Effetti delle esplosioni nucleari

Test nucleare da 14 kt in Nevada, ottobre 1951.

Gli effetti delle esplosioni nucleari nella troposfera si dividono in quattro categorie, sulla base dell'energia che si sviluppa per ognuno di loro :^[1]

Esplosione o blast—40-50% dell'energia totale;
Irraggiamento termico—30-50% dell'energia totale;
Radiazioni ionizzanti—5% dell'energia totale;
Radiazione residua—5-10% dell'energia totale.

Descrizione

A seconda dell'arma utilizzata e dell'ambiente nel quale viene fatta detonare, l'energia distribuita tra queste categorie può essere incrementata o decrementata fino ad annullarsi. Per esempio, il blast è l'effetto del rilascio e dello scambio di enormi quantità di energia, tali da spaziare sull'intero spettro elettromagnetico, con tutto ciò che si trova attorno al punto di detonazione. Il fatto che il dispositivo esploda al suolo, in atmosfera o al di fuori di essa determina quanta energia venga liberata nel blast e quanta in radiazione. In linea di principio un mezzo più denso è capace di assorbire maggiore energia, e dunque vi si creano onde d'urto più potenti, al tempo stesso limitando l'area di massima distruzione della bomba.

Gli effetti maggiormente significativi di un'arma nucleare – esplosione e radiazione termica – sulle zone e sulle persone da essa direttamente colpite seguono lo stesso meccanismo di distruzione degli esplosivi convenzionali, con la differenza che l'energia liberata da un ordigno nucleare per grammo di esplosivo è milioni di volte più grande di quella di qualunque composto chimico, e che le temperature raggiunte attorno al punto di detonazione raggiungono brevemente i 10 MK.

Nelle fasi iniziali della detonazione, l'energia di un esplosivo nucleare viene rilasciata in diverse forme di radiazione penetrante. La materia con cui quest'energia interagisce (aria, acqua, roccia) raggiunge celermente la temperatura di ebollizione, vaporizzandosi ed espandendosi a grande velocità. L'energia cinetica creata da tale espansione contribuisce alla formazione di un'onda d'urto. Quando la detonazione ha luogo a bassa quota in atmosfera, vicino cioè al livello del mare o del terreno, la gran parte dell'energia rilasciata interagisce con l'atmosfera e crea un'onda che si espande sfericamente dall'ipocentro: l'intensa radiazione termica scatena una palla di fuoco (fireball) e, se la quota è sufficientemente bassa, una nube a fungo (il fungo atomico). In una detonazione ad alta quota, dove invece la densità dell'aria è bassa, molta più energia viene rilasciata come radiazione gamma ionizzante e X, piuttosto che come un'onda d'urto atmosferica.

Nel 1945 si creò un dibattito tra gli scienziati che stavano sviluppando la prima bomba nucleare sulla possibilità che si creasse un'esplosione nucleare grande abbastanza da incendiare l'intera atmosfera terrestre. Questo avrebbe implicato che la reazione nucleare tra due atomi di azoto fosse in grado di creare un atomo di carbonio e uno di ossigeno, con rilascio di un'energia tale da eccitare altri atomi di azoto al punto di farli reagire, proseguendo la reazione a catena fino all'esaurimento di tutto l'azoto atmosferico. Si dimostrò che una siffatta eventualità era così improbabile da essere considerata impossibile;^[2] ciononostante, una parte della comunità scientifica continuò a discuterne per molti anni.

Effetti diretti

Danno da esplosione

Curve di sovrapressione da 1 a 50 psi (da 6,9 a 345 kPa ) per un'esplosione aerea di 1 chilotone di TNT in funzione della quota di detonazione. La sottile curva nera indica l'altezza ottimale di detonazione per un dato raggio di massima distruzione al suolo.

Stima dell'estensione dei danni al suolo causati dal Bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki. Una moderna bomba all'idrogeno sarebbe decine^[3] di volte più potente e causerebbe simili livelli di distruzione a 2-5 volte la distanza indicata nel grafico.

