Последствия региональных неядерных войн

 

Современные региональные войны и конфликты, являясь неядерными, используют достаточно мощные средства ведения военных действий. К ним относятся: стратегическая бомбардировочная авиация, тактическая и палубная авиация, авиация специального назначения, авианосцы, носители крылатых ракет (атомные подводные лодки, подводные корабли и др.). Масса наибольшей авиабомбы составляет около 10 тонн.

За последние годы силы НАТО участвовали в четырех региональных войнах: операция «Буря в пустыне» против Ирака в 1991 г., против Югославии в 1999 г., против Афганистана в 2001 г. и операция «Шок и трепет» против Ирака в 2003 г. Последняя война была наиболее масштабной. Остановимся на ней подробнее.

 

Война началась 20 марта 2003 г. и продолжалась около трех недель.

 

В военных действиях со стороны антииракской коалиции приняли участие более 1 тыс. самолетов, 35 носителей крылатых ракет (КР) с 1 100 ракетами на борту и 6 авианосцев. Суммарная масса использованных взрывчатых веществ составила около 15 кт. Для сравнения укажем, что расход взрывчатых веществ в течение Первой и Второй мировых войн приближался к 5 и 10 Мт, соответственно.

 

Военные действия в Ираке сопровождались вылетами 2 тыс. самолетов, полетами 1 тыс. крылатых ракет (а значит, инжекцией продуктов сгорания топлива и акустической энергии), горением нефтяных скважин и хранилищ нефтепродуктов, а также пожарами в городах. Впервые для подавления электронных средств противника была применена электромагнитная бомба (Е-бомба) мощностью около 10 ГВт.

 

Автором построена модель физических процессов и экологических последствий, сопровождающих региональные неядерные военные действия, а также выполнены детальные расчеты физических эффектов и экологических последствий, сопровождавших военные действия в Ираке в марте–апреле 2003 г. Основные результаты сводятся к следующему.

 

Полеты самолетов и КР привели к инжекции, соответственно, 100–200 и 1 кт продуктов сгорания топлива.

 

Суммарная энергия акустических колебаний, вызванных полетами самолетов и КР, составила 2 000–7 500 и 40 ГДж, соответственно. Частотный спектр акустического излучения был достаточно широк. Движение летательных аппаратов и струй реактивных двигателей обусловило значительное усиление излучения в частотных диапазонах 3–30 и 400–700 Гц.

 

При взрывах всех боеприпасов разрушено примерно 3 Мт вещества. Масса аэрозолей при этом составила около 0,3 Мт, примерно четвертая часть которых (75 кт), по-видимому, заброшена взрывами и конвекционными процессами на достаточно большие высоты (1–2 км), где время жизни аэрозолей составляет 1–10 суток.

 

Взрывы сопровождались электризацией пыли и продуктов взрыва, генерацией возмущений в электрическом поле атмосферы. Величина суммарного электрического заряда достигала 100 Кл. Возмущения электрического поля в окрестности взрыва были порядка сотен кВ/м, продолжительность отдельного возмущения изменялась в пределах нескольких сотен секунд.

 

Взрывам сопутствовала генерация акустических колебаний в диапазоне частот ~ 1–10 Гц. Их суммарная энергия составила около 3 000 ГДж, а средняя мощность — 6 МВт.

 

Энергия сейсмических волн, сгенерированных взрывами, не превышала 600 ГДж. Их энергия была недостаточной для активизации естественных сейсмических процессов в литосфере, для инициирования землетрясений.

 

Поражение радиоэлектронного оборудования электромагнитным излучением Е-бомбы было возможным на расстояниях от долей до нескольких десятков километров. Повреждение и «зависание» компьютеров было вероятным на несколько больших (1–100 км) удалениях от места подрыва бомбы. Вывод из строя медицинского оборудования типа сердечных стимуляторов был возможен в пределах прямой видимости на удалениях в несколько сот километров.

 

Взрывы привели к эффекту экранирования солнечного излучения. Энергия сопутствующих вторичных процессов превышала энергию первичного процесса (взрыва) примерно на 3–5 порядков.

