Соотношение общих потерь и расстояния от точки X, центра разрушений и точки непосредственно под воздушным взрывом бомбы, имеет большое значение при оценке поражающего действия бомб. Эта зависимость для всего населения Нагасаки показана в таблице ниже, основанной на первых полученных округом данных о потерях:
ТАБЛИЦА B Соотношение общих потерь и расстояния от точки X
Расстояние от точки X, футы Погибшие Раненые Пропавшие без вести Общие потери Погибшие на квадратную милю 0 - 1640 7505 960 1127 9592 24700 1640 - 3300 3688 1478 1799 6965 4040 3300 - 4900 8678 17137 3597 29412 5710 4900 - 6550 221 11958 28 12207 125 6550 - 9850 112 9460 17 9589 20
Данные об общей численности населения до налета на этих различных расстояниях отсутствовали. Такие цифры были бы необходимы для расчета процента смертности. Расчет, выполненный Британской миссией в Японии и основанный на предварительном анализе исследования Совместной медицинской комиссии по расследованию последствий атомной бомбардировки, дает следующие расчетные значения процента смертности на увеличивающихся расстояниях от точки X:
ТАБЛИЦА C Процент смертности на различных расстояниях
Расстояние от точки X, в футах Процент смертности 0 - 1000 93,0% 1000 - 2000 92,0 2000 - 3000 86,0 3000 - 4000 69,0 4000 - 5000 49,0 5000 - 6000 31,5 6000 - 7000 12,5 7000 - 8000 1,3 8000 - 9000 0,5 9000 - 10 000 0,0
Из различных отчетов кажется почти несомненным, что наибольшее общее число смертей произошло сразу после бомбардировки. Причины многих смертей можно только предполагать, и, конечно, многие люди вблизи центра взрыва получили смертельные травмы от более чем одного поражающего фактора бомбы. Правильный порядок важности возможных причин смерти: ожоги, механические травмы и гамма-излучение. Ранние оценки японцев приведены в таблице D ниже:
ТАБЛИЦА D Причины мгновенной смерти
Город Причина смерти Процент от общего числа Хиросима Ожоги 60% Падающие обломки 30 Другое 10
Нагасаки Ожоги 95% Падающие обломки 9 Разлетающееся стекло 7 Другое 7
ПРИРОДА АТОМНОГО ВЗРЫВА
Самое поразительное различие между взрывом атомной бомбы и обычной бомбы с ТНТ заключается, конечно, в масштабе; как объявил Президент после атаки на Хиросиму, взрывная энергия каждой из атомных бомб была эквивалентна примерно 20 000 тонн ТНТ.
Но в дополнение к своей значительно большей мощности, атомный взрыв имеет несколько других весьма специфических характеристик. Обычный взрыв — это химическая реакция, при которой энергия высвобождается в результате перегруппировки атомов взрывчатого вещества. При атомном взрыве изменяется идентичность атомов, а не просто их расположение. Значительная часть массы взрывчатого заряда, которым может быть уран-235 или плутоний, превращается в энергию. Уравнение Эйнштейна E = mc^2 показывает, что материя, превращенная в энергию, может дать общую энергию, эквивалентную массе, умноженной на квадрат скорости света. Значимость этого уравнения легко понять, если вспомнить, что скорость света составляет 186 000 миль в секунду. Энергия, высвобождаемая при взрыве фунта ТНТ, если бы она была полностью преобразована в тепло, подняла бы температуру 36 фунтов воды от температуры замерзания (32 градуса по Фаренгейту) до температуры кипения (212 градусов по Фаренгейту). Ядерное деление фунта урана произвело бы равное повышение температуры в более чем 200 миллионах фунтов воды.
Взрывной эффект обычного материала, такого как ТНТ, обусловлен быстрым превращением твердого ТНТ в газ, который первоначально занимает тот же объем, что и твердое тело; он оказывает интенсивное давление на окружающий воздух и быстро расширяется до объема, во много раз превышающего начальный. Таким образом, волна высокого давления быстро распространяется от центра взрыва и является основной причиной ущерба от обычных взрывчатых веществ большой мощности. Атомная бомба также генерирует волну высокого давления, которая фактически имеет гораздо более высокое давление, чем волна от обычных взрывов; и эта волна также является основной причиной ущерба зданиям и другим сооружениям. Она отличается от волны давления фугасной бомбы размером области, в которой создаются высокие давления. Она также отличается продолжительностью импульса давления в любой заданной точке: давление от фугасной бомбы длится всего несколько миллисекунд (миллисекунда — это одна тысячная доля секунды), а от атомной бомбы — почти секунду, и ощущалось наблюдателями как в Японии, так и в Нью-Мексико как проходящий мимо очень сильный ветер.