Le alte temperature e pressioni causano un movimento radiale del gas in un sottile e denso guscio chiamato fronte idrodinamico. Il fronte agisce come un pistone che spinge contro la materia circostante, comprimendola e trasferendo la propria energia sotto forma di un'onda d'urto sferica. Inizialmente, tale onda si troverebbe all'interno della superficie della palla di fuoco, che ha origine in un volume d'aria grazie all'interazione delle molecole che la compongono con una massiccia dose di raggi X. Entro una frazione di secondo il denso fronte d'urto oscura la palla di fuoco, causando il caratteristico doppio impulso di luce che si nota nelle detonazioni nucleari.

Per le esplosioni aeree e vicine alla superficie circa il 50-60% dell'energia rilasciata finisce nell'onda del blast, a seconda delle misure della bomba e del rapporto tra energia rilasciata (yield) e peso dell'ordigno. Come regola generale, la frazione di energia che si perde nell'esplosione vera e propria è maggiore per le bombe che rilasciano meno energia o pesano maggiormente. Inoltre, tale frazione diminuisce nelle detonazioni ad alta quota, perché c'è meno massa d'aria che sia capace di assorbire l'energia di irraggiamento e sia capace di convertirla nell'onda d'urto: tale effetto è particolarmente evidente sopra i 30 km di quota, dove l'aria ha meno di un centesimo della densità che ha al livello del mare.

La gran parte della distruzione causata da un'esplosione nucleare è dovuta agli effetti del blast. La gran parte degli edifici, al di fuori delle strutture rinforzate e resistenti a onde d'urto, subiscono danni gravi quando vengono sottoposte a sovrapressioni di solo 35,5 kPa.

Il vento causato dall'esplosione può superare i 1000 km/h^{[senza fonte]}, e il raggio degli effetti diretti aumenta con la potenza rilasciata dall'arma, oltre che essere funzione della quota dello scoppio. Contrariamente al senso comune, il raggio di massima distruzione non è maggiore per detonazioni a terra o a bassa quota, ma aumenta con l'altitudine fino a una quota di scoppio ottimale per poi diminuire a seguito di detonazioni a quote più alte. La ragione di ciò sta nel comportamento non-lineare delle onde d'urto: quando il blast raggiunge il suolo esso viene riflesso, fondendosi con l'onda in arrivo se l'angolo di incidenza è più piccolo di un certo valore. Quando ciò accade, essi si fondono in un'onda orizzontale rinforzata (chiamata fronte di Mach, perché scoperta da Ernst Mach in fluidodinamica). Per ogni sovrapressione fissata, è possibile stabilire una quota di scoppio che massimizzi il raggio di esplosione.

Per esempio, In una tipica detonazione aerea dove la sovrapressione venga massimizzata per valori tra 35 e 140 kPa, si ottengono raggi di esplosione di 0,7 km a 1 kt, 3,2 km a 100 kt e 15 km per 10 Mt.

Sviluppo di un'esplosione nel Nevada Test Site, circa 1952.

Due fenomeni simultanei e distinti sono associati con l'onda esplosiva in aria:

Sovrapressione statica – l'aumento improvviso della pressione esercitato dalle onde d'urto. La sovrapressione in ogni punto è direttamente proporzionale alla densità dell'aria nell'onda.
Pressione dinamica – il trascinamento esercitato dai venti causati dall'esplosione. Questi venti spingono, smuovono e strappano oggetti. Le energie di trascinamento dei venti che seguono l'esplosione sono proporzionali al cubo delle loro velocità moltiplicate dalla loro durata (quantità di moto).

Gran parte del danno materiale causato da uno scoppio nucleare è dovuto a una combinazione di sovrapressioni statiche e venti molto forti: l'estesa compressione dell'urto indebolisce le strutture fisse, che vengono poi strappate via dal vento. Le fasi di compressione, vuoto e trascinamento insieme possono durare diversi secondi ciascuna, ed esercitare forze diverse volte più grandi di quelle causate dagli uragani più potenti.

Agendo sul corpo umano, le onde d'urto causano onde di pressione attraverso i tessuti. Tali onde danneggiano soprattutto le giunzioni tra i tessuti di diverse densità (muscolo e osso) o l'interfaccia tra i tessuti e l'aria. I polmoni e la cavità addominale, che contengono aria, vengono duramente colpiti, sviluppando così gravi emorragie o embolie, ognuna delle quali ha effetti rapidamente fatali. Una sovrapressione di circa 70 kPa può danneggiare seriamente i tessuti polmonari; i timpani più delicati possono rompersi a 22 kPa; tra 90 e 130 kPa si può essere certi che più della metà dei timpani si rompa.

