Kernwaffenexplosion

Datei:Nagasaki-Pilzwolke-Atombombe.jpg

Pilzwolke nach Atomexplosion über Nagasaki in Japan, 1945

Atombombenexplosionen (auch Atomexplosionen, nukleare Explosionen) sind die mächtigsten von Menschen verursachten Explosionen, zu denen es beim Abwurf oder Test von Atombomben kommt. Dieser Artikel behandelt die Klassifikation, den physikalischen Ablauf und die physikalischen, technischen und biologischen Auswirkungen von Atombombenexplosionen. Für eine allgemeine Einführung in das Thema Atomwaffen sowie in die geschichtlichen und politischen Hintergründe sei auf den Artikel Atomwaffe, für Informationen über die Technologie der Sprengsätze selbst auf Atombombe (Technik) verwiesen.

Einführung

Der auffälligste Unterschied zu konventionellen Explosionen besteht in der wesentlich größeren Energiemenge sowie den hohen Temperaturen. Bei Atombombenexplosionen werden Temperaturen bis über 100 Millionen Kelvin erreicht, dagegen haben chemische Explosionen lediglich solche von einigen tausend Kelvin. Die hohe Temperatur von Atombombenexplosionen ist auch Ursache für die Bildung des charakteristischen, hell leuchtenden Feuerballs. Die Sprengwirkung einer atomaren Explosion wird üblicherweise in Kilotonnen oder Megatonnen TNT-Äquivalent angegeben, die die Explosionsenergie in Relation zum chemischen Sprengstoff TNT setzt.

Die Beschreibung einer Nuklearexplosion anhand ihrer Sprengkraft ist jedoch etwas irreführend, denn anders als konventionelle Explosionen wirkt sich eine Atombombenexplosion neben der starken Druckwelle vor allem durch intensive Wärmestrahlung des Feuerballs (auch sichtbares Licht) sowie durch ionisierende Direktstrahlung und radioaktive Rückstände (Fallout) auf ihre Umgebung aus; insbesondere letztere machen die besondere Gefährlichkeit nuklearer Explosionen aus, da ihre Wirkung nicht auf den Moment der Explosion begrenzt ist, sondern viele Jahre oder sogar Jahrtausende andauern kann. Elektrische und elektronische Anlagen werden zudem durch einen starken nuklearen elektromagnetischen Impuls (NEMP) beeinflusst oder zerstört.

Der physikalische Ablauf sowie die militärisch beabsichtigte Wirkung von Atomexplosionen wurde vor allem in den 1950er Jahren von den USA und der Sowjetunion in zahlreichen Atombombentests untersucht. Die meisten physikalischen Kenntnisse über den Ablauf der Explosionen und ihre Auswirkungen auf die Umgebung stammen aus solchen Versuchen, während die medizinischen, wirtschaftlichen und sozialen Folgen hauptsächlich nach den Atombombenabwürfen durch die USA im August 1945 im Zweiten Weltkrieg über den japanischen Städten Hiroshima und Nagasaki "studiert" wurden. Ein Teil dieser Informationen wurde inzwischen zur Veröffentlichung freigegeben.

Detonationsarten

Üblicherweise spricht man im Zusammenhang atomarer Explosionen auch von Detonationen. Physikalisch ist das jedoch nicht ganz richtig, denn eine Detonation setzt eine Reaktionsfront voraus, die sich mit Überschallgeschwindigkeit durch das Energie freisetzende Medium fortpflanzt. Bei der Kernspaltung gibt es jedoch keine Reaktionsfront, und die Kernfusion im Innern einer Wasserstoffbombe entspricht eher einer Deflagration. Lediglich der chemische Sprengstoff, der das Spaltmaterial zur überkritischen Masse verdichtet, detoniert.

Es mag logisch erscheinen, Atomwaffen direkt im Ziel zu zünden, das heißt als Bodendetonation. Allerdings entwickeln Atomexplosionen ihre größte Zerstörungskraft bei Luftdetonationen, vom taktischen Gesichtspunkt ist eine derartige Detonation deshalb meist günstiger. Boden- und Untergrunddetonationen werden nur in einigen Sonderfällen - zum Beispiel als Bunkerbrecher - eingesetzt.

Luftdetonationen

Als Luftdetonationen werden Explosionen innerhalb der unteren Atmosphärenschichten (unterhalb 30 Kilometer) bezeichnet, bei denen der Feuerball nicht den Erdboden berührt. Die Druckwelle der Detonation breitet sich ähnlich einer Seifenblase aus und wird zunächst im Hypozentrum (Erdoberfläche unter der Bombe, Bodennullpunkt, ground zero, GZ) reflektiert, was eine zweite, infolge des "Fahrwassers" der Primärwelle schnellere Druckwelle verursacht. In einiger Entfernung zum Hypozentrum vereinigen sich beide zu einer einzigen sich ringförmig ausbreitenden Druckwelle, die im Vergleich zur Druckwelle einer Bodendetonation zwar in der Nähe des Hypozentrums schwächer, in größerer Entfernung jedoch erheblich zerstörerischer ist. Die militärischen Planungen während des Kalten Krieges sahen Luftdetonationen entweder zur großflächigen Zerstörung ungepanzerter Ziele wie Industriegebiete, Luftstützpunkte oder Truppenverbände, oder zur Ausschaltung von Luftzielen wie Fliegerverbände oder Raketen vor.

Die Detonationshöhe spielt beim Angriff auf ausgedehnte Bodenziele eine entscheidende Rolle. Je höher die Detonation stattfindet, umso schwächer ist die Druckwelle, die den Boden erreicht. Gleichzeitig vergrößert sich die von der Druckwelle betroffene Bodenfläche. Für jede vorgegebene Explosionsstärke, Überdruck der Druckwelle und Entfernung zum Hypozentrum gibt es eine "optimale" Detonationshöhe. Durch die "optimale" Wahl der Höhe kann man auf größtmöglicher Fläche einen größeren Schaden erreichen als bei einer Bodendetonation. Die zerstörte Fläche kann dabei bis zu doppelt so groß sein wie bei einer Bodendetonation.

