Gli effetti delle armi nucleari (prima parte)

La comparsa delle testate nucleari ha reso improvvisamente disponibile un tipo di esplosivo di potenza tale da surclassare anche le più potenti bombe convenzionali. Queste armi hanno richiesto la creazione di nuove unità di misura, il Kiloton (kT) e il Megaton (MT), in grado di “quantificare” la potenza in migliaia o milioni di tonnellate equivalenti di trinitrotoluene (TNT). Ma il paragone è poco calzante: l’esplosione nucleare è di tipo differente. Non ci occuperemo della storia né della fisica dietro a tutto ciò. Reperire il materiale relativo non è difficile. Gli effetti di testate nucleari differenti nei confronti dei materiali sono invece, spesso, trascurati o disponibili solo in lingua straniera. Cercheremo di far luce su questi, paragonando due ordigni di potenza differente. Uno nucleare tattico di 20 kT, a cui appartengono le bombe lanciate su Hiroshima (16 kT) e Nagasaki (21 kT), e uno di 1 MT, di una potente testata termonucleare strategica, per esempio una bomba B83 (1,2 MT). L’ordigno più piccolo realizzato è stato il Davy Crockett da 0,01 kT. Quello più grande, l’enorme RDS-220 Tsar Bomba da 100 MT. Le testate possono essere montate su quasi ogni arma: missili, razzi, bombe, siluri, proiettili d’artiglieria e mine.

Le esplosioni nucleari producono effetti immediati (lampo, onda d’urto, radiazioni) e ritardati per ore, mesi, anni. Nel momento “zero” si verifica una potente emissione di neutroni, raggi X e Gamma, e il lampo, di durata variabile a seconda della potenza. Successivamente si forma l’onda d’urto. L’emissione maggiore di raggi Gamma prosegue per almeno un minuto. Dopo un tempo variabile, in genere di alcune ore, può avvenire il Fallout, di estensione e durata variabili a seconda della potenza e quota dello scoppio, oltre che dei venti dominanti.

L’energia nel primo minuto, per potenze fino a 100 kT, è così distribuita: 60 % onda d’urto, 35 % radiazioni termiche, 5% radiazioni nucleari ionizzanti (80% gamma, 20% neutroni). Per potenze oltre 1 MT, gli effetti termici sono amplificati, così che l’energia è distribuita in modo differente: 50% onda d’urto, 45% radiazioni  termiche, 5% radiazioni  nucleari. La radiazione da fallout rilascia nel tempo ulteriore energia, pari al 5-10% del totale precedente.

Effetti immediati

Al momento zero, la temperatura sale a 50-100 milioni di °C. Verso l’esterno vengono diffusi  neutroni, raggi gamma e raggi X. Una frazione di secondo dopo, inizia la formazione della “sfera di fuoco”(Fireball), riscaldata dai raggi X a decine di milioni di °C, le cui dimensioni e tempo di formazione sono variabili a seconda della potenza. La sfera, espandendosi, irradia energia come radiazione termica e onda d’urto. L’intensità e la lunghezza d’onda sono funzione della quarta potenza della temperatura.

Quello che appare come un lampo istantaneo, è un processo in realtà fisicamente complesso, con diversi passaggi intermedi e due picchi di energia. Per 20 kT, il raggio della “sfera” (airburst) è di 110 metri con una durata di 0,8 secondi. Per un’arma da 1 MT il raggio è di 530 metri e la durata di 4,5 secondi. Il tempo di emissione segue la formula T=Y^0,45. Il raggio della fireball cresce secondo l’equazione R=Y^0,4.Inizio modulo A questo sono dovuti i differenti effetti termici: nel secondo caso il calore insiste per un tempo superiore. L’onda d’urto inizialmente viaggia a 30 km/sec. Comprime e scalda l’aria a 30000°C, ionizzandola. Entro 0,3 secondi per un ordigno da 20 kT, o entro 1,8 secondi per uno da 1 MT, viene emesso il 50% della radiazione termica totale. Radiazione che sale al 75% rispettivamente entro 0,75 secondi e 4,5 secondi, a 7500°C, con emissione nell’infrarosso, nel visibile e nell’ultravioletto. Il riscaldamento del terreno, sotto al punto zero, ha raggiunto a Hiroshima i 3-4000°C. A 1 km di distanza, 1800°C.

