如何產生一個蘑菇雲？爆炸的「外形」蘊含什麼信息
文章來源：十點科學
貝魯特爆炸現場。| 來自網路
撰文 | 高佩雯、龍浩
8月4日，黎巴嫩首都貝魯特發生巨大爆炸，一時間，「核爆」二字隨著現場「蘑菇雲」照片在社交媒體上瘋傳。很多專業人士看到圖片第一眼，就斷定：這不可能。
「從爆炸的顏色可以看出，它沒有熱到足以成為核爆。」「核爆開始時總是會有白色和黃色的閃光。」「通常蘑菇雲停留的時間要長得多。」……
僅靠一張圖就能得出這樣確定的信息嗎？是的，顏色和形狀是能量及物質作用的體現。
而且蘑菇雲也不一定要核爆才能產生，其他大規模爆炸也可能產生蘑菇雲。
蘑菇雲是怎樣產生的？
蘑菇雲是大爆炸的結果，通常和核爆聯繫在一起。但也可以是其他爆炸或撞擊引起。
如果用最簡單的話來概括，要形成一個蘑菇雲，爆炸（或撞擊）需要製造一個非常熱的高壓氣團。這個氣團飛速膨脹而快速上升，並將周邊的物質如灰塵、水汽也拖了上去，形成了蘑菇莖。
當氣團上升到足夠高時，它的溫度逐漸冷卻，密度開始和周圍的空氣持平，於是停止躥升。這些氣體連帶裹挾著的碎片和蒸汽等向周圍溢出，形成了蘑菇的頂。
可見，任何高能量爆炸都可能產生蘑菇雲，包括核爆、熱壓武器（一種用高熱高壓氣體打擊目標的新型武器）、化學品爆炸、火山爆發或小行星撞擊等。
加勒比海區的蘇佛里耶 （Soufriere） 火山噴發形成蘑菇雲，被一位旅客在飛機上拍到。| 來自網路
我們看到的核爆照片通常多種多樣。有的是火焰蘑菇，有的是灰色或棕褐色蘑菇，有的是乳白色大胖蘑菇，顏色和姿態各不相同。
了解一朵「標準」的蘑菇雲，或有助於我們理解其他「蘑菇」類型。當然也包括貝魯特的硝酸銨爆炸蘑菇雲。——那棕紅色的蘑菇和一閃而過的白色「罩體」，可是疑惑了不少人。
一朵典型的蘑菇雲
一朵典型的蘑菇雲，一般由近地面的核爆引起。並且地下（水下）或高空核爆都不行。
無論是地爆還是空爆，某種程度上都大同小異，都是閃光→火球→蘑菇狀煙雲→連環爆響。
閃光，是核裝置被引爆的標誌，時間極短，通常不到1毫秒。（在這一瞬間，爆心能量快速釋放發出強光。但立刻就被第一輪衝擊波壓縮產生的超高溫電離空氣遮擋住了。這種閃光，和火球一起稱為「雙閃」，是核爆的典型徵象。）
隨後是火球。圓而明亮，一邊增大一邊上升（這時電離空氣已經冷卻而變得透明，爆心的光線再次釋放）。因受到地面反射的衝擊波的影響，其底部會變形，形成上圓下平、底部凹陷的饅頭形狀。其內部是由空氣、彈體及周邊物質被加熱而形成的等離子體（即高溫火焰成分）。
接著，火球熄滅，外形由大變小。其中被加熱的物質冷卻形成灰白或棕褐色的煙雲。煙雲的顏色和爆高（爆炸的高度）有關，爆高越低，捲入的塵土比例越大，煙雲顏色就越深。雖然煙雲是火球冷卻形成，但依然非常高熱高壓。
煙雲會繼續膨脹和上升，同時因為地面反射的衝擊波的作用，在地面爆心投影點區域被掀起的塵柱也跟著上升，經過一段時間追及煙雲，形成一朵典型的蘑菇雲。
各種蘑菇雲和核爆照片。下面3張為世界首顆氫彈（Mike）爆炸後依次的三個狀態。| 素材來自網路
可以得知，如果是直接在地面爆炸，煙雲和塵柱一開始就在一起，顏色較深暗且塵柱粗大。如果是在低空爆炸，塵柱會追及煙雲。如果是在特別高的高空爆炸，則塵柱無法追及煙雲，只能各自美麗，沒有蘑菇雲。（如果爆炸的當量（能量）更大一些，這個臨界高度就可以更高。）
此外，核爆當量會直接決定火球和煙雲的大小，還會影響煙雲上升的高度。當核爆當量較大時，蘑菇雲會直達對流層頂（大約離地面12千米），那裡溫度很低，水汽會大量凝結，包裹住煙雲，形成非常白的、尺寸穩定的大蘑菇。核爆當量更大時，蘑菇雲甚至會穿過對流層頂，抵達平流層，尺寸也更大了。
由於衝擊波的特點，在核爆過程中，根據距離遠近，還會先後聽到連續的聲響，有人形容像暴雨，也有人說像氣球爆炸。隨之而來的是大量放射塵，會降落到物體表面造成持續危害。
貝魯特大爆炸
這次發生在貝魯特港口的大爆炸，現場聲音震耳欲聾，據悉已造成超過135人死亡，約5000人受傷，數十人下落不明。
爆炸產生的蘑菇雲，瀰漫了城市的天際線。周圍大片建築被蕩平。
