Ударная волна в чем измеряется
38. Ударная волна.
В зависимости от среды распространения различают ударную волну в воздухе, в воде или грунте.
Ударная волна в воздухе образуется за счет огромной энергии, выделяемой в зоне взрыва, где высокая температура и большой давление. Например, при ядерном взрыве давление в зоне реакции достигает миллиардов атмосфер.
Например, при ядерном взрыве средней мощности воздушная ударная волна проходит 5000 м за 12 секунд. Поэтому человек, увидев вспышку ядерного взрыва до прихода ударной волныможет укрыться ( в складке местности, канаве и пр. ).
Передняя граница ударной волны называется фронтом ударной волны. После прохождения ударной волной данной точки пространства давление в этой точке снижается до атмосферного. Фронт ударной волны движется вперед. Образовавшийся слой сжатого воздуха называется фазой сжатия.
С удалением от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия из-за вовлечения новых масс воздуха возрастает, в то же время давление снижаясь, становится ниже атмосферного и воздух начинает движение к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.
Разрушительное действие большее в фазе сжатия.
С фронтом ударной волны в области сжатия движутся массы воздуха, которые при встрече с преградой тормозятся и при этом моментально возрастают до максимума: скоростной напор воздушной ударной волны и избыточное давление во фронте ударной волны.
При наземном взрыве энергия взрыва распределяется в полусфере и ударная волна перемещается вдоль поверхности земли, при этом на поверхности земли действует такое давление, до которого сжат воздух в соответствующей части воздушной ударной волны.
При воздушном взрыве падающая ударная волна вызывает при встрече с поверхностью земли отраженную ударную волну.
Рассмотрим термины ( рис. 84 ).
Давление во фронте головной ударной волны значительно выше, чем во фронте падающей волны и зависит не только от мощности взрыва и расстояния от эпицентра, но и от высоты ядерного взрыва.
Оптимальной высотой взрыва считается такая, при которой наибольшая площадь разрушения. Например, для взрыва мощностью в 1 мегатонну эта высота равна 2100 м ( при этом на постройки воздействует давление 20-30 кПа ( 0. 2-0. 3 кг/см2 ).
При наземном взрыве часть энергии взрыва расходуется на образование сжатия в грунте.
При взрыве в грунте происходит мощное сотрясение грунта землетрясение.
Поражающие факторы ядерного взрыва, их параметры, единицы измерения, и их действие на инженерные сооружения и человека.
Поражающие факторы ядерного оружия
Contents
Ударная волна [ ]
Ударная волна (УВ) основной поражающий фактор ядерного взрыва, который производит разрушение, повреждение зданий и сооружений, а также поражает людей и животных. Источником УВ является сильное давление, образующееся в центре взрыва (миллиарды атмосфер). Образовавшееся при взрыве раскаленные газы, стремительно расширяясь, передают давление соседним слоям воздуха, сжимая и нагревая их, а те в свою очередь воздействуют на следующие слои и т.д. В результате в воздухе со сверхзвуковой скоростью во все стороны от центра взрыва распространяется зона высокого давления.
Поражающее действие УВ характеризуется величиной избыточного давления.
Избыточное давление – это разность между максимальным давлением во фронте УВ и нормальным атмосферным давлением, измеряется в Паскалях (ПА, кПА). Распространяется со сверх звуковой скоростью, УВ на своем пути разрушает здания и сооружения, образуя четыре зоны разрушений (полных, сильных, средних, слабых) в зависимости от расстояния: Зона полных разрушений — 50 кПА Зона сильных разрушений — 30-50 кПА. Зона средних разрушений — 20-30 кПА. Зона слабых разрушений — 10-20 кПА.
Ударная волна действует на людей двумя способами:
Прямое действие ударной волны и косвенное действие УВ ( летящими обломками сооружений, падающими стенами домов и деревьями, осколками стекла, камнями). Эти воздействия вызывают различные по степени тяжести поражения: Легкие поражения — 20-40 кПА (контузии, легкие ушибы). Средней тяжести — 40-60 кПА (потеря сознания, повреждение органов слуха, вывихи конечностей, кровотечение из носа и ушей, сотрясение мозга). Тяжелые поражение — более 60 кПА (сильные контузии, переломы конечностей, поражение внутренних органов). Крайне тяжелые поражения — более 100кПА ( со смертельным исходом). Эффективным способом защиты от прямого воздействия УВ будет укрытие в защитных сооружениях (убежищах, ПРУ, быстровозводимых населением). Для укрытия можно использовать канавы, овраги, пещеры, горные выработки, подземные переходы; можно просто лечь на землю в отдалении от зданий и сооружений.
