為什么核彈爆炸是蘑菇云的形狀

為什么核彈爆炸是蘑菇云的樣子?自從第二次世界大戰(zhàn)，美國在日本投下兩顆原子彈開始，蘑菇云就成了描述核彈爆炸場(chǎng)景的標(biāo)志性元素。從那之后，許多影視作品都會(huì)以蘑菇云這個(gè)意象來指代核爆。

為什么核彈爆炸是蘑菇云

事實(shí)上，當(dāng)炸彈爆炸時(shí)，產(chǎn)生的能量會(huì)不分青紅皂白地向四面八方射出，不管是什么類型的核彈都一樣。

那么，為什么核彈爆炸會(huì)導(dǎo)致蘑菇云的出現(xiàn)，而不是一團(tuán)不斷擴(kuò)大的熾熱火球呢?

對(duì)此，科學(xué)家們表示，盡管在核彈爆炸的最初，爆發(fā)的能量確實(shí)形成了一個(gè)灼熱的空氣泡，就像所有其他炸彈一樣。但這只是故事的開始。

由于熱空氣會(huì)向上升，所以這個(gè)灼熱空氣泡的中心位置會(huì)比邊緣承受更大的浮力，因此上升速度也最快。

想象一下媽媽在家里用烤箱做好吃的紙杯蛋糕的情景，是不是蛋糕的中間部分要比邊緣部分膨脹得更快，凸起得更高?就是因?yàn)檫@個(gè)道理。

這樣一來，盡管整個(gè)熱空氣泡都處于上升狀態(tài)，但由于球體中間部分速度更快，在下方形成了低氣壓區(qū)域。于是，球體外部較冷的空氣開始沖入正在上升的氣泡下方。

因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)的作用，上升中的熱氣泡逐漸扭曲成圓環(huán)形，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去就像是蘑菇的傘蓋。

而且由于熱空氣分子在帶電狀態(tài)下快速移動(dòng)，以超高的速度相互碰撞，最終在氣泡中心下方形成了一個(gè)近乎真空的狀態(tài)。地面上因爆炸產(chǎn)生的灰塵和碎屑被不斷吸入真空區(qū)域并向上推動(dòng)云團(tuán)。這種吸入灰塵和碎屑的噴射流就形成了蘑菇的莖，這就是我們看到的蘑菇云的由來。

其他爆炸也能產(chǎn)生蘑菇云

在我們的常識(shí)里，看到上升的蘑菇云就會(huì)聯(lián)想到原子彈爆炸的場(chǎng)景，事實(shí)證明，我們的常識(shí)有時(shí)候不太可靠。

原子彈確實(shí)會(huì)產(chǎn)生可怕的蘑菇云，但是絕對(duì)不是唯一能產(chǎn)生蘑菇云的爆炸，通常情況下，我們不太可能親眼看到大型炸彈爆炸，所以大部分人潛意識(shí)里都認(rèn)為只有原子彈才會(huì)產(chǎn)生蘑菇云。

其實(shí)，化學(xué)炸藥的大型爆炸也會(huì)產(chǎn)生同樣的效果，換句話說，蘑菇云的形成并不取決于核反應(yīng)或核成分。

當(dāng)爆炸產(chǎn)生一個(gè)以爆炸點(diǎn)為中心非常熱的“氣泡”時(shí)，而當(dāng)這個(gè)熱度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)形成“蘑菇云”。

這和什么反應(yīng)產(chǎn)生的爆炸沒有關(guān)系，只取決于爆炸釋放的能量。

在核爆炸的情況下，核反應(yīng)釋放出的x射線，電離和加熱周圍的空氣。我們平時(shí)用慢鏡頭看到的核爆現(xiàn)象都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的“氣泡”，在核爆中一般被稱作火球。

我們知道，熱空氣具有浮力，所以它會(huì)迅速上升和膨脹。上升的“云”產(chǎn)生強(qiáng)大的上升氣流，吸收灰塵，形成蘑菇云的莖。

想象一下你往兩張紙中間吹氣的情景，兩張紙會(huì)同時(shí)被 “吸”進(jìn)去，這是因?yàn)闅怏w的流失，導(dǎo)致壓強(qiáng)下降，在核反應(yīng)的上升氣流中也有相同的情況。

另外，如果你欣賞一部關(guān)于核爆炸的電影，你會(huì)看到許多被攜帶的物質(zhì)向外旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象發(fā)生在火球和鄰近冷空氣的界面上。

從核爆試驗(yàn)的錄像中，我們可以看到也確實(shí)如此，火球向外延伸。

這是因?yàn)榛鹎虻闹行牟糠质亲顭岬?，?dāng)它與外部空氣相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生翻滾運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性(Kelvin–Helmholtz instability)。

為什么核爆炸會(huì)導(dǎo)致蘑菇云，而不是不斷擴(kuò)大的火球?

研究人員表示，盡管能量爆發(fā)最初確實(shí)形成了一個(gè)熱空氣球體，但這僅僅只是一個(gè)開始，由于熱空氣上升，中間柱中較大的球體，比邊緣承受更大的浮力。

“按照球體的形狀，中間有最大的低密度流體柱，因此上升最快，”就像在烤箱中上升的紙杯蛋糕的中間一樣。

雖然整個(gè)球體都在上升，但由于這個(gè)中間柱以更大的速度升高，球體外較冷的空氣開始“沖入正在上升的球體下方”。

這會(huì)導(dǎo)致上升的球體扭曲成圓環(huán)或甜甜圈形狀。而且由于熱空氣分子在帶電狀態(tài)下快速移動(dòng)，以高速相互彈跳，最終在它們之間形成了超大空間，以致于形成近乎真空的狀態(tài)。

當(dāng)物質(zhì)射流被吸入真空并向上推，從而形成頂部的蘑菇云和底部環(huán)面內(nèi)較平坦的區(qū)域。 這種吸入灰塵和碎屑的噴射流形成了蘑菇的莖，即使它進(jìn)入蘑菇蓋也是如此。