爆炸中的TNT当量冲击波与蘑菇云

2015-08-13 21:50:24 来源:新浪科技

8月12日晚23时30分左右,天津滨海新区开发区发生剧烈爆炸,爆炸火光冲天。国家地震台网清晰记录到了12日晚间天津发生的爆炸事故,共有两次爆炸,间隔约30秒,第二次震级更高,通过分析波形记录测算出,爆炸威力相当于21吨TNT。爆炸引起的冲击波造成了周边地区建筑物不同程度的损毁,现场腾起巨大的蘑菇云。各媒体新闻中如TNT当量、冲击波等物理名词该如何理解?

TNT当量

很多人好奇TNT当量的概念,TNT当量是指核爆炸时所释放的能量相当于多少吨TNT炸药爆炸所释放的能量。TNT炸药的数量又被使用作为能量单位,每公斤可产生420万焦耳的能量,1吨TNT相等于4.2千兆焦耳,一百万吨相等于4200兆兆焦耳,通常也作为核武器爆炸当量的单位来使用。

从波形记录结果看,第一次爆炸相当于3吨TNT,第二次爆炸在30秒种后,相当于21吨TNT。等值换算,战斧式巡航导弹的TNT当量约为454千克,即第一次爆炸相当于近7个战斧式巡航导弹的能量,第二次爆炸的能量则接近于46个战斧式巡航导弹落地爆炸。

如果以依阿华战列舰16寸炮炮弹(54公斤高爆炸药)约127千克TNT当量进行换算,第二次爆炸的威力相当于超过了165枚美国二战最大的依阿华级战列舰的406毫米主炮炮弹的威力。

要想更形象地了解TNT当量,威力对照表如下:

标准TNT取的是,1克TNT释放4184焦耳

1.3 x 10^05 J: 反人员地雷(31克TNT装药)

2.1 x 10^05 J: A-10攻击机的GAU-8机炮射出一发贫铀穿甲弹= 50克TNT当量

9.5 x 10^05 J: 手榴弹(226克TNT装药)

6.1 x 10^06 J: 120mm坦克炮弹(KEW-A1) = 1.4千克TNT当量

2.1 x 10^07 J: 反坦克地雷(5公斤TNT装药)

