如何产生一个蘑菇云？爆炸的“外形”蕴含什么信息

　　颜色和形状是能量及物质作用的体现。多种类型的爆炸或撞击都可能产生蘑菇云。

　　贝鲁特爆炸现场。|来自网络

　　作者 | 高佩雯 龙浩

　　8月4日，黎巴嫩首都贝鲁特发生巨大爆炸，一时间，“核爆”二字随着现场“蘑菇云”照片在社交媒体上疯传。很多专业人士看到图片第一眼，就断定：这不可能。

　　“从爆炸的颜色可以看出，它没有热到足以成为核爆。”“核爆开始时总是会有白色和黄色的闪光。”“通常蘑菇云停留的时间要长得多。”……

　　仅靠一张图就能得出这样确定的信息吗？是的，颜色和形状是能量及物质作用的体现。

　　而且蘑菇云也不一定要核爆才能产生，其他大规模爆炸也可能产生蘑菇云。

　　蘑菇云是怎样产生的？

　　蘑菇云是大爆炸的结果，通常和核爆联系在一起。但也可以是其他爆炸或撞击引起。

　　如果用最简单的话来概括，要形成一个蘑菇云，爆炸（或撞击）需要制造一个非常热的高压气团。这个气团飞速膨胀而快速上升，并将周边的物质如灰尘、水汽也拖了上去，形成了蘑菇茎。

　　当气团上升到足够高时，它的温度逐渐冷却，密度开始和周围的空气持平，于是停止蹿升。这些气体连带裹挟着的碎片和蒸汽等向周围溢出，形成了蘑菇的顶。

　　可见，任何高能量爆炸都可能产生蘑菇云，包括核爆、热压武器（一种用高热高压气体打击目标的新型武器）、化学品爆炸、火山爆发或小行星撞击等。

　　加勒比海区的苏佛里耶(Soufriere)火山喷发形成蘑菇云，被一位旅客在飞机上拍到。|来自网络

　　我们看到的核爆照片通常多种多样。有的是火焰蘑菇，有的是灰色或棕褐色蘑菇，有的是乳白色大胖蘑菇，颜色和姿态各不相同。

　　了解一朵“标准”的蘑菇云，或有助于我们理解其他“蘑菇”类型。当然也包括贝鲁特的硝酸铵爆炸蘑菇云。——那棕红色的蘑菇和一闪而过的白色“罩体”，可是疑惑了不少人。

　　一朵典型的蘑菇云

　　一朵典型的蘑菇云，一般由近地面的核爆引起。并且地下（水下）或高空核爆都不行。

　　无论是地爆还是空爆，某种程度上都大同小异，都是闪光→火球→蘑菇状烟云→连环爆响。

　　闪光，是核装置被引爆的标志，时间极短，通常不到1毫秒。（在这一瞬间，爆心能量快速释放发出强光。但立刻就被第一轮冲击波压缩产生的超高温电离空气遮挡住了。这种闪光，和火球一起称为“双闪”，是核爆的典型征象。）

　　随后是火球。圆而明亮，一边增大一边上升（这时电离空气已经冷却而变得透明，爆心的光线再次释放）。因受到地面反射的冲击波的影响，其底部会变形，形成上圆下平、底部凹陷的馒头形状。其内部是由空气、弹体及周边物质被加热而形成的等离子体（即高温火焰成分）。

　　接着，火球熄灭，外形由大变小。其中被加热的物质冷却形成灰白或棕褐色的烟云。烟云的颜色和爆高（爆炸的高度）有关，爆高越低，卷入的尘土比例越大，烟云颜色就越深。虽然烟云是火球冷却形成，但依然非常高热高压。

　　烟云会继续膨胀和上升，同时因为地面反射的冲击波的作用，在地面爆心投影点区域被掀起的尘柱也跟着上升，经过一段时间追及烟云，形成一朵典型的蘑菇云。

　　各种蘑菇云和核爆照片。下面3张为世界首颗氢弹（Mike）爆炸后依次的三个状态。|素材来自网络

　　可以得知，如果是直接在地面爆炸，烟云和尘柱一开始就在一起，颜色较深暗且尘柱粗大。如果是在低空爆炸，尘柱会追及烟云。如果是在特别高的高空爆炸，则尘柱无法追及烟云，只能各自美丽，没有蘑菇云。（如果爆炸的当量（能量）更大一些，这个临界高度就可以更高。）

　　此外，核爆当量会直接决定火球和烟云的大小，还会影响烟云上升的高度。当核爆当量较大时，蘑菇云会直达对流层顶（大约离地面12千米），那里温度很低，水汽会大量凝结，包裹住烟云，形成非常白的、尺寸稳定的大蘑菇。核爆当量更大时，蘑菇云甚至会穿过对流层顶，抵达平流层，尺寸也更大了。