Bei Luftzielen spielt die reflektierte Welle meist keine Rolle, da die Entfernung zum Ziel wesentlich geringer ist als die Höhe. Dafür muss die Höhenabhängigkeit von Luftdruck und Temperatur stärker berücksichtigt werden. Die Verwendung von atomaren Explosionen zur Ausschaltung von Luftzielen ist heutzutage allerdings weitgehen obsolet und ersetzt durch zielgenaue konventionelle Waffen wie die MIM-104 Patriot-Raketen.

Ein weiterer Effekt einer Luftdetonation ist die größere Wirkung der Wärmestrahlung, da der Auftreffwinkel größer ist und damit die Abschirmung durch vorstehende Gebäude abnimmt.

Bodendetonation

Hauptmerkmale einer Bodendetonation sind die radioaktive Verseuchung großer Landstriche durch Fallout sowie die lokal erheblich stärkere, aber in der Reichweite begrenzte Druckwelle. Der Einsatz erfolgt zur Zerstörung von Bunkeranlagen wie Kommandozentralen, Raketensilos und Staudämmen. Insbesondere aufgeschüttete Staudämme erfordern die Kraterbildung der Bodendetonation. Nähere Informationen zur Entstehung und der Größe der Sprengkrater in Abhängigkeit von der Sprengkraft sind im Artikel Explosionskrater zu finden.

Untergrunddetonationen

Als möglicher Einsatz von nuklearen Explosionen ist die Untergrunddetonation in letzter Zeit wieder stärker in die Diskussion geraten. Dieser Detonationstyp ist besonders geeignet, unterirdische Befehlszentralen und Bunkerkomplexe zu zerstören. Es ist allerdings problematisch, die Bombe unbeschadet tief genug in den Untergrund zu bringen. Bei Atomtests hat die Untergrundexplosion in hinreichender Tiefe gegenüber der Explosion an oder über der Oberfläche den Vorteil, dass die radioaktiven Produkte im Erdinneren verbleiben. Eine langfristige Freisetzung der Spaltprodukte ins Grundwasser oder ins Meer kann nach heutigem Wissensstand jedoch nicht ausgeschlossen werden, insbesondere bei Testexplosionen im porösen Gestein von Atollen, zum Beispiel auf der Pazifikinsel Mururoa.

Unterwasserdetonationen

Die Unterwasserdetonation dient insbesondere der Bekämpfung von U-Booten oder Flottenverbänden. Dazu wurden von allen wichtigen Atommächten unterschiedlichste nukleare Waffen gebaut und getestet. Da sich im Wasser Druckwellen besonders gut ausbreiten können, sind solche Unterwasserexplosionen ebenso wie Untergrundexplosionen nahezu weltweit mit Unterwassermikrofonen nachweisbar. Durch die hohe Dichte des Wassers wird die Energie besonders stark auf Unterwasserziele übertragen und kann Rümpfe von Schiffen und U-Booten eindrücken oder aufreißen. Die Druckwellen breiten sich infolge der hohen Schallgeschwindigkeit im Wasser (etwa 1400 m/s) mehr als fünfmal schneller als in Luft aus und sind, sobald sie die Oberfläche erreichen, dort als sichtbare Störung zu erkennen. Hingegen wird die Druckwelle aufgrund des großen Dichteunterschieds nur in geringem Maße an die Luft übertragen. Lediglich bei geringer Detonationstiefe tritt eine starke Luftdruckwelle auf.

Ähnlich wie bei flachen Untergrundexplosionen werden große Mengen radioaktiven Materials in der unmittelbaren Umgebung des Explosionsortes verteilt, wenngleich die nukleare Direktstrahlung weitgehend absorbiert wird. Doch führen Meeresströmungen nach einiger Zeit zu einer weltweiten Verteilung der Rückstände, während die lokale Verseuchung schnell abnimmt. Neuere Messungen am Bikini-Atoll, wo mehrere Unterwasserexplosionen gezündet wurden, ergaben kaum erhöhte Aktivität am Grund der Lagune.

Höhendetonation

Interkontinentalraketen bewegen sich über einen weiten Teil ihrer Flugbahn im erdnahen Weltraum. Um sie zu zerstören, planten die USA und UdSSR den Einsatz von Abwehrraketen mit Atomsprengkopf, welche in unmittelbarer Nähe der herannahenden Sprengköpfe zünden sollten. Auf die gleiche Weise sollten auch Militärsatelliten zerstört werden. Zumindest die USA führten hierzu mehrere Testexplosionen durch, die teilweise unerwartete Auswirkungen auf die obere Atmosphäre zeigten.

Die Detonation einer kleinen Atombombe in der oberen Stratosphäre mehr als 30 Kilometer über dem Erdboden oder im erdnahen Weltraum hat in Bezug auf die Druckwelle am Boden kaum Auswirkungen. Dennoch kann sie gravierende Auswirkungen auf die zivile und zum Teil auch die militärische Infrastruktur haben, da ein sehr starker elektromagnetischer Impuls (EMP) ausgelöst wird. Dieser kann vor allem elektronische Geräte mit Halbleiterbauelementen wie Computer, Fernseher, Radios oder die elektronische Zündung im Auto irreparabel beschädigen. Schätzungen zufolge könnten etwa vier bis fünf Detonationen ausreichen, um die gesamten USA zu lähmen. Zudem beeinträchtigen bereits schwache EMPs den Funkverkehr. Daher sind die Ausschaltung gegnerischer elektronischer Systeme sowie Störung der Kommunikation weitere mögliche Einsatzziele neben der direkten Bekämpfung von Höhenzielen.

Ablauf einer Explosion

Die Vorgänge bei der Explosion einer Atombombe reichen von der nuklearen Kettenreaktion über die Entstehung von Feuerball und Druckwelle bis hin zur Ausbreitung der Explosionswolke und der radioaktiven Rückstände in der Atmosphäre. Die Zeitskalen der einzelnen Abläufe reichen von Millionstel Sekunden bis zu mehreren Minuten. Grob lässt sich der Explosionsvorgang unterteilen in

1. Nukleare Kettenreaktion (0–10^-6 Sekunden),
2. Feuerball- und Druckwellenformation (10^-6–0,1 Sekunden),
3. Ausbreitung der Druckwelle, Abkühlen des Feuerballs (0,1–10 Sekunden),
4. Formierung der Pilzwolke (Sekunden bis Minuten),
5. Ausbreitung der Wolke, Fallout (Minuten bis Monate).

