Efectos de la explosión de armas nucleares (I)

La energía de un arma nuclear

Una de las diferencias fundamentales entre una explosión nuclear y una convencional es que las explosiones nucleares pueden ser varias miles (o millones) de veces más poderosas que las detonaciones convencionales más grandes. Ambos tipos de armas dependen de la fuerza destructiva de la onda expansiva u onda de choque. Sin embargo, las temperaturas alcanzadas en una explosión nuclear son mucho más altas que en una explosión convencional, y una gran proporción de la energía en una explosión nuclear es emitida en forma de luz y calor (“energía térmica”). Esta energía es capaz de causar quemaduras en la piel, y de comenzar incendios a considerables distancias. Las explosiones nucleares también están acompañadas por varias formas de radiación, que duran unos pocos segundos y pueden permanecer peligrosas durante un extenso periodo de tiempo.

Aproximadamente un 85 por ciento de la energía de un arma nuclear produce chorros de aire (y choque) y energía térmica (calor). El 15 por ciento restante de la energía es liberada en varias formas de radiación nuclear. De esto, un 5 por ciento constituye la radiación nuclear inicial, definida como la producida dentro del minuto más o menos de la explosión, principalmente rayos gamma y neutrones. El 10 por ciento final de la energía total de la fisión representa la energía nuclear residual (o retrasada), que es emitida durante un cierto periodo de tiempo. Esto es en gran parte debido a la radiactividad de los productos de la fisión presentes en los residuos del arma, o escombros, y la lluvia radiactiva después de la explosión.

El rendimiento de un arma nuclear es la medida de la cantidad de energía explosiva que puede producir. El rendimiento está dado en términos de la cantidad de TNT que generaría la misma cantidad de energía cuando explotara. De esta manera, un arma nuclear de 1 kilotón es una que produce la misma cantidad de energía en una explosión como lo haría 1 kilotón (1000 toneladas) de TNT. De igual modo, un arma de 1 megatón tendría la energía equivalente a 1 millón de toneladas de TNT. Un megatón es equivalente a 4.18 x 1015 joules. En la evaluación del poder destructivo de un sistema de armas, es habitual utilizar el concepto de megatones equivalentes (EMT). El megatonelaje equivalente es definido como el megatonelaje real elevado a la potencia de dos tercios:

EMT = Y2/3 , donde Y está en megatones

Esta relación surge del hecho de que el poder destructivo de una bomba no varía linealmente con el rendimiento. El volumen de la energía diseminada del arma varía con el cubo de la distancia, pero el área destruida varía con el cuadrado de la distancia.

De esta forma, una bomba con un rendimiento de 1 megatón destruiría 208 kilómetros cuadrados. Mientras que ocho bombas, cada una con un rendimiento de 125 kilotones, destruirían 416 kilómetros cuadrados. Esta relación es una de las razones para el desarrollo de sistemas de suministro que puedan llevar múltiples ojivas nucleares (MIRVs).

Efectos básicos de las armas nucleares

Las explosiones nucleares producen efectos destructivos inmediatos y posteriores. La onda expansiva, la radiación térmica, y la rápida radiación ionizante causan una significativa destrucción en cuestión de segundos o minutos desde la detonación nuclear. Los efectos retardados, tales como la lluvia radiactiva y otros posibles efectos ambientales, inflingen un daño a lo largo de un extenso periodo de tiempo, abarcando de horas a años. Cada uno de estos efectos es calculado a partir del punto de detonación.

Ground Zero

El término “ground zero” (zona cero) se refiere al punto en la superficie terrestre inmediatamente debajo (o encima) del punto de detonación. Para un estallido sobre (o debajo) del agua, el punto correspondiente es generalmente llamado “superficie cero”. El término “superficie cero” o “superficie zona cero” es también comúnmente utilizado para explosiones superficiales a nivel del suelo y subterráneas. En algunas publicaciones, la zona (o superficie) cero es llamada “hipocentro” de la explosión.

