Количество и свойства пыли

На основе анализа образцов пыли, отобранных из облаков ядерных взрывов, производившихся в 1950—1960-х гг., было оценено, что при наземном взрыве мощностью 1 Мт в стабилизировавшемся облаке может содержаться от 100 до 300 тыс. т грунта (Rosenblatt et ai, 1978; Gutmacher et ai, 1983; NRC, 1985). Хотя основную часть пыли составляют частицы размером более 10 мкм, массовая доля субмикронных частиц может достигать 5—10% (Nathans et ai, 1970а, Yoon et at., 1985).
Данные о размерах частиц пыли немногочисленны и разрозненны. Для взрывов, произведенных во внутренних районах континентов, наиболее полные данные о распределеии частиц по размерам были получены при испытательном низковысотном взрыве «Джонни Бой» (полигон Невада, 0,5 кт, 11 июля 1962 г.) (Nathans et at., 1970а; Yoon et ai, 1985). Отбор образцов пыли производился непосредственно из облака взрыва при помощи фильтров. Необходимо отметить, что распределение частиц по размерам в осадках не отражает характеристик пыли, находящейся в облаке, особенно в диапазоне размеров меньше нескольких микрометров. Возможность использования данных, полученных в ходе испытаний ядерного оружия на тихоокеанских коралловых атоллах, также весьма ограничена. Это связано с небольшими размерами территорий и практическим отсутствием континентальных почв на полигонах. Нижний предел массовой доли субмикронных частиц пыли, согласно данным этих испытаний, составлял около 1% (Heft, 1970). Оценки массовой доли высокодисперсной фракции пыли, выбрасываемой при взрывах над континентальными почвами, варьируются по меньшей мере втрое.
В ходе ядерных испытаний 1950—1960-х гг. не было отмечено каких-либо долговременных последствий выбросов аэрозолей в атмосферу (см., например, Machta, Harris, 1955). Это объясняется несколькими причинами.
1. Испытательные ядерные взрывы в основном производились в течение десяти лет — с 1952 по 1962 г. Суммарная мощность взрывов за эти десять лет составляет около 450 Мт.
2. Наиболее мощные -взрывы производились на больших высотах (или на пустынных атоллах), так что при этих испытаниях в атмосферу инжектировалось минимальное количество высокодисперсной пыли, а выбросы дыма практически отсутствовали.

3. Характеристики пыли и траектории облаков известны недостаточно точно, что в настоящее время не позволяет выделить предполагаемые эффекты.
Количество образующейся пыли монотонно убывает с увеличением высоты взрыва. При наземных взрывах выброс грунта в атмосферу может превышать 100 тыс. т/Мт (при увеличении мощности взрыва, начиная примерно с 1 Мт, количество выбрасываемого грунта на единицу мощности медленно снижается). При взрывах на небольшой высоте, когда огненный шар едва касается поверхности, выброс пыли значительно меньше. В этом случае количество испарившегося грунта в огненном шаре невелико, и большая часть пыли увлекается в атмосферу восходящими потоками воздуха. При высотных взрывах масса аэрозоля равна массе самого бомбового устройства (Nathans et at., 1970).
При подземных взрывах с увеличением заглубления масса породы, выбрасываемой из кратера, сначала возрастает, а затем начинает убывать. Однако, несмотря, на то что масса грунта, смещенного при подземном взрыве, может (при определенных величинах заглубления) оказаться больше, чем при наземных, высота подъема облака пыли в первом случае меньше, так как огненный шар сначала движется в более плотной среде. Сказанное справедливо и для подводных взрывов.
Высота, на которой стабилизируется облако пыли, поднятой ядерным взрывом, зависит от мощности и высоты взрыва, времени года и метеорологических условий (Glasstone, Dolan, 1977). Для низковысотных взрывов мощностью меньше 100 кг высота, на которой стабилизируется облако, в значительной степени зависит от термической устойчивости нижней атмосферы. Облако поднимается до тропопаузы и, как правило, не проникает в стратосферу. Для более мощных (больше 100—200 кт) наземных и низковысотных взрывов высота подъема облака определяется в основном термической структурой стратосферы. При взрыве мощностью 1 Мт (в средних широтах) облако стабилизируется в нижней части стратосферы; при более мощных взрывах высота подъема больше. В этом режиме высота стабилизации примерно пропорциональна У0’2, где У— мощность в мегатоннах (NRC, 1985). Для оценки климатических последствий наибольший интерес представляет количество высокодисперсной пыли, выброшенной в стратосферу (и, возможно, в верхнюю часть тропосферы при изменении термической структуры атмосферы). Следовательно, необходимо рассматривать наземные или низковысотные взрывы мощностью порядка 100— 200 кт или более.