Die Zeitskalen sind nur ungefähre Anhaltspunkte, da sie stark von der Sprengkraft und der Detonationshöhe abhängen.

Nukleare Energiefreisetzung

Je nach Typ der Atomwaffe variiert die Art und Zeitskala der Energiefreisetzung. Im einfachsten Fall einer Kernspaltungsbombe mit Plutonium oder hochangereichertem Uran setzt unmittelbar nach Überschreiten der kritischen Masse die Kettenreaktion ein. Da die freigesetzten Neutronen mit Geschwindigkeiten um 1,4⋅10⁷ Metern pro Sekunde die meist nur etwa 10 bis 20 Zentimeter große überkritische Spaltmasse innerhalb von 10^-8 Sekunden durchqueren, und dabei jeweils mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit einen weiteren Spaltprozess induzieren, beträgt die mittlere Zeit zwischen zwei Spaltungsgenerationen ebenfalls etwa 10^-8 Sekunden. Waffenfähige Spaltmaterialen müssen dabei im Mittel etwa zwei oder mehr Neutronen pro Spaltung freisetzen, um eine ausreichend hohe Wachstumsrate zu gewährleisten. Da jeder gespaltene Uran oder Plutonium-Kern etwa 200 Millionen Elektronenvolt (200 MeV) freisetzt, liefern etwa 2⋅10²⁴ Kernspaltungen eine Energie von 20 Kilotonnen TNT, die Sprengkraft der ersten Atombombe. Bei einem Multiplikationsfaktor von Zwei pro Generation sind – einschließlich des ersten Neutrons – also

$n=\log _{2}(2\cdot 10^{24})+1=81{,}7\approx 82$

Generationen erforderlich. Bei ununterbrochener Kettenreaktion ist die Energiefreisetzung folglich nach etwa 0,8 Mikrosekunden abgeschlossen. Aufgrund des exponentiellen Wachstums wird der größte Teil der Energie in den letzten Generationen freigesetzt. Während die ersten 60 Generationen kaum die Energie der konventionellen Implosionsladung der Bombe erreichen, schnellt die Energie nach 77 Generationen auf ein Äquivalent von tausend Tonnen TNT und die verbleibenden 95% werden in den verbleibenden fünf Generationen freigesetzt.

Nach Abschluss der Kernspaltungsprozesse wird eine erhebliche Energie durch den Zerfall kurzlebiger Spaltprodukte freigesetzt.

Bei der Wasserstoffbombe folgt noch die Phase der Kernfusion, die wenige Mikrosekunden beansprucht, sowie, je nach Bauart, noch eine zweite, durch schnelle Fusionsneutronen induzierte Kernspaltung.

Feuerblase

Sofort nach Abschluss der Kernspaltung liegt die Energie innerhalb des Bombenmantels in Form von

• elektromagnetischen Wellen (Photonen) sowie
• kinetischer Energie freier Elektronen, Neutronen und Atomkerne (Spaltprodukte)

vor.

Aufgrund der enormen Energiedichte steigen die Temperaturen im Innern der Bombe rapide auf 60 bis 100 Millionen Grad Celsius an. Dies entspricht ungefähr dem 10.000 bis 20.000fachen der Oberflächentemperatur unserer Sonne. Die so entstehende „Blase“ aus heißen Spaltprodukten, Bombenmantel und auch umgebender Luft wird als Feuerblase bezeichnet. Die Strahlungsleistung pro Oberflächeneinheit (auch spezifische Ausstrahlung, Leucht- oder Strahlungsintensität) ist nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz etwa um den Faktor 10¹⁶ mal größer als die der Sonne. Allerdings verhält sich die Feuerblase in diesem frühen Stadium, weit vom Strahlungsgleichgewicht entfernt, kaum wie ein schwarzer Strahler, so dass diese Abschätzung nur sehr ungenau ist.

Die erste Energie, die den Bombenmantel verlässt, ist Gammastrahlung, die mit Lichtgeschwindigkeit auf die umgebende Luft trifft und dort einen dichten Nebel aus Ozon und Stickoxiden bildet. Dieser Nebel führt dazu, dass die aus der gemessenen Strahlungsintensität bestimmte Effektivtemperatur in diesem Frühstadium erheblich unter der wahren Temperatur liegt.

Die Feuerblase, auch Isothermalsphäre oder von einigen Quellen auch bereits „Feuerball“ genannt, dehnt sich schlagartig aus, und sobald sie den Bombenmantel verlässt, gibt sie Licht- und Wärmestrahlen in die Umgebung ab. Sie hat zu diesem Zeitpunkt einen Durchmesser von wenigen Metern. Die Ausdehnung erfolgt in diesem Stadium vor allem durch Strahlung, die von Luftmolekülen absorbiert und wieder ausgestrahlt und so an weitere Luftmassen übertragen wird. Die Ausdehnung der heißen Gase spielt dagegen noch kaum eine Rolle.

Die sich ausdehnende Feuerblase kühlt sich innerhalb von 100 Mikrosekunden auf etwa 300.000 Grad Celsius ab. Die thermische Strahlungsleistung, die sich in diesem Stadium zumindest grob durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz abschätzen lässt, erreicht jedoch jetzt ein erstes Maximum, zumal der Ozon- und Stickoxid-Nebel mittlerweile selbst zum großen Teil von der Feuerblase eingenommen worden ist. Zu diesem Zeitpunkt (im Fall einer 20-kT-Explosion) bildet sich an der Oberfläche der jetzt etwa 25 Meter durchmessenden Feuerblase eine Schockwelle, welche sich mit anfänglich etwa 30 Kilometer pro Sekunde ausbreitet und dabei einen Teil ihrer Energie in Form von Wärme an die umgebende Luft abgibt. Eine zweite Schockwelle entsteht durch die Expansion des Bombenmaterials; sie vereinigt sich wenig später mit der Welle an der Oberfläche. Wie stark und wie gleichmäßig diese innere Schockfront ist und wann sie sich mit der äußeren vereinigt, hängt stark von Masse und Bauweise der Bombe ab.