Efectos de la explosión

La mayor parte del daño viene de la onda expansiva. La onda de choque de aire se irradia hacia afuera, produciendo repentinos cambios en la presión del aire que puede aplastar objetos, y vientos muy fuertes que pueden derribarlos. En general, grandes edificios son destruidos por el cambio de la presión del aire, mientras que personas y objetos como árboles y postes son destruidos por el viento.

La magnitud del efecto de la onda expansiva está relacionada con la altura del estallido sobre el nivel del suelo. Para cualquier distancia dada desde el centro de la explosión, hay una altura óptima de estallido que producirá el mayor cambio en la presión del aire, llamado sobrepresión, y a mayor distancia, mayor altura óptima de explosión. Por consiguiente, un estallido sobre la superficie produce una mayor sobrepresión a rangos muy cercanos, pero menos sobrepresión que una detonación aérea a rangos un poco más largos.

Cuando un arma nuclear es detonada en la superficie de la Tierra, o cerca de ella, la onda expansiva genera un gran cráter. Una parte del material es depositado en el borde del cráter, y el resto es llevado hacia el aire y regresa a la Tierra en forma de lluvia radiactiva. Una explosión que se produce más lejos sobre la superficie de la Tierra que el radio de la bola de fuego no produce un cráter pero sí una insignificante lluvia radiactiva inmediata. Pero en general, una explosión nuclear mata a la gente por medios indirectos más que por la presión directa.

Efectos de la radiación térmica

Aproximadamente un 35 por ciento de la energía de una explosión nuclear es un intenso estallido de radiación térmica, por ejemplo calor. Los efectos son similares al efecto de un flash de dos segundos de una enorme lámpara de sol. Dado que la radiación térmica viaja a aproximadamente la velocidad de la luz, el flash de luz y calor precede a la onda expansiva por varios segundos, justamente como el relámpago se ve antes de que se escuche el trueno.

La luz visible producirá una “ceguera por destello” en las personas que estén mirando directamente en dirección a la explosión. La ceguera puede durar varios minutos, tras lo cual la recuperación es completa. Si el flash se enfoca a través de la lente del ojo, dará como resultado una quemadura permanente de la retina. En Hiroshima y Nagasaki, hubo muchos casos de ceguera por destello, pero solamente uno de quemadura de retina, entre los sobrevivientes. Por otra parte, cualquiera que sea enceguecido mientras conduce un auto, por ejemplo, podría causar heridas permanentes a sí mismo y a otras personas.

Quemaduras en la piel: resultan a partir de las altas intensidades de la luz, y por lo tanto tendrán lugar cerca del punto de la explosión. Quemaduras de primer, segundo y tercer grado pueden ocurrir a distancias de cinco millas del estallido o más. Quemaduras de tercer grado sobre un 24 por ciento del cuerpo, o quemaduras de segundo grado sobre el 30 por ciento del cuerpo, provocarán un severo shock, y probablemente resulten fatales a menos que se disponga de una rápida atención médica. En Estados Unidos hay instalaciones en todo el país para atender a 1000 o 2000 casos de quemaduras severas. Una sola arma nuclear podría producir más de 10.000 casos.