Световое излучение [ ]
Световое излучение (СИ) – это поток лучистой энергии (ультрафиолетовые и инфракрасные лучи). Источником СИ является светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до высокой температуры паров и воздуха. СИ распространяется практически мгновенно и длится в зависимости от мощности ядерного боеприпаса (20-40 секунд). Однако не смотря на кратковременность своего воздействия эффективность действия СИ очень высока. СИ составляет 35% от всей мощности ядерного взрыва. Энергия светового излучения поглощается поверхностями освещаемых тел, которые при этом нагреваются. Температура нагрева может быть такой, что поверхность объекта обуглится, оплавится, воспламенится или объект испарится.
Поражающее действие светового излучения характеризуется световым импульсом, т. е. количеством световой энергии, приходящейся за время излучения на 1 см2 поверхности, перпендикулярно расположенной к направлению световых лучей. За единицу измерения светового импульса принимают 1 кал/см2.
Световое излучение может вызвать ожоги открытых участков тела, ослепление людей и животных, обугливание или возгорание различных материалов. Поражение людей СИ выражается в появлении ожогов четырех степеней на кожном покрове и действием на глаза.
Так, при световом импульсе 2—4 кал/см2 у незащищенных людей могут возникнуть ожоги первой степени (краснота, припухлость, отек кожи – 100-200 кДж/м2).
При 4—6 кал/см2— ожоги второй степени (на фоне отечной кожи образуются пузыри разных размеров, наполненные прозрачной желтоватой жидкостью– 200-400 кДж/м2).
При 6— 12 кал/см2—ожоги третьей степени (полное омертвление кожных покровов и образование язв – 400-600 кДж/м2)
При световом импульсе более 12 кал/см2 ожоги четвёртой степени (обугливание кожи, омертвление глубоких слоев кожи и подлежащих ткани (подкожная жировая клетчатка, мышцы, кости). – более 600 кДж/м2).
Действие СИ на глаза: Временное ослепление – до 30 мин. Ожоги роговицы и век. Ожог глазного дна – слепота.
Световое излучение вызывает ожоги кожи, степень которых зависит от силы бомбы и удаленности от эпицентра:
Радиация [ ]
При прохождении проникающей радиации через любую среду ее действие ослабляется. Излучение разных видов оказывают неодинаковое воздействие на организм, что объясняется разной их ионизирующей способностью.
Так альфа-излучения, представляющие собой тяжелые имеющие заряд частицы, обладают наибольшей ионизирующей способностью. Но их энергия, вследствие ионизации, быстро уменьшается. Поэтому альфа-излучения не способны проникнуть через наружный (роговой) слой кожи и не представляют опасности для человека до тех пор, пока вещества, испускающие альфа-частицы не попадут внутрь организма.
Бета-частицы на пути своего движения реже сталкиваются с нейтральными молекулами, поэтому их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-излучения. Потеря же энергии при этом происходит медленнее и проникающая способность в тканях организма больше (1-2 см). Бета-излучения опасны для человека, особенно при попадании радиоактивных веществ на кожу или внутрь организма.
Гамма-излучение обладает сравнительно небольшой ионизирующей активностью, но в силу очень высокой проникающей способности представляет большую опасность для человека.
Ослабляющее действие ПР принято характеризовать слоем половинного ослабления, т.е. толщиной материала, проходя через который ПР уменьшается в два раза. Так, ПР ослабляют в два раза следующие материалы:
Свинец – 1.8 см Грунт, кирпич – 14 см Сталь – 2.8 см Вода – 23 см Бетон – 10 см Дерево – 30 см.
