Методика: як симулятор розраховує наслідки ядерного вибуху

Усе, що симулятор малює на карті, розраховано за відкритими, розсекреченими моделями уражальних чинників ядерної зброї. Ця сторінка пояснює, звідки беруться цифри і на яких припущеннях вони тримаються.

Вибух під час ядерного випробування — 23-кілотонний вибух «Беджер» на Невадському полігоні, 1953 рік. Моделі ураження, використані тут, побудовано на даних сотень таких випробувань.

Основні джерела

Головне джерело — The Effects of Nuclear Weapons Семюела Гласстоуна і Філіпа Дж. Долана (3-тє видання, 1977), колись офіційний, а нині давно розсекречений і загальнодоступний довідник уряду США з наслідків ядерних вибухів. Додаткові залежності взято з робіт Е. Ройса Флетчера про масштабування, зі звіту Управління з оцінки технологій США The Effects of Nuclear War (1979) та з відкрито задокументованих рівнянь, які зробив популярними проєкт NUKEMAP Алекса Веллерстайна.

Схема кілець руйнувань за надлишковим тиском — Пороги надлишкового тиску: 20 psi (повне руйнування), 5 psi (обвал житлових будинків), 1 psi (вибиті вікна).

Надлишковий тиск ударної хвилі

Руйнування від ударної хвилі виражають у psi (фунтах на квадратний дюйм) надлишкового тиску. Відстані масштабуються як кубічний корінь із потужності (закон подібності Гопкінсона — Кранца): бомба, у 8× потужніша, відсуває кожне кільце тиску лише у 2× далі. Кільця, які симулятор малює за замовчуванням, відповідають усталеним порогам руйнувань: 20 psi — руйнуються залізобетонні будівлі, смертність наближається до 100%; 5 psi — обвалюється більшість житлових будинків; 1 psi — розбивається віконне скло, травмуючи людей. Для повітряних вибухів модель може підібрати висоту вибуху так, щоб радіус обраного надлишкового тиску був максимальним.

Теплове випромінювання

Теплові кільця показують похилу дальність, на якій тепловий імпульс передає достатньо енергії (у кал/см²), щоб із заданою ймовірністю спричинити опіки першого, другого чи третього ступеня або підпалити суху деревину. Потрібна енергія зростає з потужністю повільно, бо великі вибухи віддають свій імпульс довше. Модель припускає доволі прозору атмосферу; серпанок, хмари й тіні істотно змінюють реальну картину.

Іонізуюче випромінювання

Радіаційні кільця показують відстань, на якій початковий потік нейтронів і гамма-квантів дає миттєву дозу певної величини (у бер). Дози 500–600 бер зазвичай смертельні без інтенсивного лікування. У зарядів великої потужності смертельні радіуси ударної хвилі й теплового випромінювання сягають набагато далі за радіус проникної радіації, тому цей фактор найважливіший для невеликих зарядів класу Хіросіми.

Радіоактивні опади

Шлейф опадів моделюється для наземних вибухів (повітряний вибух, вогняна куля якого не торкається землі, дає мало локальних опадів). Вхідні дані: потужність, частка поділу, швидкість і напрямок вітру; на виході — набір ізоліній потужності дози в радах на годину, приведених до моменту за годину після вибуху («H+1») за спрощеним підходом типу SIMFIC, описаним у відкритій літературі. Справжні сліди опадів значно хаотичніші: вони залежать від вітру на кожній висоті, дощу та рельєфу.

Рельєф і забудова

Кожне кільце на карті розраховане для рівної відкритої місцевості, бо саме так побудовано класичні довідкові моделі. Реальний ландшафт змінює картину. Світловий спалах поширюється по прямій, тож усе, що сховано за хребтом чи капітальною будівлею, захищене від опіків, а відкриті схили, обернені до вогняної кулі, можуть постраждати сильніше. Ударна хвиля огинає перешкоди, але пагорби все одно послаблюють її на зворотному схилі, а долини й довгі прямі вулиці можуть її спрямовувати. Хрестоматійний приклад — Нагасакі: бомба вибухнула над долиною Уракамі, навколишні пагорби замкнули більшу частину руйнувань у ній, і центр міста за ними постраждав значно менше, ніж підказали б самі лише кільця. Щільні райони висотної забудови додають власне екранування й уламки. Сприймайте кільця як оцінку масштабу для ідеалізованого рівного міста, а не як карту руйнувань вулиця за вулицею.

