Los efectos de una explosión nuclear en sus inmediaciones suelen ser mucho más destructivos y multifacéticos que los causados por los explosivos convencionales . En la mayoría de los casos, la energía liberada por un arma nuclear detonada dentro de 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 abarca todo el espectro electromagnético , con el entorno. El entorno de la explosión (por ejemplo, submarino, estallido en tierra , estallido en el aire o exoatmosférico) 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 poderosas , al tiempo que limita el área de su efecto. Cuando un arma nuclear está rodeada únicamente de aire, la explosión letal y los efectos térmicos escalan proporcionalmente mucho más rápidamente que los efectos letales de la radiación 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 y calienta rápidamente el material hasta una temperatura de equilibrio (es decir, de modo que la materia esté a la misma temperatura que el combustible que impulsa la explosión). Esto provoca la vaporización del material circundante, lo que resulta en 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 tiene una altitud suficientemente baja, a menudo se asocia con una nube en forma 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 en forma de onda de choque que desplaza la atmósfera.
Las altas temperaturas y la radiación hacen que el gas se mueva hacia afuera radialmente en una capa delgada y densa llamada "frente hidrodinámico". El frente actúa como un pistón que empuja y comprime el medio circundante para generar una onda de choque que se expande esféricamente . Al principio, esta onda de choque se encuentra 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 denso frente de choque oscurece la bola de fuego y continúa moviéndose a su lado, ahora expandiéndose hacia afuera, libre de la bola de fuego, provocando 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 vuelve a ser visible dando lugar al característico doble destello debido a la interacción onda de choque-bola de fuego. [5] Es esta característica única de las explosiones nucleares la que se explota al verificar que ha ocurrido 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.
Para explosiones de aire al nivel del mar o cerca de él, entre el 50% y el 60% de la energía de la explosión pasa a la onda expansiva, dependiendo del tamaño y el rendimiento de la bomba . Como regla general, la fracción de explosión es mayor en el caso de armas de bajo rendimiento. Además, disminuye a gran altura porque hay menos masa de aire para absorber la energía de la radiación y convertirla en una explosión. Este efecto es más importante en altitudes superiores a 30 km, que corresponden a menos del 1 por ciento de la densidad del aire al nivel del mar.
Se descubrió que los efectos de una tormenta de lluvia moderada durante una explosión nuclear de la Operación Castle amortiguaban o reducían los niveles máximos de presión en aproximadamente un 15% en todos los rangos. [6]
Gran parte de la destrucción causada por una explosión nuclear se debe a sus efectos. La mayoría de los edificios, excepto las estructuras reforzadas o resistentes a 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 encontraron que 8 psi (55 kPa) eran suficientes para destruir todas las estructuras residenciales de madera y ladrillo. Ésta puede definirse razonablemente como la presión capaz de producir daños graves. [6]
El viento explosivo al nivel del mar puede exceder los mil 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 la potencia explosiva del arma y también depende de la altitud de la explosión. Al contrario de lo que cabría esperar de la geometría, el alcance de la explosión no es máximo para explosiones en superficie o a baja altitud, sino que aumenta con la altitud hasta una "altitud óptima de explosión" y luego disminuye rápidamente para altitudes más altas. Esto se debe al comportamiento no lineal de las ondas de choque. Cuando la onda expansiva de una ráfaga de aire 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, esto se conoce como 'vástago de Mach' (llamado así por Ernst Mach ) y es una forma de interferencia constructiva . [7] [8] [9] Este fenómeno es responsable de los golpes o "rodillas" en el gráfico de rango de sobrepresión anterior.