1 степень лучевой болезни – легкая – 100-200 бэр,
2 степень лучевой болезни – средней тяжести 200-400 бэр,
3 степень лучевой болезни – тяжелая – 400-600 бэр,
4 степень лучевой болезни – крайне тяжелая – более 600 бэр.
З она А – умеренного заражения – от 40 до 400 бэр. Зона умеренного заражения – самая большая по размерам. В ее пределах население, находящееся на открытой местности, может получить в первые сутки после взрыва легкие радиационные поражения.
100-200 бэр. Симптомы умеренной степени тяжести. Возможна тошнота (в половине случаев при 200 бэр), иногда сопровождающаяся рвотой, появляющаяся через 3-6 часов после получения дозы и длящаяся от нескольких часов до дня. За этим следует период ремиссии, в течении которого пострадавший находится в нормальном самочувствии. Изменения в крови постепенно нарастают из-за естественной убыли и невосполнения кровяных клеток. Через 10-14 дней происходит следующее ухудшение самочувствия: потеря аппетита (у 50% при 150 бэр), недомогание, утомляемость (у 50% при 200 бэр) продолжающееся около месяца. В это время отмечается повышенная заболеваемость, из-за сниженного иммунитета, временное бесплодие у мужчин. Для доз из верхнего предела этого интервала клиническая картина сходная, за исключением меньшего периода ремиссии, более выраженных симптомов и большего периода выздоровления.
Зона Б – сильного заражения – от 400 до 1200 бэр. В зоне сильного заражения опасность для людей и животных выше. Здесь возможны тяжелые радиационные поражения даже за несколько часов пребывания на открытой местности, особенно в первые сутки.
Зона В – опасного заражения – от 1200 до 4000 бэр. В зоне опасного заражения самые высокие уровни радиации. Даже на ее границе суммарная доза облучения за время полного распада радиоактивных веществ достигает 1200 р, а уровень радиации через 1 час после взрыва составляет 240 р/ч. В первые сутки после заражения суммарная доза на границе этой зоны составляет примерно 600 р, т.е. практически она смертельна. И хотя затем дозы облучения снижаются, на этой территории пребывание людей вне укрытий опасно очень продолжительное время.
Для защиты населения от РЗМ используются все имеющиеся защитные сооружения (убежища, ПРУ, подвалы многоэтажных домов, станции метрополитена). Эти защитные сооружения должны обладать достаточно высоким коэффициентом ослабления (Косл) – от 500 до 1000 и более раз, т.к. зоны радиоактивного заражения имеют высокие уровни радиации. В зонах РЗМ населению необходимо принимать радиозащитные препараты из АИ-2 (№1 и №2).
Электромагнитный импульс (EMP) [ ]
Ядерные взрывы в атмосфере и в более высоких слоях приводят к образованию мощных электромагнитных полей с длинами волн от 1 до 1000 м и более. Эти поля в виду их кратковременного существования принято называть электромагнитным импульсом (ЭМИ). Электромагнитный импульс возникает и в результате взрыва и на малых высотах, однако напряженность электромагнитного поля в этом случае быстро спадает по мере удаления от эпицентра. В случае же высотного взрыва, область действия электромагнитного импульса охватывает практически всю видимую из точки взрыва поверхность Земли. Поражающее действие ЭМИ обусловлено возникновением напряжений и токов в проводниках различной протяженности, расположенных в воздухе, земле, в радиоэлектронной и радиотехнической аппаратуре.
Наиболее подвержены воздействию ЭМИ линии связи, сигнализации и управления ракетных стартовых комплексов, командных пунктов. Большое количество ионов, оставшихся после взрыва, мешает коротковолновой связи и работе радаров. Защита от ЭМИ осуществляется экранированием линий управления и энергоснабжения, заменой плавких вставок (предохранителей) этих линий. ЭМИ составляет 1% от мощности ядерного боеприпаса.
На образование ЭМИ очень значительное влияние оказывает высота взрыва. ЭМИ силен при взрыве на высотах ниже 4 км, и особенно силен при высоте более 30 км, однако менее значителен для диапазона 4-30 км. Это происходит из-за того, что ЭМИ образуется при несимметричном поглощении гамма-лучей в атмосфере. А на средних высотак как раз такое поглощение происходит симметрично и равномерно, не вызывая больших флуктуаций в распределении ионов.
