能量|如何产生一个蘑菇云？爆炸的“外形”蕴含什么信息
颜色和形状是能量及物质作用的体现 。 多种类型的爆炸或撞击都可能产生蘑菇云 。
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贝鲁特爆炸现场 。 |来自网络
作者 | 高佩雯 龙浩
8月4日 ， 黎巴嫩首都贝鲁特发生巨大爆炸 ， 一时间 ， “核爆”二字随着现场“蘑菇云”照片在社交媒体上疯传 。 很多专业人士看到图片第一眼 ， 就断定：这不可能 。
“从爆炸的颜色可以看出 ， 它没有热到足以成为核爆 。 ”“核爆开始时总是会有白色和黄色的闪光 。 ”“通常蘑菇云停留的时间要长得多 。 ”……
仅靠一张图就能得出这样确定的信息吗？是的 ， 颜色和形状是能量及物质作用的体现 。
而且蘑菇云也不一定要核爆才能产生 ， 其他大规模爆炸也可能产生蘑菇云 。
蘑菇云是怎样产生的？
蘑菇云是大爆炸的结果 ， 通常和核爆联系在一起 。 但也可以是其他爆炸或撞击引起 。
如果用最简单的话来概括 ， 要形成一个蘑菇云 ， 爆炸（或撞击）需要制造一个非常热的高压气团 。 这个气团飞速膨胀而快速上升 ， 并将周边的物质如灰尘、水汽也拖了上去 ， 形成了蘑菇茎 。
当气团上升到足够高时 ， 它的温度逐渐冷却 ， 密度开始和周围的空气持平 ， 于是停止蹿升 。 这些气体连带裹挟着的碎片和蒸汽等向周围溢出 ， 形成了蘑菇的顶 。
可见 ， 任何高能量爆炸都可能产生蘑菇云 ， 包括核爆、热压武器（一种用高热高压气体打击目标的新型武器）、化学品爆炸、火山爆发或小行星撞击等 。
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加勒比海区的苏佛里耶(Soufriere)火山喷发形成蘑菇云 ， 被一位旅客在飞机上拍到 。 |来自网络
我们看到的核爆照片通常多种多样 。 有的是火焰蘑菇 ， 有的是灰色或棕褐色蘑菇 ， 有的是乳白色大胖蘑菇 ， 颜色和姿态各不相同 。
了解一朵“标准”的蘑菇云 ， 或有助于我们理解其他“蘑菇”类型 。 当然也包括贝鲁特的硝酸铵爆炸蘑菇云 。 ——那棕红色的蘑菇和一闪而过的白色“罩体” ， 可是疑惑了不少人 。
一朵典型的蘑菇云
一朵典型的蘑菇云 ， 一般由近地面的核爆引起 。 并且地下（水下）或高空核爆都不行 。
无论是地爆还是空爆 ， 某种程度上都大同小异 ， 都是闪光火球蘑菇状烟云连环爆响 。
闪光 ， 是核装置被引爆的标志 ， 时间极短 ， 通常不到1毫秒 。 （在这一瞬间 ， 爆心能量快速释放发出强光 。 但立刻就被第一轮冲击波卷入的浓厚空气遮挡住了 。 这种闪光 ， 和火球一起称为“双闪” ， 是核爆的典型征象 。 ）
随后是火球 。 圆而明亮 ， 一边增大一边上升（这时浓厚冷空气被加热和变薄 ， 爆心的光线再次释放） 。 因受到地面反射的冲击波的影响 ， 其底部会变形 ， 形成上圆下平、底部凹陷的馒头形状 。 其内部是由空气、弹体及周边物质被加热而形成的等离子体（即高温火焰成分） 。
接着 ， 火球熄灭 ， 外形由大变小 。 其中被加热的物质冷却形成灰白或棕褐色的烟云 。 烟云的颜色和爆高（爆炸的高度）有关 ， 爆高越低 ， 卷入的尘土比例越大 ， 烟云颜色就越深 。 虽然烟云是火球冷却形成 ， 但依然非常高热高压 。
烟云会继续膨胀和上升 ， 同时因为地面反射的冲击波的作用 ， 在地面爆心投影点区域被掀起的尘柱也跟着上升 ， 经过一段时间追及烟云 ， 形成一朵典型的蘑菇云 。
