|
|
|
Een paddestoelwolk is een kenmerkende paddenstoelvormige flammagenituswolk van puin, rook en meestal gecondenseerde waterdamp als gevolg van een grote explosie. Het effect wordt meestal geassocieerd met een nucleaire explosie, maar elke ontploffing of deflagratie met voldoende
energie zal hetzelfde effect veroorzaken. Ze kunnen worden veroorzaakt door krachtige conventionele wapens, zoals thermobarische wapens. Sommige vulkaanuitbarstingen en impactgebeurtenissen kunnen natuurlijke paddenstoelwolken veroorzaken. |
| |
| Paddenstoelwolken zijn het resultaat van de plotselinge vorming van een groot volume gassen met een lagere dichtheid op elke hoogte, waardoor een Rayleigh-Taylor-instabiliteit ontstaat. De drijvende gasmassa stijgt snel, wat resulteert in turbulente wervels die langs de randen naar beneden krullen en een tijdelijke vortex ring vormen die een centrale kolom omhoog trekt, mogelijk met rook, puin, gecondenseerde waterdamp of een combinatie hiervan, om de paddenstoelstam. |
| |
| De gasmassa plus meegevoerde vochtige lucht bereikt uiteindelijk een hoogte waar deze niet langer een lagere dichtheid heeft dan de omringende lucht; op dit punt verspreidt het zich en drijft het weer naar beneden (zie neerslag). De stabilisatiehoogte hangt sterk af van de profielen van de temperatuur, het dauwpunt en de windschering in de lucht op en boven de starthoogte |
| |
 |
| Afbeelding-1 |
|
|
 |
| Afbeelding-2 |
|
|
 |
| Afbeelding-3 |
|
| |
1: Opstijgende wolk van de Redoubt-vulkaan na een uitbarsting op 21 april 1990. De paddestoelvormige pluim steeg op uit lawines van heet puin
(pyroclastische stromen) die langs de noordflank van de vulkaan naar beneden stroomden. |
| 2: Wilson-wolken omringen de vuurbal bij de Redwing Dakota-test. |
| 3: Romeo atoombomtest (explosieve kracht 11 megaton TNT-equivalent) op 27 maart 1954 op Bikini Atoll |
| |
| Hoewel de term begin jaren vijftig lijkt te zijn bedacht, werden paddenstoelwolken die door explosies werden gegenereerd al eeuwen vóór het atoomtijdperk beschreven. |
| |
| Een hedendaagse aquatint door een onbekende kunstenaar van de Frans-Spaanse aanval op Gibraltar in 1782 toont een van de drijvende batterijen van de aanvallende strijdmacht die explodeert met een paddestoelwolk nadat de Britse verdedigers deze in brand hebben gestoken door een verhit schot af te vuren. |
| |
| In 1798 publiceerde Gerhard Vieth een gedetailleerd en geïllustreerd verslag van een wolk in de buurt van Gotha die qua vorm niet veel leek op een paddestoel. De wolk was een paar jaar eerder op een warme zomermiddag waargenomen door legatieadviseur Lichtenberg. Het werd geïnterpreteerd als een onregelmatige meteorologische wolk en leek een storm met regen en donder te hebben veroorzaakt door een nieuwe donkere wolk die zich eronder ontwikkelde. Lichtenberg verklaarde later enigszins vergelijkbare wolken te hebben waargenomen, maar geen enkele was zo opmerkelijk. |
|
|
 |
| Vue du siège de Gibraltar et explosie des batterijen flottantes Gezicht op het beleg van Gibraltar en de explosie van de drijvende batterijen, kunstenaar onbekend, ca. 1782 |
|
| |
| The Times publiceerde op 1 oktober 1937 een rapport van een Japanse aanval op Shanghai, China, die een grote rookpaddestoel veroorzaakte. |
| |
| Tijdens de Tweede Wereldoorlog veroorzaakte de vernietiging van het Japanse slagschip Yamato een paddestoelwolk. |
| |
De atoombomwolk boven Nagasaki, Japan, werd in The Times of London van 13 augustus 1945 beschreven als een enorme paddestoel van rook