Следующее величайшее различие между атомной бомбой и взрывом ТНТ заключается в том, что атомная бомба испускает большее количество излучения. Большая часть этого излучения представляет собой «свет» с длиной волны, варьирующейся от так называемых тепловых излучений очень большой длины волны до так называемых гамма-лучей, которые имеют длины волн даже короче, чем рентгеновские лучи, используемые в медицине. Все эти излучения распространяются с одинаковой скоростью; это скорость света, составляющая 186 000 миль в секунду. Излучения достаточно интенсивны, чтобы убить людей на значительном расстоянии от взрыва, и фактически являются основной причиной смертей и травм, помимо механических повреждений. Наибольшее число радиационных поражений, вероятно, было вызвано ультрафиолетовыми лучами, которые имеют длину волны немного короче видимого света и вызвали световой ожог, сравнимый с тяжелым солнечным ожогом. После них наиболее важны гамма-лучи ультракороткой длины волны; они вызывают повреждения, подобные тем, что возникают от передозировки рентгеновских лучей.
Происхождение гамма-лучей отличается от происхождения основной массы излучения: последнее вызвано чрезвычайно высокими температурами в бомбе, точно так же, как свет излучается с горячей поверхности солнца или от нитей накаливания в лампе. Гамма-лучи, с другой стороны, испускаются самими атомными ядрами при их трансформации в процессе деления. Поэтому гамма-лучи специфичны для атомной бомбы и полностью отсутствуют при взрывах ТНТ. Свет большей длины волны (видимый и ультрафиолетовый) также излучается при взрыве ТНТ, но с гораздо меньшей интенсивностью, чем при взрыве атомной бомбы, что делает его незначительным с точки зрения ущерба.
Большая часть гамма-лучей испускается в первые несколько микросекунд (миллионных долей секунды) атомного взрыва вместе с нейтронами, которые также образуются при ядерном делении. Нейтроны имеют гораздо меньший поражающий эффект, чем гамма-лучи, потому что они имеют меньшую интенсивность, а также потому, что они сильно поглощаются в воздухе и поэтому могут проникать только на относительно небольшие расстояния от взрыва: на расстоянии тысячи ярдов интенсивность нейтронов ничтожна. После ядерного излучения сильное гамма-излучение продолжает исходить от взорвавшейся бомбы. Оно генерируется продуктами деления и продолжается около одной минуты, пока все продукты взрыва не поднимутся на такую высоту, что интенсивность, получаемая на земле, становится ничтожной. В это время также испускается большое количество бета-лучей, но они не имеют значения, поскольку их дальность действия невелика, всего несколько футов. Дальность действия альфа-частиц от неиспользованного активного материала и делящегося материала бомбы еще меньше.
Помимо гамма-излучения, испускается обычный свет, часть которого является видимым, а часть — ультрафиолетовыми лучами, в основном ответственными за световые ожоги. Излучение света начинается через несколько миллисекунд после ядерного взрыва, когда энергия взрыва достигает воздуха, окружающего бомбу. Наблюдатель видит тогда огненный шар, который быстро увеличивается в размерах. В течение большей части раннего времени огненный шар простирается до волны высокого давления. По мере роста огненного шара его температура и яркость уменьшаются. Через несколько миллисекунд после начала взрыва яркость огненного шара проходит через минимум, затем он становится несколько ярче и остается на уровне, в несколько раз превышающем яркость солнца, в течение периода от 10 до 15 секунд для наблюдателя на расстоянии шести миль. Большая часть излучения испускается после этой точки максимальной яркости. Также после этого максимума волны давления обгоняют огненный шар.
Огненный шар быстро расширяется от размера бомбы до радиуса в несколько сотен футов через одну секунду после взрыва. После этого наиболее примечательной особенностью является подъем огненного шара со скоростью около 30 ярдов в секунду. Тем временем он также продолжает расширяться, смешиваясь с окружающим его более холодным воздухом. К концу первой минуты шар расширяется до радиуса в несколько сотен ярдов и поднимается на высоту около одной мили. Ударная волна к этому времени достигает радиуса 15 миль, а ее давление падает до менее чем 1/10 фунта на квадратный дюйм. Шар теперь теряет свою яркость и выглядит как огромное облако дыма: распыленный материал бомбы. Это облако продолжает подниматься вертикально и, наконец, образует «гриб» на высоте около 25 000 футов, в зависимости от метеорологических условий. Облако достигает максимальной высоты от 50 000 до 70 000 футов за время более 30 минут.