La radiación térmica de una explosión nuclear puede encender directamente materiales inflamables. En general, los materiales inflamables que están fuera de la casa, tales como hojas o diarios viejos, no están rodeados por el suficiente material combustible como para generar un fuego autosuficiente. Los fuegos más factibles de expandirse son aquellos causados por la radiación térmica atravesando las ventanas e incendiando camas y muebles llenos de cosas dentro de las casas. Otra posible fuente de incendios, que puede ser más dañina en áreas urbanas, es indirecta. El daño de la ráfaga a tiendas, calentadores de agua, calderas, circuitos eléctricos o líneas de gas iniciaría fuegos donde ya de por sí el combustible es abundante.
Efectos de la radiación nuclear directa
La radiación directa ocurre al momento de la explosión. Puede ser muy intensa, pero su alcance es limitado. Para las armas nucleares grandes, el alcance de la radiación directa es menor al alcance de los letales efectos del estallido y la radiación térmica. Sin embargo, en el caso de las armas más pequeñas, la radiación directa puede ser el efecto letal con mayor alcance. La radiación directa provocó un sustancial daño a los residentes de Hiroshima y Nagasaki. La respuesta humana a la radiación ionizante está sujeta a una gran incertidumbre e intensa controversia científica. Parece probable que incluso pequeñas dosis de radiación provoquen cierto daño.
Lluvia radiactiva
La lluvia radiactiva es recibida de las partículas que son hechas radiactivas por los efectos de la explosión, y posteriormente distribuidas a variadas distancias desde el sito de la explosión. Mientras que cualquier explosión nuclear en la atmósfera produce cierta lluvia radiactiva, la lluvia radiactiva es mucho mayor si el estallido se produce sobre la superficie, o por lo menos lo suficientemente bajo como para que la bola de fuego toque el suelo. Los significativos riesgos provienen de las partículas absorbidas del suelo e irradiadas por la explosión nuclear. Las partículas radiactivas que se eleven solamente una distancia corta (aquellas en la “raíz” de la nube atómica con forma de hongo) caerán de nuevo a la tierra en pocos minutos, aterrizando cerca de la explosión. Es improbable que tales partículas causen muchas muertes, porque van a caer en áreas donde la mayoría de la gente ya ha muerto. No obstante, la radiactividad complicaría los esfuerzos de rescate o una eventual reconstrucción.

Las partículas radiactivas que se elevan más alto serán llevadas a una cierta distancia por el viento antes de caer a la tierra, por lo que el área y la intensidad de la lluvia radiactiva está fuertemente influenciadas por las condiciones climáticas locales. La mayor parte del material simplemente es llevada en dirección del viento en una larga columna.

La precipitación también puede tener una significativa influencia en la manera en que es depositada la radiación proveniente de armas más pequeñas, dado que la lluvia transportará las partículas contaminadas al suelo. Las áreas que reciban tal lluvia contaminada se convertirían en “puntos calientes”, con una mayor intensidad de radiación que en sus zonas aledañas.
Tipos de explosiones nucleares
Los efectos de una explosión nuclear dependen en parte de la altura de la detonación. Hay cinco tipos de estallidos: aéreo, de elevada altitud (estratosféricas), submarinas, subterráneos, y superficiales.

Un estallido aéreo es definido como uno en el que la explosión ocurre en el aire a una altura por debajo de los 100.000 pies (30,489 metros), pero a una altitud tal que la bola de fuego no toca la superficie de la tierra. Una detonación por encima de esa altitud es generalmente referida como explosión a gran altura.

Una explosión nuclear que ocurra en o ligeramente sobre la superficie real de la tierra o el agua es conocida como explosión superficial. Si la explosión ocurre debajo de la superficie de la tierra o el agua, entonces se trata de una explosión subterránea o submarina, respectivamente. El diseño del Penetrador Nuclear Terrestre Robusto (RNEP) utiliza las características de un estallido subterráneo en un intento de destruir objetivos enterrados.

Uno de los principales resultados del tipo de estallido es la cantidad de deshechos radiactivos y lluvia radiactiva, y la fuerza de la onda expansiva.

La onda expansiva

Una fracción de segundo después de una explosión nuclear, el calor de la bola de fuego hace que se desarrolle una onda de alta presión y que se mueva hacia afuera produciendo el efecto de ráfaga. El frente de la onda expansiva, el frente de choque, se aleja rápidamente de la bola de fuego: es como una pared en movimiento de aire altamente comprimido.

