Sugli effetti delle armi nucleari il testo indicato prima Effects of nuclear weapons (che denoteremo sempre con la sigla ENW) contiene molto piu’ di quanto sviluppato a lezione.
In quello che segue faremo riferimento in particolare alle parti intorno alle seguenti pagine: pag 41, pag 67, pag 69, pag 81, pag 84, pag 87, pag 88, pag 89, pag 113, pag 114 del testo
Le esplosioni nucleari possono avvenire in particolare al suolo o nella (bassa) atmosfera, nell’acqua, nella parte alta dell’atmosfera o addirittura fuori di essa e nel sottosuolo.
In ogni caso l’esplosione di una bomba nucleare genera una sfera di fuoco (di dimensioni variabili a seconda della energia della bomba) con temperature anche tre volte quella della superficie solare. Nel caso di una esplosione al suolo o nella (bassa) atmosfera, la sfera di fuoco raffreddandosi e sollevandosi da’ luogo alla caratteristica configurazione a fungo (ENW pag. 29 fig. 2.07 e altre foto nella stessa parte del libro).
In una esplosione al suolo o nella bassa atmosfera la sfera di fuoco emette inizialmente (nel primo decimo di secondo) radiazioni con una grande componente di raggi X e ultravioletti che vengono assorbiti dall’aria circostante che acquista una grande temperature e per una frazione di secondo diventa quasi opaca. Si ha cioe’ una provvisoria diminuizione della radiazione (termica) a cui fa seguito una prolungata emissione di radiazione (termica) con una molto piu’ grande componente di raggi gamma nello spettro visibile ed infrarosso. Quindi una esplosione nucleare in bassa atmosfera e’ caratterizzata da un doppio flash (uno brevissimo e uno prolungato). La maggior parte della radiazione termica viene emessa durante il flash piu’ lungo. (si veda ENW paragrafo 2.39 e fig. 2.39 pag. 40-41) .
Questo doppio flash e’ caratteristico delle esplosioni nucleari e, osservando da un satellite un doppio flash (con le carateristiche della fig 2.39), si puo’ ragionevolmente concludere che si e’ trattato di una esplosione nucleare. Per questo, quando un satellite Vela nel 1979 individuo’ un doppio flash nell’Atlantico meridionale si ritenne che si fosse trattato di una esplosione nucleare (probabile frutto della cooperazione nucleare tra Sud-Africa e Israele). Un video con il double nuclear flash si trova su https://www.flickr.com/photos/11059767@N08/4719633778
I principali effetti delle armi nucleari sono onda d’urto, radiazione termica, radiazione nucleare iniziale (entro un minuto dall’esplosione) e radiazione nucleare residua e fallout.
Sugli effetti delle bombe nucleari si possono vedere anche le trasparenze allegate di A. GLASER (2007, Universita’ di Stanford)
L’onda d’urto (si veda capitolo III di ENW) e’ caratterizzata dalla sovrapressione create dall’esplosione e dal “vento” generato dalla sovrapressione (la cosiddetta pressione dinamica). Quando la sovrapressione diventa negativa il vento si inverte (ENW fig. 3.11). Se le esplosioni avvengono ad una altezza dal suolo conveniente si ha anche un’ onda d’urto riflessa dal terreno che si combina con l’onda d’urto incidente formando il cosiddetto fronte di Mach. La presenza di un fronte di Mach rinforza la sovrapressione generata come e’ evidente dal diagramma 3.73b di ENW. Si vedano in dettaglio le pagine da 80 a 91 di ENW.
Vi sono numerosi film che mostrano l’effetto devastante dell’onda d’urto sugli edifici. Alcuni video che illustrano gli effetti vari delle esplosioni sono contenuti per esempio in
http://www.atomicarchive.com/Movies/index_movies.shtml.
Parlando di film sulle esplosioni nucleari segnaliamo anche:
https://www.youtube.com/watch?v=2jRZX2TgHKc (Hiroshima – Nagasaki)
https://www.youtube.com/watch?v=5gD_TL1BqFg (varie esplosioni )
http://www.youtube.com/watch?v=_f2f6zb7Fe8 (esplosione sott’acqua)
http://www.youtube.com/watch?v=9rd9ylueyBY (esplosione cinese con attacco della cavalleria)
http://www.youtube.com/watch?v=5N0Balj2tLw (cannone atomico)
http://www.youtube.com/watch?v=9_vDro76t58 (effetti esplosioni nucleari)
https://www.youtube.com/watch?v=Hy0cjVobjOs (la piu’ grande esplosione nel sottosuolo)
http://www.youtube.com/watch?v=S1f6vbiuUt0 (esplosione nel sottosuolo)
https://www.youtube.com/watch?v=VdF4ln6610w&ebc (esplosioni nel sottosuolo)
https://www.youtube.com/watch?v=BlE1BdOAfVc(5 uomini sotto
un’esplosione nucleare).
