只有原子彈才“配”有蘑菇云嗎

陶蕊

2020年8月，黎巴嫩首都貝魯特市的港口附近發(fā)生了巨大爆炸，天空中騰起一朵又白又大的“蘑菇云”，讓人不禁聯(lián)想到原子彈爆炸時(shí)的場(chǎng)景。盡管官方通報(bào)稱這場(chǎng)爆炸是由大量的硝酸銨燃爆引起的，仍有許多不明真相的群眾猜測(cè)，都有蘑菇云產(chǎn)生了，一定是遭到原子彈襲擊了！

那么，只有原子彈爆炸才會(huì)產(chǎn)生蘑菇云嗎，蘑菇云是怎么產(chǎn)生的呢？

原子彈如何“長(zhǎng)蘑菇”

原子彈的爆炸原理是通過(guò)加熱加速中子，讓中子去轟擊核燃料（鈾-235等放射性元素），核燃料發(fā)生裂變，進(jìn)而釋放出大量能量和高能粒子的過(guò)程。當(dāng)一顆原子彈被引爆后，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)使周圍空氣發(fā)生電離。爆炸中心將在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生數(shù)千萬(wàn)攝氏度高溫與幾百萬(wàn)個(gè)億帕的高壓。

高溫高壓使周圍的空氣升溫膨脹，被邊緣的冷空氣迅速推舉上升。原子彈產(chǎn)生的巨大能量能使高溫氣流上升到平流層（離地表10～50千米的高空）的高度，直到遇到更強(qiáng)勢(shì)的冷空氣阻止它繼續(xù)上升。依靠那股上沖時(shí)的巨大能量，地面的石頭、碎片、粉塵等物質(zhì)顆粒同時(shí)被推到高空，這股上升的氣流就形成了“蘑菇莖”。

往上沖的熱氣團(tuán)被“擋住”了前路，卻也無(wú)法馬上掉頭，因?yàn)橄路饺栽谏仙臒釟饬髯钃趿怂鼈兊幕仡^路，所以它們只能向四周擴(kuò)散。在上升過(guò)程中熱氣不斷與周邊的冷空氣接觸，進(jìn)行熱量交換，最終會(huì)降溫到與周圍氣體的溫度一致，兩者的溫度和氣壓接近了，熱氣團(tuán)就能“融入”四周冷空氣中。源源不斷的熱氣流冷卻后重復(fù)此過(guò)程，就形成了“蘑菇頂”。這樣，一個(gè)完整的蘑菇云便形成了。

黎巴嫩爆炸中的“蘑菇云”

說(shuō)到這里，想必你能總結(jié)出來(lái)，并不是只有核爆炸時(shí)才會(huì)產(chǎn)生蘑菇云。只要有較大的力量在空氣或水體這樣的流體中爆發(fā)，使流體出現(xiàn)壓強(qiáng)或密度差異。較輕的流體會(huì)被較重的流體向上推舉，但流體間會(huì)不斷進(jìn)行能量交換，趨向平衡，就會(huì)出現(xiàn)“蘑菇云”現(xiàn)象。

老煙民口中吹出來(lái)的煙圈可算是一朵超小型蘑菇云。經(jīng)驗(yàn)豐富的煙民會(huì)一口氣吸入大量的煙氣，將煙氣聚集在咽喉處。等煙氣快從咽喉擠向口腔時(shí)，他們把嘴唇呈“O”形努起來(lái)，縮緊喉嚨，用力呼氣，把煙氣從縮小的嘴唇中擠出來(lái)，一個(gè)個(gè)煙圈就形成了。這個(gè)過(guò)程與原子彈爆炸正相似，煙氣相對(duì)外界空氣是溫度較高、密度較小的上升氣流，煙民們向外噴出的力量就像炸彈爆炸時(shí)的推力。當(dāng)煙圈被從縮小的嘴唇推出來(lái)時(shí)，“蘑菇頂”被外界空氣推擠向上，后續(xù)的煙圈匯成了“蘑菇莖”，直到煙氣與周圍空氣熱量交換完畢，兩股氣流最終融合在一起，“蘑菇云”才消散。

