В чём основное отличие между атмосферным и подземным ядерным взрывами?

На начальном этапе любого ядерного (равно как и термоядерного) взрыва вся его энергия выделяется в форме так называемой «первичной радиации», которая по большей части (почти на 99 %) находится в спектре рентгеновского излучения (а её оставшаяся часть — около 1 % — представлена гамма-излучением, которое вызывает радиационные поражения, плюс излучением в видимой части спектра, которое производит белую вспышку).

Поэтому почти вся энергия ядерного взрыва, представленная рентгеновскими лучами, расходуется на нагревание воздуха в радиусе десятков метров вокруг эпицентра ядерного взрыва. Это происходит потому, что рентгеновские лучи не могут путешествовать далеко в воздушной среде, в связи с тем, что их быстро поглощает воздух.

Нагревание такой относительно небольшой зоны воздуха вокруг эпицентра ведёт к тому, что возникает известный огненный шар, который является ничем иным, как раскалённым воздухом. Этот светящийся шар является причиной главных поражающих факторов ядерного взрыва — светового излучения и ударной волны, поскольку оба этих фактора происходят исключительно за счёт высоких температур вокруг его эпицентра.

Когда же речь заходит о подземном ядерном взрыве, тот тут картина совершенно иная. Поскольку вокруг «концевого бокса» отсутствует воздух, вся энергия, мгновенно высвобождаемая в момент ядерного взрыва в форме рентгеновских лучей, будет потрачена на нагревание окружающей породы.

В результате этого, порода перегреется, расплавится и испарится. Исчезновение испарённой породы вызовет появление подземной полости, размер которой напрямую зависит от взрывной мощности используемого ядерного боеприпаса.

Вы можете получить представление о том, сколько породы может испариться при подземном ядерном взрыве из приведённой ниже таблицы, в которой количества испаряемой и расплавляемой породы разного типа представлены по принципу «тонн породы на килотонну взрывной мощности»:

Пример: взрыв 150-килотонного термоядерного заряда, помещённого достаточно глубоко в гранитной породе, вызовет появление подземной полости диаметром примерно 100 метров — наподобие той, что показана на рисунке ниже:

Все небоскрёбы имеют фундамент, нижняя точка которого находится на глубине 20–30 метров ниже поверхности земли. Поэтому, возможно так рассчитать позицию «концевого бокса», чтобы ядерный взрыв создавал подземную полость, верхняя граница которой не доставала бы до поверхности земли, но доставала бы до нижней границы фундамента небоскрёба, который подлежит сносу.

Например, в конкретном случае с Башнями-Близнецами Всемирного Торгового Центра в Нью-Йорке их фундаменты располагались на глубине 27 метров. В то время как 150-килотонные термоядерные заряды, предназначенные для их сноса, были расположены на глубине 77 метров (считая от поверхности земли), или на 50 метров ниже подземных оснований Башен.

Такой термоядерный взрыв на глубине 77 метров создаст исключительно перегретую подземную полость, верхняя граница которой как раз достанет до нижней точки основания Башни, подлежащей сносу. Однако она не достанет до поверхности земли, до которой останется ещё 27 метров — поэтому окружающие здания не подвергнутся известным поражающим факторам ядерного взрыва (за исключением, вероятно, только радиоактивного заражения). Сносимая башня должна потерять точку опоры, в связи с исчезновением фундамента, и погрузиться в перегретую полость, температуры внутри которой должны быть высокими настолько, чтобы расплавить здание Башни полностью. Системы ядерного сноса здания № 7 Всемирного Торгового Центра и Сиэрс Тауэр в Чикаго были тоже рассчитаны подобным образом.

Однако есть ещё один фактор, который должен быть обязательно принят во внимание при расчётах системы ядерного сноса небоскрёбов. Это собственно испарённая порода (в данном случае гранитная), которая находится внутри подземной полости. Куда же должна деться вся эта бывшая каменная порода, перешедшая в газообразное состояние? Картина физических процессов при подземном ядерном взрыве является весьма интересной. Давайте рассмотрим её.