Para cada sobrepresión objetivo, existe una determinada altura de explosión óptima a la que se maximiza el alcance de la explosión sobre los objetivos terrestres. En una ráfaga de aire típica, donde el alcance de la explosión se maximiza para producir el mayor alcance de daños graves, es decir, el mayor alcance sobre el que se extiende ~10 psi (69 kPa) de presión, es un alcance GR/suelo de 0,4 km durante 1 kilotón (kt) de rendimiento de TNT; 1,9 km para 100 nudos; y 8,6 km para 10 megatones (Mt) de TNT. La altura óptima de explosión para maximizar esta destrucción severa del alcance terrestre deseada para una bomba de 1 kt es de 0,22 km; para 100 nudos, 1 km; y para 10 Mt, 4,7 km.
Dos fenómenos distintos y simultáneos están asociados con la onda expansiva en el aire:
La mayor parte de los daños materiales causados por una explosión nuclear en el aire se deben a una combinación de altas sobrepresiones estáticas y vientos explosivos. La larga compresión de la onda expansiva debilita las estructuras, que luego son destrozadas por los fuertes vientos. Las fases de compresión, vacío y arrastre juntas pueden durar varios segundos o más y ejercer fuerzas muchas veces mayores que las del huracán más fuerte .
Al actuar sobre el cuerpo humano, las ondas de choque provocan ondas de presión a través de los tejidos. Estas ondas dañan principalmente las uniones entre tejidos de diferentes densidades (hueso y músculo) o la interfaz entre el tejido y el aire. Los pulmones y la cavidad abdominal , que contienen aire, resultan especialmente afectados. El daño causa hemorragias graves o embolias gaseosas , cualquiera de las cuales puede ser rápidamente fatal. Se estima que la sobrepresión que daña los pulmones es de unos 70 kPa. Algunos tímpanos probablemente se romperían alrededor de 22 kPa (0,2 atm) y la mitad se rompería entre 90 y 130 kPa (0,9 a 1,2 atm).
Vientos explosivos : Las energías de arrastre de los vientos explosivos son proporcionales a los cubos de sus velocidades multiplicados por las duraciones. Estos vientos pueden alcanzar varios cientos de kilómetros por hora.
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 "Flash". [10] Los principales peligros son las quemaduras y las lesiones oculares. En días despejados, estas lesiones pueden ocurrir mucho más allá del alcance de la explosión, dependiendo del rendimiento del arma. [3] Los incendios también pueden ser iniciados por la radiación térmica inicial, pero los fuertes vientos siguientes debidos a la onda expansiva pueden apagar casi todos esos incendios, a menos que el rendimiento sea muy alto, donde el rango de efectos térmicos supera ampliamente los efectos de la explosión. como se observa en 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 de 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 potencias cada vez mayores del dispositivo. [3]
La radiación térmica supone 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 importar poco, ya que en un ataque sorpresa los incendios también pueden iniciarse mediante cortocircuitos eléctricos inducidos por el efecto de la explosión, pilotos de gas, estufas volcadas y otras fuentes de ignición, como fue el caso en el caso de los incendios. Caso del bombardeo de Hiroshima a la hora del desayuno . [11] Es incierto si estos incendios secundarios a su vez serán extinguidos a medida que los modernos edificios incombustibles de ladrillo y hormigón colapsen sobre sí mismos por la misma onda expansiva, sobre todo por el efecto de enmascaramiento de los paisajes urbanos modernos sobre La transmisión térmica y explosiva se examina continuamente. [12] Cuando los edificios con estructura combustible fueron derribados en Hiroshima y Nagasaki, no se quemaron 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, en los tiempos modernos es poco probable que se produzca una tormenta de fuego 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 parte 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 la radiación térmica de un arma:
La ceguera por destello es causada por el brillante destello de luz inicial producido por la detonación nuclear. La retina recibe más energía luminosa de la que puede tolerarse, pero menos de la necesaria para una lesión irreversible. La retina es particularmente susceptible a la luz visible y a la luz infrarroja de longitud de onda corta, ya que la lente enfoca esta parte del espectro electromagnético en la retina. El resultado es la decoloración de los pigmentos visuales y ceguera temporal de hasta 40 minutos.
