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^[1].

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.^[2] 14 kPa (2 PSI) (katot ja ovet rikkoutuvat, talot luhistuvat osittain.^[2]) Teollisuusrakennukset tuhoutuvat 1 kt räjähdyksessä 350 metrin päässä 110 kPa:n paineessa, ja 1 Mt räjähdyksessä 5,5 kilometrin päässä 50 kPa:n paineessa^[3] 1 MT räjähdys kaataa puita ylipaineeseen nähden tehokkaammin, koska paineen kesto on pidempi.^[3]

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. ^[4]

Kellarien vauriot

Talojen väestönsuojat kestävät 100-200 kPa^[4]. 1 Mt:n pintaräjähdyksessä kellarit sortuvat 7,7 km säteellä^[5]

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

Ihmisiin

30 PSI kuolema^[6]
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^[7] ^[8]
0,1				Joitain pieniä ikkunoita särkyy,^[7] jos esirasitusta
0,15				Tyypillinen ikkunojen halkeiluraja^[7]
noin 0,2				Yksittäisiä ikkunoita särkyy ja seiniä halkeilee (Hiroshima)
0,3				Ilmassa lentävien esineiden raja, 2 kPa,^[7] "turvaraja" – 95 % todennäköisyydellä ei vakavia vaurioita.^[7]
0,5			8 m/s	Lievä vaurio: Ikkunoita särkyy laajalti, sirpaleet vammauttavat. Ikkunoiden vauriot lievät. Lentokoneet vaurioituvat, mutta niillä voi lentää^[9].
0,8	5,5			Ikkunat särkyvät, laasti irtoaa seinistä, pieniä vaurioita rakennuksille^[8].
1	7	18,6	17 m/s^[10]	Ikkunalasit särkyvät, lieviä vammoja sirpaleista. Talot asuinkelvottomaksi.^[7] Puutalot vaurioituvat lievästi, ikkunat pahoin^[9].
1,25	8,5		20 m/s	Ihmiset kaatuvat.^[8]
1,5			23 m/s^[11]	Lievä talon vaurio, lasit, kattotiilet^[9].
1,65	11,3			Talojen puuseinät vaurioituvat.^[8]
1.75			27 m/s	Jotkut lasinsirut lentävät ohuiden seinien läpi. Talot asuinkelvottomiksi, mutta vauriot korjattavissa.
2	14	?	31 m/s^[10]^[12]	Vähäiset vauriot. Katot, kevyet väliseinät ja ovet rikkoutuvat. Seisovat ihmiset saattavat lentää jaloiltaan ja vammautua^[9]. Vielä 2–3 PSI lennättää ihmisiä ulos toimistorakennuksista.^[13]
2,35				Betonitalojen, tiilitalojen seinät vaurioituvat.^[8]
3	21	9,5	45 m/s^[10]	Asuinrakennukset sortuvat, vakavat vammautumiset tavallisia, ehkä kuolleita. Seisova ihminen kaatuu 1% todennäköisyydellä kuolettavasti^[9]. Teräsbetonirakennusten seinät lentävät pois. Avomaastossa tuulen mukana kulkevat esineet tappavat ihmisiä.
3,5				Puolet tavallisissa asuinrakennuksista seisovista kuolee.
4				Metsätiet poikki kaatuneiden puiden takia^[9].
5	34	7,0	72 m/s^[14]	Useimmat kevyet liikerakennukset ja asuinrakennukset sortuvat. Puurakennukset luhistuvat. 1% tärykalvoista halkeaa, yleensä vanhoilla^[9]. Vahvat rakennukset vaurioituvat pahoin. Vammautumiset tavallisia, kuolemaan johtavat yleisiä.^[15] Monesti tämä ilmoitetaan paineeksi, jossa 50% ihmistä kuolee.^[16]
6				Ihmisruumis lentää niin, että 99% kuolemista voi johtua tästä^[9].
7				Vahvistetut betonirakennukset vaurioituvat lievästi^[9]. Puolet tavallisissa asuinrakennuksissa makaavista kuolee. ^lähde?
10	70	4,8	130 m/s^[10]	Useimmat ihmiset kuolevat, betonirakennukset luhistuvat tai vaurioituvat vakavasti. ^lähde?
12				Lähes kaikki kuolevat.^[17]
15				Ylipaine aiheuttaa pieniä vaurioita keuhkoihin^[9].
20	140	1,3	220 m/s^[10]	Lähes kaikki kuolevat, vahvat betonirakennukset tuhoutuvat maan tasalle tai vaurioituvat vakavasti. ^lähde?
25				Vahvistetut betonirakennukset luhistuvat^[9].
30				Kaikki kuolevat. ^lähde?
35				Keuhkovauriot aiheuttavat 1% kuolleista.
45				99% tärykalvoista halkeaa
65				99% kuolleista aiheutuu keuhkovaurioista^[9].

