§ 2. Световое излучение

Общая характеристика светового излучения при ядерном взрыве

Световое излучение представляет собой поток лучистой энергии в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра электромаг­нитных волн.

Источником светового излучения ядерного взрыва является святящаяся область (огненный шар), состоящая из газообразных продуктов взрыва и рас­каленного воздуха. Масса воздуха в светящейся области (огненном шаре) ядерного взрыва мощностью 100 тыс. т в приземных слоях атмосферы через 1,1 с составляет 20 тыс. т; масса продуктов взрыва (испарившийся материал ядерного боеприпаса) составляет несколько тонн.

Размеры светящейся области и ее температура быстро изменяются во времени. Максимальные размеры светящейся области и время излучения с повышением мощности взрыва увеличиваются.

Форма светящейся области при наземных взрывах близка к полусфере. При воздушных взрывах светящаяся область имеет форму шара. При низких воздушных взрывах она деформируется ударной волной, отраженной от по­верхности земли (рис. 18).

Рис. 18. Форма светящейся области воздушного взрыва

По форме светящейся области можно определить вид взрыва, а по ее максимальным размерам – оценить его мощность.

Время свечения огненного шара зависит от мощности взрыва и при­ближенно определяется по формуле:

(1.27)

где t_св – время свечения, с;

g – мощность ядерного взрыва, т.

Так, например, для ядерного взрыва средней мощности (30 тыс. т) время свечения огненного шара составит 3 с, для ядерного взрыва сверхкрупного калибра (10 млн. т) время свечения огненного шара составит 22 с.

Для количественной оценки поражающего действия светового излуче­ния необходимо знать температуру и длительность свечения огненного шара.

Изменение температуры во времени на поверхности и внутри огненно­го шара происходит следующим образом. Температура на поверхности ог­ненного шара резко уменьшается до 2000К, затем снова повышается при­мерно до 8000К, после чего медленно снижается до 2000К.

"Провал" температуры на поверхности огненного шара объясняется эк­ранирующим действием ударной волны. Сразу после образования фронта ударной волны температура на ее поверхности достигает нескольких десятков тысяч градусов.

По закону Кирхгофа нагретое тело тем сильнее поглощает свет, чем сильнее его излучает. Поэтому фронт ударной волны, излучающий энергию, вместе с тем поглощает ее и не пропускает излучение из внутренней части огненного шара. Однако по мере движения ударной волны температура в ней падает значительно быстрее, чем внутри огненного шара. Волна начинает меньше излучать, а следовательно, и меньше поглощать свет, т.е. все слабее экра­нирует излучение внутренней части светящейся области. При температуре около 2000К волна перестает быть экраном и световая энергия из внутрен­ней, более нагретой части огненного шара распространяется на большие рас­стояния. Развитие огненного шара до минимума его температуры (2000К) на внешней поверхности называют первой фазой, а от минимума до конца све­чения – второй фазой.

Первая фаза начинается с момента образования ударной волны, когда источником светового излучения является фронт ударной волны. После окон­чания свечения фронта ударной волны начинается вторая фаза развития ог­ненного шара. Экранирующее действие ударной волны прекращается, и "об­нажается" центральная, более нагретая область огненного шара. Источником светового излучения становится собственно светящаяся область. Температура поверхности огненного шара по мере увеличения прозрачности экранирую­щего слоя вновь начинает повышаться (огненный шар как бы вновь разгора­ется) и по истечении 0,2 с достигает своего максимального значения около 8000К. Затем температура огненного шара начинает уменьшаться как в ре­зультате потери энергии на излучение, так и вследствие расширения огненно­го шара. При снижении температуры до 2000К свечение прекращается и ог­ненный шар превращается в радиоактивное облако. На этом заканчивается вторая фаза развития огненного шара.

Во второй фазе испускается около 98% всей энергии светового излуче­ния ядерного взрыва. Первая фаза длится от сотых до десятых долей секунды, продолжительность второй фазы практически совпадает со временем све­чения огненного шара и измеряется секундами.

