Metodologia: jak symulator oblicza skutki wybuchu jądrowego

Wszystko, co symulator rysuje na mapie, jest obliczane z jawnych, odtajnionych modeli skutków działania broni jądrowej. Ta strona wyjaśnia, skąd biorą się liczby i na jakich założeniach się opierają.

Wybuch podczas próby jądrowej — Próba „Badger” o mocy 23 kiloton na poligonie w Newadzie, 1953 rok. Dane z setek takich prób są podstawą używanych tu modeli.

Główne źródła

Podstawowym źródłem jest The Effects of Nuclear Weapons Samuela Glasstone'a i Philipa J. Dolana (wydanie trzecie, 1977), niegdyś oficjalne kompendium rządu USA o skutkach broni jądrowej, dawno odtajnione i ogólnie dostępne. Dodatkowe zależności pochodzą z prac E. Royce'a Fletchera o skalowaniu, z raportu Biura Oceny Technologii Kongresu USA The Effects of Nuclear War (1979) oraz z jawnie udokumentowanych równań spopularyzowanych przez projekt NUKEMAP Alexa Wellersteina.

Schemat stref zniszczeń według nadciśnienia — Progi nadciśnienia: 20 psi (całkowite zniszczenie), 5 psi (zawalenie domów), 1 psi (pękanie szyb).

Nadciśnienie fali uderzeniowej

Zniszczenia od fali uderzeniowej wyraża się nadciśnieniem w psi (funtach na cal kwadratowy). Odległości skalują się z pierwiastkiem sześciennym mocy (skalowanie Hopkinsona–Cranza): bomba 8× silniejsza przesuwa każdą strefę ciśnienia tylko 2× dalej. Domyślne strefy symulatora odpowiadają dobrze ugruntowanym progom zniszczeń: 20 psi: zniszczone budynki żelbetowe, śmiertelność bliska 100%; 5 psi: zawala się większość budynków mieszkalnych; 1 psi: pękają szyby i ranią ludzi. Dla wybuchów powietrznych model może dobrać wysokość wybuchu tak, by zmaksymalizować promień dowolnego wybranego nadciśnienia.

Promieniowanie cieplne

Strefy cieplne pokazują odległość (po linii prostej od punktu wybuchu), na której impuls cieplny dostarcza energię (w cal/cm²) wystarczającą do spowodowania oparzeń pierwszego, drugiego lub trzeciego stopnia z zadanym prawdopodobieństwem albo do zapalenia suchego drewna. Potrzebna energia rośnie z mocą powoli, bo większe wybuchy emitują impuls przez dłuższy czas. Model zakłada dość dobrą przejrzystość powietrza; mgła, chmury i cienie znacząco zmieniają rzeczywiste wyniki.

Promieniowanie jonizujące

Strefy promieniowania pokazują odległość, na której początkowy impuls neutronów i promieniowania gamma dostarcza określoną natychmiastową dawkę (w remach). Dawki rzędu 500–600 remów są zwykle śmiertelne bez intensywnej opieki medycznej. Dla broni o dużej mocy śmiertelne promienie fali uderzeniowej i promieniowania cieplnego sięgają znacznie dalej niż promień promieniowania przenikliwego, dlatego ten efekt ma największe znaczenie dla małych ładunków klasy Hiroszimy.

Opad promieniotwórczy

Smuga opadu jest modelowana dla wybuchów naziemnych (wybuch powietrzny, którego kula ognista nie dotyka ziemi, daje niewiele opadu lokalnego). Dane wejściowe to moc, udział rozszczepienia, prędkość i kierunek wiatru; wynikiem jest zestaw izolinii mocy dawki w radach na godzinę, odniesionych do stanu w godzinę po wybuchu („H+1”), według uproszczonego podejścia w stylu SIMFIC opisanego w jawnej literaturze. Rzeczywisty rozkład opadu jest znacznie bardziej chaotyczny: zależy od wiatrów na każdej wysokości, deszczu i rzeźby terenu.

Teren i zabudowa

Każda strefa na mapie jest liczona dla płaskiego, otwartego terenu, bo tak zbudowane są klasyczne modele odniesienia. Prawdziwy krajobraz zmienia obraz. Błysk cieplny rozchodzi się po liniach prostych, więc wszystko za grzbietem wzgórza lub za masywnym budynkiem jest osłonięte przed oparzeniami, a odsłonięte zbocza zwrócone ku kuli ognistej mogą ucierpieć mocniej. Fala uderzeniowa opływa przeszkody, ale wzgórza i tak osłabiają ją po swojej drugiej stronie, a doliny i długie proste ulice potrafią ją skanalizować. Podręcznikowym przykładem jest Nagasaki: bomba wybuchła nad doliną Urakami, otaczające wzgórza zatrzymały dużą część zniszczeń, a leżące za nimi centrum miasta ucierpiało znacznie mniej, niż sugerowałyby same okręgi. Gęsta zabudowa wysokościowa dokłada własne osłony i gruz. Traktuj strefy jako oszacowanie skali dla wyidealizowanego płaskiego miasta, a nie jako mapę zniszczeń ulica po ulicy.