Una quemadura de retina que produce daño permanente debido a cicatrices también es causada por la concentración de energía térmica directa en la retina por parte del cristalino. Ocurrirá sólo cuando la bola de fuego esté realmente en el campo de visión del individuo y sería una lesión relativamente poco común. Se pueden sufrir quemaduras en la retina a distancias considerables de la explosión. La altura del estallido y el tamaño aparente de la bola de fuego, una función del rendimiento y el alcance, determinarán el grado y extensión de la cicatrización retiniana. Una cicatriz en el campo visual central sería más debilitante. Generalmente, lo único que es probable que ocurra es un defecto limitado del campo visual, que será apenas perceptible.
Cuando la radiación térmica incide sobre un objeto, una parte se refleja, otra se transmite y el resto se absorbe. La fracción que se absorbe depende de la naturaleza y color del material. Un material fino puede transmitir mucho. Un objeto de color claro puede reflejar gran parte de la radiación incidente y así evitar daños, como la pintura blanca anti-flash . La radiación térmica absorbida eleva la temperatura de la superficie y provoca quemaduras, carbonización y quema de madera, papel, telas, 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 /cm 2 , lo que puede arder, lo hará. Más lejos, sólo arderán los materiales que se inflaman más fácilmente. Los efectos incendiarios se ven agravados por incendios secundarios iniciados por los efectos de las ondas expansivas, como los de estufas y hornos volcados.
En Hiroshima , el 6 de agosto de 1945, se desarrolló una tremenda tormenta de fuego 20 minutos después de la detonación y destruyó muchos más edificios y casas, construidos predominantemente con materiales de madera "endebles". [11] Una tormenta de fuego tiene vientos huracanados que soplan hacia el centro del incendio desde todos los puntos cardinales. No es exclusivo de las explosiones nucleares, ya que se ha observado con frecuencia en grandes incendios forestales y tras ataques incendiarios durante la Segunda Guerra Mundial . A pesar de que los incendios destruyeron una gran zona de la ciudad de Nagasaki, no se produjo ninguna verdadera tormenta de fuego en la ciudad, a pesar de que se utilizó un arma de mayor rendimiento. Muchos factores explican esta aparente contradicción, incluido un momento de bombardeo diferente al de Hiroshima, el terreno y, fundamentalmente, una menor carga/densidad de combustible en la ciudad que la de Hiroshima.
Probablemente Nagasaki 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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A medida que la radiación térmica viaja, más o menos, en línea recta desde la bola de fuego (a menos que esté dispersa), cualquier objeto opaco producirá una sombra protectora que brinda protección contra la quemadura repentina. Dependiendo de las propiedades del material de la superficie subyacente, el área expuesta fuera de la sombra protectora se quemará hasta adquirir un color más oscuro, como la madera carbonizada, [16] o un color más brillante, como el asfalto. [17] Si un fenómeno meteorológico como niebla o neblina está presente en el punto de la explosión nuclear, dispersa el destello , con energía radiante que luego puede quemar sustancias sensibles desde todas las direcciones. En estas condiciones, los objetos opacos son, por lo tanto, menos efectivos de lo que serían sin dispersión, ya que demuestran un efecto de sombra máximo en un entorno de visibilidad perfecta y, por lo tanto, cero dispersión. Al igual que en un día nublado o con niebla, aunque hay pocas o ninguna sombra producida por el sol en ese día, la energía solar que llega al suelo procedente de los rayos infrarrojos del sol disminuye considerablemente, debido a que es absorbida por el agua. de las nubes y la energía también se dispersa hacia el espacio. De manera análoga, también se atenúa la intensidad en un rango de energía de destello ardiente, en unidades de J /cm 2 , junto con el rango inclinado/horizontal de una explosión nuclear, durante condiciones de niebla o neblina. Entonces, a pesar de que cualquier objeto que proyecte una sombra se vuelve ineficaz como escudo contra el destello debido a la niebla o la neblina, debido a la dispersión, la niebla cumple el mismo papel protector, pero generalmente solo en los rangos en los que la supervivencia al aire libre es solo una cuestión de siendo protegido de la energía del flash de la explosión. [18]
El pulso térmico también es responsable de calentar el nitrógeno atmosférico cerca de la bomba y provocar la creación de componentes atmosféricos de smog de NOx . Este, como parte de la nube en forma de hongo, se dispara a la estratosfera , donde es responsable de disociar el ozono allí , exactamente de la misma manera que lo hacen los compuestos 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 hallazgos iniciales desalentadores. [19]
Los rayos gamma de una explosión nuclear producen electrones de alta energía mediante la dispersión Compton . Para las explosiones nucleares a gran altitud, estos electrones son capturados en el campo magnético de la Tierra a altitudes de entre veinte y cuarenta 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 los componentes electrónicos sin blindaje. No se conocen efectos biológicos del EMP. El aire ionizado también perturba el tráfico de radio que normalmente rebotaría en la ionosfera .