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.^[18] Arviolta 50 megatonnin Tsar-bomba särki ikkunoita osittain vielä 900 kilometrin päässä räjähdyksestä.^[19]

Kaikki ikkunat särkyvät varmasti 0,5–1 PSI:ssa.^[20] 10 % särkyy 0,3 PSI:ssä, jossa esineet eivät yleensä lennä tuulen voimasta ja jossa vakavan vaurion todennäköisyys on vain 5 %.^[20] 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.^[20]

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.^[21]. 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^[22] 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^lähde?. 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^[23]

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

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^[24].

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.^[25] 50 kPa eli 7.25 PSI vastaa tuulen nopeutta 100 m/s.^[3]

Katso myös

Ydinräjähdyksen vaikutukset

Lähteet

↑ Koivulehto s 55
↑ ^a ^b Overpressure Levels of Concern NOAA, Office of Response and Restoration. Viitattu 3.11.2012. (englanniksi)
↑ ^a ^b ^c Effects of nuclear weapons (from the book “Nuclear Weapons” by Charles S Grace) caps.org.pk. wayback machine. Arkistoitu 17.2.2008. Viitattu 3.11.2012.
↑ ^a ^b Koivukoski s 55
↑ Koivukoski s 59
↑ How lethal are Pakistan's nuclear weapons? How much area would be immediately destroyed in a single attack? How should one chalk out a rough evacuation plan if some day there is a strong chance of a nuclear attack. Geoff Olynyk, Ph.D., Applied Plasma Physics and Fusion Energy, MIT, 2013, Quora
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Lee's Loss Prevention in the Process Industries: Hazard Identification, Assessment, and Control, (nide) 1 Mannan, Lees, Elsevier 2005
↑ ^a ^b ^c ^d ^e Spreadsheet of blast and thermal radiation effects^{[vanhentunut linkki]}
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l Blast effects of nuclear bomb SURVIVING DOOMSDAY -Clayton, from tables in THE EFFECTS OF NUCLEAR WEAPONS 1977 -Gladstone
↑ ^a ^b ^c ^d ^e Why do people die when a bomb explodes?
↑ [1]^{[vanhentunut linkki]} Destructive effects of nuclear weapons, lecture 8, Kaava The machanical shock vw=0.715*p/p0 *(cs/sqrt(1+0.86*p/p0) ), p0=15 psi, cs=340 m/s
↑ [2]
↑ Kokonaistutkimus ydinaseista, 2. painos, sivu 247
↑ [3]
↑ Carey Sublette: Nuclear Weapons Frequently Asked Questions Section 5.0 Effects of Nuclear Explosions The Nuclear Weapon Archive. 1997. (englanniksi)
↑ Väyrynen 1983, sivu 71
↑ Väyrynen 1983^{lähde tarkemmin?}
↑ William C Bell & Cham E Dallas: Vulnerability of populations and the urban health care systems to nuclear weapon attack – examples from four American cities Int J Health Geogr. 2007; 6: 5.. Viitattu 3.11.2012.
↑ Big Ivan, The Tsar Bomba (“King of Bombs”) FAS 3 September 2007
↑ ^a ^b ^c Kent and Riegel's Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology, Nide 1 Tekijät Emil Raymond Riegel,James Albert Kent, Springer 2007, sivu 123 (Google Books)
↑ Koivukoski 2003, s 57 ja laskema
↑ Koivukoski 2003, s 54
↑ [4]
↑ http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/cjc/Blast_Wave_Damage.html (Arkistoitu – Internet Archive) Blast Wave Damage ja laskema
↑ Destructive Effects of Nuclear Weapons (PDF) (luentokalvot) 2004. ISNAP, University of Notre Dame. Viitattu 3.11.2012.