 

Мощность и энерговыделение отдельного городского пожара достигали 10 МВт и 1 000 ГДж. Суммарное энерговыделение было около 400 ТДж (1 ТДж = 1000 ГДж) при средней мощности, близкой к 4 ГВт. При этом в атмосферу было выброшено около 1 кт дыма и 0,5 кт сажи.

 

Энергия и мощность вторичных процессов, обусловленных экранированием солнечного излучения, составили около 1,7·1014 Дж и 1,7·1012 Вт.

 

Величина акустической энергии, сгенерированной городскими пожарами, достигала 1012 Дж при средней мощности 10 МВт.

 

Горение нефтяных скважин — самый интенсивный источник возмущения параметров околоземной среды и процессов в ней. Мощность, выделяемая при горении скважины, составляла десятки ГВт, энерговыделение — десятки ПДж (1 ПДж = 1 млн ГДж), а высота потоков горячего воздуха (термика) — 3 км. Суммарное количество сгоревшей нефти приблизилось к 40 Мт, энерговыделение — к 1015 Дж при средней мощности около 1012 Вт. В результате горения нефтяных скважин (около 50 штук) в атмосферу было выброшено почти 4 Мт дыма и 2 Мт сажи. Это привело к эффекту экранирования солнечного излучения, из-за которого земная поверхность недополучила около 1022 Дж энергии солнечного излучения. Мощность этого вторичного процесса составила около 7·1012 Вт. Горение нефтескважин сопровождалось генерацией акустико-гравитационных волн (АГВ) с энергией около 4,5 ПДж и средней мощностью около 2 ГВт.

 

При пожарах на нефтехранилищах сгорело почти 1 Мт нефти, в атмосферу выброшено около 80 кт дыма и 40 кт сажи. Суммарное энерговыделение составило 3·1013 Дж при средней мощности 100 ГВт. Энергия и мощность вторичных процессов, связанных с экранированием солнечного излучения, составили 4·1019 Дж и 1014 Вт.

 

Горение нефтехранилищ сопровождалось генерацией АГВ с энергией около 1014 Дж и мощностью 0,3 ГВт.

 

При пожарах в частотном спектре АГВ должно было иметь место усиление составляющих на частотах 0,002; 0,1 и 1 Гц при среднем диаметре пламени около 10 м.

Последствия военных действий в Ираке (март-апрель 2003 г.)

 

Кроме нарушения теплового и динамического режимов в системе «подстилающая поверхность — атмосфера», к негативным экологическим последствиям привели выбросы углеводородов (около 10–100 % от фонового значения во всей атмосфере) и кислот HCl, H2SO4 и HNO3 (около 10 % от фонового значения во всей атмосфере).

 

Интенсивные пожары, выбросы наэлектризованной пыли и аэрозолей, инжекция радиоактивного вещества в результате использования слабо обогащенного урана должны были привести к существенному возмущению электрических параметров атмосферы над Ираком и глобальной электрической цепи в целом.

 

Значительная энергетика АГВ обусловила нарушение режима взаимодействия нижней и верхней атмосфер. По-видимому, имели место и другие каналы воздействия процессов в приземной атмосфере на верхнюю атмосферу, ионосферу и магнитосферу.

 

Катастрофические последствия глобальной ядерной войны

 

Ниже описаны возможные последствия глобальной ядерной войны для атмосферы, климата и экосистем. Их изучение стало возможным в результате математического моделирования ожидаемых процессов, а также экстраполяции (т. е. расширения) результатов наблюдения глобальных природных катастроф.

 

Общие сведения. В арсеналах ядерных держав (а их девять — США, Россия, Великобритания, Франция, Китай, Индия, Пакистан, КНДР и Израиль) накоплены десятки тысяч ядерных зарядов с энерговыделением от единиц килотонн (кт) до единиц мегатонн (Мт). Суммарное энерговыделение составляет величину около 10 Гт (Гт — гигатонна) или 5·1019 Дж. Оно соответствует энергии сильнейшего землетрясения, взрыва вулкана, циклона или астероида с диаметром около 1 км. Таким образом, человечество впервые за свою историю овладело оружием с мощью космических масштабов.

