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Efectos de las explosiones nucleares

Una serie de pruebas de efectos de armas nucleares realizadas por Estados Unidos en Nevada, que muestran quemaduras térmicas iniciales seguidas de una explosión y un frente de c...

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Una serie de pruebas de efectos de armas nucleares realizadas por Estados Unidos en Nevada, que muestran quemaduras térmicas iniciales seguidas de una explosión y un frente de choque contra varios tipos de vehículos e infraestructuras.

Los efectos causados ​​por una explosión nuclear en su entorno inmediato suelen ser mucho más destructivos y multifacéticos que los causados ​​por explosivos convencionales . En la mayoría de los casos, la energía liberada por un arma nuclear detonada en la atmósfera inferior se puede dividir aproximadamente en cuatro categorías básicas: [ 1 ]

Dependiendo del diseño del arma y del lugar donde se detona, la energía distribuida a cualquiera de estas categorías puede ser significativamente mayor o menor. El efecto de explosión física se crea por el acoplamiento de enormes cantidades de energía, que abarcan el espectro electromagnético , con el entorno. El entorno de la explosión (por ejemplo, submarino, explosión terrestre , explosión aérea o exoatmosférica) determina cuánta energía se distribuye a la explosión y cuánta a la radiación. En general, rodear una bomba con medios más densos, como el agua, absorbe más energía y crea ondas de choque más potentes al tiempo que limita el área de su efecto. Cuando un arma nuclear está rodeada solo de aire, los efectos letales de explosión y térmicos escalan proporcionalmente mucho más rápido que los efectos letales de radiación a medida que aumenta el rendimiento explosivo . Esta burbuja es más rápida que la velocidad del sonido . [ 3 ] Los mecanismos de daño físico de un arma nuclear (explosión y radiación térmica) son idénticos a los de los explosivos convencionales, pero la energía producida por una explosión nuclear suele ser millones de veces más potente por unidad de masa, y las temperaturas pueden alcanzar brevemente las decenas de millones de grados.

La energía de una explosión nuclear se libera inicialmente en diversas formas de radiación penetrante. Cuando hay material circundante, como aire, roca o agua, esta radiación interactúa con él y lo calienta rápidamente hasta alcanzar una temperatura de equilibrio (es decir, de modo que la materia esté a la misma temperatura que el combustible que impulsa la explosión). Esto provoca la vaporización del material circundante, lo que resulta en su rápida expansión. La energía cinética creada por esta expansión contribuye a la formación de una onda de choque que se expande esféricamente desde el centro. La intensa radiación térmica en el hipocentro forma una bola de fuego nuclear que, si la explosión se produce a una altitud suficientemente baja, suele estar asociada a una nube en forma de hongo . En una explosión a gran altitud, donde la densidad de la atmósfera es baja, se libera más energía en forma de radiación gamma ionizante y rayos X que en forma de onda de choque que desplaza la atmósfera.

Efectos directos

Daños por explosión

La sobrepresión varía de 1 a 50 psi (6,9 a 345 kilopascales) de una explosión aérea de 1 kilotón de TNT en función de la altura de la explosión. La delgada curva negra indica la altura óptima de la explosión para un alcance terrestre determinado. Los planificadores militares prefieren maximizar el alcance en el que se extienden 10 psi o más al atacar objetivos civiles; por lo tanto, se preferiría una altura de explosión de 220 m para una explosión de 1 kilotón. Para encontrar la altura óptima de la explosión para cualquier potencia de arma, se multiplica la raíz cúbica de la potencia en kilotones por la altura ideal de la explosión para una explosión de 1 kt; por ejemplo, la altura óptima de la explosión para un arma de  500 kt es de aproximadamente 1745 m. [ 4 ] 
Una estimación de la magnitud de los daños causados ​​por los bombardeos atómicos de 16  kt y 21  kt sobre Hiroshima y Nagasaki .

Las altas temperaturas y la radiación hacen que el gas se mueva radialmente hacia afuera en una capa delgada y densa llamada "frente hidrodinámico". El frente actúa como un pistón que empuja y comprime el medio circundante para crear una onda de choque que se expande esféricamente . Al principio, esta onda de choque se encuentra dentro de la superficie de la bola de fuego en desarrollo, que se crea en un volumen de aire calentado por los rayos X "suaves" de la explosión. En una fracción de segundo, el denso frente de choque oculta la bola de fuego y continúa moviéndose más allá de ella, expandiéndose hacia afuera y separándose de la bola de fuego, lo que provoca una reducción de la luz que emana de una detonación nuclear . Finalmente, la onda de choque se disipa hasta el punto en que la luz vuelve a ser visible, dando lugar al característico doble destello causado por la interacción onda de choque-bola de fuego. [ 5 ] Es esta característica única de las explosiones nucleares la que se aprovecha para verificar que se ha producido una explosión nuclear atmosférica y no simplemente una gran explosión convencional, con instrumentos radiómetros conocidos como Bhangmeters capaces de determinar la naturaleza de las explosiones.

En el caso de explosiones aéreas a nivel del mar o cerca de él, entre el 50 % y el 60 % de la energía de la explosión se convierte en onda expansiva , dependiendo del tamaño y la potencia de la bomba . Por regla general, la fracción de onda expansiva es mayor en armas de baja potencia. Además, disminuye a gran altitud debido a la menor cantidad de aire que absorbe la energía de la radiación y la transforma en onda expansiva. Este efecto es especialmente importante a altitudes superiores a 30  km, lo que corresponde a menos del 1 % de la densidad del aire a nivel del mar.

