Ydinräjähdyksen vaikutukset

Pienehkön ydinaseen räjäytys.

Hiroshiman kaupunki atomipommin räjäytyksen jälkeen.

Pahoin palanut Hiroshiman atomipommiräjähdyksen uhri.

Ydinräjähdyksen vaikutukset ovat ydinaseen räjähtäessään aiheuttamat sokaiseva valo, kuumuus, paineaalto, tuuli, järistys, ionisoiva säteily, radioaktiivinen laskeuma ja sähkömagneettinen pulssi. Ihmisiä tappava ja vammauttava vaikutus riippuvat huomattavasti räjähdyksen etäisyydestä ja voimakkuudesta ja räjäytysympäristöstä. Lämpöaalto ja paineaalto tappavat ja vammauttavat nopeasti, tulipalot ja radioaktiivinen säteily yleensä hitaammin. 1 megatonnin räjähdys tappaa lähes kaikki noin 3 km:n säteellä ja useimmat puutaloissa olevat noin 8 km:n säteellä. Suojattomat saavat vakavia palovammoja vielä 17 km:n päässä. ja saattavat kuolla niihin 15 km:n kehän sisäpuolella. Jos räjähdysalueella on paljon puutaloja, syntyy tulimyrsky. 30 km:n päässä ihmiset yleensä selviävät ilman vakavia vammoja, jos säteilyä ei oteta lukuun. Helsingin yllä sopivalla räjähdyskorkeudella räjäytetty vetypommi tappaisi noin 140 000 ihmistä, ja haavoittaisi 325 000:ta. Jos pommi räjäytetään maanpinnassa, tappava laskeuma yltää kymmenien tai satojen kilometrien päähän.

Tulipallo ja sienipilvi

Yhden megatonnin pommin räjähdys näkyy häikäisevänä valona. Se saattaa sokaista, vaikka silmät ovat kiinnikin. Yhden megatonnin räjähteen tulipallo voi polttaa verkkokalvon 40–80 kilometrin päässä. Ylhäällä ilmakehässä tapahtuva räjähdys voi näkyä noin 1 000 kilometrin päässä. Yli 40 kilometrin korkeudessa tehty räjähdys voi aiheuttaa silmävaurioita laajalla alalla varsinkin talvella, jolloin lumi heijastaa valoa.

Räjähdys kuumentaa ilman yli 10 miljoonaan asteeseen. Kuuma ilma laajenee nopeasti fysiikan lakien mukaan, jolloin sen kuumuus vähenee. 10 sekunnissa tulipallo on kasvanut maksimiinsa 2 200 metrin läpimittaiseksi. Samalla tulipallo nousee ylöspäin vauhtinaan 75–100 m/s. Alun pallomainen tulipallo muuttuu epäsäännöllisen munkkirinkilän muotoiseksi. Lähellä maanpintaa nousevaan tulipalloon imeytyy pölyä. Tulipallo jäähtyy. Se ei enää säteile valoa minuutin kuluttua. Niinpä syntyy tyypillinen sienipilvi. Pilvi nousee puolessa minuutissa noin 5 km:n korkuiseksi ja minuutissa 7 km:iin. Pienillä räjähdystehoilla pilvi litistyy troposfäärin ylärajalle, mutta suuremmilla tehoilla pilvi menee stratosfääriin.

Polttovaikutus

Pääartikkeli: Ydinaseiden polttovaikutukset

Yhtä aikaa valonvälähdyksen kanssa tulee valtava kuumuus. Lähellä räjähtävän ydinpommin havaitsija kokee sokaisevan valon ja valtavan kuumuuden. Suhteellisen lähellä räjähdystä olevien verkkokalvot palavat. Pommin vaikutukset heikkenevät, kun mennään kauemmaksi räjähdyspaikasta. Räjähdyskohdan lähellä pommin säteily höyrystää ihmiset, hieman kauempana heistä jää vain hiiltyneitä luurankoja. Vielä etäämpänä ihmiset saavat kolmannen asteen palovammoja, joihin he kuolevat muutamassa päivässä. Hyvin kaukainen räjähdys aiheuttaa ihon punoitusta.

1 megatonnin pintaräjähdyksen aiheuttamat palovammat: punoitus 1. aste 19,2 km:n, rakkoja 2. aste 13,8 km:n ja karrelle palaminen 3. aste 11,4 km:n säteellä suojaamattomalle iholle. Laaja 3. asteen palovamma on tappava. Yli 200–300 asteen kuumuudessa iho hiiltyy.