 

По мнению экспертов, если третья мировая война начнется, она может перерасти в глобальную ядерную войну. Основным театром военных действий, скорее всего, станет Северное полушарие. При этом будет использовано большинство имеющихся ядерных боеприпасов, которые будут взорваны вблизи поверхности Земли. На первый взгляд, воздействие на планету кажется незначительным. Так, при энерговыделении в 5·1019 Дж, температура атмосферного газа с массой 5·1018 кг увеличится на 0.01°.

 

Если бы вся энергия ядерных боеприпасов ушла на нагрев Мирового океана, то температура воды увеличилась бы всего на 0,00001°.

 

Всей энергии взрывов достаточно для плавления льда массой 1,6·1014. Такую массу имеет куб льда со стороной около 6 км.

 

Таким образом, полученные оценки свидетельствуют о том, что энерговыделение всех накопленных ядерных боеприпасов не приведет к заметным изменениям окружающей среды. Но, к сожалению, это не так. Дело в том, что энергетического подхода здесь явно недостаточно. Взрывы приведут к длительному радиоактивному заражению атмосферы, почвы и воды, продолжительным изменениям климата, разрушению экосистем, демографической катастрофе и другим тяжелейшим последствиям. Более того, относительно слабые первичные процессы, вызванные массовыми взрывами, могут привести к существенно более сильным вторичным и третичным процессам. Эти и другие вопросы рассмотрим несколько подробнее.

 

Масштабы воздействия. Ядерное оружие обладает следующими тремя основными поражающими факторами: ударная волна (перепад давления воздуха), тепловое воздействие и радиоактивное заражение.

 

Ударная волна — причина разрушений. Ядерный заряд в 1 Мт вызывает разрушения на площади около 500 км2, все накопленные боеприпасы — на площади 6 млн км2. Напомним, что площадь, например, Европы составляет 10 млн км2.

 

При взрыве ядерной бомбы выбрасываются радиоактивные вещества. Для заряда в 1 Мт число распадов в секунду составляет 1022 с–1. При энергии 10 Гт имеем число распадов 1026 с–1. Величина заражения может оказаться значительно большей из-за разрушения атомных электростанций и других ядерных объектов. При мощности АЭС в 1 ГВт выбрасывается радиоактивное вещество с числом распадов 4·1019 с–1, а при мощности 103 ГВт их число — 4·1022 с–1. Хотя начальная активность продуктов разрушения АЭС ниже, чем при взрыве, продолжительность радиоактивного заражения существенно выше, что обусловлено большим количеством долгоживущих изотопов в топливе атомных электростанций. Из таблицы видно, что в первые месяцы и годы площадь зоны необитаемости порядка площади всей земной поверхности — 500 млн км2. Лишь через десятки лет она уменьшится на порядок. 

Катастрофические последствия бомбардировки г. Хиросима

 

В центре ядерного взрыва температура вещества составляет десятки миллионов градусов. Столь высокие температуры приведут к сильнейшим пожарам. При взрыве заряда в 1 Мт они возникают  на площади в 100–300 км2, при взрыве всех ядерных боеприпасов пожаром будет охвачена территория в 1–3 млн км2. Удары в первую очередь, по-видимому, будут наноситься по крупным городам, где удельная масса горючих материалов достигает 300 кг/м2. Около 70 % населения США, Канады, Европы и России живет в городах. Число городов с населением более 1 млн человек — около 120. Считая среднюю площадь такого города равной 300 км2, получим, что масса горючих материалов в городах, затронутых театром военных действий, примерно 1013 кг. Средняя удельная теплотворная способность горючих материалов равна 4·107 Дж/кг. При полном сгорании топлива массой 1013 кг выделится количество теплоты, близкое к 4·1020 Дж. Пожары неизбежно перекинутся на леса, площадь которых в Северном полушарии составляет 5 млн км2. При удельной массе 20 кг/м2 и теплотворной способности 107 Дж/кг количество теплоты составит 1021 Дж. Суммарное значение теплоты близко к 1,4·1021 Дж. Пожары — вторичные процессы. Их энергия в 30 раз больше энергии первичных процессов, т. е. взрывов боеприпасов. Продолжительность горения лесов зависит от их протяженности и средней скорости ветра и составляет около 10 суток. Мощность вторичных процессов равна 1,4·1015 Вт. Для первичных процессов средняя мощность близка к 5·1016 Вт.