3.9 x 10^07 J: 美国海军64兆焦电磁轨道炮弹头动能

1.2 x 10^08 J: 1加仑汽油= 28千克TNT当量

1.8 x 10^08 J: 1微克反物质+1微克正物质= 43千克TNT当量

5.3 x 10^08 J: 依阿华战列舰16寸炮炮弹(54公斤高爆炸药)= 127千克TNT当量

1.9 x 10^09 J: 战斧式巡航导弹(TLAM-C) = 454 千克TNT当量

4.184 x 10^09 J: 1吨TNT当量

2.0 x 10^10 J: 平均水平闪电= 4.8吨TNT当量

3.6 x 10^10 J: 平均水平龙卷风= 8.6吨TNT当量

4.2 x 10^10 J: 戴维小型战术核武器= 0.01千吨= 10吨TNT当量

5.0 x 10^10 J: MOAB巨型燃料空气炸弹,最强大的非核常规武器= 12吨TNT

3.6 x 10^13 J: 平均雷暴天气= 0.9万吨

6.3 x 10^13 J: 广岛原子弹“小男孩”= 1.5 万吨

8.8 x 10^13 J: 长崎原子弹“胖子”= 2.1 万吨

1.8 x 10^14 J: 1克反物质+1克正物质= 4.3 万吨

2.0 x 10^15 J: 里氏7.0 级地震= 47.7 万吨

1.5 x 10^16 J: 1颗巴林杰陨石(直径可能100米,美国巴林杰陨石坑直径1.2km)= 3.5 百万吨

6.3 x 10^16 J: 通古斯大爆炸= 15 百万吨= 4.3颗巴林杰陨石

1.1 x 10^17 J: 圣海伦火山喷发= 25 百万吨= 1.6个通古斯大爆炸

2.0 x 10^18 J: 里氏9.0 级地震= 477 百万吨

3.2 x 10^26 J: 轰掉地球大气层= 77 千万亿吨

3.9 x 10^26 J: 太阳每秒散发的能量= 92 千万亿吨每秒

6.6 x 10^26 J: 加热烧沸地球的海洋= 158 千万亿吨

4.5 x 10^27 J: 加热蒸发地球的海洋= 1 百亿亿吨

7.0 x 10^27 J: 加热蒸发地球的海洋和烤干所有地面= 2 百亿亿吨

1.0 x 10^29 J: 炸飞地球海洋= 24 百亿亿吨

2.1 x 10^29 J: 地球转动能量= 50 百亿亿吨

1.5 x 10^30 J: 炸飞全球表面= 359 百亿亿吨

2.9 x 10^31 J: 轰掉地球(残骸留在原轨道上)= 7 十万亿亿吨

3.3 x 10^31 J: 太阳每天散发的能量= 8 十万亿亿吨/day

5.9 x 10^31 J: 轰掉地球(残骸飞出轨道)= 14 十万亿亿吨

2.9 x 10^32 J: 轰掉地球(残骸飞出太阳系)= 69 十万亿亿吨

6.0 x 10^37 J: 英仙座超新星爆发= 1.4 x 10^28吨

强大的冲击波

从该监控视频可见,一名男子站在大厅门前时,突然发生爆炸。爆炸冲击波瞬间将大门冲倒击碎,男子被掀翻并压在倒塌的大门下。离现场较远的网友拍摄的手机视频中也可见在看到爆炸后,房间也开始剧烈地摇晃震动,打开的窗户窗帘猛烈向屋内冲。附近建筑物玻璃几乎全碎。这便是冲击波的威力。

任何波源,当运动速度超过了其波的传播速度时,这种波动形式都可以称为冲击波,爆炸产生的冲击波称为爆炸波。其特点是波前的跳跃式变化,即产生一个锋面。锋面处介质的物理性质发生跃变,造成强烈的破坏作用。

冲击波效应主要以超压的挤压和动压的撞击,使人员受挤压、摔掷而损伤内脏或造成外伤、骨折、脑震荡等。冲击波的杀伤作用主要是由冲击波超压和冲击波作用时间来决定的。冲击波超压就是冲击波压强与空气静止时的气压(l个大气压)的压强差;冲击波作用时间就是冲击波超压所维持的时间。对于普通炸药在空中爆炸,当冲击波超压为0.1大气压时,就会引致门窗损坏、玻璃破碎;超压为0.5大气压时,能使屋顶掀盖;超压为1大气压时,会造成房屋倒塌。

对于人体而言,冲击波超压为0.5大气压时,人的耳膜破裂,内脏受伤;超压为1大气压时,作用在人体整个躯干的力可达4-5千公斤,在这么大的冲击力挤压下。人体内脏器官严重损伤,尤其会造成肺、肝、脾破裂,以至导致人员死亡。

所以很多人在不能预知当时爆炸实际威力的情况下拍摄视频,是十分危险的,要及时迅速找到安全的地方躲避好,谨防冲击波带来的房屋倒塌、玻璃碎裂或高空坠物。

蘑菇云的产生

天津爆炸现场腾起了数十米高的蘑菇云,那么爆炸为什么会产生蘑菇云呢?

蘑菇云,指的是由于爆炸而产生的强大的爆炸云,形状类似于蘑菇,上头大,下面小,由此而得名。云里面可能有浓烟,火焰和杂物,现代一般特指原子弹或者氢弹等核武器爆炸后形成的云。火山爆发或天体撞击也可能生成天然蘑菇云。蘑菇云高温高压迅速地影响着其周围的空气,大约极短的时间内就能使它周围的空气升温膨胀而又快速上升,并且依靠那上冲时的巨大能量将地面的石头、碎片、粉尘等各种物质粒上高空而形成蘑菇茎。

而在上升 的过程中由于同周围低湿空气的接触,这就使得热气团的温度逐渐降到同周围气体的温度相同了,于是便向水平方向散开而形成蘑菇顶,这样一个完整的蘑菇云便形成了。 随着上升高度的增加,地面压力的逐渐减小,蘑菇茎部分的组成物便纷纷落下,最终一切恢复正常。

天津爆炸冲击波超强:人的内脏被瞬间撕裂

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