核爆毁伤半径:一颗核弹能波及多远

核武器并没有唯一的毁伤半径。一次爆炸会同时画出好几个圈,每个圈代表一种不同的伤害:火球、建筑倒塌、裸露皮肤的烧伤、窗玻璃破碎。这些圈的大小主要取决于当量,但增长速度远比当量慢。一件比广岛原子弹强一千倍的武器,波及范围并不是一千倍,而只是大约十倍。

下表列出了从20吨的炮弹到5000万吨的沙皇炸弹等各类武器的主要毁伤半径。数据来自模拟器所用的同一模型,按能让严重破坏覆盖最大面积的高度空爆计算。

当量例子火球严重破坏
20 psi
房屋倒塌
5 psi
三度烧伤窗户破碎
1 psi
20吨「戴维·克罗克特」炮弹13米80米190米160米590米
1.5万吨广岛180米0.7公里1.7公里2.0公里5.4公里
10万吨潜射W76弹头390米1.3公里3.2公里4.6公里10公里
30万吨典型现代弹头600米1.9公里4.7公里7.5公里14.5公里
80万吨「白杨」或「萨尔马特」弹头880米2.6公里6.5公里11.4公里20公里
120万吨B83炸弹1.0公里3.0公里7.4公里13.6公里23公里
1000万吨「常春藤·麦克」2.4公里6.1公里15公里34公里47公里
5000万吨沙皇炸弹4.6公里10.4公里26公里60公里80公里
核空爆的同心毁伤区
30万吨空爆的各个毁伤圈,这正是当今部署的典型弹头的当量。

怎样读这些圈

工程师用超压来描述冲击波造成的破坏,也就是空气压力高出正常值的部分,单位是磅每平方英寸(psi)。在20 psi,连钢筋混凝土建筑也会倒塌,里面的人几乎无一幸存。在5 psi,普通房屋被夷平,美国国会技术评估局的伤亡模型把这一区域约一半的人计为死亡。在1 psi,建筑还立着,玻璃却撑不住,飞溅的碎片会在极大的范围内伤人。

1953年内华达核试验中被摧毁的试验房屋
1953年内华达的一座木制试验房屋,在约5 psi的冲击波到来前和到来时。整个过程不到三秒。 图片: US Department of Energy

烧伤圈的规律与冲击波圈不同。热量像光一样沿直线瞬间传播,所以能到多远,取决于空气是否清澈、路上有没有遮挡。晴天时,大型武器的三度烧伤半径会远远超出房屋倒塌区。雾霾、降雨甚至一座小山都能让它大幅缩小,这也是模拟器能够画出地形阴影的原因。

对大当量武器来说,早期核辐射的范围是最小的。30万吨的爆炸中,约500雷姆的致死剂量只延伸到2公里左右,远在完全摧毁圈之内。小型武器是例外:低于几千吨时,辐射圈比严重破坏圈还要大。

为什么当量大十倍,距离只多一倍左右

爆炸把能量散布到一定体积的空气中,而体积随距离的立方增长。因此,达到某一超压的距离随当量的立方根增长。当量乘以8,各圈扩大一倍;乘以1000,扩大十倍。热辐射的曲线略陡一些,因为更大的火球发光的时间也更长。

毁伤半径与烧伤半径随当量变化的曲线
从1000吨到5000万吨,房屋倒塌(5 psi)与三度烧伤的半径。当量轴为对数刻度。

这正是现代核武库放弃巨型炸弹的原因。把十枚10万吨的弹头分散投在一座城市上空,总当量与一枚100万吨的武器相同,摧毁的面积却大得多。

纽约上空1.5万吨与80万吨武器的毁伤圈
曼哈顿下城的同一地点:左边是广岛级的1.5万吨,右边是80万吨的弹头。地图比例尺相同。 地图: NukeSimulator, © OpenStreetMap contributors

空爆还是地爆

爆炸高度会改变整个图景。武器在目标上方很高处爆炸,对30万吨弹头来说约在2公里高空,冲击波会从地面反射并自我增强,5 psi圈因此比同一武器在地面爆炸时宽出大约一半。地爆要把一部分能量用于炸出弹坑,冲击波传得没那么远,但作为代价,它会扬起尘土,变成放射性沉降物。导弹发射井这类加固军事目标要用地爆打击,而在战争计划里,城市用空爆。

爆炸高度如何改变毁伤半径
30万吨武器:地爆时5 psi圈约3公里,按最佳高度空爆时达4.7公里。

数字没有体现的

地图上的圈是平坦开阔地面上的平均值。真实的城市有能把整片街区挡住的山丘,也有既能阻挡又能把冲击波沿街道引导的高楼。热脉冲点燃的火灾可能连成火风暴,就像在广岛那样,把破坏扩展到圈外。任何一个圈都没有计入随后医院、道路和电网的瘫痪。请把它们当作对规模的感受。想看它们落在自家街道上的样子,就打开模拟器,选好城市和武器,然后点「引爆」。