Ydinaseiden painevaikutukset

Ydinaseiden painevaikutukset ovat ydinräjähteen räjähdyksen aiheuttama paineaalto ja tuuli. 1 megatonnin maanpinnassa tapahtuva räjähdys aiheuttaa 5 psi:n ylipaineen 8 km päässä. Tämä romahduttaa monet talot, vammauttaa lähes kaikki ja tappaa noin puolet. Näitä vakavia vaurioita vastaa hirmumyrskymäinen tuulen nopeus 74 m/s. Painevaikuus riippuu räjähdysvoimasta niin, että räjähdysvoiman tuhatkertaistumien kasvattaa vaikutussädettä kymmenkertaiseksi.

Painevaikutus

5 PSI paine tuhoaa puukerrostalon Nevadassa vuonna 1953 tehdyssä ydikokeessa,

1 kilotonnin räjähdyksen painekäyrät poikkileikkauskuvassa.

1 megatonnin pintaräjähdys levittää 7 kPa (1 PSI) painevaikutuksen jopa 80,76 kilometrin päähän. Tämä aiheuttaa talojen muuttumisen asuinkelvottomaksi. 14 kPa (2 PSI) (katot ja ovet rikkoutuvat, talot luhistuvat osittain.) Teollisuusrakennukset tuhoutuvat 1 kt räjähdyksessä 350 metrin päässä 110 kPa:n paineessa, ja 1 Mt räjähdyksessä 5,5 kilometrin päässä 50 kPa:n paineessa 1 MT räjähdys kaataa puita ylipaineeseen nähden tehokkaammin, koska paineen kesto on pidempi.

Rakenteisiin

Yhden megatonnin pintaräjähdyksen painevaikutus

• Paine PSI, etäisyys, tuhot
• 1 PSI 81 km Ikkunalasit särkyvät, sirpaleet vammauttavat hieman
• 2 PSI 34 km Vähäinen vaurio: katot, kevyet väliseinät, ikkunat ja ovet hajalle
• 3 PSI 13 km Talot romahtavat, paljon vakavia vammautumisia, ehkä kuolleita
• 5 PSI 8 km Rakennukset yleensä romahtavat, kaikki vähintään vammautuvat, paljon kuolleita 50 % kuolee, raunioista pelastettavia 30%.

• 10 PSI 5,5 km Teräsbetonirakennukset romahtelevat tai vaurioituvat pahoin, ihmiset yleensä kuolevat
• 20 PSI 3,5 km Vahvat betonirakenuksetkin yleensä romahtavat, lähes kaikki kuolevat.

Kellarien vauriot

• Talojen väestönsuojat kestävät 100-200 kPa. 1 Mt:n pintaräjähdyksessä kellarit sortuvat 7,7 km säteellä

Räjähdyskorkeus jolla tulipallo ei kosketa maata 200*Y^(1/3)

Ihmisiin

• 30 PSI kuolema
• 15 psi keuhkot vaurioituvat
• 5 PSI Tärykalvot voivat vaurioitua, yleensä tätä pidetään 15% kuolleita-rajana.
• 2,3 PSI kallovauriot lentävistä esineistä, vakavat lasinsirujen aiheuttamat haavat
• 1.8 PSI Ilmassa lentävien esineiden vauriokynnys. Kuolema vaatii teoriassa, että ihmisen täytyy lentää noin 3 metriä.
• 1 PSI Nahkaan haavoja lasinsirpaleista, lasinsirut lentävät noin 3 m.

