Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер - Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (1161617), страница 130
Текст из файла (страница 130)
Поскольку иас здесь интересуют имеипо эти, последвие вопросы, иы заимствуем описакие физики взрыва из первого издаиия. Все длины, иамерекэые в футах, ярдах, милях, мы перевели е метры. лучающий слой, проникают только весьма жесткие кванты с энергиями лт ж 200 эв. В табл. 9.3 представлены энергии квантов, «ведущих» прогрев в области низких температур на переднем краю зоны прогревания.
Там же указаны и соответствующие этим квантам длины пробега, как раз равные приближенно усредненным по спектру пробегам. Мы видим, что в области температур Т вЂ” 20 000' К средняя длина пробега 1 10 ' см, т. е. температура прозрачности скорее ближе к 17000'К. Таким образом, предельная яркостная температура очень сильной ударной волны равна примерно 17 000'К, независимо от амплитуды. Общая зависимость яркостной температуры (в красном свете) от температуры за фронтом показана на рис. 9.1.
Следует отметить, что коэффициенты поглощения в видимой области спектра довольно слабо зависят от частоты, поэтому оцененные значения яркостных температур приближенно относятся не только к красной, но и вообще ко всей видимой области спектра. % 53 475 евшее ОписАние сВетОВых ИВлениИ «При делении ядер урана или плутония в атомной бомбе происходит выделение огромного количества энергии в весьма малом исходном объеме в течение очень короткого промежутка времени.
В дальнейшем будем считать, что энергия, освобождающаяся при взрыве бомбы, примерно эквивалентна энергии, выделяющейся при взрыве 20 000 тонн тротила, что составляет около 10«' эрг (точнее, 8,4 10'» зрг). Такую бомбу называют номинальной атомной бомбой. В результате чрезвычайно высокой концентрации энергии температура делящегося вещества достигает миллиона градусов.
Поскольку взрыв происходит в ограниченном объеме, занимаемом бомбой, давление резко возрастает и достигает нескольких сотен тысяч атмосфер. При разогреве вещества до чрезвычайно высокой температуры происходит выделение энергии в виде электромагнитного излучения, спектр которого охватывает широкий диапазон длин волн, простирающийся от инфракрасных (тепловых) лучей через видимую область спектра к области ультрафиолетовых лучей и выходит за ее пределы. Ббльшая часть излучения поглощается в слоях воздуха, непосредственно примыкающих к бомбе, в результате чего воздух нагревается до свечения.
Таким образом, через несколько микросекунд после взрыва взорвавшаяся бомба приобретает вид светящегося шара, называемого огненным шаром. По мере распространения лучистая энергия нагревает окружающий воздух; в результате огненный шар увеличивается в размере, а температура, давление и яркость соответственно уменыпаются. По истечении 0,1 мсек (10-» сее) радиус огненного шара становится равным примерно 14 м, а температура его поверхности — примерно равной 300 000' К. В это мгновение освещенность, наблюдаемая на расстоянии 10 000 з», примерно в 100 раз болыпе, чем освещенность поверхности Земли Солнцем.
При описанных выше условиях во всем объеме огненного шара сохраняется почти одинаковая температура; поскольку лучистая энергия может быстро распространяться между любыми двумя точками внутри сферы, то там не создается значительных температурных градиентов. Так как температура внутри огненного шара всюду одинакова, то его можно отождествить с изотермическим шаром, который на данной стадии идентичен с огненным шаром. По мере расширения огненного шара в воздухе появляется ударная волна; вначале фронт ударной волны совпадает с поверхностью изотермического шара.
После снижения температуры примерно до 300 000' К скорость ударной волны становится больше скорости расширения изотермического шара. Другими словами, перенос энергии ударной волной начинает происходить быстрее, чем путем излучения. Тем не менее, святящийся шар продолжает увеличиваться в размере, поскольку сильное сжатие воздуха, обусловленное прохождением ударной волны, вызывает повышение температуры, достаточное, чтобы довести шар до свечения.
