La comparsa delle testate nucleari ha reso improvvisamente disponibile un tipo di esplosivo di potenza tale da surclassare anche le più potenti bombe convenzionali. Queste armi hanno richiesto la creazione di nuove unità di misura, il Kiloton (kT) e il Megaton (MT), in grado di “quantificare” la potenza in migliaia o milioni di tonnellate equivalenti di trinitrotoluene (TNT). Ma il paragone è poco calzante: l’esplosione nucleare è di tipo differente.
In ogni caso l’esplosione di una bomba nucleare genera una sfera di fuoco (di dimensioni variabili a seconda della energia della bomba) con temperature anche tre volte quella della superficie solare. Nel caso di una esplosione al suolo o nella (bassa) atmosfera, la sfera di fuoco raffreddandosi e sollevandosi da’ luogo alla caratteristica configurazione a fungo.
Radiazione Termica
In una esplosione al suolo o nella bassa atmosfera la sfera di fuoco emette inizialmente (nel primo decimo di secondo) radiazioni con una grande componente di raggi X e ultravioletti che vengono assorbiti dall’aria circostante che acquista una grande temperature e per una frazione di secondo diventa quasi opaca. Si ha cioe’ una provvisoria diminuizione della radiazione (termica) a cui fa seguito una prolungata emissione di radiazione (termica) con una molto piu’ grande componente di raggi gamma nello spettro visibile ed infrarosso. Quindi una esplosione nucleare in bassa atmosfera e’ caratterizzata da un doppio flash (uno brevissimo e uno prolungato). La maggior parte della radiazione termica viene emessa durante il flash piu’ lungo.
Questo doppio flash e’ caratteristico delle esplosioni nucleari e, osservando da un satellite un doppio flash (con le carateristiche della fig 2.39), si puo’ ragionevolmente concludere che si e’ trattato di una esplosione nucleare. Per questo, quando un satellite Vela nel 1979 individuo’ un doppio flash nell’Atlantico meridionale si ritenne che si fosse trattato di una esplosione nucleare (probabile frutto della cooperazione nucleare tra Sud-Africa e Israele).
Anche a rischio di semplificare eccessivamente il discorso, possiamo dire che in una bomba di alto potenziale esplosivo gli effetti della radiazione termica sono molto piu’ rilevanti. Cioe’ una bomba di grande megatonnaggio e’ soprattutto un potente ordigno incendiario (si vedano ad esempio le fig. 7.84 & 7.87).
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Un particolare fenomeno e’ il cosiddetto “fire storm”. Se un esplosivo nucleare riscalda in modo particolare una certa zona, l’aria sopra questa zona si surriscalda e si sposta verso l’alto. Quindi l’aria circostante l’obiettivo viene attirata verso il centro della zona stessa. In questo modo tutto quanto c’e’ di combustile nella zona in questione viene completamente combusto e nulla resta nella zona che e’ stata bombardata. Hiroshima e Nagasaki sono stati sottoposte a firestorm.
Le esplosioni nucleari producono effetti immediati (lampo, onda d’urto, radiazioni) e ritardati per ore, mesi, anni. Nel momento “zero” si verifica una potente emissione di neutroni, raggi X e Gamma, e il lampo, di durata variabile a seconda della potenza. Successivamente si forma l’onda d’urto. L’emissione maggiore di raggi Gamma prosegue per almeno un minuto.
Al momento zero, la temperatura sale a 50-100 milioni di °C. Verso l’esterno vengono diffusi neutroni, raggi gamma e raggi X. Una frazione di secondo dopo, inizia la formazione della “sfera di fuoco”(Fireball), riscaldata dai raggi X a decine di milioni di °C, le cui dimensioni e tempo di formazione sono variabili a seconda della potenza.
Quello che appare come un lampo istantaneo, è un processo in realtà fisicamente complesso, con diversi passaggi intermedi e due picchi di energia. Per 20 kT, il raggio della “sfera” (airburst) è di 110 metri con una durata di 0,8 secondi. Per un’arma da 1 MT il raggio è di 530 metri e la durata di 4,5 secondi. Il tempo di emissione segue la formula T=Y^0,45. Il raggio della fireball cresce secondo l’equazione R=Y^0,4. A questo sono dovuti i differenti effetti termici: nel secondo caso il calore insiste per un tempo superiore.