Während sich diese innere Schockfront durch die Feuerblase ausbreitet, vermischt sich das verdampfte Bombenmaterial mit der ionisierten Luft. Bei Bodenexplosionen kommt noch verdampftes Erdreich hinzu, wodurch die Feuerblase gegenüber der Luftexplosion stark heruntergekühlt wird. Dieser Effekt ist besonders stark, wenn die Detonationshöhe kleiner ist als der Radius der äußeren Schockfront im Moment der Ablösung; andernfalls wird das verdampfte Erdreich größtenteils zur Seite geblasen.

Feuerball und Druckwelle

Datei:Feuerballkurven.png

Feuerballtemperatur (oben) und -durchmesser (unten)einer 20-kT-Luftexplosion als Funktion der Zeit. Die orange Teilkurve zeigt die durch Absorption scheinbar reduzierte Effektivtemperatur im Frühstadium.

Diese Kompression erhitzt die Luft auf etwa 30.000 Grad Celsius (etwa das Fünffache der Sonnenoberflächentemperatur) - es bildet sich der eigentliche Feuerball, die von außen sichtbare Leuchterscheinung der Explosion, die sich in dieser Phase gut durch einen schwarzen Strahler annähern lässt. Bei dieser Temperatur wird Luft ionisiert und damit undurchsichtig, was die Leuchtkraft der erheblich heißeren und sich weiterhin ausdehnenden Feuerblase etwas abschwächt oder sie gar völlig abschirmt. Bei einer 20 kT-Bombe erreicht die Leuchtkraft nach etwa 15 Millisekunden auf diese Weise ein temporäres Minimum. Der Feuerball hat zu diesem Zeitpunkt etwa einen Durchmesser von 180 Metern.

Während der weiteren Ausdehnung des Feuerballs kühlt er sich weiter auf etwa 3.000 Grad Celsius ab und wird durchsichtig. Dahinter wird wieder die hell leuchtende Feuerblase mit einer Temperatur von rund 8000 Grad Celsius sichtbar, die von nun an selbst als Feuerball bezeichnet wird. Auf diese Weise kommt der für Atomexplosionen typische Doppelblitz zustande. Zu diesem Zeitpunkt haben Feuerblase und Feuerball nahezu ihre größte Ausdehnung erreicht. Die Druckwelle aber breitet sich weiter aus. Anders als die Zonen gleichen Druckpegels skaliert die maximale Ausdehnung des Feuerballs nicht mit der Kubikwurzel sondern eher mit

${D_{\mathrm {max} } \over \mathrm {m} }\approx 150\left({W \over \mathrm {kT} }\right)^{0.39}\,.$

Die Zeit bis zur maximalen Leuchtkraft t_L beziehungsweise maximalen Größe (vor Verlöschen und Ausbildung der Pilzwolke) t_D skaliert ebenfalls abweichend:

${t_{L} \over \mathrm {s} }\approx 0.043\left({W \over \mathrm {kT} }\right)^{0.44}\,;\quad {t_{D} \over \mathrm {s} }\approx 0.3\left({W \over \mathrm {kT} }\right)^{0.44}\,.$

Der Grund hierfür ist, dass die Strahlungsdurchlässigkeit für zunehmende optische Dicke (größerer Feuerballdurchmesser) exponentiell statt linear abnimmt und die Wärmeenergie daher gegenüber dem reinen Kubikgesetz etwas langsamer freigesetzt wird. Die Effektivtemperatur der Feuerballoberfläche ist somit aufgrund der Energieerhaltung niedriger für größere Explosionen.

Ausbreitung der Druckwelle

Datei:Druckwelle Standardkurve.png

Abhängigkeit des Überdrucks OP und des dynamischen Drucks DP vom Abstand einer 1-kT-Standardexplosion in unbegrenzter homogener Atmosphäre mit Meereshöhebedingungen.

Nach der Auflösung der stoßerhitzten Hülle des Feuerballs breitet sich die Druckwelle (siehe auch Detonationswelle) unsichtbar weiter aus; dabei verdichtet sie weiterhin die Luft und treibt sie vom Explosionszentrum fort. Die Stärke der Druckwelle nimmt mit der Entfernung ab: Erstens durch die geometrische Ausdünnung bei zunehmendem Radius, zweitens infolge der Umwandlung der Wellenenergie in Wärme und drittens aufgrund der zunehmenden Dauer der positiven Druckphase als Folge der Nichtlinearität von Stoßwellen. Die Abhängigkeit des Überdrucks vom Abstand von einer 1-kT-Explosion in einem ausgedehnten homogenen Luftraum wird durch eine Standardkurve beschrieben. Aus dem Überdruck kann über die Rankine-Hugoniot-Gleichungen auch die Geschwindigkeit von Druckwelle und der verdrängten Luftmassen, und aus letzterer der dynamische Druck (auch Staudruck genannt) berechnet werden. Die Standardkurve kann für beliebige Sprengenergien und Atmosphärenbedingungen skaliert werden. So skalieren für beliebige Sprengenergien W alle Längen L mit der Kubikwurzel:

$L(W)=L(1\,\mathrm {kT} )\cdot \left({W \over \mathrm {kT} }\right)^{1/3}\,.$

Beispiel: Bei einer Explosion mit einer Sprengkraft eines Äquivalents von einer Megatonne TNT (1000 kT) müssen Grundradius und Detonationshöhe um den Faktor 1000^1/3 = 10 skaliert werden.