Los dispositivos electrónicos se pueden proteger envolviéndolos completamente en un material conductor , como una lámina metálica; la eficacia del blindaje puede no ser 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 de EMP debido a la proximidad de las uniones PN, pero este no es el caso de los tubos (o válvulas) termoiónicos que son relativamente inmunes a EMP. Una jaula de Faraday no ofrece protección contra los efectos del EMP a menos que la malla esté diseñada para tener agujeros no mayores que la longitud de onda más pequeña emitida por una explosión nuclear.
Las grandes armas nucleares detonadas a gran altura también provocan corrientes inducidas geomagnéticamente en conductores eléctricos muy largos. El mecanismo por el cual 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 cercano se ionice, creando la bola de fuego. Los electrones libres en la bola de fuego afectan las ondas de radio, especialmente en las frecuencias más bajas. Esto hace que una gran área del cielo se vuelva opaca para los radares, especialmente aquellos que operan en las frecuencias VHF y UHF , lo cual es común en 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 reformarse en núcleos libres. [20]
Un segundo efecto de apagón es causado por la emisión de partículas beta de los productos de fisión. Estos pueden viajar largas distancias, siguiendo las líneas del campo magnético de la Tierra. Cuando alcanzan la atmósfera superior provocan una ionización similar a la bola de fuego, pero en 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 oscurecer un área de 400 kilómetros (250 millas) de ancho durante cinco minutos. Una selección cuidadosa de las altitudes y ubicaciones de las ráfagas puede producir un efecto de supresión del radar extremadamente eficaz. [20]
Los efectos físicos que dan lugar a los apagones son los que también causan EMP, que a su vez puede provocar apagones. Por lo demás, los dos efectos no están relacionados y la denominación similar puede resultar confusa.
Alrededor del 5% de la energía liberada en una explosión nuclear en el aire se encuentra en forma de radiación ionizante : neutrones , rayos gamma , partículas alfa y electrones que se mueven a velocidades de hasta la velocidad de la luz. Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas de alta energía; las otras 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 tanto la que surge de estas reacciones como la que resulta de la desintegración de productos de fisión de vida corta.
La intensidad de la radiación nuclear inicial disminuye rápidamente con la distancia desde el punto de explosión porque la radiación se propaga sobre un área mayor a medida que se aleja de la explosión (la ley del cuadrado inverso ). También se reduce por absorción y dispersión atmosférica.
El carácter de la radiación recibida en un lugar determinado también varía con la distancia a la explosión. [21] Cerca del punto de la explosión, la intensidad de los neutrones es mayor que la intensidad gamma, pero al aumentar la distancia la relación neutrones-gamma disminuye. Al final, la componente neutrónica de la radiación inicial se vuelve insignificante en comparación con la componente gamma. El alcance de niveles significativos de radiación inicial no aumenta marcadamente con el rendimiento del arma y, como resultado, la radiación inicial se vuelve menos peligrosa a medida que aumenta el rendimiento. Con armas más grandes, por encima de 50 kt (200 TJ), los efectos térmicos y de explosión son de tanta importancia que los efectos inmediatos de la radiación 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 propia bomba, se libera una gran cantidad de material radiactivo al medio ambiente. Esta forma de contaminación radiactiva se conoce como lluvia radiactiva y plantea el principal riesgo de exposición a radiación ionizante para un arma nuclear de gran tamaño.
