punto de la explosión, la intensidad de los neutrones es mayor que la intensidad de los rayos gamma, pero al aumentar la distancia, la relación neutrón-rayos gamma disminuye. En última instancia, el componente neutrónico de la radiación inicial se vuelve insignificante en comparación con el componente gamma. El alcance para niveles significativos de radiación inicial no aumenta notablemente con el rendimiento del arma y, como resultado, la radiación inicial se vuelve menos peligrosa con el aumento del rendimiento. Con armas más grandes, por encima de los 50 kt (200 TJ), los efectos térmicos y de la explosión son tan importantes que los efectos de la radiación inmediata pueden ignorarse.
La radiación de neutrones sirve para transmutar la materia circundante, volviéndola a menudo radiactiva . Cuando se añade al polvo de material radiactivo liberado por la bomba, se libera una gran cantidad de material radiactivo al medio ambiente. Esta forma de contaminación radiactiva se conoce como lluvia radiactiva y supone el principal riesgo de exposición a la radiación ionizante de un arma nuclear de gran tamaño.
Los detalles del diseño de las armas nucleares también afectan a la emisión de neutrones: el conjunto tipo cañón Little Boy dejó escapar muchos más neutrones que el Fat Man de 21 kt tipo implosión porque los núcleos ligeros de hidrógeno (protones) que predominaban en las moléculas de TNT explotadas (que rodeaban el núcleo de Fat Man) desaceleraban los neutrones de manera muy eficiente, mientras que los átomos de hierro más pesados en la forja de acero de la punta de Little Boy dispersaban neutrones sin absorber mucha energía neutrónica. [22]
En los primeros experimentos se descubrió que, normalmente, la mayoría de los neutrones liberados en la reacción en cadena de la bomba de fisión son absorbidos por la carcasa de la bomba. La construcción de una carcasa de bomba con materiales que transmitieran los neutrones en lugar de absorberlos podría hacer que la bomba fuera más intensamente letal para los humanos debido a la radiación de neutrones inmediata. Esta es una de las características utilizadas en el desarrollo de la bomba de neutrones .
Las ondas de presión sísmica creadas a partir de una explosión pueden liberar tensión dentro de las placas cercanas o causar un terremoto . Una explosión subterránea concentra esta onda de presión y es más probable que se produzca un terremoto localizado. La primera onda y la más rápida, equivalente a la onda P de un terremoto normal , puede informar la ubicación de la prueba; [23] le siguen la onda S y la onda Rayleigh . Todas ellas se pueden medir en la mayoría de las circunstancias mediante estaciones sísmicas en todo el mundo, y las comparaciones con terremotos reales se pueden utilizar para ayudar a determinar el rendimiento estimado mediante análisis diferencial, mediante el modelado de las amplitudes de onda P telesísmicas de alta frecuencia (>4 Hz). [24] [23] [25] Sin embargo, la teoría no sugiere que una explosión nuclear de rendimientos actuales pueda desencadenar la ruptura de la falla y causar un terremoto importante a distancias más allá de unas pocas decenas de kilómetros desde el punto de disparo. [26]
La siguiente tabla resume los efectos más importantes de explosiones nucleares individuales bajo condiciones climáticas ideales y de cielo despejado. Tablas como estas se calculan a partir de leyes de escala de efectos de armas nucleares. [27] [28] [29] [30] El modelado informático avanzado de las condiciones del mundo real y cómo impactan en el daño a las áreas urbanas modernas ha descubierto que la mayoría de las leyes de escala son demasiado simplistas y tienden a sobreestimar los efectos de las explosiones nucleares. Las leyes de escala que se utilizaron para producir la tabla siguiente suponen (entre otras cosas) un área objetivo perfectamente nivelada, sin efectos atenuantes del enmascaramiento del terreno urbano (por ejemplo, sombras de rascacielos) y sin efectos de mejora de los reflejos y túneles de las calles de la ciudad. [31] Como punto de comparación en el gráfico siguiente, las armas nucleares más probables de ser utilizadas contra objetivos urbanos de contravalor en una guerra nuclear global están en el rango de sub-megatones. Las armas de rendimientos de 100 a 475 kilotones se han convertido en las más numerosas en los arsenales nucleares de EE. UU. y Rusia; Por ejemplo, las ojivas que equipan el misil balístico lanzado desde submarinos ruso Bulava ( SLBM ) tienen un rendimiento de 150 kilotones. [32] Los ejemplos estadounidenses son las ojivas W76 y W88 , siendo la W76, de menor rendimiento, más del doble de numerosa que la W88 en el arsenal nuclear estadounidense.