Irraggiamento termico

L'altezza della nube a fungo per dispositivi scoppiati al suolo dipende dalla potenza rilasciata.
0 = Quota approssimativa a cui operano le linee aeree commerciali.
1 = Fat Man
2 = Castle Bravo.

Le armi nucleari emettono grandi quantità di radiazione elettromagnetica sotto forma di luce visibile, infrarossa e ultravioletta. I principali rischi sono ustioni e danni irreversibili agli occhi. In giornate sgombre da nubi e foschia, la dannosità degli effetti termici ed elettromagnetici può estendersi ben oltre il raggio d'azione dell'onda d'urto: la luce emessa è così potente che rapidamente si diffondono incendi sulle macerie lasciate dal blast. Il raggio d'azione degli effetti termici incrementa marcatamente con la potenza rilasciata dall'arma, costituendo il 35-45% dell'energia emessa, a seconda del tipo utilizzato.

Esistono due tipi di danno oftalmico derivanti dalla radiazione termica di un tale ordigno:

Abbagliamento – è causato dal brillantissimo flash iniziale prodotto dalla detonazione nucleare. In genere si tratta di un'energia luminosa maggiore di quanto possa essere tollerato, ma minore di quella richiesta per un danno irreversibile. La retina è particolarmente suscettibile alla luce visibile e alle fasce di radiazione infrarossa a più corta lunghezza d'onda poiché questa parte dello spettro elettromagnetico è focalizzato dal cristallino sulla retina stessa. Il risultato è uno sbiancamento dei pigmenti visuali e una cecità temporanea che può durare fino a 40 minuti.

Le ustioni visibili sulla schiena di una donna dopo il bombardamento atomico di Hiroshima. Le parti del suo kimono recanti un colore più scuro al tempo della detonazione corrispondono alle bruciature chiaramente visibili sulle parti dell'abito che sono state esposte all'irraggiamento termico mentre erano a contatto con la pelle. Poiché i kimono giapponesi non sono un tipo di abbigliamento particolarmente attillato, alcune parti non toccavano direttamente la pelle della donna, il che spiega le interruzioni nel disegno delle bruciature; le parti più vicine all'obi (la cintura) erano più strette sul corpo, e hanno causato bruciature più marcatamente visibili.

Ustione della retina – una bruciatura anche parziale della retina, con conseguente cicatrizzazione, causata dalla focalizzazione da parte del cristallino di una grande quantità di energia termica può causare danni irreparabili. Essa accade sostanzialmente quando la palla di fuoco è davvero all'interno del campo visivo dell'individuo, e sarebbe una lesione relativamente poco comune. Le ustioni della retina, comunque, possono verificarsi a distanze considerevoli dall'esplosione: le dimensioni relative della fireball, le quali sono funzioni della potenza rilasciata e del raggio di esplosione, determinano il grado e il livello di cicatrizzazione della retina. Una cicatrice nella parte centrale del campo visivo sarebbe senza dubbio più debilitante: più in generale è probabile l'insorgenza di difetti visuali limitati, spesso appena percepibili dalle vittime.

Quando la radiazione termica colpisce un oggetto, parte di essa viene riflessa, parte trasmessa e per il resto assorbita. La frazione che viene assorbita dipende dalla natura e dal colore del materiale: un materiale più sottile trasmetterà maggiormente; un materiale di colore chiaro rifletterà maggiormente e quindi verrà meno danneggiato. L'assorbimento della radiazione alza la temperatura superficiale degli oggetti, causando deformazioni, bruciature e, infine, incendio dei materiali sottoposti, specie se facilmente infiammabili (legno, carta, fibre tessili). Se i materiali che li compongono sono cattivi conduttori di calore, questo resterà confinato sulla superficie esterna.

