¿Qué es exactamente la bola de fuego provocada por una bomba nuclear?

Question

Parece una pregunta muy sencilla, pero no encuentro una respuesta satisfactoria. Cuando se detona una bomba nuclear se forma una gran bola de fuego. ¿Cuál es el combustible que impulsa esta bola de fuego? ¿O no se trata de un incendio en el sentido tradicional (es decir, que requiere combustible, oxígeno y una chispa)?

Answer 1

Una bola de fuego marca el radio en el que el plasma - átomos ionizados y electrones libres del aire, el suelo (si se detona cerca del suelo) la carcasa de la bomba y el explosivo nuclear - se vuelven transparentes a la radiación visible. Se trata de una "bola de fuego" porque la radiación visible se produce en el plasma caliente (a partir de unos miles de grados Kelvin) mediante una serie de procesos en los que los electrones interactúan con los iones o se recombinan con ellos. La radiación visible nos llega desde la parte exterior de la bola de fuego, algo parecido a la fotosfera del Sol.

El plasma se calienta cuando el material absorbe energía en forma de radiación (principalmente rayos gamma y X y la energía cinética de los productos de reacción) liberada en la explosión inicial de fisión o fusión y, a continuación, se mantiene caliente al absorber su propia radiación. En última instancia, la energía procede de la energía potencial de la fuerza nuclear fuerte que une neutrones y protones, que es millones de veces mayor que la energía potencial química atómica asociada a la "combustión" normal.

A diferencia de la fotosfera solar, la bola de fuego de una explosión evoluciona rápidamente, expandiéndose y enfriándose, porque no hay nada como la gravedad del Sol para limitar el plasma caliente.

Answer 2

La bola de fuego no está ardiendo en el sentido de combustión, sino que son los restos sobrecalentados de la atmósfera, el suelo, el agua, etc. cerca del punto de detonación, que se han convertido en plasma por las enormes temperaturas generadas por la bomba.

Wikipedia describe un hongo nuclear como sigue:

Inicialmente, la bola de fuego contiene un plasma altamente ionizado formado únicamente por átomos del arma, sus productos de fisión y gases atmosféricos del aire adyacente. A medida que el plasma se enfría, los átomos reaccionan, formando finas gotitas y luego partículas sólidas de óxidos.

Answer 3

Como dice ProfRob, la superficie de la bola de fuego es donde el aire frío translúcido se convierte en plasma caliente radiante. Sin embargo, hay dos formas distintas en las que se forma la bola de fuego:

1. El aire se calienta mediante radiaciones duras (rayos gamma y partículas). Al principio por el material de la bomba, pero más tarde también por la creciente bola de fuego.

2. El aire se calienta por compresión cuando lo alcanza el frente de choque.

Al principio, el transporte radiativo de calor es más rápido. Sin embargo, a medida que la temperatura de la superficie de la bola de fuego desciende, el aire circundante tarda cada vez más tiempo en alcanzar las temperaturas de la bola de fuego. Por eso, esta bola de fuego radiativa acaba siendo superada por el frente de choque, que a su vez es lo suficientemente fuerte como para formar una bola de fuego. Obviamente, el frente de choque se debilita a medida que avanza, y en algún momento deja de ser lo suficientemente fuerte como para convertir el aire en un plasma radiante. En ese momento, la bola de fuego deja de crecer rápidamente mientras el frente de choque sigue desplazándose hacia el exterior para realizar su labor destructiva.

Answer 4

El principal canal de transporte de energía desde la reacción nuclear al entorno circundante es la radiación de rayos X. Ésta es lo suficientemente intensa como para ionizar cualquier materia que se encuentre en las proximidades. La bola de fuego es el plasma resultante.

Answer 5

Cuando un material se calienta lo suficiente, se convierte en plasma. El plasma es bastante opaco a la luz, porque tiene un gran número de electrones libres, y los electrones libres interactúan con un amplio espectro de luz. Además, el plasma es caliente.

Las cosas calientes emiten radiación como cuerpos negros.

Así que cuando se vierte suficiente energía en un montón de materia, se obtiene una bola de plasma. Esta bola de plasma actúa un poco como un gas ideal -- PV=nRT -- la alta temperatura hace que la presión se dispare, lo que a su vez hace que el volumen se expanda y la temperatura descienda. El plasma también irradia luz, por encima del suelo, hacia el aire transparente. Este aire transparente se calienta, lo que a su vez puede convertirlo en plasma.

Las partículas de mayor energía, ya sean fotones o no, también penetran en el plasma y chocan con el aire. Esta es la fuente inicial de energía para calentar la materia hasta convertirla en plasma, y al menos durante algún tiempo superará a la propia radiación del plasma.

Así que tienes 3 "ondas" de energía:

1. Los productos directos de alta energía de la explosión (fotones, neutrones, partículas alfa y beta, nucleones de alta energía producidos por fisión). Esto podría describirse fácilmente como más de 1 onda, ya que parte de ella se mueve mucho más cerca de c que otras partes.

2. El propio plasma caliente irradia radiación de cuerpo negro.

3. El plasma caliente se expande y choca con el material circundante.

Nada de esto es "fuego". El fuego que usted conoce es una oxidación rápida: es una reacción química. El fuego puede hacer que las cosas se calienten lo suficiente como para que se conviertan parcialmente en plasma y gas caliente (esto es lo que suelen ser las llamas), por eso la bola de plasma parece una bola de "fuego".

Lo que se ve es el resplandor de la radiación del cuerpo negro procedente del plasma. Y el borde de la bola de fuego es el punto en el que el aire (y otros materiales) no se han calentado lo suficiente como para convertirse en plasma, por lo que son transparentes a la luz. Una vez que se calienta lo suficiente, brilla y ya no se puede ver el plasma que hay detrás: la "bola de fuego" crece.

La superficie del sol también es un plasma. Brilla como una bomba nuclear. A diferencia de una bomba nuclear, la mayor parte está retenida por la gravedad (escapan muchas partículas, pero pocas en comparación con lo que queda). La superficie del Sol se mantiene caliente gracias al calor que irradia su interior, donde la fusión nuclear proporciona la energía necesaria para que el Sol siga brillando.

Pero, si cogiéramos un trozo de materia superficial estelar y lo pusiéramos en la superficie de la Tierra, se comportaría de forma muy parecida a una bomba nuclear. Sin gravedad que sujete el plasma, éste se expande, y la radiación de cuerpo negro del plasma también explota delante de él.

Le faltaría el depósito de energía de "tipo 1" de mi lista anterior, pero eso es justo lo que hace que se inicie la bola de fuego.