Se lo scopo di una bomba nucleare e’ quello di distruggere una citta’ o comunque un obiettivo non rafforzato ed esteso, allora si deve pensare di fare esplodere una bomba ad una conveniente altezza in modo da massimizzare l’area sottoposta a sovrapressione. Meglio ancora di una bomba molto potente, per distruggere una citta’, conviene utilizzare un grappolo di bombe nucleari di potenza piu’ limitata il cha ha un effetto ancora piu’ devastante in termini di area sottoposta a sovrapressione. Anche per tenere conto di questo fatto e’ stato utilizzato il concetto di megaton equivalente cioe’ di megaton elevato all’esponente 2/3 per cui, ad esempio, una bomba da un megaton conta “meno” di 10 bombe da 100 Kt = 0.1 Mt (il cui megatonnaggio equivalente complessivo e’ pari a 2.15446 Mt). Il termine megatonnaggio equivalente e’ comunque un concetto empirico che e’ stato usato principalmente negli anni 1960-80).
Viceversa se si deve distruggere un obiettivo militare rinforzato (come il silo di un missile avversario protetto da uno strato spesso di cemento (e metalli) , bisogna centrare l’obiettivo con una bomba nucleare fatta esplodere al suolo esattamente sopra il silo del missile avversario. In questo caso la precisione del missile e’ essenziale. La precisione di un missile è definita dal suo CEP (Circular error probable) inteso come il raggio del cerchio intorno all’obiettivo, in cui cade la meta’ delle testate che vengono lanciate contro l’obiettivo.
Useremo il termine countervalue per definire gli attacchi nucleari contro obiettivi “soft” come le città e il termine counteforce per definire gli attacchi nucleari contro obiettivi “hard” come gli obiettivi militari e in particolare le basi militari che contengono armi nucleari (come le basi –o i silos- di missili balistici con testate nucleari).
Per quanto riguarda la radiazione termica prodotta da una esplosione nucleare, abbiamo gia’ detto del doppio flash. Dal capitolo 7 di ENW deduciamo che la radiazione termica dura tanto piu’ quanto piu’ alta e’ la potenza esplosiva della bomba. Anche a rischio di semplificare eccessivamente il discorso, possiamo dire che in una bomba di alto potenziale esplosivo gli effetti della radiazione termica sono molto piu’ rilevanti. Cioe’ una bomba di grande megatonnaggio e’ soprattutto un potente ordigno incendiario (si vedano ad esempio le fig. 7.84 & 7.87). Un particolare fenomeno e’ il cosiddetto “fire storm”. Se un esplosivo nucleare riscalda in modo particolare una certa zona, l’aria sopra questa zona si surriscalda e si sposta verso l’alto. Quindi l’aria circostante l’obiettivo viene attirata verso il centro della zona stessa. In questo modo tutto quanto c’e’ di combustile nella zona in questione viene completamente combusto e nulla resta nella zona che e’ stata bombardata. Hiroshima e Nagasaki sono stati sottoposte a firestorm. Ma un firestorm puo’ anche essere generato da un massiccio bombardamento convenzionale. Esempi sono i bombardamenti nella seconda guerra mondiale a Coventry (Gran Bretagna), Dresda (Germania), Tokyo. Nel bombardamento di Tokyo sono morte 100 000 persone, piu’ delle morti immediate di Hiroshima.
La radiazione nucleare (composta da raggi gamma, neutroni, elettroni (detti anche raggi beta) e raggi alfa – cioe’ nuclei di Elio-) viene ripartita in radiazione nucleare iniziale (emessa entro un minuto dall’esplosione) e radiazione nucleare residua (emessa successivamente al primo minuto). La radiazione nucleare produce, in generale, un effetto ionizzante che distrugge/danneggia in particolare le cellule degli uomini e degli animali.
Una forte dose di radiazione puo’ provocare la morte immediata o in un breve periodo. Una significativa esposizione alla radiazione (anche non particolarmente forte) puo’ inoltre provocare effetti di lungo periodo (come tumori, malattie genetiche, ecc.).
L’attivita’ di un radionuclide (cioe’ di una sorgente di radiazione) viene misurata in Becquerel (Bq) che e’ pari ad un decadimento al secondo.