На этой стадии изотермнческнй шар является зоной высокой температуры внутри большего по размерам огненного шара, образованного резко очерченным фронтом ударной волны. Поверхность раздела между сердцевиной этого н«ара, обладающей очень высокой температурой, и несколько более «холодным» воздухом, нагретым ударной волной, называется фронтом излучения. Описанные выше явления схематически представлены на серии фотографий огненного шара (рис. 9.5), соответствующих различным моментам времени после взрыва атомной бомбы; качественные температурные градиенты показаны слева, градиенты давления — справа. Вначале темпера- 477 овщкв опислник свктовых явлвнин становится минимальной.
До этого времени излучается только около 1% общей энергии, несмотря на то, что температура поверхности в этот период очень высока. Это объясняется тем, что длительность указанного периода 15 мсек чрезвычайно мала по сравнению с временем, в течение которого происходит излучение после достижения минимума яркости. Как было упомянуто выше, огненный шар чрезвычайно быстро, менее чем за 1 сек после взрыва, достигает максимального радиуса 140 м. Следовательно, если бомба взорвется на высоте менее 140 м, то огненный шар должен коснуться поверхности земли; это наблюдалось при испытании «Тринити» у Аламогордо 1штат Нью-Мексико).
Ввиду своей малой плотности огненный гпар всплывает вверх подобно воздушному шару. Через несколько секунд после начала двнясения скорость шара достигает максимальной величины, равной 90 лс/сея. Непосредственные эффекты атомного взрыва могут считаться закончившимися примерно через 10 сек, когда огненный шар почти перестает светиться и избыточное давление ударной волны уменьшается до практически безопасных значений. Как было указано ранее, плотность веществ внутри огненного шара очень мала, так как они обладают высокой температурой, поэтому шар поднимается выше места взрыва бомбы; по мере подъема огненный шар охлаждается.
Охлаждение примерно до 1800' К происходит главным образом за счет потери энергии вследствие светового излучения;. затем снижение температуры происходит в результате адиабатического расширения газов и смешивания их с окружающим воздухом за счет турбулентной конвекцип. 11осле прекращения свечения огненный шар можно рассматривать как больгпой пузырь раскаленных газов, температура которого падает по мере подъема. Весьма важное различие между атомным и обычным взрывом состоит в том, что в первом случае количество освобоясдаемой энергии на единицу массы неизмеримо больше. В результате создается более высокая температура, а следовательно, ббльшая часть энергии, освобождаемая в момент взРыва, испУскаетси в виде светового излУчениЯ.
НапРимеР, около з з всей освобождаемой при атомном взрыве энергии испускается в форме светового излучения. Для номинальной атомной бомбы это составляет примерно 6,7.10" кал, что эквивалентно 2,8.10" эрг. Количество энергии, проходящей через всю сферическую поверхность огненного шара, т. е. через пространственный угол 4я, равно , аТ'4пНе, где Л вЂ” радиус нуара, а Т вЂ” температура поверхности (зависимости 77 и Т от времени показаны на рис.
9.6). Поскольку в воздух проникает только часть энергии )е е), количество лучистой энергии, достигающей всех точек на сферической поверхности, расположенной иа умеренном расстоянии от точки взрыва, будет равно )'еоТз 4яЛз, Отсюда поток лучистой энергии ~р на единицу площади на расстоянии Р получается путем деления этого выражения на площадь поверхности шара Гя,з 4яР', т. е. ~р = 7еоТ' ) --) . ',.б) Из этой формулы можно вычислить поток лучистой энергии в данной точке на расстоянии Р для различных моментов времени после атомного *) Считается, что воздух пропускает только длины волн, превышающие Хе =- = $860 А, так что )е — зто доля энергии планковского спектра температуры У, заключенная в интервале длин волн от се — — 1860 А до с = со, Функция )е (г) покззанз на рис.
9.7. 478 /гл. 1х взрыва, используя при этом значения й и Т из рис. 9.6, а /е — из рис. 9.7. Чтобы ие строить кривую для различных расстояний, величина фРа, равная /вОТЧР, дана иа рис. 9.8 как функция времени; поток энергии измеряется в кал/с»н.сок, а расстояние — в м. По кривой можно легко определить поток энергии иа любом дакпом расстоянии в любой момент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