 

Последствия для атмосферы. За счет вторичных процессов, а именно горения лесов и городов, атмосфере будет дополнительно передано около 1021 Дж тепла. При этом величина нагрева атмосферы, равная 0,01°, увеличится в 30 раз и достигнет 0,3°. Это не очень значительный нагрев атмосферы в глобальных масштабах. Локальный нагрев — над пожарами — значительно сильнее (около 100–1000 К).

 

Другим важным последствием является 50 %-е разрушение озоносферы. Дело в том, что при взрыве бомбы в 1 Мт образуется около 1032 молекул окислов азота, которые переносятся в стратосферу, вступают в реакцию с О3 и разрушают озоносферу. Ее восстановление займет несколько лет.

Третье и наиболее значимое последствие связано с выбросом грунта при наземных ядерных взрывах. Масса раздробленного грунта составит около 5·1014 кг. Примерно 10 %, или 5·1013 кг, составляет масса пыли, выброшенной в стратосферу на высоту 10–30 км. Важно, что около 10 % общей массы пыли (т. е. 5·1012 кг) приходится на частицы с размером менее 10–6 м. Они очень медленно (со скоростью 10–7–10–3 м/с) оседают из стратосферы на землю, время их оседания — не менее 100 суток. Сильно запыленная атмосфера непрозрачна для солнечного света. К подобному эффекту приведет также «задымленность» атмосферы. Как известно, дым состоит из мелких частиц неполностью сгоревшего топлива. Масса дыма составляет около 2–8 % от массы топлива. Если последняя равна 1013 кг при горении городов и 1014 кг при лесных пожарах, то масса дыма изменяется в пределах 1011–1012 кг и 1012–1013 кг, соответственно. Масса углерода при этом равна около 1/4–1/3 от массы дыма. Именно он и поглощает солнечное излучение. Следовательно, общая масса мелкой пыли и частиц дыма достигает величины около 1013 кг. Сначала она распространится на площади порядка 1014 м2 (площадь суши в Северном полушарии) и в объеме около 2·1018 м3. Средняя концентрация пыли составит 5·10–6 кг/м3. Сначала прозрачность атмосферы для солнечного излучения уменьшится в миллионы раз. После распространения пыли во всей земной атмосфере, т. е. в объеме 1019 м3, прозрачность атмосферы уменьшится «всего» в 20 раз.

 

Таким образом, «запыленность» и «задымленность» атмосферы делают ее непрозрачной для солнечной радиации. Данное явление названо «ядерной ночью». При этом нарушается сложившийся баланс тепла. Подавляется парниковый эффект, связанный с тем, что газовая оболочка Земли более прозрачна для солнечного (длина волны 0,1–1 мкм), чем для теплового (длина волны 10 мкм) излучения. Атмосфера выступает в качестве «одеяла» для поверхности Земли. За счет подавления парникового эффекта температура последней, а также приземного воздуха, понизится примерно на 30–40°, и возникнет явление, получившее название «ядерной зимы». Она наступит через несколько недель после конфликта. В отличие от нее «ядерная ночь» наступит уже через несколько дней после начала военных действий и температура атмосферы, напротив, возрастет на 5–20° над сушей и над Мировым океаном, соответственно. Температура океана существенно не изменится из-за его большой теплоемкости. Он-то и будет способствовать нагреву вышележащей атмосферы. В результате «ядерной зимы» поверхность планеты в течение года недополучит солнечную энергию в объемах, равных 4·1023 Дж. Величина мощности при этом составит 1016 Вт.

