Физические эффекты ядерного взрыва в операции "Морская Звезда"

Физические эффекты
           ядерного взрыва в операции
                «Морская Звезда»
    Дегтяренко Л.И., Жмайло В.А., Соболев И.В., Соколов С.С.,
                     Янилкин Ю.В. (ИТМФ)
Содержание:
1.   Как и зачем был проведен ЯВ
     «Морская Звезда»
2.    Основные результаты
     наблюдений
3.   Физические модели эффектов
     космических ЯВ
4.   Численное моделирование и
     некоторые его результаты
5.   Выводы: связь с физикой
     магнитосферы

Цели испытаний
    В 1962 г в СССР и США провели серии ЯВ в космосе. Как известно
       теперь, основные цели этих опытов для обеих стран совпадали.
1.     Каждая из стран стояла на пороге развертывания системы ПРО.
       Считалось, что космические ЯВ могут стать основным средством
       поражения боеголовок противника – требовалось экспериментальные
       данные о поражающих факторах космических ЯВ.
2.     Приближалось заключение договора о запрещении испытаний
       ядерного оружия в 3 средах. Каждая из сторон нуждалась в проверке
       эффективности своих мер контроля о соблюдении этого договора
       другими сторонами. Взрывы в космосе представлялись наиболее
       проблематичными.
   После проведения этих ЯВ оказалось, что по многообразию и
       масштабности наблюдавшихся физических эффектов каждый из таких
       ЯВ может рассматриваться как уникальная физическая лаборатория.
Наиболее яркий пример – взрыв в операции «Starfish» («Морская Звезда»)
Мощность 1400 кт
Высота 400км
Широта ~ 20° с.ш.
Время 09.07.62 в 22 часа местного времени

Расположение точек наблюдения в опыте «Starfish»

Наблюдаемые эффекты
   1. Оптические эффекты:

 Меридиональная плоскость   Широтная плоскость

Размеры СО 500-1000 км
Яркость - сравнима с яркостью дневного неба
(в первые секунды)
Форма – чаша + струи плазмы вдоль поля

Наблюдаемые эффекты
2. Потоки быстрых заряженных частиц:
• Быстрые электроны (Е~100 ev) появились
    в северной магнитосопряженной области
    при t=60мсек, их потоки ~ 1015
    эл/см2(1МА/км2);
• β-электроны от распада осколков деления
    – появились там же через 0.2 сек, диаметр
    струи ~ 1000км;
• Радиоактивные осколки деления
    зарегестрированы в северной
    магнитосопряженной области через 0.2
    сек, в южной – через 2 сек
• Искусственный радиационный пояс:
    j=109эл/см2сек (t=1 день),
j=106эл/см2сек (t=100 дней),
ΔL1~1.2÷1.4, ΔL2~1.7÷2.2
Естественный радиационный пояс (внешний,
    электронный) jе =104эл/см2сек, ΔL1~2÷3

Наблюдаемые эффекты
3. Прекращение радиосвязи в диапазоне 10 Мгц на линиях,
   проходящих через область с радиусом 2000 км в течение
   нескольких минут.
4. Возмущения геомагнитного поля:
• наблюдались наземными геофизическими лабораториями
   на расстояниях до 104 км в виде импульсов длительностью
   1 мин и амплитудой до 10-2В0 (В0- напряженность
   геомагнитного поля).
• в области взрыва (с помощью магнитометра на борту
   ракеты-зонда) сначала регистрировалось вытеснение
   магнитного поля из области вблизи точки взрыва, а затем,
   при t~10 сек, «коллапс» магнитной каверны.

«Наивная» модель
Параметры ПВ
Евзр=ЕПВ+ЕРИ , ЕРИ=αЕвзр ,        α=5/6
ЕПВ= ЕПВкин+ ЕПВвнут
Из-за адиабатического расширения ЕПВкин>> ЕПВвнут ,
VПВ≈(ЕПВ/МПВ)1/2, ЕПВ ≈ 250 кт, МПВ ≈ 103кг
⇒ VПВ ≈ 2000 км/сек,
  из-за эффекта «закалки» степень ионизации плазмы ПВ κ>1.
Параметры атмосферы
ρ(z)= ρ0e-z/Δ , ρ0=10-14г/см3 , Δ=10÷100км,
ионосфера ρi =10-16г/см3
Рентгеновское излучение ионизует и нагревает атмосферу,
 степень ионизации κатм=(RРИ/r)2, где RРИ=2 ÷3 км.
Пробеги ионов ПВ в атмосфере на высоте точки взрыва (по торможению)
  L ≈ 108км,
 по направлению «вниз» L ≈ 300 км

«Наивная» модель

В такой модели оказывается:
1.   Энерговыделение нелокальное,
     слабоинтенсивное, протяженное
     по горизонту
2.   Центр области энерговыделения
     на высоте 80÷120 км
3.   Эта область осесимметрична
4.   Никаких струй ПВ или эффектов
     в магнитосопряженных точках
     нет
5.   Радиационный пояс не возникает

Качественная картина эффектов ЯВ

Меридиональная плоскость   Вид с северо-востока

Механизмы
бесстолкновительного
   взаимодействия
  потоков плазмы в
   магнитном поле

     Ř≈50 ÷500 км
     RH≈5÷10 км
     ⇒ δ>>1
     ⇒ Rторм~ Ř

Эффекты неупругих столкновений

Для параметров ионизованной атмосферы по
  «наивной» модели Ř~500км.
Ионизация: LionŘ≈100км
=> Энерговыделение становится локальным и
  интенсивным.
Перезарядка: a++b=a+b+ (a+ - быстрый ион ПВ,
b – атом воздуха). => RПВ~500км
=> Rβ~500км для северной магнитосопряженной
  области и
ΔL~1.2÷2 для ИРП.