Ударная волна
Ударная волна – зона скачкообразного изменения параметров состояния газа: давления, температуры, плотности теплового потока и скорости движения. Воздушная ударная волна возникает в окружающем пространстве при ударном сжатии – взрыве конденсированных ВВ, газовом или физическом взрывах, атмосферных разрядах статического электричества, движении летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью и т.п. Сильные ударные волны, возникающие при детонации ВВ или газового разряда, распространяются в окружающем пространстве с большой скоростью, превышающей скорость звука. При этом фронт нарастания давления имеет крутой характер, и скачок параметров газа локализован в зоне шириной, не превышающей длину свободного пробега молекул. Слабые ударные волны, часто называемые «волнами сжатия», характерны для дефлаграционного взрыва. Они имеют более пологий фронт нарастания давления и заметную ширину зоны ударного сжатого газа.
К основным поражающим факторам воздушной ударной волны относятся избыточное давление во фронте ударной волны (Р, Па) и импульс фазы сжатия (i+, Па•с). Так, нижний порог поражения органов слуха человек (разрыв барабанной перепонки) составляет 34,5 кПа, разрушение массивных стен здания происходит при 100 кПа и более.
Для описания поражающего действия различных объектов воздушной ударной волной принято использовать диаграмму «давление – импульс». Эта диаграмма является границей опасной области и делит плоскость факторов поражения на 2 части: внутри – область поражения, вне – область устойчивости объекта. При приближении параметров воздушной ударной волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражения нарастает от 0 до 100%.
2 учебный вопрос
Общая характеристика поражающих факторов ядерного взрыва
Различают понятия центр ядерного взрыва и эпицентр ядерного взрыва.
Эпицентр ядерного взрыва – проекция центра взрыва на поверхность земли (воды).
Ядерные взрывы могут осуществляться в космосе, в воздухе, у поверхности земли (воды) и под землёй (водой). В соответствии с этим определяются и виды ядерных взрывов.
Виды ядерных взрывов:
2.2. Поражающие факторы ядерного взрыва
Характер, степень и продолжительность воздействия поражающих факторов зависят от мощности ядерного боеприпаса, вида взрыва, расстояния от его эпицентра, степени защиты объектов, метеорологических условий, характера местности.
Основные поражающие факторы ядерного взрыва:
2.2.1. Ударная волна
Ударная волна – основной поражающий фактор ядерного взрыва; скачок уплотнения в среде (воздухе, воде, земле), который движется со сверхзвуковой скоростью (более 350 м/с).
Ударная волна – основной поражающий фактор ядерного взрыва, т.к. большинство разрушений и повреждений сооружений, зданий, а также поражений людей обусловлены, как правило, её воздействием. Её источником является огромное давление, образующееся в центре взрыва и достигающее в первые мгновения миллиардов атмосфер. Оно, стремительно распространяясь, наносит поражение всему живому и вызывает разрушения.
Кроме того, вблизи эпицентра наземного или очень низкого воздушного взрыва порождаются мощные сейсмические колебания, способные разрушить или повредить подземные сооружения и коммуникации, травмировать находящихся в них людей.
Основные параметры ударной волны, определяющие её поражающее действие:
Фронт ударной волны – передняя граница ударной волны, на которой происходит скачок физических параметров – температуры, плотности и давления воздуха.
Поражающее действие ударной волны в решающей степени зависит от величины избыточного давления.
Избыточное давление – разность между максимальным давлением на фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны (Па, 1кПа=0,01кгс/кв.см).
Непосредственно за фронтом ударной волны происходит снижение давления и плотности воздуха, от небольшого понижения далеко от центра взрыва и почти до вакуума внутри огненной сферы. Следствием этого снижения является обратный ход воздуха и сильный ветер вдоль поверхности со скоростями до 100 км/час и более к эпицентру (поэтому на видеохронике видно, что здания разрушаются как бы изнутри, разрываются. И всё, что находится в зоне разряжения близко к эпицентру, будет унесено в гриб и сожжено).
Понятие очага ядерного поражения
Очаг ядерного поражения – территория, подвергшаяся непосредственному воздействию поражающих факторов ядерного взрыва.