en stof. Op 9 september 1945 publiceerde The New York Times een ooggetuigenverslag van het bombardement op Nagasaki, geschreven door William L. Laurence, de officiële krantencorrespondent van het Manhattan Project, die een van de drie vliegtuigen vergezelde die het bombardement uitvoerden. Hij schreef over de bom die een ‘paars vuurkolom’ voortbracht, waaruit ‘een gigantische paddenstoel kwam die de hoogte van de pilaar deed toenemen tot een totaal van 13.000 meter’ |
| |
| In 1946 werd beschreven dat de kernbomtests van Operatie Crossroads een bloemkoolwolk hadden, maar een aanwezige verslaggever sprak ook over de paddenstoel, nu het algemene symbool van het atoomtijdperk. Paddenstoelen worden van oudsher geassocieerd met zowel leven als dood, voedsel en gif, waardoor ze een krachtiger symbolische verbinding vormden dan bijvoorbeeld de bloemkool-wolk. |
| |
| Paddestoelwolken worden gevormd door vele soorten grote explosies onder invloed van de zwaartekracht van de aarde, maar zijn vooral bekend vanwege hun verschijning na nucleaire ontploffingen. Zonder zwaartekracht, of zonder een dikke atmosfeer, zouden de bijproductgassen van het explosief bolvormig blijven. Kernwapens worden gewoonlijk boven de grond tot ontploffing gebracht (niet bij een botsing, omdat een deel van de energie zou verdwijnen door de grondbewegingen), om het effect van hun bolvormig uitdijende vuurbal en explosiegolf te maximaliseren. Onmiddellijk na de ontploffing begint de vuurbal de lucht in te stijgen, volgens hetzelfde principe als een heteluchtballon. |
| |
| Eén manier om de beweging te analyseren, zodra het hete gas de grond voldoende heeft vrijgemaakt, is als een bolvormige kapbel, omdat dit overeenstemming geeft tussen de stijgsnelheid en de waargenomen diameter. |
| |
Terwijl het stijgt, ontstaat er een Rayleigh-Taylor-instabiliteit en wordt lucht naar boven de wolk in gezogen (vergelijkbaar met de opwaartse luchtstroom van een schoorsteen), waardoor sterke luchtstromen worden geproduceerd die bekend staan als nawinden, terwijl in de kop van de wolk, de hete gassen roteren in een torusvorm. Wanneer de detonatiehoogte laag genoeg is, zullen
deze nawinden vuil en puin uit de grond eronder aanzuigen en zo de stam van de paddenstoelwolk vormen. |
| |
| Nadat de massa hete gassen zijn evenwichtsniveau heeft bereikt, stopt de opstijging en begint de wolk af te vlakken tot de karakteristieke paddestoelvorm, meestal geholpen door oppervlaktegroei als gevolg van de afnemende turbulentie. |
|
|
 |
| Binnenin een opstijgende paddestoelwolk: dichte lucht dringt zich snel in het midden onderaan de toroïdale vuurbal, die zich op turbulente wijze vermengt tot het bekende wolkenbeeld. |
|
| |
| Nucleaire paddestoelwolken |
| |
| Nucleaire ontploffingen die hoog boven de grond worden geproduceerd, veroorzaken mogelijk geen paddestoelwolken met een stengel. De koppen van de wolken zelf bestaan uit zeer radioactieve deeltjes, voornamelijk splijtingsproducten en ander aërosolen van wapenresten, en worden meestal door de wind verspreid, hoewel weerpatronen (vooral regen) problematische nucleaire neerslag kunnen veroorzaken. |
| |
| Detonaties aanzienlijk onder het grondniveau of diep onder het water veroorzaken ook geen paddenstoelwolken, omdat de explosie in deze gevallen de verdamping van een enorme hoeveelheid aarde en water veroorzaakt, waardoor een bel ontstaat die vervolgens instort. op zichzelf; bij een minder diepe ondergrondse explosie ontstaat er een verzakkingkrater. Ontploffingen onder water maar dichtbij het oppervlak produceren een waterkolom die bij het instorten een bloemkoolachtige vorm vormt, die gemakkelijk wordt aangezien voor een paddenstoelwolk. Ondergrondse ontploffingen op lage diepte veroorzaken een paddenstoelwolk en een basisgolf, twee verschillende afzonderlijke wolken. De hoeveelheid straling die in de atmosfeer wordt afgevoerd, neemt snel af naarmate de detonatiediepte toeneemt. |
