Что произойдет, если взорвать атомную бомбу в Марианской впадине? Это фантастика
Читатель Эвин Селлин в 2012 году отправил автору научно-популярного проекта What If Рэндаллу Манро короткий вопрос.
Мужчина поинтересовался, что произойдет с планетой, если доставить на дно Марианской впадины термоядерный заряд мощностью 53 мегатонны и замкнуть цепь детонатора.
Кинематограф приучил зрителей к картинам апокалипсиса: расколотая земная кора, гигантские водяные стены, смывающие континенты, и кипящий океан. Реальные законы гидродинамики рисуют совершенно другую картину.
Колоссальная масса воды против миллионов градусов
Марианская впадина уходит вниз почти на 11 километров. На этой отметке столб соленой воды создает давление свыше тысячи атмосфер. На каждый квадратный сантиметр поверхности давит масса больше тонны.
В справочнике Сэмюэла Гласстона и Филипа Долана The Effects of Nuclear Weapons, выпущенном в 1977 году, описаны физические процессы ядерного распада.
В первые доли микросекунды после детонации температура остатков заряда достигает десятков миллионов градусов.
Для сравнения: обычные химические взрывчатые вещества при детонации дают температуру около 5000 градусов Цельсия, что соответствует 9000 градусам Фаренгейта.
Разница составляет тысячи раз, но на океанском дне в игру вступает масса внешней среды.
Заряд мощностью 53 мегатонны эквивалентен взрыву 53 миллионов тонн тринитротолуола. Именно такую мощность имела «Царь-бомба».
Если перенести аналогичный заряд на глубину 11 километров, раскаленная вспышка мгновенно испарит окружающую воду.
Вокруг эпицентра сформируется расширяющаяся сферическая полость из сверхкритического пара и высокотемпературного газа.
В кино такой пузырь наверняка разорвал бы планету пополам, но у физики океана свой, гораздо более строгий сценарий.
Как гидродинамика сжимает огненный шар
Поведение подводных взрывов исследователи изучают более восьми десятилетий. В 1942 году ученые Джон Гэмбл Кирквуд и Ханс Бете сформулировали фундаментальную гипотезу динамики кавитационных полостей и подводных ударных волн.
В 2024 году исследователь Фабиан Деннер опубликовал подробный анализ применимости уравнений Кирквуда-Бете для расчета акустических импульсов и поведения пузырей в воде.
Эта математическая модель показывает жесткие границы расширения пара.
Научная статья 1971 года Evaluation of Various Theoretical Models For Underwater Explosion указывает конкретное соотношение энергий.
Примерно 40 процентов всей мощности ядерного боеприпаса уходит непосредственно на расширение первичной паровой полости.
В воздухе огненный шар растет беспрепятственно на километры во все стороны. На дне впадины расширению противостоит вес одиннадцатикилометровой толщи океана.
Паровой пузырь расширяется в толще воды. В момент максимального размера давление пара внутри полости падает ниже окружающего гидростатического давления.
Гигантский столб воды останавливает расширение и с огромной скоростью обрушивается обратно к центру. Происходит схлопывание пузыря, сопровождающееся вторичным гидравлическим ударом.
Полость начинает пульсировать. Она совершает несколько циклов сжатия и расширения, с каждым разом теряя колоссальную часть тепловой энергии в окружающей холодной воде.
Что установлено физиками точно
В 1950 году правительство США выпустило первое специализированное издание The Effects of Atomic Weapons.
Позже выходили редакции 1957, 1962 и 1964 годов, пока в 1977 году не появилось третье классическое издание Гласстона и Долана. В его подготовке также принимали участие сотрудники агентства ERDA Л. Дж. Дил и У. У. Шрёбель.
В документах зафиксировано, что реальные натурные подводные ядерные испытания американских военных проводились исключительно с зарядами умеренной мощности от 20 до 30 килотонн.
Никаких взрывов мегатонного класса на дне океана человечество никогда не проводило.
В 1986 году авторы доклада SCOPE 28 А. Б. Питток, Т. П. Акерман, Пауль Йозеф Крутцен, М. К. Маккракен, К. С. Шапиро и Р. П. Турко обобщили данные по реальным боевым ядерным ударам 1945 года.
Шестого августа 1945 года бомба Little Boy эквивалентом 15 килотонн была подорвана над Хиросимой на высоте 580 метров. Девятого августа заряд Fat Man мощностью 21 килотонна взорвался над Нагасаки на высоте 500 метров.
В Хиросиме ударная волна вызвала тяжелые разрушения в радиусе двух километров, уничтожив 13 квадратных километров городской застройки. В Нагасаки зона тяжелых повреждений достигла трех километров.