Se descubrió que los efectos de una tormenta de lluvia moderada durante una explosión nuclear de la Operación Castle atenuaban o reducían los niveles de presión máxima en aproximadamente un 15 % en todos los rangos. [ 6 ]

"Los efectos generales de las bombas atómicas en Hiroshima y Nagasaki". Describe los efectos, en particular los efectos de la explosión, y la respuesta de varios tipos de estructuras a los efectos de las armas.

Gran parte de la destrucción causada por una explosión nuclear se debe a los efectos de la onda expansiva. La mayoría de los edificios, excepto las estructuras reforzadas o resistentes a explosiones, sufrirán daños moderados al ser sometidos a sobrepresiones de tan solo 35,5 kilopascales (kPa) (5,15 libras-fuerza por pulgada cuadrada o 0,35 atm). Los datos obtenidos de estudios japoneses tras los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki revelaron que 8 psi (55 kPa) eran suficientes para destruir todas las estructuras residenciales de madera y ladrillo. Esto puede definirse razonablemente como la presión capaz de producir daños graves. [ 6 ]  

El viento de la explosión a nivel del mar puede superar los 1000 km/h (600 mph; 300 m/s) , acercándose a la velocidad del sonido en el aire. El alcance de los efectos de la explosión aumenta con el rendimiento explosivo del arma y también depende de la altitud de la explosión. Contrariamente a lo que podría esperarse por la geometría, el alcance de la explosión no es máximo para explosiones en superficie o a baja altitud, sino que aumenta con la altitud hasta una "altitud óptima de explosión" y luego disminuye rápidamente para altitudes más altas. Esto se debe al comportamiento no lineal de las ondas de choque. Cuando la onda expansiva de una explosión aérea llega al suelo, se refleja. Por debajo de cierto ángulo de reflexión, la onda reflejada y la onda directa se fusionan y forman una onda horizontal reforzada, conocida como " tallo de Mach ", y es una forma de interferencia constructiva . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Este fenómeno es responsable de los picos o "rodillas" en el gráfico de rango de sobrepresión anterior.   

Para cada sobrepresión objetivo, existe una altura de explosión óptima en la que se maximiza el alcance de la explosión sobre objetivos terrestres. En una explosión aérea típica, donde el alcance de la explosión se maximiza para producir el mayor alcance de daño severo, es decir, el mayor alcance sobre el que se extiende una presión de ~ 10 psi (69 kPa) , es un alcance GR/terreno de 0,4 km para 1 kilotón (kt) de TNT; 1,9 km para 100 kt; y 8,6 km para 10 megatones (Mt) de TNT. La altura óptima de la explosión para maximizar este alcance de destrucción severo deseado en tierra para una bomba de 1 kt es de 0,22 km; para 100 kt, 1 km; y para 10 Mt, 4,7 km.             

Dos fenómenos distintos y simultáneos están asociados con la onda expansiva en el aire:

  • Sobrepresión estática , es decir, el aumento brusco de presión ejercido por la onda de choque. La sobrepresión en cualquier punto dado es directamente proporcional a la densidad del aire en la onda.
  • Presiones dinámicas , es decir, la resistencia ejercida por los vientos de la onda expansiva necesarios para formar la onda expansiva. Estos vientos empujan, hacen girar y desgarran los objetos.

La mayor parte de los daños materiales causados ​​por una explosión nuclear en el aire se deben a la combinación de las altas sobrepresiones estáticas y los vientos de la onda expansiva. La prolongada compresión de la onda expansiva debilita las estructuras, que luego son destruidas por los vientos. Las fases de compresión, vacío y arrastre pueden durar varios segundos o más, y ejercen fuerzas muchas veces mayores que las del huracán más fuerte .

Al actuar sobre el cuerpo humano, las ondas de choque provocan ondas de presión a través de los tejidos. Estas ondas dañan principalmente las uniones entre tejidos de diferente densidad (hueso y músculo) o la interfaz entre el tejido y el aire. Los pulmones y la cavidad abdominal , que contienen aire, resultan particularmente afectados. El daño causa hemorragias graves o embolias gaseosas , cualquiera de las cuales puede ser rápidamente mortal. Se estima que la sobrepresión necesaria para dañar los pulmones es de aproximadamente 70 kPa. Algunos tímpanos probablemente se romperían a unos 22 kPa (0,2 atm) y la mitad se rompería entre 90 y 130 kPa (0,9 a 1,2 atm).

radiación térmica

Imágenes silenciosas del USSBS ( United States Strategic Bombing Survey ) que son principalmente un análisis de las quemaduras repentinas sufridas por los supervivientes de Hiroshima. A las 2:00, como es típico de las formas de las quemaduras solares, la protección que brinda la ropa, en este caso, los pantalones, con la enfermera señalando la línea de demarcación donde los pantalones comienzan a proteger completamente la parte inferior del cuerpo de las quemaduras. A las 4:27 se puede deducir por la forma de la quemadura que el hombre estaba de cara a la bola de fuego y llevaba un chaleco en el momento de la explosión, etc. Muchas de las lesiones por quemaduras presentan patrones de curación queloides elevados . 25 mujeres supervivientes requirieron extensas cirugías después de la guerra y fueron denominadas las doncellas de Hiroshima .