L'ignizione effettiva degli oggetti dipende dalla durata dell'impulso termico, dallo spessore e dall'umidità. Nei pressi dell'ipocentro (ground zero) la fluenza termica supera 1,25 MJ/m² che causa l'immediata accensione di tutto ciò che può bruciare. Più lontano, si verificherà l'ignizione dei soli materiali più facilmente infiammabili: l'effetto incendiario globale è una composizione dell'accensione termica dei materiali con i fuochi secondari causati dagli effetti dell'onda pressoria, come l'esplosione di carburanti, stufe, depositi di gas.

A Hiroshima si verificò una spaventosa conflagrazione – tempesta di fuoco – che si sviluppò 20 minuti dopo l'attacco, e distrusse molti più edifici di quanto avesse già fatto la bomba. Una tempesta di fuoco causa potenti venti che soffiano verso il centro dell'incendio da ogni punto attorno a esso. Non si tratta tuttavia di un fenomeno peculiare delle esplosioni nucleari, essendo stato osservato frequentemente nei grandi incendi boschivi a seguito dei raid incendiari scatenati durante la seconda guerra mondiale.

Poiché la radiazione termica viaggia più o meno in linea retta dalla palla di fuoco, ogni oggetto opaco produrrà un'ombra protettiva. In presenza di nebbie o foschie, la diffusione dell'energia termica scalderà gli oggetti da ogni direzione, riducendo radicalmente l'effetto protettivo dell'oscuramento, diminuendo però nel contempo il raggio d'azione dell'irraggiamento stesso.

Effetti indiretti

Radiazione elettromagnetica

Lo stesso argomento in dettaglio: Impulso elettromagnetico.

I raggi gamma provenienti da un'esplosione nucleare producono elettroni ad alta energia per effetto Compton. Questi elettroni vengono catturati nel campo magnetico terrestre ad altitudini tra i 20 e i 40 km, dove entrano in risonanza. La corrente elettrica in oscillazione produce un impulso elettromagnetico coerente (EMP) che dura circa un millisecondo. Gli effetti secondari possono durare più di un secondo.

L'impulso è abbastanza potente da indurre potenziali elettrici molto alti tra oggetti metallici (come i cavi di rame), che fungono da antenne quando l'impulso passa. Le enormi differenze di potenziale, e le forti correnti elettriche ad esse associate possono distruggere completamente i componenti elettronici non schermati e molti collegamenti elettrici. La componente ionizzata dell'atmosfera rende difficoltoso o impossibile anche la trasmissione di onde radio che normalmente rimbalzerebbero sulla ionosfera.

Si possono schermare gli apparecchi elettronici avvolgendoli completamente in un materiale conduttore, in modo da creare una gabbia di Faraday. Naturalmente, gli apparecchi radio non possono operare quando sono schermate, perché le onde radio non possono raggiungerli in tali condizioni, né possono diffondersi dall'interno di una gabbia di Faraday.

Non vi sono conseguenze biologiche note a seguito degli EMP.

Radiazione ionizzante

Circa il 5% dell'energia rilasciata in una detonazione nucleare aerea viene emessa nella forma di radiazione ionizzante: radiazione neutronica, raggi gamma, particelle alfa ed elettroni a velocità prossime a quelle della luce. I raggi gamma sono onde elettromagnetiche ad alta energia, le altre sono particelle che si muovono a velocità subluminali. I neutroni sono prodotti quasi esclusivamente dalle reazioni di fissione e fusione nucleare, mentre la radiazione gamma iniziale proviene sia dalle reazioni nucleari sia dal decadimento a breve termine dei sottoprodotti della fissione.

L'intensità della radiazione nucleare iniziale diminuisce rapidamente con la distanza dall'ipocentro, perché la radiazione si estende su un'area progressivamente più grande mentre si allontana dal punto d'impatto. Essa viene ridotta anche dall'assorbimento atmosferico e dalla diffusione.

Il carattere della radiazione in un dato luogo dipende e varia grandemente in funzione della distanza dall'esplosione: vicino all'ipocentro, l'intensità dei neutroni liberi è maggiore della radiazione gamma, ma con l'aumentare della distanza questo rapporto si ribalta. Infine, il componente neutronico della radiazione iniziale diventa trascurabile rispetto al componente gamma. Il range di diffusione della radiazione iniziale non dipende marcatamente dalla potenza dell'ordigno, e all'aumentare di questa il pericolo costituito dalla radiazione in sé diventa meno significativo rispetto alla potenza distruttiva della sovrapressione e dell'effetto termico. Con le armi nucleari più potenti, sopra i 50 kt (200 TJ) questi ultimi sono così potenti e distruttivi che l'effetto delle radiazioni può essere ignorato.