Характеризуется массовыми разрушениями зданий, сооружений, завалами, авариями в сетях коммунально-энергетического хозяйства, пожарами, радиоактивным заражением и значительными потерями среди населения.
Внешняя граница очага ядерного поражения – условная линия на местности, проведенная на таком расстоянии от эпицентра (центра) взрыва, где вели-чина избыточного давления ударной волны равна 10 кПа.
Очаг ядерного поражения условно делят на зоны – участки с примерно одинаковыми по характеру разрушениями. Принято выделять 4 зоны:
2.2.2. Световое излучение
Световое излучение – это поток лучистой энергии, включающий ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра.
Источником светового излучения является светящаяся область взрыва – нагретые до высоких температур и испарившиеся части боеприпаса, окружающего грунта и воздуха.
При воздушном взрыве светящаяся область представляет собой шар, при наземном – полусферу.
Максимальная температура поверхности светящейся области составляет обычно 5700-7700°C. Когда температура снижается до 1700°C, свечение прекращается. Световой импульс продолжается от долей секунды до нескольких десятков секунд (20-40 с), в зависимости от мощности и условий взрыва.
Для оценки поражающего воздействия светового излучения выделяют 3 зоны воздействия.
Зоны воздействия светового излучения
Размеры зон зависят от мощности ядерного (термоядерного) взрыва и от его вида.
Пожары в очаге ядерного поражения представляют большую опасность для людей. В Хиросиме и Нагасаки ожоги от пожаров составили 70÷80%. 6 августа 1945 г. в Хиросиме огневой шторм продолжался 6 ч, сгорело около 60 тысяч домов, высота пламени достигала 7 км, скорость ветра в зоне огневого шторма – 50÷60 км/ч.
Влияние на человека светового излучения проявляется главным образом в виде ожогов различной степени.
Степени ожогов
1 степень. Образование красноты, припухлости и отёка кожи.
2 степень. Образование пузырей на коже.
3 степень. Омертвение кожи и глубоко лежащих тканей, обугливание открытых частей тела.
4 степень. Распад тканей и костей.
2.2.3. Проникающая радиация
Проникающая радиация (ионизирующее излучение) – это поток гамма-лучей и нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва в течение единиц или десятков секунд.
Проходя через биологическую ткань, гамма-кванты и нейтроны ионизируют атомы и молекулы живых клеток, в результате чего нарушается нормальный обмен веществ и изменяется характер жизнедеятельности клеток, отдельных органов и систем организма, что приводит к возникновению лучевой болезни.
Проникающая радиация поражает людей только на расстоянии 2-3 км от места взрыва даже для больших по мощности зарядов, однако нейтронный заряд специально сконструирован таким образом, чтобы увеличить долю проникающей радиации для нанесения максимального ущерба живой силе.
Кроме того, проникающая радиация может вызывать обратимые и необратимые изменения в материалах, электронных, оптических и других приборах за счет нарушения кристаллической решетки вещества и других физико-химических процессов под воздействием ионизирующих излучений.
Защитой от проникающей радиации служат различные материалы, ослабляющие гамма-излучение и поток нейтронов. Разные материалы по-разному реагируют на эти излучения и по-разному защищают.
От гамма-излучения хорошо защищают материалы, имеющие элементы с высокой атомной массой (железо, свинец, низкообогащённый уран). Но эти элементы очень плохо ведут себя под нейтронным излучением: нейтроны относительно хорошо их проходят и при этом генерируют вторичные захватные гамма-лучи, а также активируют радиоизотопы, надолго делая саму защиту радиоактивной (например, железную броню танка).
Нейтронное излучение в свою очередь хорошо поглощается материалами, содержащими лёгкие элементы (водород, литий, бор), которые эффективно рассеивают и поглощают нейтроны, при этом не активируются и гораздо меньше выдают вторичное излучение. Слои половинного ослабления нейтронного потока: вода, пластмасса 3-6 см, бетон 9-12 см, грунт 14 см, сталь 5-12 см, свинец 9-20 см, дерево 10-15 см. Лучше всех материалов поглощают нейтроны гидрид лития и карбид бора.