По спектральному составу световое излучение светящейся области со­стоит из видимых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Каждый вид излучения представляет собой поток фотонов с различной длиной волны. Ви­димый свет составляет 47%, а ультрафиолетовое и инфракрасное излучение – 7% и 46% соответственно.

Основным параметром, характеризующим поражающее действие светового излучения, является световой импульс. Если вокруг светящейся области воздушного ядерного взрыва описать сферу радиуса R, то энергия, излучаемая светящейся областью за все время ее свечения Е_изл, будет прохо­дить через поверхность сферы, равную 4πR². Значит, на 1 см этой поверхно­сти будет падать энергия, равная:

(1.28)

Это количество энергии и принято считать световым импульсом.

Световым импульсом называется количество световой энергии, па­дающей на 1 см² поверхности, расположенной перпендикулярно направлению излучения, за все время свечения источника. Световой импульс измеряется в кал/см².

Влияние различных факторов на световое излучение

Величина светового импульса будет зависеть не только от мощности и вида взрыва, но и от расстояния освещенной поверхности от центра (эпицен­тра) взрыва (R), прозрачности атмосферы и других факторов.

Как следует из формулы для определения значения светового импульса, его величина уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от центра взрыва (рис. 18). Эта зависимость справедлива для случая, когда све­товое излучение распространяется в вакууме.

Рис. 18. Уменьшение светового импульса с увеличением расстояния от цен­тра взрыва

При прохождении через атмосферу световое излучение частично рас­сеивается, а частично поглощается взвешенными в воздухе пылинками, кап­лями тумана и молекулами различных газов, входящих в состав атмосферы. От прозрачности атмосферы зависит также дальность видимости: если воздух чист, дальность видимости составляет 40 км; запыленный воздух сокращает видимость в 2 – 4 раза, а туман – в 20 раз и более.

Необходимо учитывать, что земная поверхность при хорошо отражаю­щем свет покрове (снег, асфальт) будет усиливать прямое излучение, при этом суммарный импульс может быть больше прямого в 1,5 – 2 раза.

Световое излучение, отраженное от облаков, может действовать на объ­екты, закрытые от прямого светового потока, идущего от светящейся области. Величина светового импульса при этом может составить половину прямого импульса.

Ослабление светового излучения лесом зависит от породы деревьев, густоты кроны, зрелости леса, а также от времени года. Густой лес ослабляет световое излучение в зависимости от породы деревьев в 5 – 10 раз, а редкий – в 2 – 5 раз.

Поражающее действие светового излучения

и принципы защиты от него

Поражающее действие светового излучения зависит от величины све­тового импульса, от угла падения лучей на поверхность объекта и от характе­ра поглощения световой энергии объектом.

Энергия светового излучения, попадая на поверхность объекта, частич­но отражается, частично поглощается или проходит сквозь него, если объект в какой-то степени прозрачен. Поражающее действие светового излучения определяется поглощаемой частью светового импульса, которая переходит в другой вид энергии – тепло, вызывая повышение температуры и нагревание тела.

В зависимости от температуры, до которой нагревается тело, достигает­ся та или иная степень поражения – обугливание, воспламенение, оплавление материалов или ожоги кожи различной степени.

Количество энергии светового излучения, поглощенное 1 см² поверхно­сти за все время облучения, называется тепловым импульсом, который может быть определен по формуле:

U_{т =}U · k · cos φ, (1.29)

где U_т – тепловой импульс, кал/см²;

U – световой импульс, кал/см²;

сos φ – угол между направлением на центр взрыва и перпендикуляром к освещаемой поверхности;

k – коэффициент поглощения энергии.

Значения коэффициентов поглощения светового излучения зависят от свойств материала. Они приведены в таблице 3.