1 Para los efectos de la radiación directa, se muestra aquí el rango oblicuo en lugar del rango terrestre porque algunos efectos no se dan ni siquiera en el punto cero para algunas alturas de explosión. Si el efecto ocurre en el punto cero, el rango terrestre se puede derivar del rango oblicuo y la altitud de explosión ( teorema de Pitágoras ).
2 El "síndrome de radiación aguda" corresponde aquí a una dosis total de un gray y el "letal" a diez gray. Se trata de una estimación aproximada, ya que aquí no se tienen en cuenta las condiciones biológicas .
Para complicar aún más las cosas, en escenarios de guerra nuclear global con condiciones similares a las de la Guerra Fría , es probable que ciudades importantes desde el punto de vista estratégico como Moscú y Washington sean atacadas numerosas veces por múltiples vehículos de reentrada de alcance submegatónico que pueden ser dirigidos independientemente , en una configuración de bomba de racimo o "cortada por tijera". [33] Se ha informado de que durante el apogeo de la Guerra Fría en la década de 1970, Moscú fue atacada por hasta 60 ojivas. [34]
La razón por la que el concepto de bomba de racimo es preferible para atacar ciudades es doble: la primera es que las grandes ojivas individuales son mucho más fáciles de neutralizar, tanto como seguimiento como interceptación exitosa por sistemas de misiles antibalísticos , que cuando se acercan varias ojivas más pequeñas. Esta ventaja de fuerza en número para las ojivas de menor rendimiento se ve agravada aún más por dichas ojivas que tienden a moverse a velocidades de entrada más altas, debido a su tamaño de paquete físico más pequeño y delgado , suponiendo que ambos diseños de armas nucleares sean el mismo (una excepción de diseño es el avanzado W88 ). [35] La segunda razón para esta bomba de racimo, o 'capas' [36] (usando impactos repetidos por armas precisas de bajo rendimiento) es que esta táctica, junto con limitar el riesgo de falla, reduce el rendimiento de las bombas individuales y, por lo tanto, reduce la posibilidad de cualquier daño colateral grave a áreas civiles cercanas no objetivo, incluidas las de los países vecinos. Este concepto fue iniciado por Philip J. Dolan y otros.
Los rayos gamma de los procesos nucleares que preceden a la verdadera explosión pueden ser parcialmente responsables de la siguiente bola de fuego, ya que pueden sobrecalentar el aire cercano y/o otros materiales. [10] La gran mayoría de la energía que se forma para formar la bola de fuego se encuentra en la región de rayos X suaves del espectro electromagnético, y estos rayos X se producen por las colisiones inelásticas de los productos de fisión y fusión de alta velocidad. Son estos productos de reacción y no los rayos gamma los que contienen la mayor parte de la energía de las reacciones nucleares en forma de energía cinética. Esta energía cinética de los fragmentos de fisión y fusión se convierte en energía interna y luego en energía de radiación siguiendo aproximadamente el proceso de emisión de radiación de cuerpo negro en la región de rayos X suaves. [37]
Como resultado de numerosas colisiones inelásticas, parte de la energía cinética de los fragmentos de fisión se convierte en energía interna y de radiación. Algunos de los electrones se eliminan por completo de los átomos, lo que provoca la ionización. Otros se elevan a estados de energía más altos (o excitados) mientras permanecen unidos a los núcleos. En un tiempo extremadamente corto, tal vez una centésima de microsegundo o más, los residuos del arma consisten esencialmente en átomos total y parcialmente despojados (ionizados), muchos de los cuales están en estados excitados, junto con los electrones libres correspondientes. El sistema emite inmediatamente radiación electromagnética (térmica), cuya naturaleza está determinada por la temperatura. Como esta es del orden de 10 7 grados, la mayor parte de la energía emitida en un microsegundo o más está en la región de rayos X suaves. Como la temperatura depende de la energía interna promedio/calor de las partículas en un cierto volumen, la energía interna o calor proviene de la energía cinética.