Исследователь Такеши Охкита в 1985 году подтвердил мощность нагасакского заряда в 21 килотонну с погрешностью в две килотонны.
Работы Киучи 1953 года, а также публикации Эйчи Исикавы и Дэвида Суэйна 1981 года уточнили масштабы бедствия.
Мгновенно в двух городах погибли 120 000 человек. К 1981 году суммарное число жертв с учетом лучевой болезни достигло 210 000 человек. Массовые пожары бушевали в течение первых 24 часов.
Эти исторические цифры показывают чудовищную силу энергии деления в атмосфере. Под водой физика распределения импульса меняется коренным образом.
Где начинаются домыслы о катастрофическом цунами
Главный страх обывателя при мысли о взрыве на океанском дне связан с возникновением колоссальной волны. Истоки этой тревоги уходят в период холодной войны.
В 1962 году известный физик-теоретик Фримен Дайсон подготовил секретный аналитический меморандум для правительства США.
Ученый рассматривал восемь перспективных оружейных концепций ближайшего будущего. Историк науки Джордж Дайсон позже упоминал этот документ.
Фримен Дайсон предположил, что установка на морском дне сверхмощных термоядерных мин гигатонного класса способна вызвать искусственное цунами.
По его грубым качественным оценкам, волна высотой от 200 до 300 футов могла бы затопить прибрежные территории суши на глубину от 200 до 300 миль.
Гипотеза Дайсона носила умозрительный характер и не подкреплялась гидродинамическими расчетами на реальных компьютерных сетках. Опровержение появилось спустя три десятилетия.
В 1996 году гидродинамики Бернард Ле Меоте и Шэнь Ван подготовили для Министерства обороны США фундаментальный четырехсотстраничный научный отчет.
Авторы детально смоделировали генерацию волн при подводных ядерных взрывах произвольной мощности.
Ле Меоте и Ван математически доказали: поверхностные гравитационные волны от точечного подводного источника ведут себя принципиально иначе, чем волны тектонического цунами.
Тектонический сдвиг поднимает целые океанические плиты на протяжении сотен километров.
Взрыв создает локальный волновой пакет с короткой длиной волны.
Выходя на пологий континентальный шельф, такие волны очень быстро теряют энергию из-за трения о дно и обрушиваются в полосе прибоя, не превращаясь в разрушительный вал.
На побережье ближайших островов этот всплеск пришел бы в виде серии относительно невысоких штормовых волн. Катастрофического смыва континентов не произойдет.
Океан вообще удивительно равнодушен к спецэффектам: там, где мы ждем конец света, законы физики выдают обычный шторм. Природа явно не читала сценарии фильмов-катастроф.
Что остаётся неизвестным для глубоководной физики
Несмотря на наличие строгих уравнений, расчет взрыва на предельной глубине содержит белые пятна. Ни одна лаборатория в мире не проводила натурных экспериментов с мегатонными зарядами под давлением более 1000 атмосфер.
Первый нерешенный вопрос касается точной кинетики всплытия радиоактивного пузыря.
В справочниках Гласстона и Долана описано поведение зарядов в десятки килотонн на малых глубинах, где полый столб воды с гейзером вырывается в воздух.
С глубины 11 километров газовый пузырь должен подниматься на поверхность сквозь ледяную воду.
Часть исследователей предполагает, что полость полностью охладится, раздробится на мелкие фракции и сконденсируется задолго до достижения поверхности.
Другие модели допускают, что разогретая радиоактивная вода успеет подняться на поверхность в виде мощного апвеллинга, создав теплый купол и облако пара над районом впадины.
Точный ответ требует трехмерного моделирования с учетом турбулентного теплообмена.
Второй открытый вопрос связан с расхождением исторических данных о разрушениях. В отчете авторов SCOPE 1986 года общая опустошенная площадь Нагасаки указана равной примерно 7 квадратным километрам.
При этом картографические реконструкции Исикавы и Суэйна 1981 года определяют контур полного выгорания города в 6,7 квадратных километра.
Разница в 300 тысяч квадратных метров напоминает нам о том, насколько сложно абсолютно точно измерить последствия взрыва даже на суше.
Если взорвать заряд в 53 мегатонны на дне Марианской впадины, планета останется на своей орбите, кора не треснет, а биосфера не погибнет в одночасье.
Сейсмические датчики по всей планете зафиксируют толчок, но океан поглотит основную мощь взрыва в своей толще.
Как вы считаете, почему человеческое воображение так упорно рисует картины глобального конца света даже там, где законы природы гарантируют устойчивость планеты?