Таблица 3

Величина коэффициентов поглощения для некоторых материалов

Материалы	Коэффициент поглощения
Алюминий (поверхность поли­рованная)	0,25
Железо (обработанное)	0,44
Доски сосновые	0,70
Краска белая	0,1 – 0,3
Краска зеленая	0,6 – 0,7
Габардин защитного цвета	0,96
Сукно шинельное	0,94

Степень поражения зависит не только от теплового импульса, но и от свойств тела. Чем больше теплоемкость и теплопроводность тела, тем меньше нагревается его поверхность. Металлы обладают небольшой теплоемкостью, но большой теплопроводностью, поэтому они нагреваются медленно. Для на­гревания их требуется больше световой энергии, чем для нагревания, напри­мер, поверхности дерева, несмотря на то, что дерево обладает большей тепло­емкостью, чем металлы. Как видно из таблицы 3, большое значение имеет окраска (цвет) тела и обработка его поверхности. Тела с шероховатой поверхно­стью поглощают световую энергию лучше, чем гладкие.

Световое излучение, воздействуя на людей, вызывает ожоги открытых участков кожи, временное ослепление или ожоги сетчатки глаз. Ожоги могут появиться в результате непосредственного действия свето­вого излучения на кожу человека, а также вследствие возгорания одежды, предметов вооружения, снаряжения и возникновения пожаров.

Ожоги подразделяются на три степени. Ожоги 1-й степени возникают при световом импульсе 2 – 6 кал/см² (нижние пределы относятся к боеприпа­сам малого калибра, верхние – крупного калибра) и характеризуются красно­той, припухлостью и болезненностью кожи. Ожоги 2-й степени возникают при световом импульсе 3 – 8 кал/см² и характеризуются образованием пузырей. Ожоги 3-й степени возника­ют при световом импульсе свыше 5 – 12 кал/см² и вызывают образование язв и омертвление кожи.

Помимо ожогов, характеризующихся различной степенью, боль­шое значение имеют размеры пораженной площади кожи человека, так как с их увеличением повышается тяжесть поражения. Например, ожог 1-й степени большой поверхности имеет более серьезные последствия, чем местный ожог 3-й степени.

У пострадавших наиболее часто будут встречаться ожоги открытых участков тела (кисти рук, лицо, шея). Личный состав выходит из строя при ожогах 2-й степени открытых участков кожи.

Величины световых импульсов, вызывающих ожоги кожи под обмун­дированием, почти не зависят от мощности взрыва. Ожоги кожи 1-й, 2-й и 3-й степени под хлопчатобумажным обмундированием вызываются световыми импульсами, равными соответственно 6,3; 7 и 8,8 кал/см² .

Большой диапазон значений световых импульсов, при которых наблю­дается ожог той или иной степени, обусловлен зависимостью поражающего действия светового излучения от длительности свечения огненного шара, т.е. от калибра ядерного боеприпаса. Различие в воздействии одинаковых по величине импульсов объясняется разным временем их действия. При двух одинаковых по величине световых импульсах степень поражения будет больше при меньшей длительности воздействия светового излучения. Величины световых импульсов, вызываю­щих ожоги кожи человека, для боеприпасов различного калибра и радиусы зон поражения личного состава световым излучением приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4

Величины световых импульсов, вызывающих ожоги

открытых участков кожи человека

Степень ожога	Величины световых импульсов (кал/см2) при мощности взрыва:
	1 тыс. т	10 тыс. т	100 тыс. т	1 млн. т	10 млн. т	100 млн. т
Первая	2,3	2,8	3,4	4,1	4,9	6,0
Вторая	3,3	3,9	4,6	5,5	6,4	7,6
Третья	5,2	6,1	7,0	8,2	9,5	11,2

Ожог сетчатки глаз может произойти при очень малом значении свето­вого импульса – всего лишь 0,12 – 0,14 кал/см². Ослепление длится днем 1 – 5 мин, ночью до 30 мин. Поэтому очень важно защищать глаза в момент вспышки взрыва. Ориентировочное значение радиусов зон временного ослепления приведено в таблице 6.