Las armas nucleares emiten grandes cantidades de radiación térmica en forma de luz visible, infrarroja y ultravioleta, a la cual la atmósfera es en gran medida transparente. Esto se conoce como "destello". [ 10 ] Los principales peligros son quemaduras y lesiones oculares. En días despejados, estas lesiones pueden ocurrir mucho más allá del alcance de la explosión, dependiendo de la potencia del arma. [ 3 ] Los incendios también pueden iniciarse por la radiación térmica inicial, pero los fuertes vientos posteriores debido a la onda expansiva pueden extinguir casi todos estos incendios, a menos que la potencia sea muy alta, donde el alcance de los efectos térmicos supera ampliamente el de los efectos de la explosión, como se observa en explosiones en el rango de los megatones. [ 3 ] Esto se debe a que la intensidad de los efectos de la explosión disminuye con la tercera potencia de la distancia a la explosión, mientras que la intensidad de los efectos de la radiación disminuye con la segunda potencia de la distancia. Esto da como resultado que el alcance de los efectos térmicos aumente notablemente más que el alcance de la explosión a medida que se detonan potencias cada vez mayores de los dispositivos. [ 3 ]

La radiación térmica representa entre el 35 y el 45 % de la energía liberada en la explosión, dependiendo del rendimiento del dispositivo. En áreas urbanas, la extinción de incendios provocados por radiación térmica puede ser de poca importancia, ya que en un ataque sorpresa los incendios también pueden iniciarse por cortocircuitos eléctricos inducidos por el efecto de la explosión, llamas piloto de gas, estufas volcadas y otras fuentes de ignición, como ocurrió en el bombardeo de Hiroshima a la hora del desayuno. [ 11 ] Es incierto si estos incendios secundarios se extinguirán a su vez cuando los edificios modernos de ladrillo y hormigón no combustibles se derrumben sobre sí mismos por la misma onda expansiva, sobre todo porque el efecto de enmascaramiento de los paisajes urbanos modernos sobre la transmisión térmica y de la explosión se examina continuamente. [ 12 ] Cuando los edificios de estructura combustible se derrumbaron en Hiroshima y Nagasaki, no ardieron tan rápidamente como lo habrían hecho si hubieran permanecido en pie. Los escombros no combustibles producidos por la explosión frecuentemente cubrieron e impidieron la combustión del material combustible. [ 13 ]

Quemaduras visibles en una mujer en Hiroshima durante la explosión. Los colores más oscuros de su kimono en el momento de la detonación corresponden a quemaduras claramente visibles en la piel que estuvo en contacto con las partes de la prenda expuestas a la radiación térmica. Dado que los kimonos no son prendas ajustadas, algunas partes que no están en contacto directo con la piel se aprecian como interrupciones en el estampado, mientras que las zonas más ajustadas, cerca de la cintura, presentan un estampado mucho más definido.

Existen dos tipos de lesiones oculares por radiación térmica: ceguera temporal y quemaduras retinianas . La ceguera temporal se produce por el destello de luz inicial generado por la detonación nuclear. La retina recibe más energía lumínica de la que puede tolerar, pero menos de la necesaria para causar una lesión irreversible. La retina es particularmente susceptible a la luz visible y a la luz infrarroja de longitud de onda corta, ya que esta parte del espectro electromagnético es enfocada por el cristalino sobre ella. El resultado es el blanqueamiento de los pigmentos visuales y ceguera temporal de hasta 40 minutos. Las quemaduras retinianas, que provocan daños permanentes por cicatrices, también se producen por la concentración de energía térmica directa sobre la retina a través del cristalino. Ocurren solo cuando la bola de fuego se encuentra dentro del campo visual del individuo y son relativamente poco frecuentes. Las quemaduras retinianas pueden producirse a distancias considerables de la explosión. La altura de la explosión y el tamaño aparente de la bola de fuego, que dependen de la potencia y el alcance, determinarán el grado y la extensión de las cicatrices retinianas. Una cicatriz en el campo visual central sería más incapacitante. Por lo general, lo único que probablemente ocurra es un defecto limitado del campo visual, que apenas será perceptible.

Cuando la radiación térmica incide sobre un objeto, una parte se refleja, otra se transmite y el resto se absorbe. La fracción absorbida depende de la naturaleza y el color del material. Un material delgado puede transmitir la mayor parte de la radiación. Un objeto de color claro puede reflejar gran parte de la radiación incidente y, por lo tanto, evitar daños, como la pintura blanca antirreflejos . La radiación térmica absorbida eleva la temperatura de la superficie y provoca quemaduras, carbonización y quema de madera, papel, telas, etc. Si el material es un mal conductor térmico, el calor se concentra en su superficie.

La ignición real de los materiales depende de la duración del pulso térmico y del grosor y contenido de humedad del objetivo. Cerca del punto cero, donde el flujo de energía supera los 125 J /cm² , todo lo que puede arder, lo hará. Más lejos, solo los materiales más fácilmente inflamables prenderán fuego. Los efectos incendiarios se ven agravados por incendios secundarios provocados por la onda expansiva, como los que se producen al volcar estufas y hornos.

El disparo de prueba de 19 kilotones Dog de la Operación Tumbler-Snapper en el Campo de Pruebas de Nevada el 1 de mayo de 1952. El color rojo/naranja que se ve aquí en la parte superior de la nube en forma de hongo se debe en gran parte al intenso calor de la bola de fuego en combinación con los gases de oxígeno y nitrógeno ( O2 yN2 ) presentes de forma natural en el aire. Estos dos gases atmosféricos, aunque generalmente no reaccionan entre sí, formanespeciesde NOxdióxido de nitrógeno, que es en gran parte responsable del color. Hubo preocupación en las décadas de 1970 y 1980, posteriormente demostrada como infundada, con respecto alas bolas de fuego de NOx y la pérdida de ozono.