Магнитогидродинамические
            эффекты
При наличии сильной связи между движением
  плазмы и магнитным полем:
• расширение плазмы приводит к вытеснению
  магнитного поля из области взрыва и
  последующему распространению МГД волн в
  ионосфере вплоть до поверхности Земли
• Магнитное поле вызывает торможение плазмы
  и коллапс магнитной каверны

Эффекты рентгеновского излучения

1. Ионизация нижних слоев атмосферы =>
   искусственный слой ионосферы =>
   дополнительное поглощение радиоволн.
2. Ионизация ближней области взрыва =>
   образование фотоэлектронов.
Убегание фотоэлектронов из ближней области в
   далекие магнитосопряженные точки
   возможно из-за конечной проводимости
   ионосферы.

Особенности развития ЯВ на высотах h 150км:
  •   - атмосфера на высоте взрыва настолько разрежена, что
      характерные пробеги частиц могут заметно превосходить
      размеры области взрыва;

  •   - ларморовские радиусы заряженных частиц оказываются
      достаточно малыми, так что определяющую роль в их движении
      играет геомагнитное поле;

  • - по этим причинам динамика заряженных и нейтральных частиц
    оказывается существенно различной;
  • - имеется сильная связь между процессами образования и
    движения плазмы;

  •   - неоднородность атмосферы совместно с действием магнитного
      поля и большими пробегами частиц и излучения приводят к
      появлению нескольких областей энерговыделения от таких ЯВ;

  •   - c действием магнитного поля связано и то обстоятельство, что
      картина взрыва оказывается трехмерной (в общем случае поле не
      параллельно градиенту плотности атмосферы).

«6-потоковая» модель
рассчитывается движение и взаимодействие
  электронов и потоков «тяжелых» частиц:

• 1 - ионов ПВ,
• 2 - нейтральных атомов ПВ,
•  3 - ионов атмосферы (''быстрых''),
• 4 - нейтральных атомов атмосферы
  (''быстрых''),
• 5 - ионов атмосферы (''медленных''),
• 6 - атомов атмосферы (''медленных'').

Основные формулы «6-потоковой» модели

Для тяжелых частиц

для электронов

для магнитного поля

где                учитывают эффекты упругих и
  неупругих столкновений

                      - эффект ''ларморовского''
  взаимодействия между потоками

«2-потоковая» модель

Основные приближения:
• малость ларморовского радиуса ионов;

• малость пробегов по неупругим
  столкновениям между «быстрыми» частицами;

• полуэмпирические соотношения для описания
  фронта «бесстолкновительной» УВ.

Численные методики

• Начальная стадия – 2D «6-потоковая» методика
  «МПГД-6».

• Поздние моменты времени - 3D «2-потоковые»
  методики
   – «ТРЭК-МП2» («мелкозернистое» поточечное распараллеливание,
     расчеты проводились на многопроцессорных системах с
     использованием до 200 процессоров)

   – «ТИМ-МП2» (для численного моделирования двухпотоковых
     течений плазмы используются две счетные сетки. ).

Схема постановки задачи
(меридиональная плоскость (XZ))

Начальные данные

Результаты расчетов

Светящаяся область, плоскость магнитного меридиана, время t=10 сек.
   X - высота относительно точки взрыва , Y – горизонтальная ось.
    Уровни светимости (в единицах Мвт/км2) приведены на шкале.

Светящаяся область, плоскость магнитной долготы, время t=10
 сек. X - высота относительно точки взрыва, Z – горизонтальная
ось. Уровни светимости (в единицах Мвт/км2) приведены на шкале.

Сравнение рассчитанных и наблюдавшихся размеров светящейся
области (1- горизонтальный размер в меридиональной плоскости, 2 -
 горизонтальный размер в «широтной» плоскости, 3 и 4 - нижняя и
               верхняя границы светящейся области)

   а – расчетные данные              b – данные наблюдений

Изолинии магнитного давления в
меридиональной плоскости на время t=1 сек.

Изолинии магнитного давления в
меридиональной плоскости на время t=5 сек.

Сравнение результатов расчетов и
   эксперимента по размерам магнитной каверны.

1500                               700

                                   600
1000
                                   500
                          exp_Zn
                                   400                             exp_Xn
 500                      exp_Zv
                          exp_Zn   300                             exp_Xv
                          exp_Zv                                   c0_Xn
   0                               200
                          c0_Zv                                    c0_Xv
        0   2    4    6            100
                          c0_Zn                                    c2_Xn
 -500                     c2_Zv      0                             c2_Xv
                          c2_Zn           0      2      4      6
                                   -100
-1000
                                   -200

-1500                              -300

 Продольные размеры                       Поперечные размеры

Заключение
1. Сравнение      результатов     численного
   моделирования эффектов ЯВ «Starfish» с
   данными опыта обнаруживает разумное
   согласие между ними, что подтверждает
   основные положения используемого подхода
2. Это обстоятельство позволяет использовать
   разработанный    подход    для   описания
   нестационарных геофизических процессов
   (взаимодействие    солнечного   ветра    с
   магнитосферой     Земли,   магнитосферно-
   ионосферные      связи,    в    частности,
   геомагнитные бури).