Таблица 5

Радиусы зон поражения личного состава световым излучением

при видимости 1км (при чис­том воздухе)

Условия возникновения ожогов	Мощность, тыс. т	Ожог 1-й степени		Ожог 2-й степени		Ожог 3-й степени
		НВ	ВВ	НВ	ВВ	НВ	ВВ
Открытые участки тела	1	0,7	1,1	0,55	1,1	0,45	0,8
	10	1,9	3,0	1,5	2,6	1,2	2,1
	100	4,8	7,5	4,0	6,6	3,2	5,5
	1000	12	19	10	16	8,8	13
Под хлопчатобумаж­ным об­мун­дированием	1	0,4	0,7	0,4	0,65	0,34	0,6
	10	1,3	2,1	1,1	1,9	0,95	1,8
	100	3,4	6,0	3,2	5,5	3,0	5,0
	1000	9,5	16	9,0	14	8,0	14
Под полу­шерстяным обмунди­ро­ванием	1	0,35	0,6	0,3	0,5	0,25	0,32
	10	0,95	1,7	0,9	1,6	0,8	1,2
	100	2,7	4,5	2,6	4,3	2,1	3,5
	1000	8	13	7	11	6	9

Световое излучение может вызывать пожары в лесу и в населенных пунктах, а также воспламенение сухой травы в степи. Радиусы зон возникно­вения пожаров (для ядерных боеприпасов различного калибра) даны в таблице 7.

Свет распространяется прямолинейно и не проникает через непрозрачные преграды. Поэтому любая непрозрачная преграда (окоп, танк, складки мест­ности и т.д.) защищает от прямого действия светового излучения, от ожогов или воспламенения. При этом необходимо учитывать, что некоторые предме­ты, защищающие от светового излучения, могут быть разрушены ударной волной и нанести поражение обломками.

Таблица 6

Ориентировочные значения радиусов зон временного ослепления глаз, км

Вид взрыва	Чистый воздух (ясная погода без дымки)
	Мощность взрыва, тыс. т
	1	10	50	100	500	1000
Наземный	8	11	14	18	22	28
Воздушный	8	14	18	23	28	35

Ни в коем случае нельзя смотреть в сторону огненного шара. По команде ″Вспышка с фронта″ личный состав должен немедленно за­нять ближайшие укрытия.

Поражающее действие светового излучения ядерного взрыва на личный состав и различные объекты может быть значительно ослаблено или полно­стью исключено за счет использования экранирующих свойств рельефа мест­ности, лесных массивов, местных предметов, маскирующих дымов, а также применения красок, обмазок светлых тонов, металлических отражающих по­крытий, увлажнения объектов, снежных обсыпок, ледяных рубашек, огне­стойких покрытий, в том числе обсыпок из грунта, пропиток; проведения противопожарных мероприятий с созданием безопасных зон, лишенных го­рючих материалов; подготовки сил и средств для тушения пожаров.

Разумный выбор средств и способов защиты и соответствующая подготовка лич­ного состава позволяют значительно снизить ущерб, наносимый действием светового излучения.

Таблица 7

Радиусы зон возникновения пожаров в населенных пунктах

с деревянной застройкой и в лесу при чистом воздухе, км

Наименование объектов	Вид взрыва: Н – назем­ный; В – возду­ш­­ный	Мощность взрыва, тыс. т
		1	10	100	1000	10000
Населенные пункты с деревянной застройкой	Н	0,5	1,5	3,6	9,0	21
	В	0,9	2,4	6,0	15	31
Лес	Н	0,65	1,9	4,5	10	23
	В	1,1	3,0	7,0	17	35
Сухая растительность, созревшие хлеба на ко­р­ню	Н	0,6	1,6	3,8	10	22
	В	1,0	2,6	6,5	16	33

Контрольные вопросы

I. Что называется световым импульсом и в каких единицах он выражается?

2. Как определить мощность ядерного взрыва, если известно время све­чения огненного шара?

3. Какие факторы оказывают влияние на световое излучение? Какова роль прямого и рассеянного излучения в поражающем действии светового излучения?

4. Начертите график изменения температуры внутри светящейся облас­ти и на ее поверхности. Объясните, почему световое излучение испускается в течение двух фаз?

5. При каких световых импульсах происходит поражение личного состава?

6. Какие меры необходимо принять для защиты от светового из- лучения ядерного взрыва?