En caso de explosión en la atmósfera, la bola de fuego se expande rápidamente hasta alcanzar su tamaño máximo y luego comienza a enfriarse mientras se eleva como un globo gracias a la flotabilidad del aire circundante. A medida que lo hace, adopta el patrón de flujo de un anillo de vórtice con material incandescente en el núcleo del vórtice, como se ve en ciertas fotografías. [38] Este efecto se conoce como nube de hongo . [10] La arena se fusionará en vidrio si está lo suficientemente cerca de la bola de fuego nuclear como para ser atraída hacia ella y, por lo tanto, se calienta a las temperaturas necesarias para hacerlo; esto se conoce como trinitita . [39] En la explosión de bombas nucleares, a veces se producen descargas de rayos. [40]
En las fotografías de explosiones nucleares se ven a menudo estelas de humo. No son el resultado de la explosión, sino que son el resultado de los cohetes sonda lanzados justo antes de la detonación. Estas estelas permiten observar la onda expansiva de la explosión, normalmente invisible, en los momentos posteriores a la misma. [41]
El calor y los escombros en el aire creados por una explosión nuclear pueden causar lluvia; se cree que los escombros lo hacen al actuar como núcleos de condensación de nubes . Durante la tormenta de fuego de la ciudad que siguió a la explosión de Hiroshima, se registraron gotas de agua del tamaño de canicas . [42] Esto se denominó lluvia negra y ha servido como fuente de un libro y una película con el mismo nombre . La lluvia negra no es inusual después de grandes incendios y es producida comúnmente por nubes pirocúmulos durante grandes incendios forestales. Se dice que la lluvia directamente sobre Hiroshima ese día comenzó alrededor de las 9 a.m. y cubrió una amplia área desde el hipocentro hasta el noroeste, lloviendo intensamente durante una hora o más en algunas áreas. La lluvia directamente sobre la ciudad puede haber transportado productos de combustión de materiales de construcción activados por neutrones, pero no transportó ningún residuo de arma nuclear apreciable ni lluvia radiactiva, [43] aunque esto generalmente es lo contrario de lo que afirman otras fuentes menos técnicas. Las partículas de hollín negro "aceitoso" son una característica de la combustión incompleta en la tormenta de fuego de la ciudad.
El elemento einstenio fue descubierto al analizar la lluvia radiactiva.
Un efecto secundario de la prueba nuclear Pascal-B durante la Operación Plumbbob puede haber dado lugar al primer objeto creado por el hombre lanzado al espacio. El llamado efecto de "pozo de truenos" de la explosión subterránea puede haber lanzado una placa de cubierta de metal al espacio a seis veces la velocidad de escape de la Tierra , aunque la evidencia sigue siendo objeto de debate.