Como la radiación térmica viaja más o menos en línea recta desde la bola de fuego (a menos que se disperse), cualquier objeto opaco producirá una sombra protectora que brinda protección contra la quemadura del destello. Dependiendo de las propiedades del material de la superficie subyacente, el área expuesta fuera de la sombra protectora se quemará a un color más oscuro, como la madera carbonizada, [ 14 ] o a un color más claro, como el asfalto. [ 15 ] Si hay un fenómeno meteorológico como niebla o bruma en el punto de la explosión nuclear, este dispersa el destello , y la energía radiante llega entonces a las sustancias sensibles a la quemadura desde todas las direcciones. En estas condiciones, los objetos opacos son, por lo tanto, menos efectivos que si no hubiera dispersión, ya que demuestran el máximo efecto de sombra en un entorno de visibilidad perfecta y, por lo tanto, sin dispersión. De forma similar a un día nublado o con niebla, aunque en tales casos las sombras producidas por el sol son escasas o inexistentes, la energía solar que llega al suelo procedente de los rayos infrarrojos del sol se ve considerablemente reducida, debido a que es absorbida por el agua de las nubes y a que la energía también se dispersa de vuelta al espacio. De manera análoga, la intensidad de la energía del destello de una explosión nuclear también se atenúa, en unidades de J/cm² , junto con el alcance horizontal/oblicuo de la explosión, durante condiciones de niebla o bruma. Por lo tanto, a pesar de que cualquier objeto que proyecte una sombra se vuelve ineficaz como escudo contra el destello debido a la niebla o la bruma, debido a la dispersión, la niebla cumple la misma función protectora, pero generalmente solo en los rangos en los que la supervivencia al aire libre es simplemente una cuestión de estar protegido de la energía del destello de la explosión. [ 16 ]

El pulso térmico también es responsable del calentamiento del nitrógeno atmosférico cerca de la bomba y de la creación de componentes de smog de NOx atmosférico. Este, como parte de la nube en forma de hongo , se proyecta hacia la estratosfera , donde disocia el ozono , de la misma manera que lo hacen los compuestos de NOx de la combustión. La cantidad creada depende del rendimiento de la explosión y del entorno de la misma. Los estudios realizados sobre el efecto total de las explosiones nucleares en la capa de ozono han sido , al menos tentativamente, exonerantes tras los hallazgos iniciales desalentadores. [ 17 ]

Tormenta de fuego

En Hiroshima , el 6 de agosto de 1945, se desató una tremenda tormenta de fuego en los 20 minutos posteriores a la detonación, destruyendo numerosos edificios y viviendas, construidos principalmente con materiales de madera endebles. [ 11 ] Una tormenta de fuego se caracteriza por vientos huracanados que soplan hacia el centro del incendio desde todas las direcciones. Este fenómeno no es exclusivo de las explosiones nucleares, ya que se ha observado con frecuencia en grandes incendios forestales y tras bombardeos incendiarios durante la Segunda Guerra Mundial. A pesar de que los incendios devastaron una gran área de Nagasaki , no se produjo una verdadera tormenta de fuego en la ciudad, incluso cuando se utilizó un arma de mayor potencia. Diversos factores explican esta aparente contradicción, entre ellos, un momento del bombardeo distinto al de Hiroshima, la orografía y, fundamentalmente, una menor carga/densidad de combustible que la de Hiroshima.

Nagasaki probablemente no proporcionó suficiente combustible para el desarrollo de una tormenta de fuego en comparación con los numerosos edificios en el terreno plano de Hiroshima. [ 18 ]

Los científicos han destacado sistemáticamente la falta de consideración de grandes tormentas de fuego urbanas en la planificación de la respuesta nuclear civil y militar. [ 19 ] [ 20 ] Otras fuentes afirman que  el diseño y la construcción de las ciudades modernas hacen que las grandes tormentas de fuego sean improbables y que un refugio adecuado puede brindar protección, utilizando el ejemplo del bombardeo convencional de Hamburgo . [ 21 ] [ 22 ]

Efectos indirectos

Pulso electromagnético

Los rayos gamma de una explosión nuclear producen electrones de alta energía mediante la dispersión Compton . En explosiones nucleares a gran altitud, estos electrones son capturados por el campo magnético terrestre a altitudes entre 20 y 40 kilómetros, donde interactúan con él para producir un pulso electromagnético nuclear coherente (NEMP) que dura aproximadamente un milisegundo. Los efectos secundarios pueden durar más de un segundo. El pulso es lo suficientemente potente como para que objetos metálicos de longitud moderada (como cables) actúen como antenas y generen altos voltajes debido a las interacciones con el pulso electromagnético. Estos voltajes pueden destruir dispositivos electrónicos sin blindaje. No se conocen efectos biológicos del EMP. El aire ionizado también interrumpe el tráfico de radio que normalmente rebotaría en la ionosfera .

Los componentes electrónicos pueden protegerse envolviéndolos completamente en material conductor , como papel de aluminio; sin embargo, la eficacia del blindaje puede ser imperfecta. Un blindaje adecuado es un tema complejo debido a la gran cantidad de variables involucradas. Los semiconductores , especialmente los circuitos integrados , son extremadamente susceptibles a los efectos de un pulso electromagnético (EMP) debido a la proximidad de sus uniones p-n , pero este no es el caso de los tubos termoiónicos (o válvulas), que son relativamente inmunes al EMP. Una jaula de Faraday no ofrece protección contra los efectos de un EMP a menos que la malla esté diseñada con orificios no mayores que la longitud de onda más pequeña emitida por una explosión nuclear.

Las grandes armas nucleares detonadas a gran altitud también provocan corrientes inducidas geomagnéticamente en conductores eléctricos muy largos. El mecanismo por el cual se generan estas corrientes inducidas geomagnéticamente es completamente diferente del pulso inducido por rayos gamma producido por electrones Compton.