Neben der Explosionsstärke geht außerdem noch das Verhältnis des Luftdrucks p zum mittleren Luftdruck auf Meereshöhe p₀ = 101,325 Kilopascal über die Faktoren

$S_{p}={\frac {p}{p_{0}}}\quad {\mbox{und}}\quad S_{L}=S_{p}^{-1/3}\,.$

in die wahre Druckkurve mit ein, welche die Abhängigkeit des Überdrucks OP vom Luftdruck p und dem Abstand zum Explosionszentrum R beschreibt:

${\mathit {OP}}(R,p)=S_{p}\cdot {\mathit {OP}}(R/S_{L},p_{0})\,.$

Die Temperatur hat auf die Stärke der Druckwelle keinen Einfluss, sie beeinflusst allerdings die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die ebenso wie die klassische Schallgeschwindigkeit mit der Quadratwurzel der Temperatur in Kelvin skaliert. Befinden sich Ziel und Explosionszentrum in unterschiedlichen Höhen, wie das etwa bei Luftexplosionen der Fall ist, so ist für die Skalierung des Überdrucks in guter Näherung die Höhe des Ziels anstatt der Detonationshöhe ausschlaggebend.

Der positiven Druckphase folgt eine Phase mit negativem Druck (Unterdruck, „Sog“). Sie entsteht aufgrund der Verdünnung der Gase hinter der Stoßfront, besonders innerhalb des Feuerballs. Die Dauer dieser Phase ist im Allgemeinen länger als die der positiven, jedoch ist der Betrag des Unterdrucks geringer als der des positiven Druckmaximums.

Die Unterdruckphase ist auch verantwortlich für die typischen Kondensringe, die sich bei hoher Luftfeuchtigkeit um den Explosionsherd herum ausbreiten und vor allem das typische Erscheinungsbild der Testexplosionen im Pazifik bestimmten. Der Druckabfall führt dabei - trotz der enormen Wärmestrahlung des Feuerballs – zur Abkühlung der Luft und damit zur Kondensation der Feuchtigkeit. Der Nebel verschwindet, sobald der Druck sich wieder normalisiert. Ähnliche Erscheinungen können auch bei konventionellen Explosionen oder bei Überschallflugzeugen beobachtet werden.

Pilzwolke

Nach dem "Wegbrechen" der Druckwelle kühlt sich der Feuerball weiter ab und beginnt sich aufgrund von Konvektion zu heben. Er reißt Staub und Asche mit in die Höhe. Die bekannte Pilzwolke („Atompilz“) entsteht.

Durchschnittliche Endhöhe und -radius der Pilzwolke

Die maximale Höhe der Pilzwolke hängt vor allem von der Explosionsenergie, ferner auch von der Detonationshöhe und von der Wetterlage ab. Die Gipfelhöhe der Explosionswolke einer bodennahen Explosion im kT-Bereich beträgt nur wenige Kilometer, während die Wolke der 50 MT starken „Zar-Bombe“, der stärksten je gezündeten Bombe, 64 Kilometer hoch aufstieg. Nach einigen Minuten stabilisiert sich der Kopf der Pilzwolke auf einer bestimmten Höhe; bei großen Explosionen (über etwa 1 MT) kann kurzfristig eine größere Höhe erreicht werden. Nach Erreichen der Endhöhe kann sich die Wolke nur noch zur Seite ausbreiten; daher nimmt die Breite bei großen Sprengkräften sehr stark zu. Simulationen zufolge würde eine Explosion von mehr als etwa 1000 Megatonnen sich nicht mehr stabilisieren, sondern sich als Plume in den Weltraum ausdehnen. Atmosphärische Explosionen dieser Größe wurden bisher nur beim Einschlag des Kometen Shoemaker-Levy 9 auf dem Jupiter beobachtet.

Auswirkungen von Atomexplosionen

Eine Atombombenexplosion wirkt sich durch folgende Effekte auf ihre Umgebung aus:

• Druckwelle, die ähnlich wie bei normalen Explosionen ist, aber erheblich stärker
• direkte thermische Strahlung (UV- und Infrarotstrahlung sowie sichtbares Licht)
• direkte Kernstrahlung
• indirekte Radioaktivität durch Fallout-Partikel
• Nuklearer elektromagnetischer Puls (NEMP)

Dabei fallen etwa 50 bis 60 Prozent der Gesamtenergie auf die Druckwelle, 35 bis 45 Prozent auf die thermische Strahlung und 5 Prozent auf die direkte und indirekte Kernstrahlung sowie den NEMP. Der Anteil der indirekten Kernstrahlung wird fast ausschließlich durch die Spaltprodukte bewirkt und ist daher bei reinen Kernspaltungsbomben am größten (etwa 10 Prozent der Gesamtenergie). Eine Ausnahme stellt die Kobaltbombe dar.

Folgen der Druckwelle

Der größte Schaden wird in bebauten Regionen (Städte) durch die Explosionsdruckwelle angerichtet. Wie weiter oben beschrieben, verursacht sie plötzliche starke Druckschwankungen (statischer Über- und Unterdruck) und orkanartige Winde (dynamischer Druck). Der statische Überdruck zerstört vor allem massive Bauten, während der orkanartige Wind Menschen, Tiere, Bäume und leichte Bauten "umbläst". Der statische Unterdruck, der der Überdruckphase folgt und mit schwächeren Winden in Richtung auf das Explosionszentrum einhergeht, ist in Bezug auf Schäden meist vernachlässigbar.

Die folgende Tabelle gibt einen Eindruck von den Auswirkungen der Druckwelle. Es ist allerdings zu beachten, dass die Wirkung auf Menschen alle Effekte der Explosion, also auch thermische und radiologische Effekte, mit einschließt.