Entro 0,3 secondi per un ordigno da 20 kT, o entro 1,8 secondi per uno da 1 MT, viene emesso il 50% della radiazione termica totale. Radiazione che sale al 75% rispettivamente entro 0,75 secondi e 4,5 secondi, a 7500°C, con emissione nell’infrarosso, nel visibile e nell’ultravioletto.
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Dura da meno di 1/10 di secondo per le testate sub-chilotoniche a molte decine di secondi per quelle multi-megatoniche. A breve distanza raggiunge oltre 1000W/cm2 (Sole=0,14W), come una torcia ad acetilene.
Nelle bombe più grandi il calore è emesso in un periodo più lungo, ma è compensato dall’aumento termico. E penetra di più per l’esposizione più lunga. Le nuvole, il fumo, la pioggia o la nebbia riducono molto la propagazione. In teoria, il raggio termico cresce secondo la radice quadrata della potenza. Nella realtà, l’incremento è minore, dato l’assorbimento atmosferico. Il calcolo presenta variazioni fino al 30 % tra 1 e 10 MT, e un aumento quasi lineare oltre i 10 MT per la lunga durata.
Nonostante l’intenso calore, l’effetto incendiario da onda termica per piccoli ordigni è limitato, per la breve durata e la bassa penetrazione. Provoca carbonizzazione superficiale, accensione temporanea, continua solo con foglie secche, giornali, tela scura, carta catramata, etc. Però può far esplodere serbatoi di carburante, incendiare le vernici protettive, deformare il plexiglas e la gomma, oltre ad incendiare i tessuti sintetici. I veicoli e gli aerei sono soggetti a vari danni.
L’effetto termico tende ad aumentare molto al crescere della potenza. Una bomba da 20 MT causa ustioni di 3° a 39 km, ma a quella distanza l’onda d’urto rompe solo le finestre.
Effetti delle Ustioni
- 2°: danno ai tessuti sotto pelle. Dolore e arrossamento seguiti da vesciche entro poche ore. Il tessuto può rigenerarsi e guarire, di solito senza cicatrici.
- 3°: tessuti distrutti, incluse le cellule staminali rigeneratrici. La guarigione, con ricrescita della pelle è lenta, con cicatrici. Serio rischio di infezione e perdita liquidi.
- 4°-5°: distrutti i tessuti sotto pelle: muscoli, tessuto connettivo etc.
Il 4 % della popolazione con ustioni di 3° a Hiroshima ha avuto cheratite per ore-giorni o cecità temporanea, per secondi o minuti, cosa che ha impedito di mettersi al riparo dall’onda d’urto. Con la distanza, la palla di fuoco appare più piccola ma danneggia sempre cornea e retina. Oltre 100 kT il riflesso delle palpebre protegge la retina.
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Onda d'Urto
L’arrivo dell’onda d’urto causa un picco istantaneo di sovrappressione. L’aria dietro l’onda viene accelerata ad alta velocità, creando pressione dinamica. La combinazione di sovrappressione e pressione dinamica causa i danni. La sovrappressione si misura in Atmosfere o in PSI, libbre per pollice quadrato, pari a 0,07 Atmosfere (1 ATM=14,7 PSI). La fase positiva dura 0,2-0,5 sec per 1 kT, fino a 4-10 sec per 10 MT. Segue un periodo doppio di pressione negativa, che può arrivare in alcuni punti a 13 PSI per ordigni potenti, finché l’atmosfera torna normale. Una data pressione è più distruttiva per le bombe più grandi, per la maggiore durata.
Vi è una relazione tra sovrappressione e pressione dinamica: è uguale a 70 PSI. Sotto 70, la pressione dinamica è minore. Sopra i 70 supera la sovrappressione.