| |
| Bij luchtuitbarstingen aan het oppervlak en dichtbij het oppervlak neemt de hoeveelheid puin die in de lucht wordt gebracht snel af met toenemende uitbarstinghoogte. Bij barsthoogten van ongeveer 7 meter/kiloton1⁄3 wordt er geen krater gevormd en worden overeenkomstig kleinere hoeveelheden stof en puin geproduceerd. De neerslagreducerende hoogte, waarboven de primaire radioactieve deeltjes voornamelijk uit de fijne vuurbalcondensatie bestaan, bedraagt ongeveer 55 meter/kiloton0,4. Zelfs op deze uitbarstingshoogten kan er echter sprake zijn van neerslag door een aantal mechanismen. |
De verdeling van de straling in de paddenstoelwolk varieert afhankelijk van de opbrengst van de explosie, het type wapen, de fusie-splijtingsverhouding, de uitbarstinghoogte, het terreintype en
het weer. Over het algemeen hebben explosies met een lagere opbrengst ongeveer 90% van hun radioactiviteit in de paddenstoelkop en 10% in de stengel. Daarentegen hebben explosies met een bereik van megatons de neiging het grootste deel van hun radioactiviteit in het onderste derde
deel van de paddestoelwolk te hebben. |
| |
Op het moment van de explosie wordt de vuurbal gevormd. De opstijgende, ruwweg bolvormige massa van hete, gloeiende gassen verandert van vorm als gevolg van atmosferische wrijving en koelt het oppervlak af door energiestraling, waardoor het verandert van een bol in een
gewelddadig roterende bolvormige draaikolk. Er ontstaat een Rayleigh-Taylor-instabiliteit wanneer de onderliggende koele lucht aanvankelijk de onderste vuurbalgassen in een omgekeerde komvorm duwt. Dit veroorzaakt turbulentie en een draaikolk die meer lucht naar het midden zuigt, waardoor externe nawind ontstaat en zichzelf afkoelt. De rotatiesnelheid neemt af naarmate het afkoelt, en kan in latere fasen volledig stoppen. De verdampte delen van het wapen en de geïoniseerde lucht koelen af tot zichtbare gassen en vormen de vroege wolk; de witgloeiende vortexkern wordt geel, vervolgens donkerrood en verliest vervolgens de zichtbare glans. |
|
|
 |
Grootte van paddenstoelwolken als functie
van de opbrengst. |
|
| |
| Bij verdere afkoeling vult het grootste deel van de wolk zich terwijl het vocht uit de atmosfeer condenseert. Naarmate de wolk opstijgt en afkoelt, neemt het drijfvermogen af en vertraagt de opstijging. |
| |
Als de grootte van de vuurbal vergelijkbaar is met de hoogte van de atmosferische dichtheidsschaal, zal de hele wolkenstijging ballistisch zijn,
waarbij een groot volume overdichte lucht naar grotere hoogten schiet dan de uiteindelijke stabilisatiehoogte. Aanzienlijk kleinere vuurballen produceren wolken met een door het drijfvermogen geregelde opstijging |
| |
| Na het bereiken van de tropopauze, de bodem van het gebied met sterke statische stabiliteit, heeft de wolk de neiging zijn opstijging te vertragen en zich te verspreiden. Als het voldoende energie bevat, kan het centrale deel ervan blijven stijgen naar de stratosfeer, vergelijkbaar met een standaard onweersbui. Een luchtmassa die opstijgt van de troposfeer naar de stratosfeer leidt tot de vorming van akoestische zwaartekrachtgolven, vrijwel identiek aan de golven die worden gecreëerd door intense, doordringende onweersbuien in de stratosfeer. Explosies op kleinere schaal die de tropopauze binnendringen, genereren golven met een hogere frequentie, geclassificeerd als infrageluid. |