Apagón de radar

El calor de la explosión provoca la ionización del aire circundante, creando la bola de fuego. Los electrones libres en la bola de fuego afectan las ondas de radio, especialmente a frecuencias bajas. Esto hace que una gran área del cielo se vuelva opaca al radar, sobre todo a los que operan en las frecuencias VHF y UHF , lo cual es común en los radares de alerta temprana de largo alcance . El efecto es menor para frecuencias más altas en la región de microondas , y también dura menos tiempo; la intensidad y las frecuencias afectadas disminuyen a medida que la bola de fuego se enfría y los electrones comienzan a reagruparse en núcleos libres. [ 23 ]

Un segundo efecto de apagón es causado por la emisión de partículas beta de los productos de fisión . Estas pueden viajar largas distancias, siguiendo las líneas del campo magnético terrestre. Cuando alcanzan la atmósfera superior, causan una ionización similar a la de una bola de fuego, pero en un área más amplia. Los cálculos demuestran que un megatón de fisión, típico de una bomba H de dos megatones, generará suficiente radiación beta para dejar sin luz un área de 400 kilómetros (250 millas) de diámetro durante cinco minutos. Una selección cuidadosa de las altitudes y ubicaciones de la explosión puede producir un efecto de bloqueo de radar extremadamente efectivo. [ 23 ] Los efectos físicos que dan lugar a los apagones también causan pulsos electromagnéticos (EMP), que también pueden causar apagones. Por lo demás, los dos efectos no están relacionados, y la similitud en la nomenclatura puede resultar confusa.

Radiación ionizante

Aproximadamente el 5% de la energía liberada en una explosión nuclear aérea se presenta en forma de radiación ionizante : neutrones , rayos gamma, partículas alfa y electrones que se mueven a velocidades de hasta la velocidad de la luz. Los rayos gamma son radiación electromagnética de alta energía; las demás son partículas que se mueven más lentamente que la luz. Los neutrones resultan casi exclusivamente de las reacciones de fisión y fusión , mientras que la radiación gamma inicial incluye la que surge de estas reacciones, así como la que resulta de la desintegración de productos de fisión de corta duración. La intensidad de la radiación nuclear inicial disminuye rápidamente con la distancia al punto de la explosión, ya que la radiación se dispersa sobre un área mayor a medida que se aleja de la explosión ( ley del inverso del cuadrado ). También se reduce por la absorción y dispersión atmosféricas.

El carácter de la radiación recibida en un lugar determinado también varía con la distancia a la explosión. [ 24 ] Cerca del punto de la explosión, la intensidad de neutrones es mayor que la intensidad de rayos gamma, pero con el aumento de la distancia la relación neutrón-gamma disminuye. En última instancia, el componente de neutrones de la radiación inicial se vuelve insignificante en comparación con el componente de rayos gamma. El rango para niveles significativos de radiación inicial no aumenta marcadamente con la potencia del arma y, como resultado, la radiación inicial se vuelve menos peligrosa con el aumento de la potencia. Con armas más grandes, por encima de 50  kt (200  TJ), los efectos de la explosión y térmicos son mucho más importantes que los efectos de la radiación inmediata pueden ignorarse.

La radiación de neutrones transmuta la materia circundante, a menudo volviéndola radiactiva . Al sumarse al polvo radiactivo liberado por la bomba, se libera una gran cantidad de material radiactivo al medio ambiente. Esta forma de contaminación radiactiva se conoce como lluvia radiactiva y representa el principal riesgo de exposición a la radiación ionizante en el caso de un arma nuclear de gran potencia.

Los detalles del diseño de las armas nucleares también afectan la emisión de neutrones: el conjunto tipo cañón Little Boy filtró muchos más neutrones que el Fat Man  de 21 kt tipo implosión porque los núcleos ligeros de hidrógeno (protones) que predominan en las moléculas de TNT que explotan (que rodean el núcleo de Fat Man) ralentizan los neutrones de manera muy eficiente, mientras que los átomos de hierro más pesados ​​en la forja de acero de la punta de Little Boy dispersan los neutrones sin absorber mucha energía neutrónica. [ 25 ]

En los primeros experimentos se descubrió que, normalmente, la mayor parte de los neutrones liberados en la reacción en cadena de la bomba de fisión son absorbidos por la carcasa. Construir una carcasa con materiales que transmitieran los neutrones en lugar de absorberlos podría aumentar la letalidad de la bomba para los humanos debido a la radiación de neutrones rápidos. Esta es una de las características utilizadas en el desarrollo de la bomba de neutrones .

Terremoto

Las ondas de presión sísmica creadas por una explosión pueden liberar energía dentro de las placas cercanas o causar un evento sísmico . Una explosión subterránea concentra esta onda de presión, y un evento sísmico localizado es más probable. La primera y más rápida onda, equivalente a la onda P de un terremoto normal , puede informar la ubicación de la prueba; [ 26 ] le siguen la onda S y la onda Rayleigh . Todas estas pueden medirse en la mayoría de los casos en estaciones sísmicas en todo el mundo, y las comparaciones con terremotos reales pueden usarse para ayudar a determinar el rendimiento estimado mediante análisis diferencial, modelando las amplitudes de la onda  P telesísmica de alta frecuencia (>4 Hz). [ 27 ] [ 26 ] [ 28 ] Sin embargo, la teoría no sugiere que una explosión nuclear de rendimientos actuales pueda desencadenar la ruptura de fallas y causar un gran terremoto a distancias mayores a unas pocas decenas de kilómetros del punto de disparo. [ 29 ]

Resumen de los efectos

La siguiente tabla resume los efectos más importantes de explosiones nucleares individuales bajo condiciones climáticas ideales, con cielos despejados. Tablas como estas se calculan a partir de leyes de escalamiento de efectos de armas nucleares. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] El modelado informático avanzado de condiciones del mundo real y cómo impactan en el daño a las áreas urbanas modernas ha encontrado que la mayoría de las leyes de escalamiento son demasiado simplistas y tienden a sobreestimar los efectos de las explosiones nucleares. Las leyes de escalamiento que se utilizaron para producir la tabla a continuación asumen (entre otras cosas) un área objetivo perfectamente nivelada, ningún efecto atenuador del enmascaramiento del terreno urbano (por ejemplo, sombra de rascacielos) y ningún efecto de mejora de reflejos y túneles por calles de la ciudad. [ 34 ] Como punto de comparación en el gráfico a continuación, las armas nucleares más probables que se usarían contra objetivos de ciudades de contravalor en una guerra nuclear global están en el rango de sub-megatón. Las armas con rendimientos de 100 a 475 kilotones se han convertido en las más numerosas en los arsenales nucleares de EE. UU. y Rusia; Por ejemplo, las ojivas que equipan el misil balístico lanzado desde submarino ruso Bulava ( SLBM ) tienen una potencia de 150 kilotones. [ 35 ] Ejemplos estadounidenses son las ojivas W76 y W88 , siendo la W76, de menor potencia, más del doble de numerosa que la W88 en el arsenal nuclear estadounidense.