Przekrój wzgórza zasłaniającego widok na kulę ognistą, z zakreskowanym cieniem terenu — Grzbiet między kulą ognistą a ziemią rzuca cień terenu: nie ma widoczności, nie ma oparzeń od błysku. Głęboko za dużymi grzbietami fala uderzeniowa też jest zapewne słabsza.

Aby pokazać część tego zjawiska, mapa po każdej detonacji rysuje cienie terenu. Korzystając z otwartych danych wysokościowych, symulator wypuszcza z kuli ognistej 720 promieni, z rzeczywistej wysokości wybuchu i z uwzględnieniem krzywizny Ziemi, i kreskuje na niebiesko każde miejsce w promieniu oparzeń, z którego kuli ognistej nie widać: brak widoczności oznacza brak oparzeń od błysku cieplnego. Budynki nie są uwzględniane, bo nie istnieje światowy zbiór danych o ich wysokości. Obszary ukryte głęboko za dużymi grzbietami (linia widzenia przebiega ponad 150 m pod powierzchnią terenu) są w promieniu fali uderzeniowej kreskowane na czerwono jako jakościowa wskazówka, że fala jest tam prawdopodobnie słabsza; same strefy fali pozostają okręgami, bo modelowanie ugięcia fali uderzeniowej na prawdziwym terenie wymagałoby pełnej symulacji fizycznej. Na płaskim terenie, jak w większości Kijowa czy Hiroszimy, cienie niemal znikają, i tak właśnie powinno być.

Szacowanie ofiar

Po każdej detonacji symulator szacuje liczbę zabitych i rannych. Zlicza mieszkańców każdego kilometra kwadratowego wewnątrz stref zniszczeń na podstawie siatki ludności GHS-POP 2025 (30 sekund kątowych, około 1 km; Komisja Europejska, Wspólne Centrum Badawcze, Global Human Settlement Layer, CC BY 4.0) i stosuje odsetki ofiar według nadciśnienia z raportu Biura Oceny Technologii Kongresu USA The Effects of Nuclear War (1979): powyżej 12 psi ginie około 98% ludzi; między 5 a 12 psi ginie 50%, a 40% zostaje rannych; między 2 a 5 psi ginie 5%, a 45% jest rannych; między 1 a 2 psi rannych jest około 25%. Dla małych ładunków, których promieniowanie przenikliwe sięga poza strefę ciężkich zniszczeń, co najmniej połowę ludzi w strefie 500 remów zalicza się do zabitych.

Wykres słupkowy udziału zabitych, rannych i nieposzkodowanych w każdej strefie nadciśnienia — Odsetki ofiar, które symulator stosuje do mieszkańców każdej strefy nadciśnienia.

Te liczby to przybliżony rząd wielkości, a nie prognoza. Siatka ludności pokazuje, gdzie ludzie mieszkają, więc uderzenie w dzielnicę biurową w ciągu dnia dotknęłoby znacznie więcej osób; schrony, burze ogniowe, opad promieniotwórczy i załamanie opieki medycznej nie są modelowane.

Gdy włączone są cienie terenu, oszacowanie jest korygowane kilometr po kilometrze. Ludzie, którzy nie widzą kuli ognistej, unikają oparzeń od błysku, więc ich odsetki ofiar zmniejsza się o część przypisywaną oparzeniom: mniej więcej o jedną czwartą zgonów i jedną trzecią obrażeń, zgodnie z szacunkami z Hiroszimy i Nagasaki; ludzi głęboko za dużymi grzbietami liczy się tak, jakby byli o jedną strefę fali uderzeniowej dalej. Legenda pokazuje wtedy obie liczby. W praktyce efekt jest niewielki dla wysokich wybuchów powietrznych, a większy dla niskich wybuchów w pagórkowatych miastach, bo większość ludzi mieszka w dolinach, które wciąż są zwrócone ku kuli ognistej.

Znane ograniczenia

Modele są skalibrowane dla mocy od około 1 kilotony do 20 megaton; wartości spoza tego zakresu są ekstrapolowane i mniej wiarygodne. Nieprzekraczalna granica to 100 megaton.
Liczby ofiar i zniszczeń zakładają jednolite warunki: brak osłony terenowej, brak wpływu pogody, przeciętną zabudowę.
Wyniki to oszacowania do celów edukacyjnych, a nie do planowania obrony cywilnej. Co robi każdy z mechanizmów, wyjaśnia strona o skutkach wybuchu jądrowego; możesz też wypróbować symulator, by zobaczyć liczby dla dowolnego miasta i mocy.