 

Таким образом, энергия третичных процессов существенно (в 8 тыс. раз) превосходит энергию первичных  процессов.

 

Это не может не сказаться на перестройке климата Земли (см. ниже).

 

Четвертое последствие массированных ядерных взрывов для атмосферы заключается в возникновении огненных штормов над горящими городами. Дело в том, что над интенсивным пожаром температура газа значительно выше, чем в ненагретой области. Это приводит к подъему масс воздуха с огромной скоростью, т. е. к конвекции. Расчеты показывают, что эта скорость составляет 30–100 м/с. Для сравнения добавим, что скорость ураганного ветра равна 30–40 м/с. Важно, что конвекция существенно развивается лишь при значительных вертикальных потоках тепла (не менее 10 кВт/м2). При горении городов плотность потока тепла близка к 1 МВт/м2, а при лесных пожарах и времени полного выгорания топлива, равного 5·103 с, она достигала 40 кВт/м2.

 

Огненные штормы наблюдались в годы Второй мировой войны при бомбардировке Гамбурга в июле 1943 г., Дрездена в феврале 1945 г., а также Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 г. При этом дым поднимался на высоту 10 — 12 км.

 

Огненные штормы сопровождаются сильными ливнями, другими серьезными изменениями погоды.

 

Как уже отмечалось, вариации температуры воздуха над океаном и сушей будут существенно отличаться. Это неизбежно приведет к изменению системы ветров, структуры и частоты образования вихрей, т. е. к перестройке динамического режима атмосферы.

 

Следствием остывания суши и одновременного нагрева атмосферы будут подавление конвекции над сушей и значительное ослабление турбулентного перемешивания, полное или частичное подавление циклонообразования.

 

Заметную часть осадков на сушу приносят циклоны. Нарушение процесса циклонообразования вызовет уменьшение уровня осадков. Есть и вторая причина их уменьшения. Она связана с нагревом атмосферы, падением ее относительной влажности, а значит, ухудшением условий конденсации водяных паров.

 

Уменьшение уровня осадков продлит «запыленность» и «задымленность» атмосферы, затягивая похолодание и нарушение режима осадков. В этом состоит одно из проявлений синергетической, т. е. совместной, деятельности различных процессов.

 

Площади зон необитаемости (км2)

Время

после взрыва

Наземные взрывы

(энергия 5·1019Дж)

Разрушение АЭС

(мощность 1012Вт)

2 недели

8·108

2·108

2 месяца

6·108

2·108

2 года

2·107

108

20 лет

0

2·107

 

Последствия для Южного полушария. Если ядерная война начнется в Северном полушарии, ее последствия в несколько ослабленном виде скажутся и в Южном полушарии. Пыль и частички дыма распространятся по всему земному шару за характерное время около 20 суток.

 

Последствия для климата. Климат, как известно, формируется в результате взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы, криосферы и биосферы.

 

В результате ядерной войны сильнее всего изменится состояние атмосферы, в меньшей степени — состояние других оболочек. Этого уже достаточно для катастрофических климатических изменений.

 

В первые дни после бомбардировок в Северном полушарии следует ожидать быстрого падения темпера туры поверхности грунта и приземных слоев воздуха на 15–20°. Примерно через месяц она заметно понизится и в Южном полушарии. Например, в Центральной Африке — на 50°, в бассейне Амазонки и в Юго-Восточной Азии — на 40°, в то время как в Европе и Сибири — на 30°. В Северном полушарии температура будет ниже нормы примерно на 10° даже через полгода.

 

Значительные климатические отклонения через несколько месяцев постепенно уменьшатся. За это время в основном очистится атмосфера. Но последствия разрушения поверхности литосферы и биосферы растянутся на десятки лет. Это означает, что на Земле по существу установится новый климатический режим, возможно, сильно отличающийся от нынешнего.

