Dlaczego wybuch atomowy wygląda na początku tak dziwnie?

To coś, co wygląda jak dziurawa ameba pod mikroskopem albo dziwna meduza, to wybuch bomby atomowej uchwycony w milisekundę po rozpoczęciu detonacji. O tym, jak możliwe było zrobienie w 1952 roku tak niezwykłego zdjęcia napiszę za chwilę, ale na początek kilka słów o tych tajemniczych wypustkach i dziurach. Co tu się właściwie dzieje?

Mam do czynienia z dwoma efektami. Pierwszy wywołany jest obecnością lin podtrzymujących wieżę. Tak, wieżę, bo to zdjęcie pochodzi z operacji Tumbler-Snapper prowadzonej od kwietnia do czerwca 1952 roku, gdzie 4 ostatnie eksplozje wykonano umieszczając ładunek na 90-metrowe wieży. Stabilność zapewniały stalowe liny.

W milisekundy po wybuchu powierzchnia kuli ognia osiąga temperaturę przekraczającą 20 000 kelwinów i emituje ponad sto razy więcej promieniowania w paśmie widzialnym, niż powierzchnia Słońca. To światło absorbowane jest przez wszystkie obiekty wokół – im dany obiekt bliżej, tym większa energia do niego dociera. Tak silne światło powoduje błyskawiczne nagrzewanie się aż do temperatury przemiany w gaz.

I to właśnie dzieje się z linami – odparowują. Te szpikulce wychodzące z kuli to liny i elementy struktury wieży, które jako pierwsze znikają. Podczas prób jądrowych przeprowadzono eksperymenty polegające na malowaniu lin farbą odbijającą światło lub owijaniu ich folią aluminiową. Okazuje się, że po takim zabiegu spiczaste struktury nie pojawiały się – liny nagrzewały się chwilę później, co sprawiało, że obejmowała je już rozszerzająca się kula. Przy wybuchach ładunków zrzucanych z powietrza to zjawisko zupełnie nie występowało.

To teraz kolejny element – dziwaczna, nierówna powierzchnia rozprzestrzeniającej się gwałtownie kuli. Co powoduje taki efekt? Pierwsze milionowe części sekundy od rozpoczęcia wybuchu to gwałtowne rozprzestrzenianie się promieniowania rentgenowskiego. Powoduje ono natychmiastowe nagrzanie się powietrza i powstanie pierwszej kuli ognia. Jednak gęstość powietrza powoduje, że ten efekt nie rozchodzi się daleko i pierwotna kula ma około 10 metrów średnicy. Wewnątrz tej sfery zaczyna rozchodzić się fala uderzeniowa, która tak podnosi ciśnienie powietrza, że zamienia się ono w plazmę i zaczyna świecić. Po krótkiej chwili (około pół milisekundy) fala uderzeniowa mija pierwszą kulę i rozszerza się dalej. Do tego dochodzi trzecie zjawisko – odparowanie elementów, z których składała się sama bomba: jej mechanizmów i obudowy. Te części szybko zostają rozproszone, jednak w pierwszej milisekundzie znajdują się wewnątrz rozchodzącej się fali uderzeniowej.

Widoczne na zdjęciu nieregularności i plamy na kuli ognia wynikają właśnie z nałożenia się tych trzech zjawisk i nierównomiernego rozłożenia masy wewnątrz bomby.

No dobra, ale jak się robi takie zdjęcia? Dodajmy, że to technika licząca sobie 70 lat. Otóż używano do tego celu Rapid Action Electronic czyli Rapatronic. Czas naświetlania musiał być ekstremalnie krótki – do zwykle stosowano 3 mikrosekundy (3 milionowe sekundy), ale aparaty mogły robić zdjęcia o czasie nawet 10 nanosekund (10 miliardowych sekundy). Przy takich czasach nie można było użyć mechanicznej migawki, wykorzystano więc polaryzację światła. Stosowano dwie płytki polaryzujące ustawione prostopadle, a więc tak, by zatrzymywały całe światło. Pomiędzy nimi umieszczano materiał wykazujący zjawisko Faradaya czyli obrót polaryzacji pojawiający się pod wpływem pola magnetycznego. W chwili, gdy migawka miała być „otwarta” włączano na moment pole magnetyczne, co powodowało, że odrobina światła skręcana była dodatkowo i przechodziła przez oba filtry.

Ponieważ jeden aparat mógł zrobić tylko jedno zdjęcie (nie dało się wymienić kliszy), ustawiano całe zestawy tych urządzeń, które „odpalano” kolejno, by uzyskać serię zdjęć.

Na koniec jeszcze ciekawostka. Jeśli się dobrze przyjrzycie, to na pierwszym zdjęciu na dole po prawej zobaczycie kilka pionowych linii. Na innych, zrobionych chwilę później, te linie są już wygięte. Co to?

To smugi dymu z rakiet meteorologicznych odpalanych na sekundy przed detonacją bomby. Wcześniej pisałem o fali uderzeniowej, która rozświetlała na wczesnym etapie powietrze. Szybko jednak efekt ten znikał i fala uderzeniowa przestawała być widoczna. Stanowiła jednak bardzo ważną informację o przebiegu wybuchu, więc jej rozchodzenie się obserwowano na podstawie wygięcia smug z odpalonych rakiet.