Типичные физические процессы во время идеально глубокого подземного ядерного взрыва:

1) Ядерный взрыв начинает нагревать породу вокруг эпицентра.

2) Порода испаряется. В результате исчезновения испарившейся породы возникает т. н. «первичная полость», наполненная бывшей породой, перешедшей в газообразное состояние. Исключительно высокое давление газов внутри полости стремится к её расширению. Расширение полости происходит за счёт окружающего слоя пока ещё твёрдой породы.

3) Полость достигает конечного «вторичного» размера за счёт того, что высокое давление газов расширяет полость от её первичного размера (показан пунктирной линией) до её вторичного размера. Поскольку расширение было за счёт окружающего слоя породы, этот окружающий слой породы оказывается очень плотно спрессованным.

4) Окончательная картина: белым цветом показана полость (её вторичный размер); синим — т. н. «зона смятия» — т. е. порода, полностью превращённая в микроскопический порошок с размером частицы порядка 100 микрон [сравнимо с диаметром человеческого волоса]; зелёным — т. н. «зона дробления» — т. е. зона частично или полностью раздробленной породы.

Диаграмма выше показывает все важные физические процессы при идеально глубоком (т. е. находящемся на достаточном удалении от поверхности земли) подземном ядерном взрыве. Из неё можно уяснить, что исключительно высокое давление испарённой породы внутри полости делает как минимум две важные вещи. 1) Оно расширяет саму полость от «первичного» размера до «вторичного». 2) Потому, что расширение происходит за счёт окружающих слоёв твёрдой породы, оно производит две зоны повреждений вокруг полости; каждая из эти двух зон представляет из себя разную степень повреждения этой породы.

Зона, непосредственно примыкающая к полости, на ядерном жаргоне называется «зоной смятия». Толщина этой зоны может быть сравнима с диаметром полости, а сама эта зона наполнена очень странным материалом: породой, полностью измельченной в порошок. Порошок является микроскопическим, со средним размером частицы порядка 100 микрон [чуть меньше толщины человеческого волоса]. Более того, данное состояние вещества внутри «зоны смятия» является уникальным — оно не встречается нигде в природе кроме как после подземных ядерных взрывов.

Если вы возьмете в руки камешек из этой зоны, но сделаете это очень аккуратно, то он всё ещё будет держаться вместе как одно целое и будет напоминать камень и по форме и по цвету. Однако стоит всего лишь сжать этот «камень» пальцами и он тут же рассыплется в микроскопический порошок, из которого он и состоит. Следующая за «зоной смятия» зона на профессиональном жаргоне называется «зоной дробления». Эта зона наполнена породой, раздробленной на различные куски — от очень мелких (размером в миллиметры), до относительно крупных фрагментов. Чем ближе к границе «зоны смятия», тем меньше будут такие куски, и чем дальше от эпицентра — тем крупнее. И, наконец, за границами «зоны дробления» практически не просматривается повреждений окружающей породы.

Однако выше мы рассмотрели физические процессы, которые справедливы для «идеально глубокого» подземного ядерного взрыва. Когда же ядерный заряд закопан недостаточно глубоко, картина будет слегка иной. Зоны «дробления» и «смятия» уже не будут идеально круглыми, как в предыдущем случае. Они будут скорее эллиптическими — т. е. сравнимыми по форме с яйцом, острый конец которого нацелен вверх, или даже ещё более вытянутыми вверх по сравнению с яйцом. Это происходит за счёт того, что давление испарённых газов встречает меньше сопротивления по направлению к земной поверхности (поскольку в этом случае поверхность находится слишком близко), и поэтому как «зона смятия», так и «зона дробления» распространяются вверх гораздо дальше, чем в любом другом направлении.