La radiazione assorbita (per unita’ di massa) viene misurata in Grey (Gy) che e’ pari ad un Joule/kg. 1 Gy = 100 rad (il rad e’ una unita di misura non piu’ usata, anche se le misurazioni in ENW sono fatte in rad)
La radiazione assorbita viene ulteriormente corretta tenendo conto del danno specifico sulle cellule. L’unita’ di misura in questo caso e’ il Sievert (Sv) pari a 100 rem (=roengten equivalent man). Anche in questo caso il rem e’ una misura non piu’ usata.
Sugli effetti biologici delle radiazioni si veda ad esempio il sito:
http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/bio-effects-radiation.html
Per la definizione di Sievert (Sv) e la sua relazione con il Grey (Gy) si veda ad esempio
https://en.wikipedia.org/wiki/Sievert
1 Sv oscilla tra 1 Gy per raggi gamma, raggi X , elettroni fino a 20 Gy per particelle alfa, prodotti di fissione, nuclei pesanti.
Accanto al Sievert si usa il millesimo di Sievert (mSv).
La dose LD-50 in cui il 50% delle persone esposte muore e’ di 4 Sv/4.5 Sv su tutto il corpo
Tra 2 e 3 Sv si ha nausea, emorragie, perdite di capelli.
Con 6 Sv la sopravvivenza e’ altamente improbabile.
Per quanto riguarda la dose assorbita nella vita normale o nella medicina si ha la seguente tabella indicativa
| causa o pratica medica | dose equivalente |
| fondo naturale di radiazione (media) | 2,4 mSv/anno |
| massima dose di fondo naturale (a Ramsar-Iran valore medio) | 0,6 – 131 mSv/anno |
| radiografia convenzionale | < 1 mSv |
| tomografia computerizzata | 2 ~ 15 mSv |
| tomografia a emissione di positroni | 5 ~ 20 mSv |
| scintigrafia | 2 ~ 10 mSv |
| radioterapia (singola seduta) | 1500~2000 mSv |
Per avere un’idea di casi di morte per radiazione di estrema intensita’ si puo’ vedere ad esempio:
http://listverse.com/2010/03/25/10-famous-incidences-of-death-by-radiation/
Radiazione nucleare residua e fallout. Quando una bomba nucleare e’ fatta esplodere al suolo, in acqua o in aria ad un’altezza in cui la sfera di fuoco tocca il terreno, il terreno viene vaporizzato e mischiato con i prodotti di fissione (e il materiale fissile o fissionabile non fissionato). La nuvola che contiene il terreno vaporizzato con i prodotti fissione poi si raffredda e si distribuisce sul terreno seguendo principalmente la direzione del vento. Il termine fallout (ricadimento) radioattivo si riferisce a questo fenomeno. A pagina 411-412 di ENW ci sono immagini di particelle di fallout. In ENW fig. 9.86 a e 9.86 b sono descritti dei pattern schematizzati per il fallout.
Piu’ interessante e’ vedere il pattern del fallout di una esplosione nucleare avvenuta nell’atollo di Bikini nel 1954 denominata Castle Bravo. L’esplosione fu di 15 Mt, l’esplosione avvenne al suolo e la potenza esplosiva fu superiore a quanto era stato previsto. La figura ENW 9.105 descrive la radioattivita’ da fallout misurata in rad.
A distanza di 60 anni l’atollo di Bikini non era ancora abitabile. (http://www.theguardian.com/world/2014/mar/02/bikini-atoll-nuclear-test-60-years).
Si noti che nelle vicinanze dell’atollo di Bikini dal 1946 al 1958 sono stati effettuati 25 test nucleari in superficie per una potenza esplosiva di oltre 78 Mt. L’idea di aver usato il nome Bikini per un costume da bagno femminile (paragonato ad una “bomba”) e’ indegna.
L’impulso elettromagnetico si verifica quando viene fatta esplodere una bomba nucleare a grande altezza (qualche centinaio di kilometri). A grandi altezza i raggi gamma hanno un cammino medio molto lungo e interagiscono con l’atmosfera in corrispondenza dell’altezza del campo magnetico terrestre. Gli elettroni bombardati dei raggi gamma aquisiscono energia (effetto Compton), vengono accelerati dal campo magnetico terrestre e producono un intenso ma breve campo magnetico su una larga superficie terrestre.
Si veda
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_pulse
Questo campo magnetico puo’ interagire con vari strumenti e apparecchiature sulla terra possibilmente impedendone il funzionamento.