Il danno da un ordigno di 20 kT si esaurisce in pochi secondi. La Fireball si raffredda abbastanza in 3 secondi che la radiazione termica è già meno pericolosa. A 10 secondi dallo scoppio, l’onda d’urto è a 4 km e viaggia a 64 km/h con sovrappressione di 1 PSI, ancora abbastanza per danneggiare strutture, navi, aerei. In meno di 10 minuti il fungo sale oltre gli 11000 metri.

Nel caso di uno scoppio da 1 MT, dopo 10 secondi, quando la fireball ha la massima grandezza, l’onda d’urto è a 4,8 km. 37 secondi dopo lo scoppio, quando la fireball non è più visibile, l’onda d’urto è a 15 km a 64 km/h. Dopo 10 minuti il fungo raggiunge i 22000 metri.

Un metodo di calcolo pratico del raggio di distruzione considera una testata di 2,5 kT con scoppio a quota ottimale (300 metri per 5 PSI), in grado di infliggere scottature di 3° (8 cal/cm2), provocare una sovrappressione di 5 PSI (collasso della maggior parte degli edifici residenziali e industriali), e irradiare 500 REM, tutti effetti letali, a 1 km di distanza. La formula, come vedremo, torna molto utile. Una regola semplice per stimare le morti a breve termine da tutte le cause è contare le persone entro il raggio dei 5 PSI come morte. In realtà, molti sopravvivono e altri muoiono oltre, ma l’assunto è che i due gruppi siano uguali.

Onda termica

Dura da meno di 1/10 di secondo per le testate sub-chilotoniche a molte decine di secondi per quelle multi-megatoniche. A breve distanza raggiunge oltre 1000W/cm2 (Sole=0,14W), come una torcia ad acetilene. Il calore viene assorbito dallo strato superficiale dei materiali, a seconda del colore (i colori chiari riflettono parte del calore), più velocemente di quanto possa essere portato via per conduzione, re-irradiazione o convezione, così si raggiungono istantaneamente temperature anche oltre 1000°C, causando drammatici cambi al materiale ma con poca penetrazione. Nelle bombe più grandi il calore è emesso in un periodo più lungo, ma è compensato dall’aumento termico. E penetra di più per l’esposizione più lunga. Le nuvole, il fumo, la pioggia o la nebbia riducono molto la propagazione. In teoria, il raggio termico cresce secondo la radice quadrata della potenza. Nella realtà, l’incremento è minore, dato l’assorbimento atmosferico. Il calcolo presenta variazioni fino al 30 % tra 1 e 10 MT, e un aumento quasi lineare oltre i 10 MT per la lunga durata. L’unità di misura è la caloria, pari a 4,2 J (4,2W per 1 secondo). Qualunque schermo può offrire protezione, la parete di un alto edificio può mantenere in ombra zone estese, quando, pochi metri più in là, il calore raggiunge centinaia di gradi…

La formula pratica per il calcolo del raggio (scottature di 3°) è: R= Y^0,41 

Es.: aumentando la potenza a 20 kT (8 volte più di 2,5kT), il raggio aumenta a 2,35 km (8^0,41).

Ma esistono formule alternative, accurate entro il 10 %  da 1 kT a 20 MT, per ogni tipo di ustioni, a seconda della potenza (raggio in km, potenza in kT): 

1° = Y^0,38*1,2           2° = Y^0,4  *0,87          3° = Y^0,41*0,67 

Es.: potenza 100 kT, ustioni di 2°:  100^0,4*0,87=5490 metri.