Druckpegel		Typische Auswirkungen auf Stadtgebiete
PSI	kPa
0,2	1,4	Bruch typischer Fensterscheiben
1	6,9	Fenster zertrümmert, Verletzungen durch Splitter möglich
3	21	Wohnhäuser (leichte Bauweise) schwer beschädigt oder zerstört, zahlreiche Schwerverletzte, vereinzelte Todesopfer
5	34	Zerstörung der meisten unverstärkten Gebäude, zahlreiche Todesopfer
10	69	Zerstörung oder schwere Beschädigung von Stahlbetonbauten, Tod der meisten Einwohner
20	138	Zerstörung oder schwere Beschädigung auch schwerer Betonbauten, kaum Überlebende (Hypozentrum von Hiroshima: etwa 30 PSI)
50	345	Vollständige Zerstörung aller oberirdischen Bauwerke (Hypozentrum von Nagasaki: etwa 60 PSI)
300	2000	Völlige Einebnung der Landschaft (Hypozentrum der „Zar-Bombe“)

Die Beziehung zwischen maximiertem Abstand vom Hypozentrum GR_OP („ground range”), innerhalb dessen der gegebene Überdruck OP auftritt, und optimaler Detonationshöhe H_OP ist für eine Explosion von einer Kilotonne TNT-Äquivalent näherungsweise gegeben durch

${H_{\mathit {OP}} \over \mathrm {m} }\approx 16100\,\left({{\mathit {OP}} \over \mathrm {Pa} }\right)^{-0{,}38}=560\,\left({{\mathit {OP}} \over \mathrm {PSI} }\right)^{-0{,}38}\,.$

Der durch diese Wahl von H_OP maximierte Radius GR_OP lässt sich durch folgende Näherung abschätzen:

${{\mathit {GR}}_{\mathit {OP}} \over \mathrm {m} }\approx \left(\left(9{,}54\cdot 10^{-3}\,{H_{\mathit {OP}} \over \mathrm {m} }^{1{,}95}\right)^{4}+\left(3{,}01\,{H_{\mathit {OP}} \over \mathrm {m} }^{0{,}75}\right)^{4}\right)^{1/4}\,.$

Abhängigkeit der Zonen verschiedenen Überdrucks von Detonationshöhe H und Entfernung GR vom Hypozentrum einer 1-kT-Standardexplosion. H_opt ist die optimale Höhe.

Für andere Sprengenergien ist die erwähnte Kubikwurzelregel anzuwenden. Diese Formeln sind rechnerisch genau auf ± 20 Prozent für H und ± 10 Prozent für GR im Bereich von 0,1 bis 10000 PSI, jedoch unter Vernachlässigung der atmosphärischen Druckvariation und für ebenes Gelände. Für Detonationshöhen unter etwa 6000 Metern (das entspricht etwa dem halben Luftdruck am Boden) ist diese Vereinfachung noch plausibel.

Der militärisch interessante Bereich für Luftdetonationen liegt zwischen 5 und etwa 50 PSI (34,5 beziehungsweise 345 Kilopascal). Typische Nutzgebäude wie Fabriken, Kasernen oder sonstige nicht besonders verstärkte Gebäude werden bei einem Überdruck von etwa 5 PSI oder dem damit korrespondierenden dynamischen Druck zerstört; daher sind für H_{15 PSI} die größten Zerstörungen in urbanen Gebieten zu erwarten. Schwere Betonbauten oder gepanzerte Fahrzeuge können jedoch weitaus größeren Drücken standhalten. Oberhalb eines anvisierten Druckes von 50 PSI ist der Verstärkungseffekt allerdings vernachlässigbar und eine Bodendetonation vorzuziehen. Die im Zweiten Weltkrieg über Japan abgeworfenen Atombomben hatten Sprengenergien von 15 kT (Hiroshima) beziehungsweise 21 kT (Nagasaki) und detonierten in 580 beziehungsweise 503 Metern Höhe, was nach obigen Formeln einem maximierten Radius für 10 beziehungsweise 19 PSI (68 beziehungsweise 132 Kilopascal) entsprach. Grund für diese konservative Wahl („optimal“ für 5 PSI wären etwa 800 Meter beziehungsweise 900 Meter) war die Unsicherheit der vorausberechneten Sprengkraft; zudem können auch bestimmte strategisch wichtige Bauten wie beispielsweise Brücken höheren Drücken standhalten.

Datei:Hiroshima davor und danach.jpg

"Ground zero" in Hiroshima vor (oben) und nach der Explosion der Bombe (unten) (Zusammenstellung aus zwei Modellen im Atombombenmuseum von Hiroshima)

Die meisten Todesfälle außerhalb von Gebäuden treten durch den dynamischen Druck ein. Menschen und Tiere werden durch die Luft geschleudert und lose Gegenstände können die Wirkung von Geschossen erreichen. Dies ist übrigens auch die größte Gefahr bei starken Wirbelstürmen wie zum Beispiel Tornados. Die Druckwelle ist auch verantwortlich für Brände, welche durch die Zerstörung von Gasleitungen, Stromkabeln und Brennstoffanlagen entstehen.

Bei einer Bodendetonation verursacht der enorme Druck ferner die Bildung eines Explosionskraters. Der Großteil des Erdreiches aus dem Krater lagert sich am Kraterrand ab; Erdreich in unmittelbarer Nähe des Sprengsatzes wird jedoch pulverisiert und mit radioaktiven Rückständen aus dem Spaltmaterial angereichert. Dieses trägt maßgeblich zum Fallout bei.

Folgen der Licht- und Wärmestrahlung

Ungefähr 35 Prozent der freiwerdenden Energie einer Atomexplosion wird in Wärmestrahlung umgesetzt.

Da sich Wärmestrahlung mit Lichtgeschwindigkeit in der Atmosphäre ausbreitet, treten Lichtblitz und Wärmestrahlung gleichzeitig einige Sekunden vor dem Eintreffen der Druckwelle auf.

Blickt man unmittelbar während oder kurz nach der Detonation in Richtung der Explosion, so kann die enorme Leuchtdichte noch bis in weite Entfernungen zu vorübergehender oder permanenter Erblindung führen, da das Licht des Feuerballs von der Augenlinse aus die Netzhaut gebündelt wird, und bei größerer Entfernung lediglich der Brennfleck kleiner, jedoch, außer durch Absorption in der Luft, kaum schwächer wird.

Die abgegebene Wärmestrahlung verursacht Verbrennungen der Haut, die mit größerer Entfernung zum Bodennullpunkt abnehmen. Im Hypozentrum ist die Wärmeentwicklung im allgemeinen so stark, dass Lebewesen augenblicklich zur Unkenntlichkeit verbrennen und sogar Metalle verdampfen können. Die Entfernungen in denen Verbrennungen auftreten, sind sehr unterschiedlich, da hohe Luftfeuchtigkeit oder Staubpartikel (Smog) die Wärmestrahlung abschwächen, während Schnee, Eis oder heller Sand sowie eine Wolkendecke oberhalb des Explosionspunktes sie lokal auf mehr als das Doppelte erhöhen können. Bei klarem Himmel und durchschnittlicher Sichtweite (20 Kilometer) verursacht eine Luftexplosion von 1 MT Verbrennungen dritten Grades im Umkreis von bis zu 12 Kilometer, zweiten Grades bis 15 Kilometer und ersten Grades bis 19 Kilometer.