[ 36 ] [ 37 ]

Para complicar aún más las cosas, en escenarios de guerra nuclear global con condiciones similares a las de la Guerra Fría , es probable que ciudades estratégicamente importantes como Moscú y Washington sean alcanzadas varias veces por ojivas múltiples de reentrada independientes de menos de un megatón , en una configuración de bomba de racimo o "cortador de galletas". [ 38 ] Se ha informado que durante el apogeo de la Guerra Fría en la década de 1970, Moscú fue blanco de hasta 60 ojivas. [ 39 ]

La razón por la que el concepto de bomba de racimo es preferible para atacar ciudades es doble: primero, las grandes ojivas individuales son mucho más fáciles de neutralizar, tanto en términos de seguimiento como de interceptación exitosa por parte de los sistemas antimisiles balísticos, que cuando se aproximan varias ojivas más pequeñas. Esta ventaja numérica de las ojivas de menor potencia se ve agravada por el hecho de que dichas ojivas tienden a moverse a velocidades de entrada más altas, debido a su tamaño más pequeño y delgado , suponiendo que ambos diseños de armas nucleares sean iguales (una excepción de diseño es la avanzada W88 ). [ 40 ] La segunda razón para esta bomba de racimo, o "capas" [ 41 ] (usando impactos repetidos de armas precisas de baja potencia), es que esta táctica, junto con la limitación del riesgo de fallo, reduce la potencia de cada bomba individual y, por lo tanto, reduce la posibilidad de daños colaterales graves a áreas civiles cercanas no objetivo, incluidas las de países vecinos. Este concepto fue desarrollado por Philip J. Dolan y otros.

Efectos ambientales globales

Además de los efectos inmediatos de una explosión nuclear, las tormentas de fuego resultantes de ataques, especialmente contra ciudades, pueden inyectar hollín en la estratosfera. Este hollín, a su vez, puede impedir que parte de la luz solar directa llegue a la superficie terrestre. En el caso de un ataque nuclear a gran escala, esto puede afectar el clima de la Tierra, aunque la intensidad y la duración de estos efectos, así como su impacto en la agricultura, dependen de la magnitud del ataque, la cantidad de hollín producido, la altura a la que se eleva y el tiempo que permanece en la atmósfera superior. Estos factores, y su impacto en el medio ambiente y la población, aún no se comprenden completamente. [ 42 ]

Otros fenómenos

Altura de la nube en forma de hongo según el rendimiento de las explosiones terrestres. 0 = Altitud aproximada a la que opera un avión comercial. 1 = Fat Man . 2 = Castle Bravo.

Los rayos gamma provenientes de los procesos nucleares que preceden a la explosión propiamente dicha podrían ser parcialmente responsables de la bola de fuego subsiguiente, ya que podrían sobrecalentar el aire cercano y/u otros materiales. [ 10 ] La gran mayoría de la energía que forma la bola de fuego se encuentra en la región de rayos X blandos del espectro electromagnético, producida por las colisiones inelásticas de los productos de fisión y fusión de alta velocidad. Son estos productos de reacción, y no los rayos gamma, los que contienen la mayor parte de la energía de las reacciones nucleares en forma de energía cinética. Esta energía cinética de los fragmentos de fisión y fusión se convierte en energía interna y luego en energía de radiación, siguiendo aproximadamente el proceso de radiación de cuerpo negro que emite en la región de rayos X blandos. [ 43 ]

Como resultado de numerosas colisiones inelásticas, parte de la energía cinética de los fragmentos de fisión se convierte en energía interna y de radiación. Algunos electrones se desprenden completamente de los átomos, provocando así la ionización. Otros se elevan a estados de mayor energía (o excitados) mientras permanecen unidos a los núcleos. En un tiempo extremadamente corto, quizás una centésima de microsegundo, los residuos del arma consisten esencialmente en átomos total o parcialmente despojados (ionizados), muchos de estos últimos en estados excitados, junto con los electrones libres correspondientes. El sistema emite inmediatamente radiación electromagnética (térmica), cuya naturaleza está determinada por la temperatura. Dado que esta es del orden de 10⁷ grados , la mayor parte de la energía emitida en un microsegundo se encuentra en la región de rayos X blandos. Como la temperatura depende de la energía interna/calor promedio de las partículas en un cierto volumen, la energía interna o el calor provienen de la energía cinética.