1 Mt:n pintaräjäytys sytyttää metsäpalon 14 km:n päässä. Suoria rakennusten erillispaloja syttyy 14,0 km:n päässä ja laaja yleispalo 12,5 km:n päässä.

Metallit sulavat megatonnin räjähdyksessä 5,6 km:n päässä ja höyrystyvät 3,6 km:n päässä. Näillä etäisyyksillä suojattomat ihmiset hiiltyvät tai haihtuvat.

Ydinräjähdyksen paine saattaa vaurioittaa sähkölaitteita ja liesiä ja näin myös epäsuorasti sytyttää tulipaloja.

Paineen rikkomat kaasujohdot sekä pommin kuumuus voivat sytyttää varsinkin puurakenteisella alueella valtavan tulimyrskyn, joka pystyy imemään myrskyn nopeudella ihmisiä itseensä.

Painevaikutus

Pääartikkeli: Ydinaseiden painevaikutukset

5 PSI:n paine tuhoaa puukerrostalon Nevadassa vuonna 1953 tehdyssä ydinkokeessa.

Pian sokaisevan valon ja polttavan kuumuuden jälkeen tulee paineaalto ja myrskytuuli, joka kuljettaa esineitä tappavalla nopeudella hurrikaanin tai tornadon tapaan. Räjähdystulipallon laajenemisesta syntyvä paineaalto leviää lämpösäteilyä hitaammin ympäristöön. Se tuo mukanaan tuulen, joka voi tuhota ympäristöä hirmumyrskyn voimalla ja jonka kuljettamat esineet voivat lävistää ihmisen. Jonkin ajan kuluttua tulee alipaine ja vastakkainen tuuli. Hyvin kaukana räjähdyspaikasta tapahtuu pieniä vaurioita, ikkunat särkyvät.

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.

Paineaalto heijastuu maasta. Heijastuva paineaalto voi yhdistyä alkuperäiseen, mikä kaksinkertaistaa painevaikutuksen. Myös ilmakehän inversiokerrokset voivat heijastaa paineaaltoa kauas.

Yhden megatonnin pintaräjähdyksen painevaikutus

Paine PSI	Etäisyys räjähdyskohdasta	Tuhot
1	81 km	Ikkunalasit särkyvät, sirpaleet vammauttavat hieman.
2	34 km	Vähäinen vaurio: katot, kevyet väliseinät, ikkunat ja ovet hajalle. Talot korjattavissa.
3	13 km	Talot romahtavat, paljon vakavia vammautumisia, ehkä kuolleita.
5	8 km	Puurakennukset yleensä romahtavat, kaikki vähintään vammautuvat. 50 % kuolee, raunioista pelastettavia 30 %. Kellareita sortuu.
10	5,5 km	Teräsbetonirakennukset romahtelevat tai vaurioituvat pahoin, ihmiset yleensä kuolevat.
20	3,5 km	Vahvat betonirakennuksetkin yleensä romahtavat, lähes kaikki kuolevat.

Kellarien vauriot

• Talojen väestönsuojat kestävät 100–200 kPa. 1 MT pintaräjähdyksessä kellarit sortuvat 7,7 km säteellä

Säteily

Pääartikkeli: Ydinräjähdyksen säteilyvaikutukset

Säteilyannoksen vaikutus kuolleisuuteen. 5 Gy tappaa melko varmasti ilman hoitoa, 10 Gy hoidosta huolimatta.

Klikkaa kuva isommaksi.Laskeuman aiheuttama 30 vuorokauden annoskertymä kaavamaisesti 1 Mt ydinlataus, jossa 100 % fissiota räjähtää maanpinnassa. Tuulee lännestä navakasti 6,7 m/s. Yli 5 Sv säteilyannoksen kertymä yleensä tappaa suojattoman. Jo 1,5 Sv voi tappaa. Yli 0.35 Sv aiheuttaa säteilysairautta, yli 1 Sv syöpää. Yli 0,05 V (50 mSv) annoksen alueelta väestö pitäisi evakuoida.

Ydinräjähdyksessä syntyy vain räjähdysajan kestävää alkusäteilyä. Jälkisäteily kestää kauan. Se leviää radioaktiivisten hiukkasten muodossa laskeumana kauas räjähdyspaikasta. Radioaktiivinen laskeuma jaetaan yleensä varhaislaskeumaan, myöhäislaskeumaan ja maailmanlaajuiseen laskeumaan.