El aire inmediatamente detrás del frente de choque es acelerado a elevadas velocidades y crea un poderoso viento. Estos vientos a su vez crean una dinámica presión contra los objetos que enfrentan a la explosión. Las ondas de choque causan un salto prácticamente instantáneo en la presión en el frente de choque. La combinación del salto de la presión (llamado sobrepresión) y la presión dinámica causa los daños de la ráfaga. Tanto la sobrepresión como la presión dinámica alcanzan sus valores máximos a la llegada de la onda de choque. Luego decaen a lo largo de un período que va entre unas pocas décimas de segundo hasta varios segundos, dependiendo de la fuerza de la explosión y el rendimiento.
Sobrepresión
Los efectos de la explosión son medidos usualmente según la cantidad de sobrepresión, la presión en exceso en comparación con los valores atmosféricos normales, en libras por pie cuadrado (psi).

Después de 10 segundos, cuando la bola de fuego de un arma nuclear de 1 megatón ha alcanzado su máximo tamaño (1710 metros de diámetro), el frente de choque está a 5 kilómetros más adelante. A 50 segundos después de la explosión, cuando la bola de fuego ya no es visible, la onda explosiva ha viajado unos 20 kilómetros. Por lo tanto, está viajando a alrededor de 1255 kilómetros por hora, lo que es ligeramente más rápido que la velocidad del sonido a nivel del mar.

Pico de sobrepresión / Velocidad máxima del viento
50 psi 934 mph
20 psi 502 mph
10 psi 294 mph
5 psi 163 mph
2 psi 70 mph

Como guía general, las áreas urbanas son completamente destruidas por sobrepresiones de 5 psi, con severos daños extendiéndose hacia el contorno de 3 psi.

Estos muchos efectos diferentes hacen difícil formular una regla básica simple para evaluar la magnitud de las heridas producidas por las diferentes intensidades de la explosión. Una guía general es la siguiente:

Sobrepresión / Efectos físicos

20 psi Edificios de hormigón armado son severamente dañados o demolidos
10 psi Edificios de hormigón reforzado son severamente dañados o demolidos. La mayoría de la gente muere.
5 psi La mayor parte de los edificios colapsa. Las heridas son universales, las víctimas mortales son generalizadas.
3 psi Las estructuras residenciales colapsan. Son comunes las heridas graves, puede haber víctimas mortales.
1 psi Fragmentos de vidrio. Ligeras heridas por dichos fragmentos.

Efectos del estallido en los seres humanos

Los daños por la explosión ocurren por la llegada de la onda de choque creada por la explosión nuclear. Los seres humanos somos en realidad bastante resistentes a los efectos directos de la sobrepresión. Se requieren presiones superiores a 40 psi para que los efectos letales se noten.

El peligro de la sobrepresión viene del colapso de los edificios que generalmente no son tan resistentes. Las áreas urbanas contienen muchos objetos que pueden volar, y la destrucción de edificios genera muchos más. El colapso de la estructura superior puede aplastar o sofocar a aquello que se encuentre adentro. También pueden generar heridas o la muerte a partir del impacto tras haber sido lanzados por el aire.

El estallido también aumenta las quemaduras por radiación térmica arrancando la piel severamente quemada. Esto crea heridas abiertas que se infectan rápidamente.

Mach Stem

Si una explosión ocurre sobre el suelo, cuando la onda expansiva golpea a la superficie de la tierra es reflejada para formar una segunda onda de choque que viaja detrás de la primera. Esta onda reflejada viaja más rápido que la primera onda de choque, o incidente, ya que esta está viajando a través del aire que está moviéndose a una alta velocidad debido al pasaje de la onda incidente. La onda reflejada se une con la onda de choque incidente para formar una sola onda, conocida como Mach Stem. La sobrepresión en el frente de la onda de Mach es generalmente el doble de la del frente de la onda expansiva directa.