En una explosión atmosférica, la bola de fuego se expande rápidamente hasta alcanzar su tamaño máximo y luego comienza a enfriarse a medida que asciende como un globo debido a la flotabilidad del aire circundante. Al hacerlo, adquiere el patrón de flujo de un anillo de vórtice con material incandescente en el núcleo del vórtice, como se observa en ciertas fotografías. [ 44 ] Este efecto se conoce como nube en forma de hongo . [ 10 ] La arena se fusionará en vidrio si está lo suficientemente cerca de la bola de fuego nuclear como para ser atraída hacia ella, y por lo tanto se calienta a las temperaturas necesarias para que esto ocurra; esto se conoce como trinitita . [ 45 ] En la explosión de bombas nucleares a veces se producen descargas eléctricas. [ 46 ]

Las estelas de humo que se ven a menudo en las fotografías de explosiones nucleares no provienen de la explosión, sino que son dejadas por cohetes sonda lanzados justo antes de la detonación. Estas estelas permiten observar la onda expansiva, normalmente invisible, de la explosión en los momentos posteriores a la misma. [ 47 ]

El calor y los escombros en suspensión creados por una explosión nuclear pueden causar lluvia; se cree que los escombros lo hacen al actuar como núcleos de condensación de nubes . Durante la tormenta de fuego que siguió a la explosión de Hiroshima, se registraron gotas de agua del tamaño aproximado de canicas . [ 48 ] Esto se denominó lluvia negra y ha servido como fuente para un libro y una película del mismo nombre . La lluvia negra no es inusual después de grandes incendios y es producida comúnmente por nubes pirocúmulos durante grandes incendios forestales. Se dice que la lluvia directamente sobre Hiroshima ese día comenzó alrededor de las 9 a. m. y cubrió una amplia área desde el hipocentro hacia el noroeste, lloviendo intensamente durante una hora o más en algunas áreas. [ 49 ] La lluvia directamente sobre la ciudad pudo haber transportado productos de combustión de materiales de construcción activados por neutrones, pero no transportó escombros o lluvia radiactiva apreciables de armas nucleares, [ 50 ] aunque esto es generalmente contrario a lo que afirman otras fuentes menos técnicas. Las partículas de hollín negro y aceitoso son características de la combustión incompleta en los incendios urbanos.

Las grandes pruebas termonucleares, especialmente aquellas con un alto rendimiento de fisión, provocan que algunos núcleos experimenten un proceso r limitado , capturando neutrones rápidamente y permitiendo la formación de muchos elementos transuránicos. Los elementos einstenio y fermio fueron descubiertos al analizar la lluvia radiactiva de la primera prueba de la bomba de hidrógeno, Ivy Mike .

Un efecto secundario de la prueba nuclear Pascal-B, realizada durante la Operación Plumbbob, podría haber dado como resultado el primer objeto artificial lanzado en una trayectoria de escape terrestre. El llamado efecto de "pozo de trueno" de la explosión subterránea podría haber lanzado una placa metálica al espacio a seis veces la velocidad de escape de la Tierra , aunque la evidencia sigue siendo objeto de debate, debido a que el calentamiento aerodinámico probablemente la desintegró antes de que pudiera salir de la atmósfera.

Rayos provocados por explosiones nucleares

Rayos inducidos por la explosión nuclear visibles en los primeros fotogramas de la primera prueba de la bomba H. Ivy Mike

En un análisis fotográfico de la prueba de la bomba de hidrógeno Ivy Mike en el Campo de Pruebas del Pacífico , se observaron cinco rayos distintos. Se determinó que estos tenían corrientes máximas de entre 200 kA y 600 kA. En comparación con los rayos naturales (excluyendo los superrayos), los rayos nucleares son entre 10 y 100 veces más brillantes y duran más de 100 veces más.

Su mecanismo se origina en el pulso de rayos gamma de la explosión. Estos interactúan con las moléculas de aire produciendo electrones Compton de aproximadamente 1 MeV. A medida que la densidad de estos electrones disminuye radialmente hacia afuera, se induce un campo eléctrico radial que se equilibra hacia una intensidad constante. Este campo radial se ve forzado a adoptar una configuración tangencial cerca del suelo conductor o del océano, y los rayos gamma secundarios de la posterior explosión de neutrones mantienen el campo y el rayo durante más tiempo. [ 51 ]

Ignición de la fusión en el medio ambiente

Ignición atmosférica

En 1942, los científicos que desarrollaban las primeras armas nucleares en el Proyecto Manhattan especulaban con la posibilidad de que una explosión nuclear suficientemente grande pudiera desencadenar reacciones de fusión en la atmósfera terrestre. Desde la propuesta del ciclo CNO en 1937, se sabía que no solo el hidrógeno del vapor de agua, sino también los núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno de la atmósfera experimentan reacciones de fusión exotérmicas para formar núcleos más pesados; a temperaturas estelares, se comportan como combustible. El temor era que temperaturas similares en la bola de fuego inicial de la bomba pudieran desencadenar las reacciones exotérmicas.norte14 + 1H→O15 + γ{\displaystyle {\ce {^{14}N\ +\ ^{1}H\rightarrow ^{15}O\ +\ \gamma }}}onorte14 + 14norte→Mg24 + α{\displaystyle {\ce {^{14}N\ +\ ^{14}N\rightarrow ^{24}Mg\ +\ \alpha }}}, manteniéndose hasta que se consumiera todo el nitrógeno atmosférico del mundo. [ 52 ] Hans Bethe fue asignado para estudiar esta hipótesis desde los primeros días del proyecto, y finalmente concluyó que tal reacción no podría mantenerse a gran escala debido al enfriamiento de la bola de fuego nuclear a través de un efecto Compton inverso . [ 53 ] A Richard Hamming se le pidió que hiciera un cálculo similar justo antes de la primera prueba nuclear , y llegó a la misma conclusión. [ 54 ] Sin embargo, la noción ha persistido como un rumor durante muchos años y fue fuente de humor negro apocalíptico en la prueba Trinity, donde Enrico Fermi hizo apuestas paralelas sobre la ignición atmosférica. [ 55 ]