Räjähdyksessä välittömästi syntyvä ionisoiva säteily voi tappaa ihmisiä jonkin ajan kuluessa säteilysairauteen. Sen vaikutukset riippuvat saadusta annoksesta. Myös annoksen jakauma ruumiissa vaikuttaa. Radioaktiivinen laskeuma on merkittävä, pitkäkestoinen vaaratekijä hyvinkin kaukana räjähdyspaikasta.

Vaarallisimpia säteilijöitä ovat alussa jodi-131 ja myöhemmin strontium-90 ja cesium-137. Radioaktiivinen jodi puoliintuu noin 8 päivässä. Strontium-90 ja cesium puoliintuvat 29 ja 30 vuodessa.

Säteily puoliintuu noin 7 tunnissa, jolloin eksponentti on 1,2. Käytännössä tämä on välillä 0,9-2. Niinpä säteily heikkenee nopeasti.

Säteilyn annosnopeus joko mitatan tai lasketaan. Kun annosnopeus ensimmäisenä korkeimman annosnopeuden tuntina on 100 mikrosievertiä tunnissa, on mentävä sisälle, syötävä joditabletteja ja rajoitettava liikkumista ulkona, jos tähän on mahdollisuus. Lapsille tämä raja on 10 uSv/h ja kotieläimille 1 uSv/h. 100 uSv/h annosnopeus vastaa kahden vuoden annosta 0,4–0,5 millisievertiä. Näin muunnoskerroin tunnittaisella annosnopeudella ja pitkän ajan kokonaisannoksella on 4-5.

Odotettu 0,05 sievertin vuosikertymä, käytännössä monesti kokonaisannos aiheuttaa evakuointitarpeen. 0,1 sievertin säteilyannos kasvattaa syövän riskiä ollen siksi jo vaarallinen. 0,5 Sv aiheuttaa hoitoa vaativan säteilysairauden mm hiusten lähtöä ja oksentelua. Ehkä jo 1,5 Sv:ssä, viimeistään 2,5 ihmisiä alkaa kuolla ja tarvitaan sairauden hoitoa. 5 Sv säteilyä tappaa noin puolet väestöstä. Yli 6 Sv tappaa käytännössä kaikki.

Karkeasti sanoen yhden megatonnin maanpintaräjähdys ja tuulen nopeus noin 2,5 m/s aiheuttaa laskeuman, joka voi tappaa suojattoman noin 250 km päässä ja tappaa melko varmasti noin 200 km päässä. Ehkä tappavan alueen leveys on noin 55 km. 90 km päässä alatuuleen saa kuolettavan annoksen alle tunnissa 13 km levyisellä alueella. Vielä 420 km päässä 100 km alueella väestö pitäisi evakuoida.

Laskeumalaskelmat ovat useinkin epätarkkoja, koska tuulen suunnan muutokset, sateet jne. muuttavat laskeumaa niin että varsinkin kauempana räjähdyspaikasta saattaa tulla paikoin voimakkaampi laskeuma kun on ennustettu.

Sähkömagneettinen pulssi

Korkealla ilmakehässä tai avaruudessa räjäytetty ydinlataus aiheuttaa laajalle leviävän sähkömagneettisen pulssin, joka voi hajottaa suojaamattomia elektroniikkalaitteita. Maanpinnan lähellä räjäytetyn pommin sähkömagneettinen pulssi on pienialainen.

Räjähdyslajeista

Räjähdysvoima ja räjähtävän aseen tyyppi vaikuttavat huomattavasti tuhoihin ja henkilötappioihin. Ydinaseen vaikutus riippuu siitä, räjähtääkö pommi maan pinnalla, maan alla, matalalla vai korkealla ilmassa, avaruudessa, veden pinnalla vai veden alla.

Ydinase voidaan myös räjäyttää avaruudessa, jotta sähkömagneettinen pulssi tuhoaisi elektroniikaa ja sähkölaitteita. Ydinräjähdysten vaikutukset riippuvat huomattavasti räjähdyksen voimasta ja siitä, missä ympäristössä ja millä korkeudella tai syvyydellä räjähdys tapahtuu. Esimerkiksi sää voi heikentää lämpösäteilyä. Kukkulainen maasto saattaa rajata ja suunnata paineaaltoa ja kuumuutta. Varsinkin maanpinnan lähellä tapahtunut räjähdys levittää pitkän aikavälin kuluessa laajalle, jopa tuhansien kilometrien päähän ulottuvan radioaktiivisen laskeuman. Maanpintaräjähdys voi synnyttää maanjäristyksen.