　　由于冲击波的特点，在核爆过程中，根据距离远近，还会先后听到连续的声响，有人形容像暴雨，也有人说像气球爆炸。随之而来的是大量放射尘，会降落到物体表面造成持续危害。

　　贝鲁特大爆炸

　　这次发生在贝鲁特港口的大爆炸，现场声音震耳欲聋，据悉已造成超过135人死亡，约5000人受伤，数十人下落不明。

　　爆炸产生的蘑菇云，弥漫了城市的天际线。周围大片建筑被荡平。

　　贝鲁特爆炸动图。|来自网络

　　官方透露，本次事故系存放在港口仓库中的2750吨硝酸引起。这些硝酸铵在6年前被海关扣押，一直未挪出过港口，也未采取任何安全措施。黎巴嫩政府已出动军方软禁了2014年以来的所有仓库负责人，要求迅速调查并提交结果。

　　硝酸铵是一种氮肥，也是一种炸药，加热或撞击都可能引爆，常用于采矿和建筑爆破。大量硝酸铵爆炸就会产生蘑菇云。

　　从现场视频可见，先是白色烟云冒起，伴随炸裂的砰砰声响。随后有火球和红棕色蘑菇云出现。之后白色球状的气体迅速从爆炸区散开。

　　爆炸现场视频截图。|来自网络

　　白色烟云无疑是火灾引起。其后红棕的颜色来自高浓度的二氧化氮，这是硝酸铵分解时产生的化学物质。一闪而过的白色球状气体，则是爆炸产生的冲击波使空气中的水分凝结。*这有些类似于核爆“双闪”之间浓厚气体对爆心光线的阻挡。

　　因为在爆炸时，爆炸中心的压力急剧升高，会使周围空气猛烈振荡形成波动（温度、压强和密度均发生跃变），并以超音速向周围冲击。冲击波是高压快速移动的区域，紧接其后的是压力和温度的突然下降，这就引起了水分凝结。——同样的效果在飞行速度接近或高于音速的飞机周围也会产生。

　　据测算，这次爆炸的当量在300~700吨TNT之间（华尔街日报），相当于港口挨了一颗小型战术核弹。产生的地震波相当于4.5级地震，连远在几百英里外的塞浦路斯居民都有震感。形成蘑菇云也就毫不奇怪了。

　　当地华人回忆，当时整栋楼都在摇晃，巨大冲击波袭来，让人误以为遭遇导弹袭击。

　　事发前后高清卫星图对比显示，在爆炸的瞬间，港区地貌被强行物理改变，码头上一块原本是陆地的位置消失，强大的威力直接就地挖出一个直径约140米的巨坑，尺寸超过足球场 。数百米外的7000吨级游轮“东方女王号”被炸沉。

　　爆心地区前后对比图，港口被挖出一个巨坑。|CNN

　　以色列方紧急撇清关系，表明与自己无关。贝鲁特州长则称此爆炸是一场类似广岛的国家灾难。惨烈程度让人想起同是硝酸铵引发的1974年的美国德州格兰德坎普号货轮爆炸事件，那是美国历史上最严重的工业灾难。

　　1974年格兰德坎普号货轮爆炸照片。被称为美国历史上最严重的工业灾难。当时货舱里2300吨硝酸铵化肥被引爆，窜起的火球击落上空飞过的两架飞机，并在周围引发海啸。周边货轮、化工厂、炼油厂接连被引爆 ，最终造成581人死亡，超3500人受伤，直接迫使美国改变了硝酸铵的运输和分装标准。|来自网络

　　从爆炸中逃生

　　当然，与核爆相比，化学品爆炸一般引起较小的冲击波和火热伤害，外加有毒气体。而核爆可以产生更多维的打击，比如：

　　闪光会造成短暂失明，冲击波可在几英里外致人死亡，辐射会伤害身体细胞，火球和热量会导致烧伤和死亡，电磁脉冲可破坏几英里内的电力系统和电子设备，并在更大范围内造成通讯干扰，沉降物则会导致持续的放射性污染。

　　面对爆炸，普通人应该怎么办呢？无论是一般爆炸还是核爆，爆炸中心的人几乎在劫难逃。但稍远一些还是可以采取一些措施降低损伤。因为冲击波会比光延后到达，看到浓烟和闪爆应该立刻避开，躲到建筑墙体之后，避免直接打击和抛物打击。

　　如果周围没有建筑物，应立刻背朝爆炸物方向卧倒，双手护住头部，双腿交叠护裆。同时为了防止地面震动引发脏器损伤，应用肘部接触地面，保持头胸部到地面之间有一定空隙。

　　如果是核爆，根据美国国土安全部防护说明，还应以最快速度转移到室内，并尽量远离外墙和屋顶，去到建筑中心或地下室。同时尽快去除被污染的衣物，清洗裸露的皮肤和头发，不吃暴露在室外的食物。要尽可能去最近、最好的避难所，在余尘到来之前都呆在里面。

　　就目前而言，因为核弹的威力过于巨大，任何国家都不太可能将其用于战争，我们受到核弹袭击的可能性微乎其微。但核污染和化工爆炸事件同样值得警惕。希望这些求生方法我们永远也别用到。

　　参考信息：

　　央视新闻，CNN，美国国土安全部，中国科学报等

　　1、升腾岛国的蘑菇云──美国原子弹袭击日本广岛、长崎内幕。陈汉忠，南京史志，1995-04-15

　　2、蘑菇云宽度变化率与核爆炸当量的函数关系。金良安、王孝通、张明虎、杨常清，高压物理学报，2003-09-25

　　3. 蘑菇云之谜，范一超，世界科学，1986-06-30

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