Морфология частиц пыли, образующихся при ядерных взрывах, весьма разнообразна. Самую мелкую фракцию (менее 1 мкм) составляют сферические стеклообразные (или металлические) частицы и элементарные зерна грунта. Сферические частицы образуются при конденсации испарившихся веществ или при разбрызгивании струй расплавленного вещества. Раздробленные ударной волной до элементарных зерен грунт или скальные породы увлекаются восходящими потоками воздуха. Для расчета оптических свойств можно принять, что мелкие частицы представляют собой сферы эквивалентного объема. В образцах пыли, полученных при испытании бомбы «Джонни Бой», удельная экстинкция высокодисперсной фракции пыли (на длине волны 550 им) составляла 3 м2/г (NRC, 1985). Обычно считают, что на долю поглощения приходится 1—3% этой величины, остальное приходится на рассеяние.
Данные об агломерации частиц, полученные на основе исследования образцов пыли, собранных фильтрами, весьма противоречивы. Электризация частиц в облаке, по-видимому, невелика, однако облака сильно турбулизованы и содержат значительное количество льда (до нескольких сотен тысяч тонн на 1 Мт мощности взрыва; лед образуется из испарившейся при взрыве воды или за счет конденсации водяного пара, который находится в атмосфере). Следовательно, основными механизмами агломерации могут служить турбулентная коагуляция и захват кристаллами льда. К сожалению, надежные данные о кластеризации частиц отсутствуют. В первых исследованиях указывалось на отсутствие агломерации (Nathans et at., 1970а). Однако в ходе повторного анализа некоторых образцов пыли, отобранных с помощью фильтра в облаке взрыва на больших высотах, были обнаружены вкрапления кластеров частиц (данные были получены визуально и носят предварительный характер; Rawson, частное сообщение). Неизвестно, являются ли эти кластеры частями действительно образовавшихся агломератов или эта просто осколки более крупных частиц (Rosinski, hanger, 1974). Неясно также, какую часть (по массе) высокодисперсной фракции аэрозоля составляют агломераты. Особенно важно отметить, чт
о в локальных осадках наземных взрывов практически не содержится мелких частиц. Действительно, 40—60% радиоактивных веществ, образовавшихся при взрыве, попадают вместе с высокодисперсной фракцией пыли в атмосферу (Gladstone, Dolan, 1977). Исходя из существующих данных, можно полагать, что агломерация субмикронных частиц на ранних стадиях существования стабилизировавшегося облака взрыва является эффектом второго порядка, хотя па больших промежутках времени коагуляцию и вымывание пыли необходимо учитывать (Тигсо et al., 1983).
Поскольку большинство взрывов было произведено над бесплодными землями, мало что известно о влиянии на оптические свойства пыли содержащихся в почве органических веществ. Однако много потенциальных целей расположено в районах, где насыщенность почвы органикой весьма высока. (В качестве примера можно назвать черноземы Великих равнин в США или торфяники в Сибири.) В некоторых местностях почва имеет черный цвет. Аэрозоль, который образуется при взрыве на такой территории, может сильно поглощать солнечное излучение. Все органические вещества, которые попадут в огненный шар, окислятся (сгорят), однако некоторая часть органики, поднятой ударной волной и ветром, не сгорит и будет, вероятно, сильно поглощать солнечный свет. Напротив, маловероятно, что аэрозоли, образующиеся из бесплодных почв, будут эффективно поглощать излучение (тем не менее встречающиеся в образцах пыли стекловидные частицы иногда имеют черный цвет из-за растворенных соединений железа). Во всех расчетах климатических изменений, выполненных к настоящему времени, предполагалось, что аэрозоли слабо поглощают солнечное излучение.
Большинство ядерных испытаний проводилось над грубыми почвами (например, на коралловых атоллах), тогда как многие потенциальные цели расположены в таких районах, где в почве значительную долю составляют глиноземы. (Испытание бомбы «Джонни Бой» проводилось, однако, над пустынным аллювием, где доля мелких частиц весьма высока; Rawson, частное сообщение.) Чем меньше размеры элементарных зерен грунта, тем большее количество частиц пыли субмикронных размеров образуется при ядерном взрыве, который вызовет дробление и высушивание почвы.
Несколько факторов могут уменьшить выбросы пыли при наземных и низковысотных взрывах:
1. Влажность почвы, увеличивающая сцепление частиц друг с другом.
2. Наличие растительного покрова, который ослабляет тепловое излучение и удерживает пыль.
3. Наличие уплотненного поверхностного слоя почвы, скальных пород, снега или льда, препятствующих образованию пыли.
Вместе с тем названные факторы не сильно повлияют па испарение, плавление и выбросы грунта в области, непосредственно прилегающей к эпицентру.