Al principio la altura de la onda Mach Stem es pequeña, pero mientras el frente de la onda continúa expandiéndose la altura se incremente sostenidamente. Sin embargo, al mismo tiempo la sobrepresión, como aquella en la onda incidente, disminuye debido a la continua pérdida de energía y el área en perpetuo crecimiento del frente de avance. Tras aproximadamente 40 segundos, cuando el frente de Mach de un arma nuclear de 1 megatón está a 16 kilómetros de la zona cero (o ground zero) la sobrepresión habrá disminuido a aproximadamente 1 psi.

Radiación térmica

Una forma primaria de energía de una explosión nuclear es la radiación térmica. Al principio, la mayor parte de esta energía empieza a calentar los materiales de la bomba y el aire que rodea a la explosión. Las temperaturas de una explosión nuclear alcanzan a aquellas en el interior del Sol, alrededor de 100.000.000 de grados Celsius, y producen una brillante bola de fuego.
Dos pulsos de radiación térmica emergen de la bola de fuego. El primer pulso, que dura aproximadamente una décima de segundo, consiste en radiación en la región del ultravioleta. El segundo pulso, que puede durar varios segundos, lleva alrededor del 99 por ciento del total de la energía de la radiación térmica. Es esta radiación la principal causa de las quemaduras en la piel y las heridas en los ojos sufridas por personas expuestas, y que los materiales combustibles estallen en llamas.

Los daños de la radiación térmica dependen mucho de las condiciones climáticas. Las nubes o el humo en el aire pueden reducir considerablemente el alcance de los daños en comparación a condiciones de aire limpio.

La bola de fuego

La bola de fuego, una masa esférica extremadamente caliente y luminosa de aire y residuos gaseosos del arma, tiene lugar dentro de menos de una millonésima de segundo a partir de la detonación del arma. Inmediatamente después de su formación, la bola de fuego comienza a crecer en tamaño, tragándose el aire circundante. Este crecimiento es acompañado por un descenso en la temperatura debido al aumento de la masa. Al mismo tiempo, la bola de fuego sube, como un globo de aire caliente. Dentro de las siete décimas de milisegundo a partir de la detonación, la bola de fuego de un arma de 1 megatón tiene aproximadamente 132 metros de diámetro, y crece en tamaño hasta un valor máximo de unos 1710 metros en 10 segundos. Entonces está subiendo a razón de entre 75 y 105 metros por segundo. Después de un minuto, la bola de fuego se ha enfriado a un punto tal que ya no emite radiación visible. En este momento, ha subido aproximadamente 7.2 kilómetros del punto de explosión.

La nube atómica

Mientras la bola de fuego aumenta su tamaño y se enfría, los vapores se condensan y forman una nube conteniendo partículas sólidas de escombros del arma, así como también pequeñas gotas de agua derivadas del aire absorbido hacia la bola de fuego en ascenso.
Dependiendo de la altura de la explosión, se produce una fuerte corriente de aire ascendente con vientos afluentes, llamados “afterwinds”. Estos “afterwinds” pueden hacer que cantidades variables de polvo y escombros sean absorbidos desde la superficie de la tierra hasta la nube. En una explosión aérea con una cantidad moderada (o pequeña) de polvo y escombros dentro de la nube, sólo una proporción relativamente pequeña se contamina con radiactividad. Sin embargo, en una explosión cerca del suelo, grandes cantidades de polvo y escombros son atraídas hacia la nube durante la formación.

El color de la nube es inicialmente rojo o marrón rojizo, debido a la presencia de ácido nitroso y óxido de nitrógeno. Mientras la bola de fuego se enfría y ocurre la condensación, el color cambia a blanco, principalmente debido a las gotas de agua (como en una nube común).

La nube consiste sobre todo en partículas muy pequeñas de productos de la fisión y residuos del arma, gotas de agua, y partículas más grandes de polvo y escombros llevados por los vientos (“afterwinds”).