Alcuni valori reali per varie potenze:                 

                     20 kT                                           1 MT                                                 20 MT

1°   2,5 cal/cm2 (4,3 km)                3,2 cal/cm2 (18 km)                         5 cal/cm2 (52 km)

2°      5 cal/cm2  (3,2 km)                  6 cal/cm2 (14,4 km)                   8,5 cal/cm2 (45 km)

3°      8 cal/cm2  (2,7 km)                10 cal/cm2 (12 km)                         12 cal/cm2 (39 km)

A Hiroshima (16 kT) si sono raggiunte, a 300 metri, le 1000 cal/cm2. A 600 metri, 100 cal/cm2. A 800 metri, 70 cal/cm2. A 1100 metri  40 cal/cm2. A 1500 metri, 15 cal/cm2. A 1800 metri, 11 cal/cm2. A 2400 metri, 5 cal/cm2. A 3000 metri, 3 cal/cm2. A 4000 metri,  2 cal/cm2.

Le scottature hanno diversi gradi:

1°: dolore seguito da arrossamento, per minuti o ore, poi la pelle torna normale.

2°: danno ai tessuti sotto pelle. Dolore e arrossamento seguiti da vesciche entro poche ore. Il tessuto può rigenerarsi e guarire, di solito senza cicatrici. Ma le vesciche possono infettarsi.

3°: tessuti distrutti, incluse le cellule staminali rigeneratrici. La guarigione, con ricrescita della pelle è lenta, con cicatrici. Serio rischio di infezione e perdita liquidi. Se interessa oltre il 25 % del corpo, shock in minuti, richiede cure immediate.

4°-5°: distrutti i tessuti sotto pelle: muscoli, tessuto connettivo etc. Vicino al punto zero, 100 cal/cm2, 15 volte superiori al 3°, sono sufficienti per vaporizzare la carne fino alle ossa.

Il 4 % della popolazione con ustioni di 3° a Hiroshima ha avuto cheratite per ore-giorni o cecità temporanea, per secondi o minuti, cosa che ha impedito di mettersi al riparo dall’onda d’urto. Con la distanza, la palla di fuoco appare più piccola ma danneggia sempre cornea e retina. Oltre 100 kT il riflesso delle palpebre protegge la retina. A Hiroshima le scottature sono state le lesioni serie più diffuse a grande distanza, con 2/3 dei morti il primo giorno.

I materiali hanno temperature di accensione molto variabili:

Effetti incendiari

Nonostante l’intenso calore, l’effetto incendiario da onda termica per piccoli ordigni è limitato, per la breve durata e la bassa penetrazione. Provoca carbonizzazione superficiale, accensione temporanea, continua solo con foglie secche, giornali, tela scura, carta catramata, etc. Però può far esplodere serbatoi di carburante, incendiare le vernici protettive, deformare il plexiglas e la gomma, oltre ad incendiare i tessuti sintetici. I veicoli e gli aerei sono soggetti a vari danni. L’effetto termico tende ad aumentare molto al crescere della potenza. Una bomba da 20 MT causa ustioni di 3° a 39 km, ma a quella distanza l’onda d’urto rompe solo le finestre. Il calore prodotto è qualcosa di inimmaginabile. Penetrando attraverso le finestre, può incendiare i materiali all’interno degli edifici.

L’effetto incendiario diretto termina quando arriva l’onda d’urto. Questa può spegnere le fiamme ma ha maggiori effetti incendiari, perché le strutture collassate sono più vulnerabili al fuoco, piene di materiali infiammabili, tetti forati, linee del gas rotte, serbatoi distrutti. Lo scoppio sparge materiale combustibile su strade e cortili. Scaldabagni, stufe, forni, materiale già fumante, attivano gli incendi. Si stima un incendio per ettaro. Un importante fattore è l’interruzione del servizio antincendio. Può, inoltre, svilupparsi una tempesta di fuoco, come a Hiroshima, iniziata dopo 20 minuti. L’ascesa della colonna d’aria calda, richiama forti venti che alimentano le fiamme, consumando ogni combustibile. La temperatura supera i 1000°C, il monossido di carbonio arriva a livelli letali. Il calore fonde l’asfalto, il vetro, bolle l’acqua dei fiumi, cuoce le persone nei bunker.