Matala ilmaräjähdys

Matalassa ilmaräjähdyksessä polttovaikutus on voimakas ja myös valo on melko voimakas. Paineen tuhot tuntuvat laajemmilla alueilla kuin maanpinttaräjähdyksessä, jos korkeus on valittu sopivasti. Järistys ja varhainen laskeuma ovat mitättömiä.

Räjähdyskorkeus jolla tulipallo ei kosketa maata $H_{opt}=200\cdot Y^{1/3}$

Puurakenteiset omakotitalot tuhoutuvat 5 PSI:n paineessa maanpinnalla megatonnin räjähdyksessä 4,6 km päässä. Mutta ilmaräjähdyksessä 50 % tappava 5 PSI ulottuu 7 km päähän. Niinpä painevaikutus ulottuu ilmaräjähdyksessä 1,5 kertaa kauemmas. 1 PSI:lle tämä kerroin on 1,83. 3. asteen palovammat tulevat maanpinnalla megatonnin räjähdyksessä 11 km päässä, mutta ilmaräjähdyksessä 12,6 km etäisyydellä. Kerroin on 1,15.

Maanpintaräjäytyksestä

Poltto- ja painevaikutus suppeampi kuin ilmaräjähdyksessä. Aiheuttaa maanjäristyksen ja nostaa paljon radioaktiivista jätettä ilmaan.

Laskukaava on

$H_{el}=62,2\cdot Y^{0,3820}$

Räjähdyskuoppa

Pintaräjäytys kaivaa maahan kraatterin, jonka läpimitta D lasketaan kaavasta

D=38*E^0,32526

jossa D on kraatterikuopan läpimitta metriä, ja E räjähdysenergia kilotonneissa.

Tämän mukaan megatonnin räjähdyskraatteri on 360 m läpimittainen, 29 m syvä ja reunavallit ovat 7 metriä korkeat.

Kraatterin syvyys P lasketaan kaavasta

P=9*E^0,25

Reunavallin korkeus h=P/4 Multumavyöhykkeen läpimitta 1,5*D Reunavallin läpimitta 2*D Plastinen vyöhyke noin 2,5*D

Tärinä ulottuu ainakin 2,5 kertaiselle räjähdyskuopen säteelle asti vyöhykkeellä, jossa räjähdys muovaa maa- ja kallioperää.

merkittävää kraatteria ei synny, jos 1 megatonnin pommi räjähtää yli 150 metrin korkeudessa.

Veden pinnassa räjäytetty ydinlataus

1 Megatonnin ydinlataus tuhoaa padot ja laiturit 850 metrin säteellä. Laivat tuhoutuvat 2,4 km säteellä. 2 m korkeita aaltoja nousee 2 km säteellä, 4 m korkeita 960 m säteellä. Meren pinnassa aiheutettu räjäytys aiheuttaa laskeuman.

Korkea ilmaräjäytys

Hyvin korkealla ilmakehässä aiheutettu ydinräjäytys aiheuttaa hyvin voimakkaan, sokaisevan valon laajalla alueella. Polttovaikutus voi tuntua. Alkusäteily on maanpinnalla vähäinen, samoin painevaikutus. Järistystä ja laskeumaa ei synny merkittävästi. Painevaikutus vähenee räjähdyskorkeuden kasvaessa.

Avaruudessa tapahtuva räjäytys

Sähkömagneettinen pulssi (EMP) leviää laajalle hyvin korkealla tapahtuneissa ydinräjähdyksissä. Se tuhoaa ja vaurioittaa muun muassa suojaamattomat radiolaitteet.

Matala syvyysräjähdys maassa

Polttovaikutus ja valo maanpintaräjäytystä pienempiä. Voimakas järistys ja laskeuma lähellä räjähdyskuoppaa. Nämä riippuvat räjähdyskuopan syvyydestä.

Matala syvyysräjähdys vedessä

Valo ja poltto pienempiä kuin vedenpinnan alla tapahtuvassa räjäytyksessä. Tärinä saattaa ulottua kauemmaksi kuin vedenpintaräjäytyksessä. Painevaikutus suppeampi. Varhainen laskeuma voi olla suuri. Aallot saattavat aiheuttaa tuhoa.

Suljettu syvyysräjähdys

Syvällä maan sisässä tehty syvyysräjähdys aiheuttaa tärinän, maanjäristyksen. Maan sisälle syntyy pallomainen tai pystysuunnassa pitkulainen luola.