Nel caso di un ordigno di 20 kT la fase positiva dura 1 secondo e quella negativa 2 secondi. Si potrebbe ritenere che lo scoppio più distruttivo sia al suolo, ma non è così. In una esplosione in aria, la sfera si espande e l’onda d’urto quando tocca il suolo viene riflessa, formando una seconda onda d’urto dietro la prima, che si muove più velocemente perché attraversa aria in movimento per il passaggio dell’onda diretta. L’onda riflessa raggiunge quella diretta e, per interferenza costruttiva, si combina per formare una singola onda con pressione raddoppiata (Mach stem), ad una distanza di solito pari alla quota di scoppio.
Per una data potenza esiste una sola quota di scoppio alla quale l’area soggetta ad una data pressione è massima (OBH: Optimum Burst Height). Nel caso di 5 PSI è di 220 metri per 1 kT. Per un ordigno da 20 kT è di 600 metri. Per uno da 1 MT è di 2200 metri, pari alla radice cubica della potenza moltiplicata per l’OBH di 1 kT. Lo scoppio in quota è impiegato negli attacchi Countervalue (contro le città).
L’effetto Mach aumenta le pressioni inferiori a 50 PSI. Così lo scoppio in aria dà pochi vantaggi se sono richieste forti pressioni. Il personale resiste allo scoperto anche a oltre 10 PSI, a parte la rottura dei timpani (2,4-12 PSI: 1-90 %). Ma i fabbricati crollati, schiacciano o soffocano chi è all’interno. L’implosione delle finestre e delle pareti scaglia schegge ovunque.
Effetti della Sovrappressione
- 0,7 PSI: Danni minori alla struttura delle abitazioni.
- 1 PSI: Vento a 64 km/h. Rottura di tutte le finestre, intelaiature danneggiate. Danni moderati, case inabitabili. Lacerazioni leggere da schegge di vetro e oggetti.
- 1,5 PSI: Pannelli di acciaio o alluminio corrugato deformati. Intelaiature in legno implose. Scardinamento soprastrutture leggere.
- 2 PSI: Vento a 113 km/h. Collasso parziale di muri, tramezzi e tetti. Asportazione porte, finestre e comignoli, crollo cornicioni.
- 2,5 PSI: Distruzione case in mattoni nel 50 % dei casi.
- 3 PSI: Vento a 164 km/h. Inizio crollo edifici residenziali, gravi lesioni, in particolare ai fabbricati alti. Linee elettriche molto danneggiate. Abbattuti il 30% degli alberi. 10 % di morti e 30 % di feriti gravi.
- 5 PSI: Vento a 262 km/h. Crollo maggior parte edifici residenziali con muri in mattoni di 20cm. Pali della luce divelti. Gravi danni alle costruzioni in traliccio metallico. Schiacciamento veicoli. Alberi abbattuti.
- 7 PSI: Vagoni ferroviari rovesciati. Crollo muri in mattoni di 30 cm.
- 8 PSI: Distruzione maggior parte fabbricati industriali.
- 10 PSI: Vento a 473 km/h.
- 12 PSI: Crollo muri in mattoni di 45 cm, crollo costruzioni in cemento armato leggero, distruzione-contorsione strutture metalliche .
- 18 PSI: Scardinamento ponti in acciaio, crollo edifici in cemento armato.
- 20 PSI: Vento a 810 km/h. distruzione totale, aree urbane livellate. Costruzioni in cemento armato pesante molto danneggiate o demolite. Danni leggeri ai carri armati, spostati di 1,5 metri. Danni gravi alle sovrastrutture e all’interno delle navi.
- 25 PSI: Danni gravi agli edifici antisismici.
- 40 PSI: Danni gravi ai carri armati.
- 50 PSI: Vento a 1500 km/h.
- 100 PSI: Vento a 2270 km/h. Distruzione bunker rinforzati e vecchi silo ICBM.
Gli effetti dell’onda d’urto aumentano secondo la radice cubica della potenza: R= Y^0,33 (Y in kT, raggio in km). Es.: un ordigno di 500 kT avrà una sovrappressione di 3 PSI a: 500^0,33=7774 metri.
Radiazione Nucleare e Fallout
La radiazione nucleare (composta da raggi gamma, neutroni, elettroni (detti anche raggi beta) e raggi alfa - cioe’ nuclei di Elio-) viene ripartita in radiazione nucleare iniziale (emessa entro un minuto dall’esplosione) e radiazione nucleare residua (emessa successivamente al primo minuto). Una forte dose di radiazione puo’ provocare la morte immediata o in un breve periodo.