En 1942, entre los científicos que desarrollaban las primeras armas nucleares en el Proyecto Manhattan se especuló que una explosión nuclear lo suficientemente grande podría encender la atmósfera de la Tierra: el calor de la explosión podría fusionar pares de átomos de nitrógeno atmosférico, formando carbono y oxígeno mientras se liberaba más energía que mantendría la reacción hasta que se consumiera todo el nitrógeno atmosférico del mundo. Hans Bethe fue asignado para estudiar esta hipótesis desde los primeros días del proyecto, y finalmente concluyó que tal reacción no podría sostenerse a gran escala debido al enfriamiento de la bola de fuego nuclear a través de un efecto Compton inverso. [44] A Richard Hamming se le pidió que hiciera un cálculo similar justo antes de la primera prueba nuclear , y llegó a la misma conclusión. [45] Sin embargo, la noción ha persistido como un rumor durante muchos años y fue la fuente de humor negro apocalíptico en la prueba Trinity, donde Enrico Fermi hizo apuestas paralelas sobre la ignición atmosférica. [46]
La supervivencia depende en gran medida de factores como si uno se encuentra en un espacio cerrado o al aire libre, el tamaño de la explosión, la proximidad a la explosión y, en menor grado, la dirección del viento que transporta la radiación. La muerte es muy probable y el envenenamiento por radiación es casi seguro si uno se encuentra al aire libre sin efectos de enmascaramiento del terreno o de los edificios en un radio de 0 a 3 kilómetros (0,0 a 1,9 millas) de una explosión en el aire de 1 megatón, y la probabilidad del 50% de muerte por la explosión se extiende a unos 8 kilómetros (5,0 millas) de la misma explosión atmosférica de 1 megatón. [47]
Un ejemplo que pone de relieve la variabilidad del mundo real y el efecto de estar en un espacio cerrado es Akiko Takakura. A pesar de la radiación letal y la zona de explosión que se extendía mucho más allá de su posición en Hiroshima, [48] Takakura sobrevivió a los efectos de una bomba atómica de 16 kt a una distancia de 300 metros (980 pies) del hipocentro, con solo heridas menores, debido principalmente a su posición en el vestíbulo del Banco de Japón, un edificio de hormigón armado , en ese momento. [49] [50] En contraste, la persona desconocida sentada afuera, completamente expuesta, en las escaleras del Banco Sumitomo , al lado del Banco de Japón, recibió quemaduras letales de tercer grado y luego probablemente murió por la explosión, en ese orden, en dos segundos. [51]
Con atención médica, la exposición a la radiación es sobrevivible a una dosis aguda de 200 rems. Si un grupo de personas se expone a una dosis aguda de radiación de 50 a 59 rems (dentro de las 24 horas), ninguna sufrirá la enfermedad por radiación. Si el grupo se expone a una dosis de radiación de 60 a 180 rems, el 50% enfermará con envenenamiento por radiación . Si se trata médicamente, todo el grupo de 60-180 rems sobrevivirá. Si el grupo se expone a una dosis de 200 a 450 rems, la mayoría, si no todos, del grupo enfermará; el 50% morirá dentro de dos a cuatro semanas, incluso con atención médica. Si el grupo se expone a una dosis de 460 a 600 rems, el 100% del grupo sufrirá envenenamiento por radiación y el 50% morirá dentro de una a tres semanas. Si el grupo se expone a una dosis de 600 a 1000 rems, el 50% morirá en una a tres semanas. Si el grupo se expone a una dosis de 1.000 a 5.000 rems, el 100% del grupo morirá en el plazo de dos semanas. Si se expone a una dosis de 5.000 rems, el 100% del grupo morirá en el plazo de dos días. [52]
Investigadores de la Universidad de Nicosia simularon, utilizando dinámica de fluidos computacional de alto orden , una explosión de bomba atómica de un misil balístico intercontinental típico y la onda expansiva resultante para ver cómo afectaría a las personas refugiadas en interiores. [53] Encontraron que la onda expansiva fue suficiente en la zona de daño moderado para derribar algunos edificios y herir a las personas atrapadas al aire libre. Sin embargo, los edificios más resistentes, como las estructuras de hormigón, pueden permanecer en pie. El equipo utilizó modelos informáticos avanzados para estudiar cómo una onda expansiva nuclear atraviesa una estructura en pie. Su estructura simulada presentaba habitaciones, ventanas, puertas y pasillos y les permitió calcular la velocidad del aire después de la onda expansiva y determinar los mejores y peores lugares para estar.
El estudio demostró que las altas velocidades del aire siguen siendo un peligro considerable y aún pueden provocar lesiones graves o incluso la muerte. Además, el simple hecho de estar en un edificio resistente no es suficiente para evitar el riesgo. Los espacios reducidos pueden aumentar la velocidad del aire y la participación de la onda expansiva hace que el aire se refleje en las paredes y se doble en las esquinas. En los peores casos, esto puede producir una fuerza equivalente a varias veces el peso corporal de un ser humano. Los lugares interiores críticos más peligrosos que se deben evitar son las ventanas, los pasillos y las puertas. El estudio recibió un considerable interés de la prensa internacional. [53]