[1] Koivulehto s 55

[noaa_overpressure-2] Overpressure Levels of Concern NOAA, Office of Response and Restoration. Viitattu 3.11.2012. (englanniksi)

[caps-3] Effects of nuclear weapons (from the book “Nuclear Weapons” by Charles S Grace) caps.org.pk. wayback machine. Arkistoitu 17.2.2008. Viitattu 3.11.2012.

[Nimetön-rGVq-1-4] Koivukoski s 55

[5] Koivukoski s 59

[Olynyk_2013-6] How lethal are Pakistan's nuclear weapons? How much area would be immediately destroyed in a single attack? How should one chalk out a rough evacuation plan if some day there is a strong chance of a nuclear attack. Geoff Olynyk, Ph.D., Applied Plasma Physics and Fusion Energy, MIT, 2013, Quora

[Mannan_Lees_2005-7] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Lee's Loss Prevention in the Process Industries: Hazard Identification, Assessment, and Control, (nide) 1 Mannan, Lees, Elsevier 2005

[nukefxxl-8] Spreadsheet of blast and thermal radiation effects^{[vanhentunut linkki]}

[Glayton_Gladstone-9] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l Blast effects of nuclear bomb SURVIVING DOOMSDAY -Clayton, from tables in THE EFFECTS OF NUCLEAR WEAPONS 1977 -Gladstone

[quora_why_die-10] Why do people die when a bomb explodes?

[Nuclear_warfare"-11] [1]^{[vanhentunut linkki]} Destructive effects of nuclear weapons, lecture 8, Kaava The machanical shock vw=0.715*p/p0 *(cs/sqrt(1+0.86*p/p0) ), p0=15 psi, cs=340 m/s

[atomarchive-12] [2]

[13] Kokonaistutkimus ydinaseista, 2. painos, sivu 247

[14] [3]

[15] Carey Sublette: Nuclear Weapons Frequently Asked Questions Section 5.0 Effects of Nuclear Explosions The Nuclear Weapon Archive. 1997. (englanniksi)

[16] Väyrynen 1983, sivu 71

[17] Väyrynen 1983^{lähde tarkemmin?}

[Bell_Dallas_2007-18] William C Bell & Cham E Dallas: Vulnerability of populations and the urban health care systems to nuclear weapon attack – examples from four American cities Int J Health Geogr. 2007; 6: 5.. Viitattu 3.11.2012.

[Fas_Tsar_Bomba-19] Big Ivan, The Tsar Bomba (“King of Bombs”) FAS 3 September 2007

[Riegel_Kent_2007_123-20] Kent and Riegel's Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology, Nide 1 Tekijät Emil Raymond Riegel,James Albert Kent, Springer 2007, sivu 123 (Google Books)

[21] Koivukoski 2003, s 57 ja laskema

[22] Koivukoski 2003, s 54

[23] [4]

[24] ttp://holbert.faculty.asu.edu/eee460/cjc/Blast_Wave_Damage.html (Arkistoitu – Internet Archive) Blast Wave Damage ja laskema

[25] Destructive Effects of Nuclear Weapons (PDF) (luentokalvot) 2004. ISNAP, University of Notre Dame. Viitattu 3.11.2012.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]