Análisis posteriores muestran que, además del efecto de enfriamiento, era improbable que esta última reacción, con una energía de Gamow de 16,46 GeV, hubiera ocurrido siquiera en un solo caso durante la prueba Trinity, ya que el núcleo de la bola de fuego alcanzó 1,01 × 10¹¹ K, equivalente a la energía térmica mucho menor de 8,7 MeV. [ 56 ] Sin embargo, se desconoce la posibilidad de fusión de núcleos de hidrógeno durante la prueba, cuyas energías de Gamow son del orden de 1 MeV . [ 57 ] Se acepta que la primera iniciación artificial de una reacción termonuclear fue la prueba nuclear estadounidense Greenhouse George de 1951. [ 58 ]

Ignición oceánica

El temor a que se encendieran los núcleos de hidrógeno, deuterio u oxígeno, de mayor densidad en el océano, durante las pruebas estadounidenses en el Pacífico, seguía siendo una preocupación seria, especialmente a medida que los rendimientos aumentaban en órdenes de magnitud. Estos temores surgieron a partir de la primera explosión aérea sobre el agua y las pruebas sumergidas en la Operación Crossroads en el atolón Bikini , [ 59 ] y continuaron con la primera prueba termonuclear completa y de nivel de megatones de Ivy Mike . [ 60 ]

Supervivencia

La probabilidad de supervivencia depende en gran medida de factores como si uno se encuentra en un espacio cerrado o al aire libre, el tamaño de la explosión, la proximidad a la misma y, en menor medida, la dirección del viento que transporta la lluvia radiactiva. La muerte es muy probable y el envenenamiento por radiación es casi seguro si uno se encuentra al aire libre sin que el terreno o los edificios ofrezcan protección en un radio de 0 a 3 kilómetros (0 a 2 millas) de una explosión aérea de 1 megatón, y la dosis letal media de la explosión se extiende hasta unos 8 kilómetros (5 millas) desde la misma explosión atmosférica de 1 megatón. [ 61 ]    

Un ejemplo que resalta la variabilidad en el mundo real y el efecto de estar en interiores es Akiko Takakura. A pesar de que la radiación letal y la zona de explosión se extendían mucho más allá de su posición en Hiroshima, [ 62 ] Takakura sobrevivió a los efectos de una  bomba atómica de 16 kt a una distancia de 300 metros (1000 pies) del hipocentro, con solo heridas leves, debido principalmente a su posición en el vestíbulo del Banco de Japón, un edificio de hormigón armado , en ese momento. [ 63 ] [ 64 ] En contraste, la persona desconocida sentada afuera, completamente expuesta, en las escaleras del Banco Sumitomo , al lado del Banco de Japón, sufrió quemaduras letales de tercer grado y luego probablemente murió por la explosión, en ese orden, en dos segundos. [ 65 ] 

Con atención médica, la exposición a la radiación es compatible con una dosis aguda de hasta 200 rems. Si un grupo de personas se expone a una dosis aguda (en 24 horas) de radiación de entre 50 y 59 rems, ninguna sufrirá enfermedad por radiación. Si el grupo se expone a entre 60 y 180 rems, el 50% enfermará por envenenamiento por radiación . Con tratamiento médico, todos los miembros del grupo de entre 60 y 180 rems sobrevivirán. Si el grupo se expone a entre 200 y 450 rems, la mayoría, si no todos, enfermarán; el 50% fallecerá en un plazo de dos a cuatro semanas, incluso con atención médica. Si el grupo se expone a entre 460 y 600 rems, el 100% sufrirá envenenamiento por radiación y el 50% fallecerá en un plazo de una a tres semanas. Si el grupo se expone a entre 600 y 1000 rems, el 50% fallecerá en un plazo de una a tres semanas. Si el grupo se expone a entre 1000 y 5000 rems, el 100 % del grupo morirá en 2 semanas. A 5000 rems, el 100 % del grupo morirá en 2 días. [ 66 ]

Impacto de una explosión nuclear en humanos en interiores

Investigadores de la Universidad de Nicosia simularon, mediante dinámica de fluidos computacional de alto orden , la explosión de una bomba atómica de un misil balístico intercontinental típico y la onda expansiva resultante para ver cómo afectaría a las personas refugiadas en interiores. [ 67 ] Descubrieron que la onda expansiva era suficiente en la zona de daños moderados para derribar algunos edificios e herir a las personas atrapadas al aire libre. Sin embargo, los edificios más resistentes, como las estructuras de hormigón, pueden permanecer en pie. El equipo utilizó modelos informáticos avanzados para estudiar cómo una onda expansiva nuclear se propaga a través de una estructura en pie. Su estructura simulada incluía habitaciones, ventanas, puertas y pasillos, lo que les permitió calcular la velocidad del aire tras la onda expansiva y determinar los mejores y peores lugares para estar.

El estudio demostró que las altas velocidades del aire siguen representando un peligro considerable y pueden provocar lesiones graves o incluso la muerte. Además, estar en un edificio sólido no es suficiente para evitar el riesgo. Los espacios reducidos pueden aumentar la velocidad del aire, y la onda expansiva provoca que el aire se refleje en las paredes y se desvíe al rodear las esquinas. En los peores casos, esto puede generar una fuerza equivalente a varias veces el peso corporal de una persona. Los lugares interiores más peligrosos que se deben evitar son ventanas, pasillos y puertas. El estudio recibió un gran interés por parte de la prensa internacional. [ 67 ]

Véase también

Referencias

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  • Preguntas frecuentes sobre armas nucleares
  • Foro Atómico
  • Samuel Glasstone y Philip J. Dolan, Los efectos de las armas nucleares, Tercera edición, Departamento de Defensa y Administración de Investigación y Desarrollo Energético de los Estados Unidos. Disponible en línea.
  • Emergencia nuclear y recursos de radiación
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  • ¿Qué influye en los efectos? | Laboratorio Nacional de Los Alamos Gibson, Revista de Ciencia de Seguridad Nacional. 2 de abril de 2024