Розріз пагорба, що затуляє пряму видимість від вогняної кулі ядерного вибуху, із заштрихованою тінню рельєфу — Хребет між вогняною кулею і землею відкидає тінь рельєфу: немає прямої видимості, немає й опіків від спалаху. Глибоко за великими хребтами ударна хвиля, імовірно, теж слабша.

Щоб показати хоча б частину цього, карта після кожного вибуху малює тіні рельєфу. За відкритими даними про висоти симулятор пускає з вогняної кулі 720 променів, із фактичної висоти вибуху та з урахуванням кривини Землі, і заштриховує синім кожне місце в межах радіуса опіків, звідки вогняної кулі не видно: немає прямої видимості, немає й опіків від спалаху. Будівлі не враховуються, бо глобального набору даних про їхню висоту не існує. Ділянки, сховані глибоко за великими хребтами (лінія видимості проходить більш ніж на 150 м нижче поверхні), у межах радіуса ударної хвилі заштриховуються червоним як якісна підказка, що хвиля там, імовірно, слабша; самі кільця ударної хвилі залишаються круглими, бо моделювання того, як ударна хвиля огинає реальний рельєф, потребувало б повноцінної фізичної симуляції. На рівнині, як у більшій частині Києва чи Хіросіми, тіні майже зникають, як і має бути.

Оцінка втрат

Після кожного вибуху симулятор оцінює, скільки людей загинуло б і дістало поранень. Він підраховує мешканців кожного квадратного кілометра всередині кілець ураження за сіткою населення GHS-POP 2025 (30 кутових секунд, близько 1 км; Європейська комісія, Спільний дослідницький центр, Global Human Settlement Layer, CC BY 4.0) і застосовує частки втрат за надлишковим тиском зі звіту Управління з оцінки технологій США The Effects of Nuclear War (1979): понад 12 psi гине близько 98%; від 5 до 12 psi гине 50% і 40% дістають поранень; від 2 до 5 psi гине 5% і 45% дістають поранень; від 1 до 2 psi поранених близько 25%. Для малих зарядів, де проникна радіація сягає за межі зони важких руйнувань, щонайменше половина людей у кільці 500 бер зараховується до загиблих.

Стовпчикова діаграма частки загиблих, поранених і неушкоджених у кожній зоні надлишкового тиску — Частки втрат, які симулятор застосовує до мешканців кожної зони надлишкового тиску.

Ці цифри — грубий порядок величини, а не прогноз. Сітка населення показує, де люди живуть, тож денний удар по діловому району зачепив би набагато більше людей; укриття, вогняні бурі, радіоактивні опади й колапс медицини не моделюються.

Коли тіні рельєфу ввімкнено, оцінку коригують для кожного квадратного кілометра окремо. Люди, які не бачать вогняної кулі, уникають опіків від спалаху, тому їхні частки втрат зменшуються на частку, що припадає на опіки: приблизно чверть загиблих і третина поранених, за оцінками для Хіросіми й Нагасакі; люди глибоко за великими хребтами зараховуються до наступної, дальшої зони ударної хвилі. Легенда тоді показує обидва числа. На практиці ефект невеликий для високих повітряних вибухів і більший для низьких вибухів у горбистих містах, бо більшість людей живе в долинах, які все одно обернені до вогняної кулі.

Відомі обмеження

Моделі відкалібровано для потужностей приблизно від 1 кілотонни до 20 мегатонн; значення поза цим діапазоном екстраполюються і менш надійні. Жорстка межа — 100 мегатонн.
Оцінки втрат і руйнувань припускають однорідні умови: без екранування рельєфом, без погоди, із середньою забудовою.
Результати — оцінки для навчання, а не для планування цивільного захисту. Що робить кожен фактор, читайте на сторінці наслідки ядерного вибуху, або спробуйте симулятор, щоб побачити цифри для будь-якого міста й потужності.