Интересно отметить, что доктор Ханс Бете, в то время сотрудник Манхэттенского инженерного округа, временно откомандированный из Корнеллского университета, предсказал существование и характеристики этого огненного шара за несколько месяцев до проведения первого испытания.
Подводя итог, излучение происходит двумя вспышками — чрезвычайно интенсивной, длящейся всего около 3 миллисекунд, и менее интенсивной, но гораздо более продолжительной, длящейся несколько секунд. Вторая вспышка содержит подавляющую часть общей световой энергии, более 90%. Но первая вспышка особенно велика по ультрафиолетовому излучению, которое является биологически более эффективным. Более того, поскольку тепло в этой вспышке выделяется за столь короткое время, нет времени для какого-либо охлаждения, и температура кожи человека может быть повышена на 50 градусов Цельсия вспышкой видимых и ультрафиолетовых лучей в первую миллисекунду на расстоянии 4000 ярдов. Люди могут получить травмы от световых ожогов даже на больших расстояниях. Опасность гамма-излучения не распространяется так далеко, а опасность нейтронного излучения еще более ограничена.
Высокие температуры кожи являются результатом первой вспышки высокоинтенсивного излучения и, вероятно, столь же значимы для получения травм, как и общие дозы, которые поступают в основном от второй, более продолжительной вспышки излучения. Сочетание повышения температуры кожи и большого потока ультрафиолета в пределах 4000 ярдов является травмирующим во всех случаях для незащищенного персонала. За пределами этой точки могут быть случаи травм, в зависимости от индивидуальной чувствительности. Инфракрасная доза, вероятно, менее важна из-за ее меньшей интенсивности.
ХАРАКТЕРИСТИКИ УЩЕРБА, ВЫЗВАННОГО АТОМНЫМИ БОМБАМИ
Ущерб искусственным сооружениям, вызванный бомбами, был обусловлен двумя различными причинами: во-первых, взрывом, или волной давления, исходящей из центра взрыва, и, во-вторых, пожарами, которые были вызваны либо жаром самого взрыва, либо обрушением зданий, содержащих печи, электроприборы или любое другое оборудование, которое могло вызвать так называемый вторичный пожар, и последующим распространением этих пожаров.
Уже было сказано, что взрыв, произведенный атомной бомбой, примерно эквивалентен взрыву 20 000 тонн ТНТ. Имея эту цифру, можно рассчитать ожидаемые пиковые давления в воздухе на различных расстояниях от центра взрыва, которые возникли после детонации бомбы. Пиковые давления, которые были рассчитаны до сброса бомб, очень точно совпали с теми, которые фактически наблюдались в городах во время атаки, как это было вычислено экспертами союзников несколькими остроумными способами после оккупации Японии.
Взрывная волна давления от атомных бомб отличалась от волны от обычных фугасных бомб тремя основными способами:
А. Направленный вниз толчок. Поскольку взрывы произошли высоко в воздухе, большая часть ущерба была результатом давления, направленного вниз. Это давление, конечно, сильнее всего воздействовало на плоские крыши. Некоторые телеграфные и другие столбы непосредственно под взрывом остались стоять вертикально, в то время как те, что находились на большем расстоянии от центра разрушений, будучи в большей степени подвержены горизонтальному толчку от волн давления взрыва, были опрокинуты или наклонены. Деревья под взрывом остались стоять вертикально, но их ветви были сломаны вниз.
Б. Массовая деформация зданий. Обычная бомба может повредить только часть большого здания, которое затем может обрушиться дальше под действием силы тяжести. Но взрывная волна от атомной бомбы настолько велика, что может поглотить целые здания, независимо от их размера, опрокидывая их, как будто гигантская рука толкнула их.
В. Большая продолжительность импульса положительного давления и, как следствие, малый эффект фазы отрицательного давления, или всасывания. При любом взрыве положительное давление, создаваемое взрывом, длится определенный период времени (обычно малую долю секунды), за которым следует несколько более длительный период отрицательного давления, или всасывания. Отрицательное давление всегда намного слабее положительного, но при обычных взрывах короткая продолжительность положительного импульса приводит к тому, что многие конструкции не успевают разрушиться в этой фазе, в то время как они способны разрушиться под более длительным, хотя и более слабым, отрицательным давлением. Но продолжительность положительного импульса приблизительно пропорциональна кубическому корню из размера взрывного заряда. Таким образом, если бы это соотношение оставалось верным во всем рассматриваемом диапазоне, взрыв 10 тонн ТНТ имел бы положительный импульс, длящийся всего около 1/14 части продолжительности импульса взрыва 20 000 тонн. Следовательно, атомные взрывы имели положительные импульсы, которые были настолько длиннее, чем у обычных взрывчатых веществ, что почти все разрушения, вероятно, произошли во время этой фазы, и очень малый ущерб можно было отнести на счет последовавшего всасывания.