Los detalles del diseño de las armas nucleares también afectan la emisión de neutrones: la bomba de Hiroshima , de tipo cañón, filtró muchos más neutrones que la bomba de Nagasaki de 21 nudos, de tipo implosión , porque los núcleos ligeros de hidrógeno (protones) que predominaban en las moléculas de TNT explotadas (que rodeaban el núcleo de la bomba) La bomba de Nagasaki) desaceleró los neutrones de manera muy eficiente, mientras que los átomos de hierro más pesados en la punta de acero forjada de la bomba de Hiroshima dispersaron los neutrones sin absorber mucha energía de neutrones. [22]
En los primeros experimentos se descubrió que normalmente la mayoría de los neutrones liberados en la reacción en cadena en cascada de la bomba de fisión son absorbidos por la carcasa de la bomba. Construir una caja 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 rápida radiación de neutrones. 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 de otra manera un evento sísmico , una explosión subterránea concentra esta onda de presión y un evento sísmico localizado es más probable, estas ondas, la primera y más rápida, equivalen a una onda normal. Los terremotos La onda P puede informar la ubicación de la prueba, [23] le siguen la onda S y la onda Rayleigh ; todas ellas pueden medirse en la mayoría de las circunstancias mediante estaciones sísmicas en todo el mundo y se pueden usar comparaciones con terremotos reales para ayudar a determinar el rendimiento estimado. mediante análisis diferencial, mediante el modelado de las amplitudes de la onda P telesísmica de alta frecuencia (>4 Hz). [24] [23] [25] Sin embargo, la teoría no sugiere que una explosión nuclear de los rendimientos actuales pueda desencadenar la ruptura de la falla y causar un terremoto importante a distancias superiores a unas pocas decenas de kilómetros desde el punto de disparo. [26]
La siguiente tabla resume los efectos más importantes de explosiones nucleares individuales en condiciones climáticas ideales y despejadas. Tablas como estas se calculan a partir de leyes de escala de efectos de las armas nucleares. [27] [28] [29] [30] Los modelos informáticos avanzados de las condiciones del mundo real y cómo impactan en el daño a las áreas urbanas modernas han descubierto que la mayoría de las leyes de escala son demasiado simplistas y tienden a sobreestimar los efectos de las explosiones nucleares. Como lo que comúnmente se encuentra son leyes de escala simplistas y no clasificadas, que no tienen en cuenta cosas importantes como la variación de la topografía del terreno para facilitar el tiempo de cálculo y la longitud de la ecuación. Las leyes de escala que se utilizaron para producir la siguiente tabla 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 derivados de reflejos y túneles en las calles de la ciudad. [31] Como punto de comparación en el cuadro a continuación, las armas nucleares más probables que se utilizarán contra objetivos urbanos de contravalor en una guerra nuclear global están en el rango de submegatones. Las armas con potencias de 100 a 475 kilotones se han convertido en las más numerosas de los arsenales nucleares de Estados Unidos y Rusia; Por ejemplo, las ojivas que equipa el misil balístico ruso Bulavá , lanzado desde un submarino ( SLBM ), tienen una potencia de 150 kilotones. [32] Los ejemplos estadounidenses son las ojivas W76 y W88 , siendo la W76 de menor rendimiento más del doble que la W88 en el arsenal nuclear estadounidense.
1 Para los efectos de la radiación directa, aquí se muestra el alcance inclinado en lugar del alcance del suelo porque algunos efectos no se dan ni siquiera en la zona cero para algunas alturas de explosión. Si el efecto ocurre en la zona cero, el alcance en tierra se puede derivar del alcance inclinado y la altitud de explosión ( teorema de Pitágoras ).