Слой половинного ослабления – толщина поглощающего материала, при прохождении через который интенсивность радиации уменьшается в два раза.
2.2.4. Радиоактивное заражение
Основными источниками радиоактивного заражения местности являются продукты деления ядерных боеприпасов и радиоактивные изотопы, образующиеся в результате воздействия нейтронов на материалы ядерного боеприпаса и на грунт в месте взрыва.
При наземном ядерном взрыве светящаяся область касается земли и образуется воронка выброса. Внутрь неё затягиваются массы испаряющегося радиоактивного грунта, продуктов деления ядерного заряда, которые поднимаются вверх. Охлаждаясь, пары продуктов деления и грунта конденсируются на твёрдых частицах. Образуется радиоактивное облако. Оно формируется на многокилометровой высоте и движется по ветру. Радиоактивные частицы, выпадая из облака на землю, образуют зону радиоактивного заражения местности, длина которой может достигать нескольких сотен километров. При этом заражается местность, инфра-структура, водоёмы, а также воздух.
Наибольшую опасность радиоактивные вещества представляют в первые часы после выпадения, т.к. их активность в этот период наивысшая.
Показатели вредного воздействия ионизирующих излучений
Основными показателями вредного воздействия ионизирующих излучений на живые организмы (человека) являются доза облучения и уровень радиации (мощность дозы излучения).
Доза облучения – количество энергии вредного ионизирующего излучения, поглощённое в единице массы облучаемого вещества в течение определённого времени (времени облучения – времени пребывания на заражённой местности) (измеряется в рентгенах, Р, или радах, рад).
Уровень радиации – интенсивность гамма-излучения, испускаемого радиоактивными веществами на заражённой местности (рентген в час, Р/ч; рад в час, рад/ч).
2.2.5. Электромагнитный импульс
При ядерном взрыве в результате сильных токов в ионизованном радиацией и световым излучением воздухе возникает сильнейшее переменное электромагнитное поле, называемое электромагнитным импульсом (ЭМИ).
Электромагнитный импульс – электрические и магнитные поля, возникающие в результате гамма-излучения ядерного взрыва на атомы окружающей среды и образования в этой среде потока электронов и положительных ионов.
Хотя оно и не оказывает никакого влияния на человека, воздействие ЭМИ повреждает электронную аппаратуру, электроприборы и линии электропередач. Помимо этого большое количество ионов, возникшее после взрыва, препятствует распространению радиоволн и работе радиолокационных станций.
Сила ЭМИ меняется в зависимости от высоты взрыва: в диапазоне ниже 4 км он относительно слаб, сильнее при взрыве 4-30 км, и особенно силён при высоте подрыва более 30 км.
Под воздействием ЭМИ во всех проводниках индуцируется высокое напряжение. Это приводит к пробоям изоляции и выходу из строя электроприборов — полупроводниковые приборы, различные электронные блоки, трансформаторные подстанции и т. д. В отличие от полупроводников, электронные лампы не подвержены воздействию сильной радиации и электромагнитных полей, поэтому они длительное время продолжали применяться военными.
2.3. Средства защиты от поражения ядерным оружием
Наиболее надёжным средством защиты от всех поражающих факторов ядерного взрыва являются защитные сооружения гражданской обороны.
При нахождении в зонах заражения для защиты органов дыхания, глаз и открытых участков тела от радиоактивных веществ используются средства защиты органов дыхания (противогазы, респираторы, протвопыльные тканевые маски и ватно-марлевые повязки), а также средства защиты кожного покрова.
Выводы по второму учебному вопросу
2. Поражающими факторами ядерного взрыва являются ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности и электромагнитный импульс. Ударная волна является основным поражающим фактором при взрыве ядерного (термоядерного) боеприпаса; при взрыве нейтронного боеприпаса основным поражающим фактором является проникающая радиация. Мощность поражающих факторов ядерного взрыва определяется мощностью ядерного боеприпаса, видом взрыва и условиями обстановки (метеорологические условия, рельеф местности).
3. Для защиты от поражающих факторов ядерного взрыва используются групповые (убежища) и индивидуальные (противогазы, респираторы, защитные костюмы) средства.