貝魯特爆炸動圖。| 來自網路
官方透露，本次事故系存放在港口倉庫中的2750噸硝酸銨引起。這些硝酸銨在6年前被海關扣押，一直未挪出過港口，也未採取任何安全措施。黎巴嫩政府已出動軍方軟禁了2014年以來的所有倉庫負責人，要求迅速調查並提交結果。
硝酸銨是一種氮肥，也是一種炸藥，加熱或撞擊都可能引爆，常用於採礦和建築爆破。大量硝酸銨爆炸就會產生蘑菇雲。
從現場視頻可見，先是白色煙雲冒起，伴隨炸裂的砰砰聲響。隨後有火球和紅棕色蘑菇雲出現。之後白色球狀的氣體迅速從爆炸區散開。
爆炸現場視頻截圖。| 來自網路
白色煙雲無疑是火災引起。其後紅棕的顏色來自高濃度的二氧化氮，這是硝酸銨分解時產生的化學物質。一閃而過的白色球狀氣體，則是爆炸產生的衝擊波使空氣中的水分凝結。*這有些類似於核爆「雙閃」之間濃厚氣體對爆心光線的阻擋。
因為在爆炸時，爆炸中心的壓力急劇升高，會使周圍空氣猛烈振蕩形成波動（溫度、壓強和密度均發生躍變），並以超音速向周圍衝擊。衝擊波是高壓快速移動的區域，緊接其後的是壓力和溫度的突然下降，這就引起了水分凝結。——同樣的效果在飛行速度接近或高於音速的飛機周圍也會產生。
據測算，這次爆炸的當量在300~700噸TNT之間，相當於港口挨了一顆小型戰術核彈。產生的地震波相當於4.5級地震，連遠在幾百英里外的塞普勒斯居民都有震感。形成蘑菇雲也就毫不奇怪了。
當地華人回憶，當時整棟樓都在搖晃，巨大衝擊波襲來，讓人誤以為遭遇導彈襲擊。
事發前後高清衛星圖對比顯示，在爆炸的瞬間，港區地貌被強行物理改變，碼頭上一塊原本是陸地的位置消失，強大的威力直接就地挖出一個直徑約140米的巨坑，尺寸超過足球場 。數百米外的7000噸級游輪「東方女王號」被炸沉。
爆心地區前後對比圖，港口被挖出一個巨坑。| CNN
以色列方緊急撇清關係，表明與自己無關。貝魯特州長則稱此爆炸是一場類似廣島的國家災難。慘烈程度讓人想起同是硝酸銨引發的1974年的美國德州格蘭德坎普號貨輪爆炸事件，那是美國歷史上最嚴重的工業災難。
1974年格蘭德坎普號貨輪爆炸照片。被稱為美國歷史上最嚴重的工業災難。當時貨艙里2300噸硝酸銨化肥被引爆，竄起的火球擊落上空飛過的兩架飛機，並在周圍引發海嘯。周邊貨輪、化工廠、煉油廠接連被引爆 ，最終造成581人死亡，超3500人受傷，直接迫使美國改變了硝酸銨的運輸和分裝標準。| 來自網路
從爆炸中逃生
當然，與核爆相比，化學品爆炸一般引起較小的衝擊波和火熱傷害，外加有毒氣體。而核爆可以產生更多維的打擊，比如：
閃光會造成短暫失明，衝擊波可在幾英里外致人死亡，輻射會傷害身體細胞，火球和熱量會導致燒傷和死亡，電磁脈衝可破壞幾英里內的電力系統和電子設備，並在更大範圍內造成通訊干擾，沉降物則會導致持續的放射性污染。
面對爆炸，普通人應該怎麼辦呢？無論是一般爆炸還是核爆，爆炸中心的人幾乎在劫難逃。但稍遠一些還是可以採取一些措施降低損傷。因為衝擊波會比光延後到達，看到濃煙和閃爆應該立刻避開，躲到建築牆體之後，避免直接打擊和拋物打擊。
如果周圍沒有建築物，應立刻背朝爆炸物方向卧倒，雙手護住頭部，雙腿交疊護襠。同時為了防止地面震動引發臟器損傷，應用肘部接觸地面，保持頭胸部到地面之間有一定空隙。
如果是核爆，根據美國國土安全部防護說明，還應以最快速度轉移到室內，並盡量遠離外牆和屋頂，去到建築中心或地下室。同時儘快去除被污染的衣物，清洗裸露的皮膚和頭髮，不吃暴露在室外的食物。要儘可能去最近、最好的避難所，在余塵到來之前都呆在裡面。
就目前而言，因為核彈的威力過於巨大，任何國家都不太可能將其用於戰爭，我們受到核彈襲擊的可能性微乎其微。但核污染和化工爆炸事件同樣值得警惕。希望這些求生方法我們永遠也別用到。
參考信息
央視新聞，CNN，美國國土安全部，中國科學報等
1、升騰島國的蘑菇雲──美國原子彈襲擊日本廣島、長崎內幕。陳漢忠，南京史志，1995-04-15
2、蘑菇雲寬度變化率與核爆炸當量的函數關係。金良安、王孝通、張明虎、楊常清，高壓物理學報，2003-09-25
3。 蘑菇雲之謎，范一超，世界科學，1986-06-30