2 "Síndrome de radiación aguda" corresponde aquí a una dosis total de un gris , "letal" a diez grises. Esta es sólo una estimación aproximada, ya que aquí se descuidan 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 las principales ciudades de importancia estratégica, como Moscú y Washington , se vean afectadas no una, sino numerosas veces por reentradas sub megatónicas múltiples con objetivos independientes. vehículos , en una configuración de bomba de racimo o "cortadora de galletas". [33] Se ha informado que durante el apogeo de la Guerra Fría en la década de 1970, Moscú fue blanco de hasta 60 ojivas. [34] Las razones por las que el concepto de bomba de racimo es preferible para atacar ciudades son dos: la primera se debe al hecho de que las grandes ojivas singulares son mucho más fáciles de neutralizar como seguimiento e interceptación exitosa por sistemas de misiles antibalísticos que es cuando se acercan varias ojivas entrantes más pequeñas. Esta ventaja numérica frente a las ojivas de menor rendimiento se ve agravada aún más por el hecho de que dichas ojivas tienden a moverse a mayores velocidades de entrada, debido a su tamaño de paquete físico más pequeño y delgado , suponiendo que ambos diseños de armas nucleares sean iguales (una excepción de diseño es la avanzada W88) . ). [35] La segunda razón para esta bomba de racimo, o 'capas' [36] (usando impactos repetidos con armas precisas de bajo rendimiento), es que esta táctica, además de limitar el riesgo de falla, también reduce el rendimiento de las bombas individuales y, por lo tanto, reduce la posibilidad de que se produzcan daños colaterales graves en zonas 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/u otros materiales. [10] La gran mayoría de la energía que se utiliza 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 radiación del cuerpo negro que se emite en la región blanda de rayos X. [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, provocando así la ionización, otros se elevan a estados de mayor energía (o excitados) sin dejar de permanecer unidos a los núcleos. En un tiempo extremadamente corto, quizás una centésima de microsegundo aproximadamente, los residuos del arma consisten esencialmente en átomos total y parcialmente despojados (ionizados), muchos de los últimos en estados excitados, junto con los correspondientes electrones libres. El sistema emite inmediatamente radiación electromagnética (térmica), cuya naturaleza está determinada por la temperatura. Dado que esto es del orden de 10 7 grados, la mayor parte de la energía emitida en aproximadamente un microsegundo se encuentra en la región blanda de los rayos X. Debido a que la temperatura depende de la energía/calor interno promedio de las partículas en un cierto volumen, la energía interna o el calor se debe a la energía cinética .
En una explosión en la atmósfera, la bola de fuego se expande rápidamente hasta alcanzar su tamaño máximo y luego comienza a enfriarse a medida que se eleva como un globo gracias a la flotabilidad del aire circundante. Al hacerlo, 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 en forma de hongo . [10]
La arena se fusionará formando 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]
Durante 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. Estos no son de la explosión; los dejan los cohetes sonoros lanzados justo antes de la detonación. Estos rastros permiten observar la onda de choque normalmente invisible de la explosión en los momentos posteriores a la explosión. [41]
El calor y los desechos en el aire creados por una explosión nuclear pueden provocar lluvia; Se cree que los escombros hacen esto actuando como núcleos de condensación de nubes . Durante la tormenta de fuego que siguió a la explosión de Hiroshima, se registró que gotas de agua eran 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 comúnmente es producida por nubes de pirocúmulos durante grandes incendios forestales. Se dice que la lluvia directamente sobre Hiroshima ese día comenzó alrededor de las 9 am y cubrió una amplia área desde el hipocentro hacia 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 restos o lluvia radiactiva apreciables de armas nucleares, [43] aunque esto es generalmente lo contrario de lo que afirman otras fuentes menos técnicas. Las partículas de hollín negro "aceitosas" son una característica de la combustión incompleta en el incendio de la ciudad.
