计算方法:模拟器如何计算核爆效应

模拟器在地图上绘制的一切,都是根据公开发表、已解密的核武器效应模型计算得出的。本页说明这些数字从何而来,以及它们依赖哪些假设。

核试验爆炸
1953年内华达试验场2.3万吨当量的「獾」试验。这里使用的效应模型建立在数百次此类试验的数据之上。

主要来源

核心参考文献是塞缪尔·格拉斯通与菲利普·J·多兰合著的《The Effects of Nuclear Weapons》(第3版,1977年)——曾是美国政府官方的核效应数据标准汇编,早已解密并可自由获取。补充关系式来自 E. 罗伊斯·弗莱彻的尺度律研究、美国国会技术评估局的《The Effects of Nuclear War》(1979年),以及亚历克斯·韦勒斯坦的 NUKEMAP 项目所推广的公开方程。

超压毁伤圈示意图
超压基准值:20 psi(完全摧毁)、5 psi(房屋倒塌)、1 psi(玻璃碎裂)。

冲击波超压

冲击波毁伤以超压表示,单位为 psi(磅/平方英寸)。距离随当量的立方根增长(霍普金森-克兰茨尺度律):威力大8倍的炸弹,只能把每个压力圈往外推2倍远。模拟器默认的圈层对应公认的毁伤基准:20 psi——钢筋混凝土建筑被摧毁,死亡率接近100%;5 psi——大多数住宅倒塌;1 psi——窗玻璃破碎并致人受伤。对于空爆,模型可以优化爆高,使所选超压的半径达到最大。

热辐射

热辐射圈表示热脉冲在斜距上传递足够能量(以 cal/cm² 计)、以给定概率造成一度、二度或三度烧伤,或点燃干木材的距离。所需能量随当量增长得很慢,因为更大的爆炸释放脉冲的时间更长。模型假设大气能见度较好;霾、云和阴影会显著改变真实结果。

电离辐射

辐射圈表示最初的中子和伽马射线暴发送达某一瞬时剂量(以 rem 计)的距离。500–600 rem 的剂量在没有重症监护的情况下通常是致命的。对于大当量武器,冲击波和热辐射的致死半径远远超出瞬时辐射半径,因此这一效应对广岛级的小型武器最为重要。

放射性沉降

沉降带按地爆建模(火球不接触地面的空爆几乎不产生局地沉降)。输入为当量、裂变份额、风速和风向;输出是一组以拉德/小时计的剂量率等值线,以爆后一小时(「H+1」)为基准,采用公开文献中描述的 SIMFIC 式简化方法。真实的沉降图案要杂乱得多——它取决于各个高度的风、降雨和地形。

地形与建筑

地图上每一个圈都是按平坦开阔地面计算的——经典的参考模型也是这样建立的。真实地貌会改变这幅图景。热闪光沿直线传播,因此山脊或坚固建筑后面的一切都不会被烧伤,而正对火球的裸露坡面可能受灾更重。冲击波能绕过障碍物,但山丘仍会削弱其背面的冲击波,而山谷和又长又直的街道可能把它导向一处。长崎就是教科书式的例子:炸弹在浦上山谷上空爆炸,周围的山丘把大部分破坏限制在谷内,山丘背后的市中心受损远比单看圈层所预示的要轻。密集的高层街区也会带来各自的遮挡和瓦砾。请把这些圈层当作对理想化平坦城市的规模估算,而不是逐街的毁伤地图。

山丘遮挡核火球视线的剖面图,地形阴影以阴影线标出
火球与地面之间的山脊会投下地形阴影:看不见火球,就不会被闪光烧伤。在大山脊深处的背面,冲击波很可能也更弱。

为了呈现其中一部分,地图在每次爆炸后都会绘制地形阴影。模拟器使用公开的高程数据,从火球发出720条射线——按实际爆高,并计入地球曲率——把烧伤半径内所有看不到火球的地方用蓝色阴影线标出:没有视线,就没有热闪光烧伤。建筑没有计入,因为全球范围内并不存在建筑高度数据集。藏在大山脊深处背面的区域(视线从地表以下150 米以上穿过)在冲击波半径内用红色阴影线标出,作为那里冲击波很可能更弱的定性提示;冲击波圈本身仍保持圆形,因为要模拟冲击波如何绕过真实地形,需要完整的物理仿真。在平坦地面上——比如基辅或广岛的大部分地区——阴影几乎消失,本该如此。

伤亡估算

每次爆炸后,模拟器会估算死亡和受伤的人数。它使用 GHS-POP 2025 人口格网(30角秒,约1 公里;欧盟委员会联合研究中心,Global Human Settlement Layer,CC BY 4.0)统计毁伤圈内每平方公里的居民,并套用美国国会技术评估局研究报告《The Effects of Nuclear War》(1979年)中按超压划分的伤亡率:12 psi 以上约98%死亡;5至12 psi 之间50%死亡、40%受伤;2至5 psi 之间5%死亡、45%受伤;1至2 psi 之间约25%受伤。对于瞬时辐射超出重冲击波区的小型武器,500 rem 圈内至少一半的人计为死亡。

各超压区死亡、受伤和无恙人口比例的柱状图
模拟器对各超压区居民套用的伤亡率。

这些数字只是粗略的数量级,而非预测。人口格网显示的是人们住在哪里,所以白天对商业区的打击波及的人会多得多;避难所、火风暴、放射性沉降和医疗体系崩溃都未纳入模型。

打开地形阴影后,估算会逐平方公里修正。看不到火球的人免于闪光烧伤,因此他们的伤亡率按烧伤所占份额下调——大约四分之一的死亡和三分之一的受伤,与广岛、长崎的估算一致;处在大山脊深处背面的人按外推一个冲击波区计算。此时图例会同时显示两个数字。实际上,对于高空爆,这一效应不大;对于多山城市的低空爆则更明显,因为大多数人住在仍然朝向火球的山谷里。

已知局限

  • 模型针对约1千吨至2000万吨的当量校准;超出此范围的数值为外推,可靠性较低。硬上限为1亿吨。
  • 伤亡和毁伤数字假设条件均一——无地形遮挡、无天气、建筑为平均水平。
  • 结果是用于教育的估算,不能用于民防规划。各机制的作用见核爆炸的影响,也可以试用模拟器,查看任意城市和当量的数字。