Onda d’urto   

L’arrivo dell’onda d’urto causa un picco istantaneo di sovrappressione. L’aria dietro l’onda viene accelerata ad alta velocità, creando pressione dinamica. La combinazione di sovrappressione e pressione dinamica causa i danni. La sovrappressione si misura in Atmosfere o in PSI, libbre per pollice quadrato, pari a 0,07 Atmosfere (1 ATM=14,7 PSI). La fase positiva dura 0,2-0,5 sec per 1 kT, fino a 4-10 sec per 10 MT. Segue un periodo doppio di pressione negativa, che può arrivare in alcuni punti a 13 PSI per ordigni potenti, finché l’atmosfera torna normale. Una data pressione è più distruttiva per le bombe più grandi, per la maggiore durata. Vi è una relazione tra sovrappressione e  pressione dinamica: è uguale a 70 PSI. Sotto 70, la pressione dinamica è minore. Sopra i 70 supera la sovrappressione. Le strutture residenziali o industriali sono progettate per carichi verticali, orizzontalmente devono reggere solo la forza del vento. Ma qui parliamo di venti più potenti di un tornado. Nel caso di un ordigno di 20 kT la fase positiva dura 1 secondo e quella negativa 2 secondi. Per 1 MT i tempi dovrebbero essere 4 volte più alti.

Scoppio in quota ad altezza ottimale

Si potrebbe ritenere che lo scoppio più distruttivo sia al suolo, ma non è così. In una esplosione in aria, la sfera si espande e l’onda d’urto quando tocca il suolo viene riflessa, formando una seconda onda d’urto dietro la prima, che si muove più velocemente perché attraversa aria in movimento per il passaggio dell’onda diretta. L’onda riflessa raggiunge quella diretta e, per interferenza costruttiva, si combina per formare una singola onda con pressione raddoppiata (Mach stem), ad una distanza di solito pari alla quota di scoppio. Per una data potenza esiste una sola quota di scoppio alla quale l’area soggetta ad una data pressione è massima (OBH: Optimum Burst Height). Nel caso di 5 PSI è di 220 metri per 1 kT. Per un ordigno da 20 kT è di 600 metri. Per uno da 1 MT è di 2200 metri, pari alla radice cubica della potenza moltiplicata per l’OBH di 1 kT. Lo scoppio in quota è impiegato negli attacchi Countervalue (contro le città). 5 PSI possono rivelarsi insufficienti per edifici civili resistenti, come i grattacieli. La riflessione sulle pareti degli edifici può originare concentrazioni di pressione anomale, lasciando intatti alcuni edifici e distruggendo completamente quelli vicini.

L’effetto Mach aumenta le pressioni inferiori a 50 PSI. Così lo scoppio in aria dà pochi vantaggi se sono richieste forti pressioni. Le radiazioni termiche sono più potenti, perchè la palla di fuoco si forma in quota, arrivano ad angolo maggiore e vengono fermate meno da ostacoli o foschia.

Il personale resiste allo scoperto anche a oltre 10 PSI, a parte la rottura dei timpani (2,4-12 PSI: 1-90 %). Ma i fabbricati crollati, schiacciano o soffocano chi è all’interno. L’implosione delle finestre e delle pareti scaglia schegge ovunque. Le persone possono essere spinte lontano o contro le pareti.

Effetti secondo la pressione in PSI:

0,5    Rottura del 25 % delle finestre, limite danni lievi alle case.

0,7    Danni minori alla struttura delle abitazioni.  

1       Vento a 64 km/h. Rottura di tutte le finestre, intelaiature danneggiate. Danni moderati, case inabitabili. Lacerazioni leggere da schegge di vetro e oggetti. Danni lievi ai velivoli,  in grado di volare con restrizioni.