Quando una bomba nucleare e’ fatta esplodere al suolo, in acqua o in aria ad un’altezza in cui la sfera di fuoco tocca il terreno, il terreno viene vaporizzato e mischiato con i prodotti di fissione (e il materiale fissile o fissionabile non fissionato). La nuvola che contiene il terreno vaporizzato con i prodotti fissione poi si raffredda e si distribuisce sul terreno seguendo principalmente la direzione del vento. Il termine fallout (ricadimento) radioattivo si riferisce a questo fenomeno.
A distanza di 60 anni l’atollo di Bikini non era ancora abitabile. Si noti che nelle vicinanze dell’atollo di Bikini dal 1946 al 1958 sono stati effettuati 25 test nucleari in superficie per una potenza esplosiva di oltre 78 Mt.
Impulso Elettromagnetico
L’impulso elettromagnetico si verifica quando viene fatta esplodere una bomba nucleare a grande altezza (qualche centinaio di kilometri). A grandi altezza i raggi gamma hanno un cammino medio molto lungo e interagiscono con l’atmosfera in corrispondenza dell’altezza del campo magnetico terrestre.
Esempi Storici e Stime
Quando la bomba atomica americana esplose su Hiroshima il 6 agosto 1945, lasciò ricordi drammatici delle tante persone che morirono. La bomba atomica da oltre 4.500 kg che esplose su Hiroshima liberò in una frazione di secondo un'enorme quantità di energia, equivalente a circa 15.000 tonnellate di TNT.
Fare previsioni precise sull’entità dei danni e sul numero di persone che potrebbero essere uccise dall’esplosione di una bomba nucleare è molto difficile, se non impossibile. Per una città con 4 milioni di abitanti, si può stimare che l’esplosione causi pressoché istantaneamente la morte di oltre 100mila persone in un raggio di 3 chilometri, con un altro mezzo milione di decessi nei giorni seguenti a causa delle gravi ferite, dell’impossibilità di fornire soccorsi dall’esterno e delle radiazioni in un’area fino a una decina di chilometri dal punto dell’esplosione.
Cosa Fare in Caso di Esplosione Nucleare
Per ripararsi dagli effetti di una bomba atomica o termonucleare, il modo migliore è rifugiarsi all’interno di un bunker antiatomico o diversi metri sottoterra, in metropolitane o cantine, e non uscire per almeno 12 ore. Fondamentale, dopo un'ipotetico attacco nucleare, è non mangiare cibo o bere acqua contaminati. Alcuni Paesi indicano nei loro protocolli d'emergenza l’assunzione di iodio per contrastare gli effetti della radioattività sulla tiroide.
Raggio d'Azione di Diverse Bombe Nucleari
Il raggio di azione entro cui si avvertono gli effetti di una bomba nucleare dipende dal tipo di ordigno che viene fatto esplodere. Negli arsenali delle principali potenze mondiali sono presenti bombe di diversa portata: dalla bomba di Hiroshima di 15 kilotoni, che può estendere il suo raggio di azione fino a 4,52 km, alla W76, in uso negli equipaggi di Usa e Gran Bretagna, che ha invece una potenza di 100 kilotoni e i cui effetti diretti possono essere avvertiti anche fino a 10 km dal punto dell'esplosione. La più grande bomba nucleare mai costruita, si trova nell'arsenale russo è la Tsar Bomb (chiamata anche Big Ivan). È una testata da 100 megatoni, tremila volte più potente di Little Boy e i suoi effetti possono essere avvertiti fino a 91 km di distanza.
La tabella seguente riassume il raggio d'azione e gli effetti di diverse bombe nucleari:
| Tipo di Bomba | Potenza | Raggio d'Azione (Effetti Diretti) |
|---|---|---|
| Little Boy (Hiroshima) | 15 kilotoni | 4,52 km |
| W76 (USA/Gran Bretagna) | 100 kilotoni | 10 km |
| Tsar Bomb (Russia) | 100 megatoni | 91 km |