Yhteenveto

Yhden megatonnin ilmaräjähdyksen vaikutukset kaavamaisesti. 1 PSI puutalot asuinkelvottomiksi, ihmiset säilyvät yleensä hengissä. 5 PSI puutalot tuhoutuvat, 50 % kuolee, monilla pahoja vammoja. 2. asteen palovamma saattaa olla tappava. Alkusäteily on tappava vain sillä alueella, missä muutkin tuhovaikutukset ovat tappavia.

Ilmassa räjäytettyjen ydinpommien vaikutuksia. Pommi saatetaan räjäyttää ilmassa vaikutusalan suurentamiseksi ja toisaalta radioaktiivisen laskeuman minimoimiseksi. Niin sanottu optimaalinen räjähdyskorkeus on se korkeus, jossa räjähdyksen tulipallo ei vielä kosketa maata, mutta on sitä mahdollisimman lähellä. Maanpintakeskipiste on tällöin paikka, jossa pommi räjähtää pään päällä. Maanpintakeskipistettä sanotaan monesti hyposentriksi.

Vaikutus	Räjähdysvoima / räjähdyskorkeus
	1 kt / 200 m	20 kt / 540 m	1 Mt / 2.0 km	20 Mt / 5.4 km
Painevaikutus, etäisyys maanpintakeskipisteestä / km
Kaikki rakennukset maan tasalle (20 psi or 140 kPa)	0,2	0,6	2,4	6,4
Useimmat tavalliset rakennukset tuhoutuvat (5 psi or 34 kPa)	0,6	1,7	6,2	17
Keskimääräinen vaurio, puutalot asuinkelvottomiksi(1 psi or 6,9 kPa)	1,7	4,7	17	47
Junat lentävät kiskoiltaan ja hajoavat, 62 kPa (62 kPa; muut kuin 20 kt arvioitu kuutiojuurella)	≈0,4	1,0	≈4	≈10
Lämpövaikutus, etäisyys maanpintakeskipisteestä / km
Palavat aineet, puu jne syttivät tuleen, tappava	0,5	2,0	10	30
3. asteen palovammat, iho palaa karrelle, tappava	0,6	2,5	12	38
2. asteen palovammat, rakkoja	0,8	3,2	15	44
1. asteen palovammat, iho punottaa	1,1	4,2	19	53
Säteilyn vaikutus, viisto etäisyys räjähdyskeskipisteeseen1 SR / km
Tappava2 neutroni- ja gammasäteily	0,8	1,4	2,3	4,7
Akuutti säteilysairaus2	1,2	1,8	2,9	5,4

Katso myös

• Ydinase
• Ydinsota
• Ydinaseriisunta
• Ydinaseonnettomuus
• Hiroshiman ja Nagasakin pommitukset

Lähteet

• Janne Koivukoski, Olli Paakkola, Pekka Myllyniemi: Ydinaseet, vaikutukset ja suojautuminen. Suomen pelastusalan keskusjärjestö, 2003. ISBN 9789517971485

Kirjallisuutta

• Yhdistyneet kansakunnat. Pääsihteeri: Kokonaistutkimus ydinaseista: käännös YK:n pääsihteerin raportista A/35/392/12.9.1980. Suomentanut Martti Miekkavaara. Sotatieteen laitos. Strategian toimisto, 1983. ISBN 9789512502738
• Christopher Chant, Ian Hogg: Suuri ydinsotatieto. Eita, 1984. ISBN 9519578161
• Shilling, Charles W, Atomic energy encyclopedia in the life sciences : Editor and major contributor: Charles Wesley Shilling, with the assistance of Miriam Teed Shilling, Prepared under the auspices of the Division of Technical Information, U.S. Atomic Energy Commission
• Raimo Väyrynen: Ydinaseet ja suurvaltapolitiikka. Tammi, 1983. ISBN 9789513050931

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Ydinräjähdyksen fysiikka Wikimedia Commonsissa

• Nukemap (englanniksi)
• Nuclear Weapon Effects Calculator (englanniksi)
• Nuclear Weapon Effects Calculator (englanniksi)
• See the immense area destroyed by a nuclear firestorm (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• Ground Zero II (englanniksi)
• Nuclear Weapon Effects Calculator (englanniksi)
• Strangelove Slide Rule Nuclear Bomb Effects Computer (englanniksi)
• Effects of Nuclear Weapons and Nuclear War (englanniksi)
• Hydesim, painevaikutus (englanniksi)
• Explosion blast
• Some considerations on the damage criteria and safety distances for industrial explosions – Internet Archive