Еще одной интересной особенностью было сочетание вспышки воспламенения и сравнительно медленной волны давления. Некоторые объекты, такие как тонкие сухие деревянные планки, воспламенялись от излучаемого тепла вспышки, а затем их пожары были потушены некоторое время спустя (в зависимости от их расстояния от точки X) взрывной волной, последовавшей за излучением вспышки.
РАСЧЕТЫ ПИКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ
Различные исследователи использовали несколько остроумных методов, чтобы определить, посещая разрушенные города, какими на самом деле были пиковые давления, созданные атомными взрывами. Эти давления были вычислены для различных расстояний от точки X, а затем были построены кривые, которые были проверены на соответствие теоретическим прогнозам того, какими должны быть давления. Дополнительная проверка была обеспечена показаниями измерительных приборов, которые были сброшены на парашютах при каждой атомной атаке. Цифры пикового давления дали прямой ключ к эквивалентному тоннажу ТНТ атомных бомб, поскольку давления, развиваемые любым заданным количеством ТНТ, могут быть легко рассчитаны.
Одним из самых простых методов оценки пикового давления является смятие масляных бочек, бензиновых канистр или любых других пустых тонких металлических сосудов с небольшим отверстием. Предполагается, что давление взрывной волны наступает мгновенно, результирующее давление на канистру превышает то, которое корпус может выдержать, и стенки сминаются внутрь. Воздух внутри адиабатически сжимается до такой точки, что давление внутри становится меньше давления снаружи на определенную величину, причем эта величина является разницей давлений снаружи и внутри, которую стенки могут выдержать в своем смятом состоянии. Неопределенности заключаются, во-первых, в том, что часть воздуха устремляется внутрь через любое отверстие, которое может иметь канистра, и тем самым помогает создать давление внутри; и, во-вторых, в том, что по мере падения давления снаружи воздух внутри не может выйти достаточно быстро, чтобы избежать того, чтобы стенки канистры снова не были выгнуты наружу в некоторой степени. Эти неопределенности таковы, что оценки давления, основанные на этом методе, находятся на нижней стороне, т.е. они недооценены.
Другой метод расчета пикового давления заключается в изгибе стальных флагштоков или молниеотводов в направлении от взрыва. Можно рассчитать сопротивление на шесте или стержне в потоке воздуха определенной плотности и скорости; связав это сопротивление с прочностью рассматриваемого шеста, можно получить определение волны давления.
Еще один метод оценки пикового давления заключается в опрокидывании мемориальных камней, которых в Японии огромное количество. Размеры камней могут быть использованы вместе с известными данными о давлении, оказываемом ветром на плоские поверхности, для расчета искомой величины.
УЩЕРБ ОТ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ НА БОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ
В ущербе от взрывной волны на больших расстояниях не было никакой последовательности. Наблюдатели часто думали, что нашли предел, а затем, на 2000 футов дальше, находили новые свидетельства повреждений.
Самым впечатляющим ущербом на большом расстоянии было обрушение некоторых барачных сараев в Камиго, в 23 000 футов к югу от точки X в Нагасаки. Было удивительно видеть некоторые здания, нетронутые до мельчайших деталей, включая крышу и даже окна, и при этом рядом с ними аналогичное здание, обрушившееся до уровня земли.
Предельный радиус для серьезного смещения черепицы в Нагасаки составлял около 10 000 футов, хотя отдельные случаи были обнаружены на расстоянии до 16 000 футов. В Хиросиме общий предельный радиус составлял около 8000 футов; однако даже на расстоянии 26 000 футов от точки X в Хиросиме некоторая черепица была смещена.
В Моги, в 7 милях от точки X в Нагасаки, через крутые холмы высотой более 600 футов, около 10% стекол вылетело. В более близких, уединенных местностях всего в 4 милях от точки X никакого ущерба вообще не было причинено. Интересный эффект был отмечен в Моги; очевидцы говорили, что они думали, что на это место совершается налет; была видна одна большая вспышка, затем громкий гул, за которым с интервалом в несколько секунд последовали полдюжины других громких звуков со всех направлений. Эти последовательные звуки были, очевидно, отражениями от холмов, окружающих Моги.