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各种蘑菇云和核爆照片 。 下面3张为世界首颗氢弹（Mike）爆炸后依次的三个状态 。 |素材来自网络
可以得知 ， 如果是直接在地面爆炸 ， 烟云和尘柱一开始就在一起 ， 颜色较深暗且尘柱粗大 。 如果是在低空爆炸 ， 尘柱会追及烟云 。 如果是在特别高的高空爆炸 ， 则尘柱无法追及烟云 ， 只能各自美丽 ， 没有蘑菇云 。 （如果爆炸的当量（能量）更大一些 ， 这个临界高度就可以更高 。 ）
此外 ， 核爆当量会直接决定火球和烟云的大小 ， 还会影响烟云上升的高度 。 当核爆当量较大时 ， 蘑菇云会直达对流层顶（大约离地面12千米） ， 那里温度很低 ， 水汽会大量凝结 ， 包裹住烟云 ， 形成非常白的、尺寸稳定的大蘑菇 。 核爆当量更大时 ， 蘑菇云甚至会穿过对流层顶 ， 抵达平流层 ， 尺寸也更大了 。
由于冲击波的特点 ， 在核爆过程中 ， 根据距离远近 ， 还会先后听到连续的声响 ， 有人形容像暴雨 ， 也有人说像气球爆炸 。 随之而来的是大量放射尘 ， 会降落到物体表面造成持续危害 。
贝鲁特大爆炸
这次发生在贝鲁特港口的大爆炸 ， 现场声音震耳欲聋 ， 据悉已造成超过135人死亡 ， 约5000人受伤 ， 数十人下落不明 。
爆炸产生的蘑菇云 ， 弥漫了城市的天际线 。 周围大片建筑被荡平 。
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贝鲁特爆炸动图 。 |来自网络
官方透露 ， 本次事故系存放在港口仓库中的2750吨硝酸引起 。 这些硝酸铵在6年前被海关扣押 ， 一直未挪出过港口 ， 也未采取任何安全措施 。 黎巴嫩政府已出动军方软禁了2014年以来的所有仓库负责人 ， 要求迅速调查并提交结果 。
硝酸铵是一种氮肥 ， 也是一种炸药 ， 加热或撞击都可能引爆 ， 常用于采矿和建筑爆破 。 大量硝酸铵爆炸就会产生蘑菇云 。
从现场视频可见 ， 先是白色烟云冒起 ， 伴随炸裂的砰砰声响 。 随后有火球和红棕色蘑菇云出现 。 之后白色球状的气体迅速从爆炸区散开 。
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爆炸现场视频截图 。 |来自网络
白色烟云无疑是火灾引起 。 其后红棕的颜色来自高浓度的二氧化氮 ， 这是硝酸铵分解时产生的化学物质 。 一闪而过的白色球状气体 ， 则是爆炸产生的冲击波使空气中的水分凝结 。 *这有些类似于核爆“双闪”之间浓厚气体对爆心光线的阻挡 。
因为在爆炸时 ， 爆炸中心的压力急剧升高 ， 会使周围空气猛烈振荡形成波动（温度、压强和密度均发生跃变） ， 并以超音速向周围冲击 。 冲击波是高压快速移动的区域 ， 紧接其后的是压力和温度的突然下降 ， 这就引起了水分凝结 。 ——同样的效果在飞行速度接近或高于音速的飞机周围也会产生 。
据测算 ， 这次爆炸的当量在300~700吨TNT之间（华尔街日报） ， 相当于港口挨了一颗小型战术核弹 。 产生的地震波相当于4.5级地震 ， 连远在几百英里外的塞浦路斯居民都有震感 。 形成蘑菇云也就毫不奇怪了 。
当地华人回忆 ， 当时整栋楼都在摇晃 ， 巨大冲击波袭来 ， 让人误以为遭遇导弹袭击 。