Tarkka painetaulukko

Seuraava taulukko kertoo tarkemmin, millaisia vaikutuksia erisuuruisilla paineilla on.

ylipaine PSI	ylipaine kPa	etäisyys 1 Mt 2 400 m ilmaräjähdys	tuulennopeus	tuhot
0,03 PSI	0,2			Jotkut hyvin suuret jo jännityksen alla olevat ikkunat särkyvät, 0,2 kPa
0,1				Joitain pieniä ikkunoita särkyy, jos esirasitusta
0,15				Tyypillinen ikkunojen halkeiluraja
noin 0,2				Yksittäisiä ikkunoita särkyy ja seiniä halkeilee (Hiroshima)
0,3				Ilmassa lentävien esineiden raja, 2 kPa, "turvaraja" – 95 % todennäköisyydellä ei vakavia vaurioita.
0,5			8 m/s	Lievä vaurio: Ikkunoita särkyy laajalti, sirpaleet vammauttavat. Ikkunoiden vauriot lievät. Lentokoneet vaurioituvat, mutta niillä voi lentää.
0,8	5,5			Ikkunat särkyvät, laasti irtoaa seinistä, pieniä vaurioita rakennuksille.
1	7	18,6	17 m/s	Ikkunalasit särkyvät, lieviä vammoja sirpaleista. Talot asuinkelvottomaksi. Puutalot vaurioituvat lievästi, ikkunat pahoin.
1,25	8,5		20 m/s	Ihmiset kaatuvat.
1,5			23 m/s	Lievä talon vaurio, lasit, kattotiilet.
1,65	11,3			Talojen puuseinät vaurioituvat.
1.75			27 m/s	Jotkut lasinsirut lentävät ohuiden seinien läpi. Talot asuinkelvottomiksi, mutta vauriot korjattavissa.
2	14	?	31 m/s	Vähäiset vauriot. Katot, kevyet väliseinät ja ovet rikkoutuvat. Seisovat ihmiset saattavat lentää jaloiltaan ja vammautua. Vielä 2–3 PSI lennättää ihmisiä ulos toimistorakennuksista.
2,35				Betonitalojen, tiilitalojen seinät vaurioituvat.
3	21	9,5	45 m/s	Asuinrakennukset sortuvat, vakavat vammautumiset tavallisia, ehkä kuolleita. Seisova ihminen kaatuu 1% todennäköisyydellä kuolettavasti. Teräsbetonirakennusten seinät lentävät pois. Avomaastossa tuulen mukana kulkevat esineet tappavat ihmisiä.
3,5				Puolet tavallisissa asuinrakennuksista seisovista kuolee.
4				Metsätiet poikki kaatuneiden puiden takia.
5	34	7,0	72 m/s	Useimmat kevyet liikerakennukset ja asuinrakennukset sortuvat. Puurakennukset luhistuvat. 1% tärykalvoista halkeaa, yleensä vanhoilla. Vahvat rakennukset vaurioituvat pahoin. Vammautumiset tavallisia, kuolemaan johtavat yleisiä. Monesti tämä ilmoitetaan paineeksi, jossa 50% ihmistä kuolee.
6				Ihmisruumis lentää niin, että 99% kuolemista voi johtua tästä.
7				Vahvistetut betonirakennukset vaurioituvat lievästi. Puolet tavallisissa asuinrakennuksissa makaavista kuolee.
10	70	4,8	130 m/s	Useimmat ihmiset kuolevat, betonirakennukset luhistuvat tai vaurioituvat vakavasti.
12				Lähes kaikki kuolevat.
15				Ylipaine aiheuttaa pieniä vaurioita keuhkoihin.
20	140	1,3	220 m/s	Lähes kaikki kuolevat, vahvat betonirakennukset tuhoutuvat maan tasalle tai vaurioituvat vakavasti.
25				Vahvistetut betonirakennukset luhistuvat.
30				Kaikki kuolevat.
35				Keuhkovauriot aiheuttavat 1% kuolleista.
45				99% tärykalvoista halkeaa
65				99% kuolleista aiheutuu keuhkovaurioista.

Ikkunoiden särkyminen

Painevauriot jollekin rakennetyypille riippuvat rakenteiden ominaisuuksista ja voivat vaihdella huomattavastikin tilanteen mukaan. Yleisemmin Hiroshimassa ikkunoita särkyi 15 kilometrin päässä räjähdyksen pintanollapisteestä, ja joissain tapauksissa jopa 27 kilometrin päässä. Arviolta 50 megatonnin Tsar-bomba särki ikkunoita osittain vielä 900 kilometrin päässä räjähdyksestä.