| |
De explosie verhoogt een grote hoeveelheid met vocht beladen lucht van lagere hoogten. Naarmate de lucht stijgt, daalt de temperatuur en condenseert de waterdamp eerst als waterdruppels en bevriest later als ijskristallen. Door de faseveranderingen komt latente warmte vrij,
waardoor de wolk wordt verwarmd en naar nog grotere hoogten wordt gedreven. |
| Een paddenstoelwolk ondergaat verschillende vormingsfasen. |
| |
- Vroege tijd, de eerste 20 seconden, wanneer de vuurbal zich vormt en de splijtingsproducten
zich vermengen met het materiaal dat uit de grond wordt opgezogen of uit de krater wordt
geworpen. De condensatie van verdampte grond vindt plaats in de eerste paar seconden,
het meest intens tijdens vuurbaltemperaturen tussen 3500 en 4100 K. |
- Stijgings- en stabilisatiefase, 20 seconden tot 10 minuten, wanneer de hete gassen opstijgen
en vroegtijdig grote neerslag wordt afgezet. |
- Late tijd, tot ongeveer twee dagen later, wanneer de deeltjes in de lucht worden verspreid door
de wind, worden afgezet door de zwaartekracht en worden weggevangen door neerslag. |
| |
| De vorm van de wolk wordt beïnvloed door de plaatselijke atmosferische omstandigheden en windpatronen. De neerslagverdeling is voornamelijk een benedenwindse pluim. Als de wolk echter de tropopauze bereikt, kan deze zich tegen de wind in verspreiden, omdat de convectiesnelheid hoger is dan de omgevingswindsnelheid. Tijdens de tropopauze is de vorm van de wolk ruwweg cirkelvormig en verspreid. |
|
|
 |
| Tumbler-Snapper Dog, 19 kilotons. |
|
| |
De vorm van de wolk wordt beïnvloed door de plaatselijke atmosferische omstandigheden en windpatronen. De neerslagverdeling is voornamelijk
een benedenwindse pluim. Als de wolk echter de tropopauze bereikt, kan deze zich tegen de wind in verspreiden, omdat de convectiesnelheid hoger
is dan de omgevingswindsnelheid. Tijdens de tropopauze is de vorm van de wolk ruwweg cirkelvormig en verspreid. |
| |
 |
| De vorming van een paddenstoelwolk als gevolg van de kernproef Tumbler-Snapper Dog. De rookslingers die links van de explosie te zien zijn, zijn verticale rookfakkels die worden gebruikt om de schokgolf van de explosie waar te nemen, en houden geen verband met de paddestoelwolk. |
| |
De initiële kleur van sommige radioactieve wolken kan rood of roodbruin gekleurd zijn, vanwege de aanwezigheid van stikstofdioxide en salpeterzuur, gevormd uit aanvankelijk geïoniseerde stikstof, zuurstof en atmosferisch vocht. In de omgeving met hoge temperaturen en hoge straling van de ontploffing wordt ook ozon gevormd. Er wordt geschat dat elke megaton opbrengst ongeveer 5000 ton stikstofoxiden produceert. Gele en oranje tinten zijn ook beschreven. Deze roodachtige tint wordt later verduisterd door de witte kleur van water-/ijswolken, die condenseren uit de snelstromende lucht terwijl de vuurbal afkoelt, en de donkere kleur van rook en puin dat in de opwaartse luchtstroom wordt gezogen. De ozon
geeft de explosie zijn karakteristieke, corona-ontladingsachtige geur. |
| |
| De druppels gecondenseerd water verdampen geleidelijk, waardoor de wolk schijnbaar verdwijnt. De radioactieve deeltjes blijven echter in de lucht zweven, en de nu onzichtbare wolk blijft neerslag op zijn pad afzetten. |
| |
| Luchtuitbarstingen produceren witte, stomende stengels, terwijl gronduitbarstingen grijze tot bruine stengels produceren, omdat grote hoeveelheden stof, vuil, aarde en puin in de paddenstoelwolk worden gezogen. Gronduitbarstingen produceren donkere paddestoelwolken die naast de bom en zijn behuizing ook bestraald materiaal uit de grond bevatten, en veroorzaken daardoor meer radioactieve neerslag, waarbij grotere deeltjes zich gemakkelijk plaatselijk afzetten |