La altura final alcanzada por la nube radiactiva depende de la energía calórica del arma y de las condiciones atmosféricas. Si la nube alcanza la tropopausa, aproximadamente 15 kilómetros por encima de la superficie de la tierra, hay una tendencia a extenderse. Pero si queda suficiente energía en la nube radiactiva a esta altura, una porción de esta ascenderá hacia el aire más estable de la estratosfera.

La nube alcanza su altura máxima después de unos 10 minutos y entonces se dice que está “estabilizada”. Sin embargo, continúa creciendo lateralmente, produciendo la característica forma de hongo. La nube puede continuar siendo visible durante una hora o más antes de ser dispersada por los vientos de la atmósfera circundante, donde se mezcla con las nubes naturales en el cielo.

Efectos del pulso térmico

Una de las diferencias más importantes entre un arma nuclear y una convencional, es la enorme proporción de la energía de una explosión nuclear que es liberada en forma de energía térmica. Esta energía es emitida desde la bola de fuego en dos pulsos. El primero es bastante corto, y lleva solamente un uno por ciento de la energía; el segundo pulso es más significativo y de mayor duración (hasta 20 segundos).

La energía del pulso térmico puede iniciar incendios en materiales secos, inflamables, tales como hojas secas, hierbas, periódicos viejos, etc. El efecto incendiario del pulso térmico también es sustancialmente afectado por la posterior llegada de la onda expansiva, que usualmente apaga todas las llamas que se hayan encendido. No obstante, el material candente puede encenderse nuevamente más tarde.

El principal efecto incendiario de una explosión nuclear es causado por la onda explosiva. Las estructuras colapsadas son mucho más vulnerables al fuego que las intactas. La explosión reduce muchas estructuras a pilas incendiables, muchos huecos abiertos en techos y paredes actúan como chimeneas, y se rompen gasoductos y tanques de almacenamiento de materiales inflamables. Las fuentes primarias de ignición parecen ser las llamas y las luces pilotos en aplicaciones de calentamiento (hornos, calentadores de agua, estufas, etc.). El material que arde sin llama del pulso térmico puede ser muy efectivo al encender el gas que se escapa.

El daño de la radiación térmica depende muy fuertemente de las condiciones climáticas. La cobertura nubosa, el humo, u otro material que oscurezca el aire puede reducir considerablemente el daño efectivo versus condiciones de aire limpio.

La radiación térmica también afecta a los seres humanos directamente (quemaduras en la piel expuesta) indirectamente (por incendios iniciados por la explosión).
Tormentas de fuego

Bajo ciertas condiciones, los muchos fuegos individuales creados por una explosión nuclear pueden unirse en un solo incendio masivo conocido como “tormenta de fuego”. La combinación de muchos fuegos más pequeños calienta el aire y causa vientos de fuerza huracanada dirigidos hacia adentro, que a su vez avivan las llamas. Para que se desarrolle una tormenta de fuego:

1. Tiene que haber por lo menos 4 kilogramos de combustible por pie cuadrado (0.09 metros cuadrados).

2. Por lo menos la mitad de las estructuras del área se incendia simultáneamente.

3. Inicialmente hay un viento de menos de 12 kilómetros por hora.

4. El área ardiente tiene por lo menos 1.3 kilómetros cuadrados.

En Hiroshima, se desarrolló una tormenta de fuego y fueron destruidos aproximadamente 12 kilómetros cuadrados. Aunque hubo algún daño a partir de los fuegos sin control en Nagasaki, no se desarrolló una tormenta de fuego. Una razón para esto es la diferencia de los terrenos. Hiroshima es relativamente plana, mientras que Nagasaki tenía un terreno accidentado.

Las tormentas de fuego también pueden ser causadas por los bombardeos convencionales. Durante la Segunda Guerra Mundial, las ciudades de Dresde, Hamburgo, y Tokio sufrieron los efectos de las tormentas de fuego.

Traducido de: The effects of nuclear weapons, en: Atomicarchive.com

Véase el art. original en: http://www.atomicarchive.com/Effects/index.shtml