Kaikki ikkunat särkyvät varmasti 0,5–1 PSI:ssa. 10 % särkyy 0,3 PSI:ssä, jossa esineet eivät yleensä lennä tuulen voimasta ja jossa vakavan vaurion todennäköisyys on vain 5 %. Lasit särkyvät vielä 0,15 PSI:ssä. Pienet ikkunat saattavat särkyä vielä 0,10 PSI:ssä ja uudet 0,003:ssa, jos niihin kohdistuu esirasitus.

Rakenteiden tuhoutuminen

Paineaallon suuntaiset johdot tuhoutuvat ilmaräjähdyksessä suunnilleen yhtälön 0,42*Y^0,409 km etäisyydellä. Paineaaltoa vastaan poikittain olevat johdot tuhoutuvat 0,50*Y^0,411 km etäisyydellä.. Pintaräjähdyksessä tämä kerrotaan vakiolla 2/3. 35 kPa ylipaine, jossa useimmat asuintalot tuhoutuvat, on 1 Mt ilmaräjähdyksessä etäisyydellä 7,1 km mutta maanpintaräjähdyksessä etäisyydellä 4,5 km 14 kPa ylipaine on 1 Mt ilmaräjähdyksessä etäisyydellä 13 km ja pintaräjähdyksessä 7.7 km. Tämä on yhtälönä 1,37*Y^(1/3) km ilmaräjähdykselle ja 0,77*Y^(1/3) km pintaräjähdykselle. Autot tuhoutuvat ilmaräjähdyksessä etäisyydellä 5/6 b=5,9 km, kun b on paineaallon suuntaisten johtojen tuhoutuminen, joka on 1 Mt räjähteelle 7,1 km. Kevyet lentokoneet tuhoutuvat etäisyydellä 1,6 a, jossa a on 14 kPa:ta vastaava etäisyys. 1 Mt ilmaräjähdyksessä kevyet lentokoneet tuhoutuvat vielä 20,8 km päässä räjähdyspisteestä.

Ylipaine - etäisyys

Paine etäisyydestä

Sadovskyn kaavaan pohjautuva ydinaseille sovitettu räjähteen etäisyys-painekaava

$P_{k}Pa=0.865*101.325*(0.84*{\sqrt {3}}(m)/r+2.7*{\sqrt {3}}(m*m)/(r*r)+7.0*m/(r*r*r))$

Jossa m räjähtävä ainemäärä kg, (1 kt = 1 000 000 kilogrammaa), p kPa paine kilopascalia, ja r etäisyys metreinä räjähdyspaikasta.

Etäisyys paineesta

Alla pari hyvin likimääräistä kaavaa

Ylipaine noudattaa suunnilleen kaavaa

$R_{p}=2,1\cdot (1/(P^{0,689}))\cdot Y^{0,333}$

jossa ylipaineen $P$ yksikkö on psi ja etäisyys $R_{p}$ km.

Jos ylipaine on välillä 2–100 kPa. voidaan käyttää likiarvokaavaa 1 kt räjähteelle

$R_{p}=(1/(P^{0},555))*3,25*Y^{0.333}$

jossa $P$ annetaan yksikössä kPa ja etäisyys $R_{p}$ km

Tuulen nopeus

Tuulen nopeus lasketaan paineesta kaavalla

$v_{w}=0.715{\frac {p}{p_{0}}}{\frac {c_{s}}{\sqrt {1+0.86{\frac {p}{p_{0}}}}}}$,

missä c_s on äänen nopeus, p huippupaine ja p₀ ilmanpaine, joka on 15 PSI. Esimerkiksi 1 PSI:n painetta vastaa tämän mukaan kova tuuli, 17 m/s, ja 2 PSI:tä 33 m/s sekä 5 PSI:tä 49 m/s. 50 kPa eli 7.25 PSI vastaa tuulen nopeutta 100 m/s.

Katso myös

• Ydinräjähdyksen vaikutukset