La radiazione neutronica ha l'effetto di trasmutare lo stato atomico della materia che subisce il bombardamento, spesso rendendola radioattiva. Quando si unisce alle polveri di materiale radioattivo rilasciate dalla bomba stessa, una grande quantità di sostanze radioattive molto leggere si spargono nell'ambiente: questa forma di contaminazione radioattiva è nota come fallout nucleare, e costituisce il rischio primario di esposizione a radiazione ionizzante per le grandi armi nucleari.

Terremoti

L'onda di pressione di un'esplosione sotterranea si espande attraverso il terreno e causa un piccolo terremoto.^[4] La teoria suggerisce che una detonazione nucleare potrebbe scatenare una rottura tra le faglie e dunque un terremoto di piccola intensità a distanze entro alcune decine di km dall'epicentro.^[5]

Riepilogo degli effetti

La seguente tabella vuole essere un riassunto indicativo delle conseguenze dirette e indirette di una detonazione nucleare.


Effetti	Potenza emessa / Quota raggiunta dall'esplosione
Effetti	1 kT / 200 m	20 kT / 540 m	1 MT / 2.0 km	20 MT / 5,4 km
Raggio a terra del danno da detonazione GR / km
Aree urbane completamente rase al suolo 138 kPa	0,2	0,6	2,4	6,4
Distruzione di gran parte degli edifici civili 34,5 kPa	0,6	1,7	6,2	17
Danno moderato agli edifici civili 6,9 kPa	1,7	4,7	17	47
Carrozze ferroviarie spinte fuori dai binari e schiacciate 62 kPa; valori per armi fuori dai 20 kT sono estrapolate per mezzo del metodo della radice cubica)	≈0,4	1,0	≈4	≈10
Raggio a terra del danno termico GR / km
Conflagrazione	0,5	2.0	10	30
Ustioni di terzo grado (tessuto necrotico)	0,6	2,5	12	38
Ustioni di secondo grado (flittene, edema)	0,8	3,2	15	44
Ustioni di primo grado (eritemi)	1,1	4,2	19	53
Raggio obliquo^[6] di sintomi legati all'istantaneo bombardamento radioattivo SR / km
Dose totale letale^[7] (neutroni e raggi gamma)	0,8	1,4	2,3	4,7
Dose totale per avvelenamento da radiazioni^[7]	1,2	1,8	2,9	5,4

Effetti permanenti

Una portata massiccia di esplosioni nucleari potrebbe causare la scomparsa della vita sulla Terra e l'estinzione della razza umana, portando il pianeta a uno stato primitivo, selvaggio e inospitale per qualunque essere vivente.

Note

^ U.S. Department of Health and Human Services, Nuclear Explosions: Weapons, Improvised Nuclear Devices ^{[collegamento interrotto]}, su remm.nlm.gov, 16 feb 2008. URL consultato il 27 ago 2010.
^ http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00329010.pdf
^ the nuclear information project: publications
^ Alsos: Nuclear Explosions and Earthquakes: The Parted Veil, su alsos.wlu.edu. URL consultato il 1º febbraio 2009 (archiviato dall'url originale il 10 marzo 2012).
^ Frequently Asked Questions Archiviato il 26 maggio 2006 in Internet Archive.
^ Per gli effetti diretti da radiazioni viene mostrato il raggio obliquo, ossia l'effettiva distanza tra l'osservatore e l'esplosione, perché alcuni effetti non sono percepibili nemmeno all'ipocentro per alcune quote di scoppio. Se l'effetto è percepibile a ground zero, il raggio a terra può essere semplicemente ottenuto tramite il raggio obliquo e la quota di detonazione (teorema di Pitagora).
^ ^a ^b L'avvelenamento da radiazioni corrisponde qui alla dose di 1 Gy, e la dose letale a 10 Gy. Si noti che queste sono semplici stime, poiché non vengono prese in considerazione tutte le condizioni biologiche.