| |
| Een detonatie met een hogere opbrengst kan de stikstofoxiden uit de uitbarsting hoog genoeg in de atmosfeer transporteren om een aanzienlijke aantasting van de ozonlaag te veroorzaken. |
| |
| Onder bepaalde omstandigheden kan een dubbele paddenstoel met twee niveaus worden gevormd. Het Buster-Jangle Sugar-schot vormde bijvoorbeeld de eerste kop van de explosie zelf, gevolgd door een andere die werd gegenereerd door de hitte van de hete, vers gevormde krater. |
| |
De neerslag zelf kan verschijnen als droge, asachtige vlokken, of als deeltjes die te klein zijn om zichtbaar te zijn; in het laatste geval worden de deeltjes vaak door regen afgezet. Grote hoeveelheden nieuwere, meer radioactieve deeltjes die op de huid worden afgezet, kunnen bèta-brandwonden veroorzaken, die zich vaak uiten in de vorm van verkleurde vlekken en laesies op de rug van blootgestelde dieren. De neerslag van
de Castle Bravo-test zag eruit als wit stof en kreeg de bijnaam Bikini-sneeuw; de kleine witte vlokken leken op sneeuwvlokken, bleven aan oppervlakken plakken en hadden een zoute smaak. 41,4% van de neerslag van de Operatie Wigwam-test bestond uit onregelmatige ondoorzichtige deeltjes, iets meer dan 25% uit deeltjes met transparante en ondoorzichtige gebieden, ongeveer 20% uit microscopisch kleine mariene organismen en 2% uit microscopisch kleine radioactieve draden van onbekende oorsprong. |
| |
| Radio-isotopen |
Het belangrijkste risico op neerslag is gammastraling van kortlevende radio-isotopen, die het grootste deel van de activiteit vertegenwoordigen. Binnen 24 uur na de uitbarsting daalt het niveau van de gammastraling 60 keer. Radio-isotopen met een langere levensduur, doorgaans cesium-137 en strontium-90, vormen op de lange termijn een gevaar. Intensieve bètastraling van de neerslagdeeltjes kan bètabrandwonden veroorzaken bij mensen en dieren die kort na de ontploffing in contact komen met de neerslag. Ingeslikte of ingeademde deeltjes veroorzaken een interne dosis
alfa- en bètastraling, wat kan leiden tot langetermijneffecten, waaronder kanker. |
| |
| De neutronenbestraling van de atmosfeer zelf veroorzaakt een kleine hoeveelheid activering, voornamelijk in de vorm van langlevende koolstof-14 en kortlevende argon-41. De elementen die het belangrijkst zijn voor geïnduceerde radioactiviteit voor zeewater zijn natrium-24, chloor, magnesium en broom. Voor grondexplosies zijn de zorgwekkende elementen aluminium-28, silicium-31, natrium-24, mangaan-56, ijzer-59 en kobalt-60. |
| |
De belangrijkste stralingsbronnen zijn de splijtingsproducten uit de primaire splijtingsfase, en in het geval van splijtings-fusie-splijtingswapens,
uit de splijting van uranium in de fusiefase. Bij een thermonucleaire explosie komen veel meer neutronen per eenheid energie vrij in vergelijking met een puur splijtingsrendement dat de samenstelling van de splijtingsproducten beïnvloedt. De isotoop uranium-237 is bijvoorbeeld een unieke marker voor thermonucleaire explosies, aangezien deze wordt geproduceerd door een (n,2n) reactie uit uranium-238, waarbij de minimaal benodigde neutronenenergie ongeveer 5,9 MeV bedraagt. Aanzienlijke hoeveelheden neptunium-239 en uranium-237 zijn indicatoren voor een kernsplijting-fusie-splijtingsexplosie. Er worden ook kleine hoeveelheden uranium-240 gevormd, en de invanging van grote aantallen neutronen door individuele kernen leidt tot de vorming van kleine maar detecteerbare hoeveelheden hogere transuraniumelementen, b.v. einsteinium-255 en fermium-255.