El elemento einstenio se descubrió al analizar la lluvia radiactiva nuclear.
Un efecto secundario de la prueba nuclear Pascal-B durante la Operación Plumbbob pudo haber dado lugar al lanzamiento del primer objeto creado por el hombre al espacio. El llamado efecto "pozo de trueno" de la explosión subterránea pudo haber lanzado una placa metálica al espacio a una velocidad de escape seis veces mayor que la de la Tierra , aunque la evidencia sigue siendo objeto de debate.
En 1942, los científicos que desarrollaron las primeras armas nucleares en el Proyecto Manhattan especularon que una explosión nuclear suficientemente grande podría encender la atmósfera terrestre: el calor de la explosión podría fusionar pares de átomos de nitrógeno atmosférico, formando carbono y oxígeno, liberando al mismo tiempo más energía. lo 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 está adentro o afuera, el tamaño de la explosión, la proximidad a la explosión y, en menor grado, la dirección del viento que transporta la lluvia radiactiva. La muerte es muy probable y el envenenamiento por radiación es casi seguro si uno queda atrapado al aire libre sin efectos de enmascaramiento del terreno o edificio dentro de un radio de 0 a 3 kilómetros (0,0 a 1,9 millas) de una explosión en el aire de 1 megatón, y el 50% de probabilidad de la muerte por la explosión se extiende a ~8 kilómetros (5,0 millas) de la misma explosión atmosférica de 1 megatón. [47]
Para resaltar la variabilidad en el mundo real y el efecto que puede tener estar en interiores, a pesar de la radiación letal y la zona de explosión que se extiende mucho más allá de su posición en Hiroshima, [48] Akiko Takakura sobrevivió a los efectos de una bomba atómica de 16 kt a distancia. de 300 metros (980 pies) del hipocentro, con sólo heridas leves, debido principalmente a su posición en el vestíbulo del Banco de Japón, un edificio de hormigón armado , en ese momento. [49] [50] Por el contrario, 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 esa orden, en dos segundos. [51]
Con atención médica, se puede sobrevivir a la exposición a la radiación hasta 200 rems de exposición a dosis agudas. Si un grupo de personas se expone a una dosis de radiación aguda de 50 a 59 rems (en un plazo de 24 horas), ninguna sufrirá enfermedad por radiación. Si el grupo se expone a entre 60 y 180 rems, el 50% enfermará de envenenamiento por radiación. Si reciben tratamiento médico, todos los individuos del grupo de 60 a 180 rems sobrevivirán. Si el grupo está expuesto a 200 a 450 rems, la mayoría, si no todos, del grupo se enfermarán. El 50% del grupo de 200 a 450 rems morirá en un plazo de dos a cuatro semanas, incluso con atención médica. Si el grupo se expone a 460 a 600 rems, el 100% del grupo sufrirá envenenamiento por radiación. El 50% del grupo de 460 a 600 rems morirá en un plazo de una a tres semanas. Si el grupo se expone a 600 a 1000 rems, el 50% morirá en una a tres semanas. Si el grupo se expone a entre 1.000 y 5.000 rems, el 100% del grupo morirá en 2 semanas. A 5.000 rems, el 100% del grupo morirá en 2 días. [52]
Investigadores de la Universidad de Nicosia simularon, utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD) de alto orden, la explosión de una bomba atómica de un misil balístico intercontinental típico y la onda expansiva resultante para ver cómo afectaría a las personas que se refugiaban en interiores. [53]
Descubrieron 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 explosiva nuclear se acelera a través de una estructura en pie. Su estructura simulada incluía 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 siguen siendo un peligro considerable y aún pueden provocar lesiones graves o incluso muertes.
Además, no basta con estar en un edificio resistente para evitar riesgos. 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 el peor de los 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 anterior despertó considerable interés por parte de la prensa internacional. [53]