新式武器——空氣炮發(fā)射出的也是一朵朵蘑菇云?？諝馀谂谕怖飰嚎s著大量的空氣，當(dāng)它們被點(diǎn)燃時(shí)，就會(huì)以一定的速度沖出炮筒。由于出氣口周圍的靜止空氣與排出的空氣之間的密度不同——靜止的空氣密度較大，密度大的氣體向中間的低密度的流動(dòng)氣體擠壓過(guò)去，流動(dòng)氣體被擠成了“蘑菇頂”?！澳⒐巾敗毕蚯斑\(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同樣會(huì)向周圍擴(kuò)散，“蘑菇”越長(zhǎng)越大，直到最后消失。這朵“蘑菇云”的破壞力非常驚人，口徑不足一米的空氣炮，能推倒60米外的“紙箱城墻”。通過(guò)在空氣炮中填裝“彈藥”或增加炮身長(zhǎng)度和口徑，還能使炮火的威力大增。打穿雙層磚墻或者汽車的堅(jiān)硬金屬外殼，都不在話下。

空氣炮打出的“蘑菇云”

不過(guò)，蘑菇云并不總是有益的。直升機(jī)在下降或下滑飛行階段也常伴有“蘑菇云”，這是因?yàn)楫?dāng)直升機(jī)忽然懸停時(shí)，由于主旋翼的攪動(dòng)，機(jī)翼周圍空氣氣壓較小，靜止空氣會(huì)大量向主旋翼涌來(lái)。這樣產(chǎn)生的“蘑菇云”會(huì)使旋翼再次轉(zhuǎn)動(dòng)，直升機(jī)失去平衡，會(huì)發(fā)生抖動(dòng)、搖晃等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生無(wú)法控制的下降墜地事故。

消除不想要的“蘑菇云”

既然“蘑菇云”有時(shí)候會(huì)給我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)不好的影響，我們能不能減少這些蘑菇云的產(chǎn)生呢？美國(guó)理海大學(xué)的物理學(xué)家阿林達(dá)姆·班納吉在蛋黃醬的幫助下，初步了解到了蘑菇云的形成參數(shù)。

班納吉的研究課題是可控核聚變，但是他的研究一直受制于“蘑菇云”的形成——核燃料的金屬外殼和氣體的交界處存在氣壓和密度不同的現(xiàn)象，由于氣流的運(yùn)動(dòng)，燃料容易在尚未壓縮至聚變條件時(shí)就提前爆炸。如何減小氣流的攪動(dòng)，成為班納吉亟待解決的問題。這時(shí)，他常購(gòu)買的一款蛋黃醬進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的選擇范圍，班納吉發(fā)現(xiàn)，這款蛋黃醬的物理性質(zhì)與高溫下熔化的氫彈的外殼金屬非常相似。如果知道了什么條件下蛋黃醬會(huì)在空氣中形成“蘑菇云”，也就能避免核燃料提前爆炸的現(xiàn)象。

班納吉團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試著蛋黃醬形成“蘑菇云”的臨界條件。他們將冷藏的蛋黃醬倒進(jìn)一個(gè)有機(jī)玻璃容器內(nèi)，上方再扣一個(gè)同樣的空容器，讓蛋黃醬和空氣形成密度梯度，然后將之固定在加速離心旋轉(zhuǎn)輪上。當(dāng)轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，蛋黃醬會(huì)在離心力作用下噴射出來(lái)，形成大小不一的“蘑菇云”。班納吉通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)力度和角度，就能得到不同條件下蛋黃醬的“失穩(wěn)閾值”。結(jié)果表明，初始振幅和波長(zhǎng)越小，蛋黃醬“爆炸”需要的時(shí)間越長(zhǎng)，形成的蘑菇云也越小。

知道了蘑菇云的形成閾值，當(dāng)我們不想受到蘑菇云的影響時(shí)，就可以通過(guò)改變?cè)诹黧w中的推力和方向來(lái)消除蘑菇云的產(chǎn)生。也許未來(lái)每一個(gè)飛行員都要感謝蛋黃醬幫助他們解決了一大難題。