|
| Radioactieve deeltjes kunnen over aanzienlijke afstanden worden vervoerd. Straling van de Trinity-test werd weggespoeld door een regenbui in Illinois. Dit werd afgeleid en de oorsprong werd achterhaald toen Eastman Kodak ontdekte dat röntgenfilms beslagen raakten door kartonnen verpakkingen die in het Midwesten werden geproduceerd. Onverwachte winden brachten dodelijke hoeveelheden neerslag van Castle Bravo over het Rongelap-atol, waardoor de evacuatie ervan werd gedwongen. De bemanning van Daigo Fukuryu Maru, een Japanse vissersboot die zich buiten de voorspelde gevarenzone bevond, werd ook getroffen. Strontium-90, gevonden bij wereldwijde neerslag, leidde later tot het Gedeeltelijk Kernstopverdrag. |
| |
| Fluorescerende gloed |
De intense straling in de eerste seconden na de ontploffing kan een waarneembaar aura van fluorescentie veroorzaken, de blauw-violet-paarse gloed van geïoniseerde zuurstof en stikstof tot op aanzienlijke afstand van de vuurbal, die de kop van de zich vormende paddestoelwolk omringt. Dit licht
is het gemakkelijkst zichtbaar 's nachts of bij zwak daglicht. De helderheid van de gloed neemt snel af met de verstreken tijd sinds de ontploffing en wordt na enkele tientallen seconden nauwelijks zichtbaar. |
| |
| Condensatie-effecten |
Nucleaire paddestoelwolken gaan vaak gepaard met kortstondige dampwolken, ook wel bekend als Wilsonwolken, condensatiewolken of dampringen. De negatieve fase die volgt op de positieve overdruk achter een schokfront veroorzaakt een plotselinge verdunning van het omringende medium.
Dit lagedrukgebied veroorzaakt een adiabatische temperatuurdaling, waardoor vocht in de lucht condenseert in een naar buiten bewegend omhulsel dat de explosie omringt. Wanneer de druk en temperatuur weer normaal worden, verdwijnt de Wilsonwolk. Wetenschappers die de kernproeven van Operatie Crossroads in 1946 op Bikini Atoll observeerden, noemden die voorbijgaande wolk een Wilsonwolk vanwege zijn visuele gelijkenis met een Wilson-wolkenkamer; de wolkenkamer gebruikt condensatie van een snelle drukval om de sporen van elektrisch geladen subatomaire deeltjes te markeren. Analisten van latere kernbomtests gebruikten de meer algemene term condensatiewolk in plaats van Wilsonwolk. |
| |
| Dezelfde soort condensatie wordt soms gezien boven de vleugels van straalvliegtuigen op lage hoogte en bij hoge luchtvochtigheid. De bovenkant van een vleugel is een gebogen oppervlak. De kromming en de verhoogde luchtsnelheid veroorzaakt een verlaging van de luchtdruk, zoals gegeven door de wet van Bernoulli. Deze verlaging van de luchtdruk veroorzaakt afkoeling, en wanneer de lucht afkoelt voorbij het dauwpunt condenseert waterdamp uit de lucht, waardoor waterdruppels ontstaan, die zichtbaar worden als een witte wolk. |
| |
De vorm van de schokgolf wordt beïnvloed door de variatie van de geluidssnelheid met de hoogte, en de temperatuur en vochtigheid van verschillende atmosferische lagen bepalen het uiterlijk van de Wilson-wolken. Condensatieringen rond of boven de vuurbal zijn een vaak waargenomen verschijnsel. Ringen rond de vuurbal kunnen stabiel worden en ringen rond de stijgende stengel worden. Explosies met een hogere opbrengst veroorzaken intense opwaartse luchtstromen, waarbij luchtsnelheden 480 km/u kunnen bereiken. Het meevoeren van lucht met een hogere luchtvochtigheid, gecombineerd met de daarmee gepaard gaande druk- en temperatuurdaling, leidt tot de vorming van rokken en bellen rond de stengel. Als de waterdruppels voldoende groot worden, kan de wolkenstructuur die ze vormen zwaar genoeg worden om te dalen; op deze manier kan een stijgende stam met een dalende bel eromheen worden geproduceerd. De gelaagdheid van de vochtigheid in de atmosfeer, verantwoordelijk voor het verschijnen van de condensatieringen in tegenstelling tot een bolvormige wolk, beïnvloedt ook de vorm van de condensatieartefacten langs de stengel van de paddenstoelwolk, aangezien de opwaartse luchtstroom een laminaire stroming veroorzaakt.
Hetzelfde effect boven de bovenkant van de wolk, waar de uitzetting van de opstijgende wolk een laag warme, vochtige lucht op lage hoogte naar boven duwt in koude lucht op grote hoogte, veroorzaakt eerst de condensatie van waterdamp uit de lucht en zorgt er vervolgens voor dat de resulterende druppeltjes bevriezen en ijskappen vormen, die qua uiterlijk en vormingsmechanisme vergelijkbaar zijn met het vormen van wolken. |
|
|
|
|
|
|