Zusätzlich können sich Materialien wie Gardinen, Bettwäsche, Laub, Zeitungspapier entzünden. Diese Feuer treten vor dem Eintreffen der Druckwelle auf und werden zum Teil von ihr "ausgeblasen".

Folgen der direkten Kernstrahlung

Alle Atomwaffen senden während der Detonation ionisierende Strahlung aus. Als direkte oder Initialstrahlung wird die ionisierende Strahlung bezeichnet, die während der ersten Minute nach der Zündung freigesetzt wird. Sie setzt sich im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammen, die eine relativ hohe Reichweite in der Luft haben:

• Neutronenstrahlung aus den Kernspaltungs und Kernfusionsprozessen,
• Gammastrahlung aus den Kernprozessen und Anregung von Kernen der Luft,
• Gammastrahlung aus den Zerfallsprozessen kurzlebiger Spaltprodukte.

Ferner sind noch Beta- und Alphastrahlen vorwiegend aus Zerfallsprozessen zu nennen, die aufgrund ihrer kurzen Reichweite in Luft jedoch überwiegend zur indirekten Strahlung (vorwiegend über die Kontanimation von Atemluft, Wasser und Nahrung durch den Fallout), aber kaum zur direkten Kernstrahlung beitragen. Die Strahlungsdosis D nimmt dabei infolge der Absorption in Luft (exponentiell) und der geometrischen Verteilung (quadratisch) annähernd nach der Beziehung

$D(r)={\frac {C}{r^{2}}}\cdot e^{-kr}\ ;\quad C,k={\mbox{positive Konstanten}}$

mit der Entfernung r vom Explosionszentrum ab, und hat nur bei kleineren Sprengkräften bis etwa 50 Kilotonnen eine relevante Auswirkung, da bei größeren Sprengkräften die (in viel geringerem Maße von der Luft absorbierte) Wärmestrahlung und die Druckwelle bereits tödlich sind. So forderte die direkte Kernstrahlung bei den Explosionen in Hiroshima und Nagasaki, gemessen an ihrem Anteil von nur wenigen Prozent der Gesamtenergie, die meisten Todesopfer. Die Betroffenen erkranken an der sog. Strahlenkrankheit. Die direkte Kernstrahlung wirkt nur während der Atomexplosion für die Dauer etwa eine Minute - allerdings sehr stark, wobei der größte Teil der Strahlung innerhalb der ersten Sekundenbruchteile freigesetzt wird. Kann ein Betroffener die direkte Kernstrahlung durch geeigneten Schutz teilweise oder ganz abschirmen, wird sein Risiko für die Strahlenkrankheit erheblich reduziert. So überlebten in Hiroshima Menschen, die im Augenblick der Explosion durch beispielsweise eine Betonwand geschützt waren, während ungeschützte Menschen in nur wenigen Metern Abstand von dem Hindernis an der Strahlenkrankheit starben.

Folgen des Fallout

Als Fallout wird ein Gemisch aus verschiedenen radioaktiven Substanzen und Staub bezeichnet, das im Laufe der Zeit aus der Pilzwolke ausfällt oder durch Regen ausgewaschen wird. Der meiste Fallout wird bei Boden- oder bodennahen Detonationen erzeugt, wobei radioaktiv kontaminierter Staub durch die Druckwelle aufgewirbelt und gemeinsam mit der Pilzwolke in die Atmosphäre transportiert wird. Anders als die feinen Rückstände der Bombe, die über mehrere Monate sogar weltweit verteilt werden, fallen die gröberen Staubpartikel zum großen Teil schon nach einigen Stunden oder gar Minuten wieder aus. Bei Luftexplosionen fehlt diese kurzzeitige Komponente weitgehend oder vollständig.

Das Ausfallen der Substanzen erfolgt je nach vorherrschender Windrichtung und Windgeschwindigkeit über eine sehr große Fläche. Die größte Menge verstrahlter Partikel fallen, speziell bei Bodenexplosionen, rund um das Hypozentrum zu Boden, und mit zunehmender Entfernung nimmt der Grad der Verstrahlung ab. Dennoch können lokal höhere Konzentrationen, so genannte Hotspots zum Beispiel durch mit verstrahltem Staub angereicherten Regenfällen auftreten.

Ist der Fallout als dünne Staubschicht sichtbar, so ist oftmals die Strahlung stark genug, um sofortige Gesundheitsschäden verursachen zu können. Wird eine gewisse Dosis erreicht, so führt dies für die betroffenen Personen zu schweren Strahlenschäden, welche entweder die Erkrankung an der Strahlenkrankheit oder gar den Tod zur Folge haben.

Folgen des Elektromagnetischen Impulses

Der Elektromagnetische Impuls (EMP), im Besonderen NEMP (Nuklearer elektromagnetischer Impuls) ist ein kurzzeitiges, sehr starkes elektromagnetisches Feld, welches auftritt, wenn Röntgen- oder Gammastrahlung mit Elektronen der Luftmoleküle wechselwirkt (Compton-Effekt). Da die Elektronen eine viel kleinere Masse als die Atomkerne haben, werden sie durch den Compton-Effekt wesentlich stärker beeinflusst und radial vom Explosionsort weggetrieben. Dieses führt zu einer, aufgrund des atmosphärischen Dichtegradienten leicht asymmetrischen elektrischen Ladungstrennung und damit zu einem elektrischen Dipolmoment. Die Beschleunigung der Elektronen verursacht zudem Magnetfelder, so dass elektromagnetische Wellen entstehen. Der EMP unterscheidet sich von gewöhnlichen Radiowellen in zwei Punkten:

• Der EMP ist aufgrund seiner hohen Amplitude in der Lage, in Metallstrukturen großer räumlicher Ausdehnung Spannungen im Kilovoltbereich zu induzieren.
• Die Energie wird als einzelner Impuls mit einer Dauer im Mikrosekundenbereich und einer Anstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde freigesetzt.