1,5    Pannelli di acciaio o alluminio corrugato deformati. Intelaiature in legno implose. Scardinamento soprastrutture leggere. Rottura pannelli degli aerei.    

2       Vento a 113 km/h. Collasso parziale di muri, tramezzi e tetti. Asportazione porte, finestre e comignoli, crollo cornicioni. Gli aerei sono sollevati, ruotati e spinti.

2,5     Distruzione case in mattoni nel 50 % dei casi. Soglia alta letalità del personale.

3       Vento a 164 km/h. Inizio crollo edifici residenziali, gravi lesioni, in particolare ai fabbricati alti. Linee elettriche molto danneggiate. Abbattuti il 30% degli alberi. 10 % di morti e 30 % di feriti gravi. Aerei gravemente danneggiati.

5       Vento a 262 km/h. Crollo maggior parte edifici residenziali con muri in mattoni di 20cm. Pali della luce divelti. Gravi danni alle costruzioni in traliccio metallico.  Schiacciamento veicoli. Alberi abbattuti.  20 % di morti, 50 % di feriti.

7       Vagoni ferroviari rovesciati. Crollo muri in mattoni di 30 cm. 40 % di morti, 60 % di feriti.

8       Distruzione maggior parte fabbricati industriali. Serie lacerazioni da oggetti e schegge.

9       Vagoni ferroviari spinti fuori dai binari e schiacciati.

10     Vento a 473 km/h. Distruzione totale degli edifici, quelli in cemento armato, molto danneggiati.  Emorragia  polmonare.

12     Crollo muri in mattoni di 45 cm, crollo costruzioni in cemento armato leggero, distruzione-contorsione strutture metalliche . 80% di morti, 20% di feriti.

18     Scardinamento ponti in acciaio, crollo edifici in cemento armato. Danno ai polmoni.

20     Vento a 810 km/h. distruzione totale, aree urbane livellate. Costruzioni in cemento armato pesante molto danneggiate o demolite. Danni leggeri ai carri armati, spostati di 1,5 metri. Danni gravi alle sovrastrutture e all’interno delle  navi. 90 % di morti, 10 % di feriti.

22     Collasso di oltre il 50 % delle trincee.

25     Danni gravi agli edifici antisismici. 94 % di morti, 6 % di feriti gravi. 

30      Vento a 1080 km/h. 

37      Scardinamento ponti in acciaio. 

40      Danni gravi ai carri armati.  

50      Vento a 1500 km/h. Strutture parzialmente interrate molto danneggiate o collassate. 

70      Vento a 1840 km/h.

100    Vento a 2270 km/h. Distruzione bunker rinforzati e vecchi silo ICBM. Affondamento navi, anche corazzate.

250    Distruzione bunker interrati a 10-25 metri di profondità.

300    Distruzione silo ICBM rinforzati russi di vecchia generazione.

1000-2000  Distruzione silo ICBM americani con oltre 1 metro di cemento armato.

Effetti immediati

Gli effetti dell’onda d’urto aumentano secondo la radice cubica della potenza:  R= Y^0,33 (Y in kT,  raggio in  km). I coefficienti di calcolo del raggio, a seconda della pressione, per esplosione a quota ottimale con effetto Mach stem, sono:  

0,5    = ⁓4

1       = 2,2

3       = 1

5       = 0,71

10     = 0,45

20     = 0,28 

30     = ⁓0,2

40     = ⁓0,17

100   = ⁓0,11

500   = ⁓0,06

1000 = ⁓0,05  

Es.: un ordigno di 500 kT avrà una sovrappressione di 3 PSI a: 500^0,33=7774 metri. E di 5 PSI a: 7774 * 0,71=5520 metri .

Impiegando la formula pratica, aumentando la potenza a 500 kT (200 volte 2,5 kT), per una sovrappressione di 5 PSI, il raggio passa a 5,74 km: 200^0,33 * 1 km, in discreto accordo con la formula precedente.

Una bomba di 20 kT provocherà 5 PSI di sovrappressione a 2 km, una di 1 MT, a 7,36 km.

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