 

Разрушение экосистем. Ядерное оружие — глобальное биосферное оружие. В результате его применения существенно изменятся сложившиеся экосистемы. Этому будут способствовать следующие факторы:

  • во-первых, радиационное заражение. Дозы радиации порядка 10–102 Дж/кг приведут к гибели большинства млекопитающих и птиц, к поражению хвойных деревьев. Насекомые, микроорганизмы, травы, почвенная флора и фауна способны перенести дозы в 10–100 раз большие;
  • во-вторых, пожары. Выгорит 2–3 млн км2 лесов Северного полушария. В огне погибнет значительная часть флоры и фауны;
  • в-третьих, «ядерная ночь» и «ядерная зима». Произойдет прекращение фотосинтеза, вымораживание растительности, гибель многих популяций животных;
  • в-четвертых, усиление воздействия ультрафиолета. Разрушение озоносферы приведет после окончания «ядерной зимы» к увеличению потока ультрафиолетового излучения Солнца примерно в 4 раза, а следовательно, к угнетению иммунной системы биоорганизмов, к распространению раковых заболеваний;
  • в-пятых, выпадение кислотных дождей (снегов). Ядерные взрывы приведут к образованию примерно 1011 кг азотной кислоты. Выбросы оксидов серы и азота при горении городов и лесов увеличат массу кислот на порядок.

Как же изменятся экосистемы?

 

 В Северном полушарии погибнет около половины хвойных и еще больше лиственных лесов. Лесные экосистемы заменятся травяными и болотами.

 

Степи пострадают относительно мало. Возникнет засилье сорняков.

 

 В Северном полушарии погибнет более 30 % животных и растений саванн, муссонных лесов, субтропиков и тропиков. Содержание углекислого газа в атмосфере возрастет на 15 %.

 

 Экологические последствия в Южном полушарии будут выражены слабее.

 

 Экосистемы океана пострадают сравнительно мало. В результате «ядерной ночи» почти полностью прекратится фотосинтез, уменьшится количество фитопланктона и погибнут многие виды рыб.

 Удары по портам приведут к загрязнению примерно на 10 % общей площади морей и океанов нефтяной пленкой.

 

 Разрушение сложившихся экосистем вызовет массовую гибель флоры и фауны, исчезновение некоторых их видов, ускорится вымирание и уменьшится видовое разнообразие. В результате всего этого произойдет снижение устойчивости биосферы в целом. Вновь сложившаяся через десятки лет биосфера может оказаться неприемлемой для человека.

Катастрофические последствия бомбардировки г. Нагасаки

 

Демографическая катастрофа. Демография, как известно, изучает закономерности развития народонаселения.

 

В течение ядерной войны погибнет около 1 млрд человек. «Ядерную ночь» и «ядерную зиму» не перенесут примерно 2 млрд человек. Затем еще 1–2 млрд людей вымрут из-за недостатка нормальной пищи. Возможно, что в Северном полушарии вообще никто не выживет. Не исключено, что это же произойдет и в Южном полушарии.

 

Последствиями глобальной ядерной войны станут повышение уровня смертности, падение рождаемости, увеличение числа неполноценных детей, рост онкологических заболеваний, усиление наследственных заболеваний, снижение иммунитета и т. д.

 

«Закрытие» ядерной бомбы. Выше продемонстрировано, что глобальная ядерная война приведет к катастрофическим экологическим последствиям, полный прогноз которых осуществить в настоящее время не представляется возможным.

 

Не случайно в конце ХХ в. появилось высказывание о том, что физики открыли ядерную бомбу, а математики ее «закрыли». Коллектив математиков под руководством Н. Н. Моисеева — крупного специалиста по глобальной экологии — путем численного моделирования доказал невозможность использования ядерных арсеналов, поскольку оно самоубийственно для человечества. Возникновение глобального ядерного конфликта означало бы конец человеческой цивилизации, а возможно, и исчезновение человека как вида.

Удачно об этом высказался российский физик академик Е. П. Велихов: «Теперь стало всем ясно, что ядерное оружие уже не инструмент политики и даже не инструмент войны. Это инструмент самоубийства».