事发前后高清卫星图对比显示 ， 在爆炸的瞬间 ， 港区地貌被强行物理改变 ， 码头上一块原本是陆地的位置消失 ， 强大的威力直接就地挖出一个直径约140米的巨坑 ， 尺寸超过足球场。 数百米外的7000吨级游轮“东方女王号”被炸沉 。
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爆心地区前后对比图 ， 港口被挖出一个巨坑 。 |CNN
以色列方紧急撇清关系 ， 表明与自己无关 。 贝鲁特州长则称此爆炸是一场类似广岛的国家灾难 。 惨烈程度让人想起同是硝酸铵引发的1974年的美国德州格兰德坎普号货轮爆炸事件 ， 那是美国历史上最严重的工业灾难 。
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1974年格兰德坎普号货轮爆炸照片 。 被称为美国历史上最严重的工业灾难 。 当时货舱里2300吨硝酸铵化肥被引爆 ， 窜起的火球击落上空飞过的两架飞机 ， 并在周围引发海啸 。 周边货轮、化工厂、炼油厂接连被引爆， 最终造成581人死亡 ， 超3500人受伤 ， 直接迫使美国改变了硝酸铵的运输和分装标准 。 |来自网络
从爆炸中逃生
当然 ， 与核爆相比 ， 化学品爆炸一般引起较小的冲击波和火热伤害 ， 外加有毒气体 。 而核爆可以产生更多维的打击 ， 比如：
闪光会造成短暂失明 ， 冲击波可在几英里外致人死亡 ， 辐射会伤害身体细胞 ， 火球和热量会导致烧伤和死亡 ， 电磁脉冲可破坏几英里内的电力系统和电子设备 ， 并在更大范围内造成通讯干扰 ， 沉降物则会导致持续的放射性污染 。
面对爆炸 ， 普通人应该怎么办呢？无论是一般爆炸还是核爆 ， 爆炸中心的人几乎在劫难逃 。 但稍远一些还是可以采取一些措施降低损伤 。 因为冲击波会比光延后到达 ， 看到浓烟和闪爆应该立刻避开 ， 躲到建筑墙体之后 ， 避免直接打击和抛物打击 。
如果周围没有建筑物 ， 应立刻背朝爆炸物方向卧倒 ， 双手护住头部 ， 双腿交叠护裆 。 同时为了防止地面震动引发脏器损伤 ， 应用肘部接触地面 ， 保持头胸部到地面之间有一定空隙 。
如果是核爆 ， 根据美国国土安全部防护说明 ， 还应以最快速度转移到室内 ， 并尽量远离外墙和屋顶 ， 去到建筑中心或地下室 。 同时尽快去除被污染的衣物 ， 清洗裸露的皮肤和头发 ， 不吃暴露在室外的食物 。 要尽可能去最近、最好的避难所 ， 在余尘到来之前都呆在里面 。
就目前而言 ， 因为核弹的威力过于巨大 ， 任何国家都不太可能将其用于战争 ， 我们受到核弹袭击的可能性微乎其微 。 但核污染和化工爆炸事件同样值得警惕 。 希望这些求生方法我们永远也别用到 。
参考信息：
央视新闻 ， CNN ， 美国国土安全部 ， 中国科学报等
1、升腾岛国的蘑菇云──美国原子弹袭击日本广岛、长崎内幕 。 陈汉忠 ， 南京史志 ， 1995-04-15
2、蘑菇云宽度变化率与核爆炸当量的函数关系 。 金良安、王孝通、张明虎、杨常清 ， 高压物理学报 ， 2003-09-25
3.蘑菇云之谜 ， 范一超 ， 世界科学 ， 1986-06-30
文章由“十点科学”（ID：Science_10）公众号发布 ， 转载请注明出处 。
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【能量|如何产生一个蘑菇云？爆炸的“外形”蕴含什么信息】
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