Somit besitzt der EMP Ähnlichkeit mit einem Blitzschlag, was die Auswirkungen auf elektrische Leitungen betrifft, jedoch ist der Spannungsanstieg erheblich steiler als bei natürlichen Blitzen. Darum sprechen Blitzschutzsysteme aufgrund ihrer Trägheit nicht an.

Alle elektrischen oder elektronischen Geräte und Anlagen mit langen Leitungen oder Antennen und empfindlichen Bauteilen wie Halbleitern und Kondensatoren werden durch den EMP geschädigt. Dazu gehören unter anderem die Stromversorgung (Freileitungsnetz), Telefonnetze, Haushaltsgeräte, Radio- und Fernsehsender. Nur Funkgeräte mit sehr kurzen Antennen werden weniger beeinflusst.

Man unterscheidet je nach Art der Zündung zwischen einem Endo-NEMP, der durch eine Explosion innerhalb der Atmosphäre zwischen etwa 30 und 100 Kilometern Höhe entsteht, und dem Exo-NEMP, bei dem der Sprengsatz bereits im Weltraum explodiert. Die Varianten weisen hinsichtlich ihrer Stärke und Ausdehnung zum Teil starke Unterschiede auf. So werden die Gamma- und Teilchenstrahlen beim Endo-NEMP noch in der Umgebung des Explosionsortes absorbiert, während bei Exo-NEMP die Teilchendichte in der Detonationshöhe so gering ist, dass die Strahlen Hunderte oder gar Tausende von Kilometern zurücklegen können, ehe sie durch Luftmoleküle absorbiert werden. Zudem ist in großer Höhe die geometrische Distanz zum Erdhorizont größer. Dadurch kann ein ganzer Kontinent von den Auswirkungen betroffen sein, wenngleich der Impuls wesentlich schwächer als beim lokal konzentrierten Endo-NEMP ist.

Ein EMP lässt sich auch losgelöst von nuklearen Explosionen durch E-Bomben hervorrufen.

Tabelle der wichtigsten Auswirkungen

Die wichtigsten Auswirkungen nuklearer Explosionen sind hier in tabellarischer Form zusammengefasst. Die Informationen stammen aus den unten angegebenen Quellen. Die Tabelle gilt für typische Luftexplosionen unter den folgenden Bedingungen:

• Ebenes Gelände
• Sichtweite: 20 Kilometer
• Explosionshöhe: Optimiert für 15 PSI (etwa 103 kPa)

Der Überdruck im Hypozentrum beträgt in allen Fällen etwa 42 PSI (290 kPa).

Wirkung bis GR / km	Sprengenergie / Explosionshöhe
	20 kT / 540 m	1 MT / 2,0 km	20 MT / 5,4 km
Druckwirkung
Totale Zerstörung (20 PSI)	0,6	2,4	6,4
Weitgehende Zerstörung (5 PSI)	1,7	6,2	17
Mäßige zivile Schäden (1 PSI)	4,7	17	47
Themische Wirkung
Starke Brandwirkung	2,0	10	30
Verbrennungen 3. Grades	2,5	12	38
Verbrennungen 2. Grades	3,2	15	44
Verbrennungen 1. Grades	4,2	19	53
Wirkung der ionisierenden Direktstrahlung (Raumdiagonale1 SR / km)
Tödliche2 Gesamtdosis (Neutronen und γ-Strahlen)	1,4	2,3	4,7
Akut schädliche2 Gesamtosis	1,8	2,9	5,4

¹) Für den Wirkungsradius der nuklearen Direktstrahlung hier die Raumdiagonale SR (engl. „slant range“) anstelle des Grundradius GR angegeben. Der Wirkungs-Grundradius ist entsprechend kleiner, und im Fall SR<H tritt die angegebene Wirkung selbst im Hypozentrum nicht auf.

²) „Akut schädlich“ meint hier eine Gesamtdosis von etwa einem Gray (Gy), „tödlich“ eine von etwa zehn Gray.

Folgen eines Atomkrieges

Die Folgen eines interkontinentalen Atomkrieges lassen sich nicht allein durch bloße Summation zahlreicher Atombombenexplosionen verstehen. Vielmehr sind aufgrund der großen Flächendeckung weitere Auswirkungen zu erwarten:

• Zusammenbruch nationaler oder kontinentaler Populationen (Nuklearer Holocaust)
• Langfristig vermehrtes Auftreten von Fehlbildungen und Krebs bei allen Lebewesen aufgrund der das Erbgut schädigenden Wirkung ionisierender Strahlen und der Langlebigkeit einiger radioaktiver Nuklide
• Zerstörung oder schwere Schädigung ganzer Ökosysteme, Massenaussterben
• Klimaveränderungen durch von Rauch und Staub verminderter Sonneneinstrahlung (Nuklearer Winter)
• Vollständige oder weitgehende Zerstörung der gesamten Infrastruktur der beteiligten Länder, erschwerte Erholung durch Verlust von Anlagen zur Produktions- und Rohstoffgewinnung

Über das Ausmaß der einzelnen Folgen herrscht Uneinigkeit, denn eine zuverlässige Vorhersage ist aufgrund der Komplexität allein des Weltklimas und erst recht biologischer und sozialer Systeme kaum möglich. Daher sind diese Angaben sehr allgemein und mit kritischer Distanz zu betrachten.

Literatur

• Samuel Glasstone und Philip J. Dolan, The Effects of Nuclear Weapons (third edition), U.S. Government Printing Office, 1977. Eine der ausführlichsten Publikationen zu diesem Thema. PDF-Version komplett
• George C. Messenger und Milton S. Ash, The effects of radiation on electronic systems, Van Nostrand Reinhold, New York 1986, ISBN 0-442-25417-2

Weblinks

• Nuclear Weapon Archive - Informationen über Atomwaffen, Atomtests und Atompolitik
• Software zur Berechnung von Explosionseffekten - neben Glasstone und Dolan (1977) die Basis der Formeln