Perché le bombe atomiche vengono fatte esplodere ad una certa altezza dal suolo?

D. Vorrei saperne di più sul perché le bombe atomiche vengono di solito fatte esplodere prima dell’impatto a terra. Mi aspetto una risposta tecnica. 

Libera traduzione della risposta ad un quesito pubblicato il 21 aprile 2017 su Quora, https://www.quora.com/Bombs-Why-doesnt-the-blast-from-a-nuke-take-place-on-the-ground 

Con l’utilizzo in Afghanistan il 13 aprile 2017 della bomba GBU-43/B, più nota come MOAB, Massive Ordnance Air Blast, la curiosità dei lettori di Quora è cresciuta di molto verso l’uso di questi massicci dispositivi di distruzione, di cui la bomba atomica rappresenta l’apice. 

Le risposte al quesito sono state 6. La più votata, e la più tecnica, è risultata quella di Geoff Olynk, esperto del MIT di Boston per la Fisica Applicata al Plasma e per l’Energia di Fusione.

Di seguito riporto alcuni dati su GBU-43/B, affettuosamente (!) chiamata Mother Of All Bombs, la madre di tutte le bombe, il più potente dispositivo di distruzione non nucleare dell'arsenale americano.

• Peso lordo 10.300 kg, peso netto esplosivo 8.500 kg

• Lunghezza 9,2 m – diametro 103 cm

• Potenza esplosiva 11 tonnellate di TNT

• Può essere lanciata solo da un MC130 da una quota massima di 6.100 m

• E’ una 'bomba intelligente' dotata di GPS per centrare il bersaglio.

Questi gli effetti distruttivi:

• nel raggio di 1.000 metri distruzione totale di qualsiasi oggetto o struttura, animata o inanimata,

• fino a 1,6 km abbatte persone, edifici, veicoli, ecc., 

• fino a 2,7 km le onde d’urto possono uccidere persone e causare danni gravi a strade e infrastrutture, 

• fino a 3,2 km può causare sordità 

• fino a 8 km e oltre, scuote la terra, rompe vetri e finestre e causa perdite di sangue alle orecchie, 

• fino a 50 km è possibile essere raggiunti dalla nuvola contaminante che si forma ad una altezza di 3.000 m. 

Articoli correlati:

• https://insidethenewsbyfmt.blogspot.it/search/label/bomba%20nucleare 
• https://insidethenewsbyfmt.blogspot.it/2017/01/il-mondo-nucleare-8-stati-canaglia-e.html

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Le bombe nucleari vengono programmate per detonare ad una certa altezza dal suolo - esplosione in aria (air burst) per differenza con l’esplosione al suolo (ground burst) -  perché così facendo si infligge il massimo danno alle strutture a terra. Se la bomba venisse fatta detonare a livello del suolo, una buona parte dell’energia se ne andrebbe per scavare un cratere (relativamente piccolo) invece di abbattere gli edifici e incendiare tutto quello che si trova intorno. 

Per esempio, se avete una bomba da 1 kiloton o 1 Kt (l’equivalente di 1.000 kg di TNT) e il vostro obiettivo è di ottenere una sovrappressione di 0,7 bar (10 psi) sufficiente per distruggere gli edifici, potete trovare l’altezza da terra ottima per l’esplosione usando la curva arancione, la quarta da sinistra, nel grafico seguente:

Grafico 1 - Curve di sovrappressione in funzione dell'altezza dello scoppio e della distanza al suolo

Il diagramma illustra l'onda di sovrapressione che si ottiene in funzione dell'altezza dal suolo cui si fa esplodere la bomba. Le ordinate y indicano l'altezza di detonazione in metri, le ascisse il GR (Ground Range), ampiezza al suolo di espansione dell'onda d'urto in metri. La sovrapressione è misurata in psi (pounds per square inch o lbs/in2). Il grafico mostra che per una bomba di 1 kiloton il campo d' azione massimo di 400 m con una sovrapressione di 10 psi si ottiene facendo esplodere la bomba ad un'altezza di 250 m.

E’ interessante osservare che 1 kiloton è una bomba nucleare tattica molto piccola. Le testate nucleari moderne hanno una potenza di 150-500 volte più grande. A titolo comparativo ricordiamo che le due bombe finora effettivamente usate in contesto bellico sono state quelle su Hiroshima, Little Boy di 16 Kt, e Nagasaki, Fat Man di 24 Kt.

Per un dispositivo di maggior potenza valgono esattamente gli stessi principi, con la differenza che le curve saranno molto più distanti dall’origine del diagramma, mettendo in evidenza il maggiore raggio di distruzione di un’arma con una maggior capacità esplosiva. 

Se voi faceste scoppiare la bomba a livello del suolo, il punto 0 sull’asse y, otterreste la sovrappressione di 10 psi ad una distanza di circa 310 m. Poiché l’area è proporzionale al quadrato del raggio, questo vuol dire che facendo detonare all’altezza ottimale di 250 m sopra il suolo si ottiene una distruzione del 66% superiore a quella che si ottiene detonando a livello suolo.

Con le esplosioni in mare, si ottiene lo stesso fenomeno a seconda che l'esplosione avvenga sopra o sotto la superficie dell’oceano oppure a livello del mare.

Grafico 2 - Danni gravi (probabile affondamento) a navi di superficie in funzione dell'altezza o profondità dello scoppio 

Questa immagine, tratta dal capitolo 8 del rapporto del 1960 “Capacità distruttiva delle Armi Nucleari”, https://nige.files.wordpress.com/2009/06/caw1960-8.pdf fornisce lo stesso tipo di curve del Grafico 1, solo che sono applicate ad una esplosione in aria o sott'acqua con l’obbiettivo di distruggere le navi in superficie. 

Il Grafico 2 vale per la stessa potenza esplosiva di 1 kiloton, arma nucleare di piccole dimensioni, usata in questo caso per distruggere unità navali di superficie. I danni sono correlati al tipo di vascello: corazzata, portaerei, incrociatore pesante, incrociatore leggero, fregata, cacciatorpediniere, ...

Per analogia con quanto già visto, facendo scoppiare la bomba in superficie si riesce a danneggiare gravemente una nave da guerra solo entro una breve distanza dal punto di impatto. Ad esempio, per affondare un incrociatore leggero o una portaerei (la terza curva da sinistra nella parte superiore del grafico), la bomba deve impattare a una distanza di non più di 180 yarde, pari a 165 m.

Se osservate adesso il Grafico 1 sopra riportato, si vede che a quella distanza ci vogliono circa 30 psi di sovrappressione (2 bar) per danneggiare in modo permanente una nave in superficie (la curva rosso amaranto, seconda da sinistra). Osservate anche che l’inclinazione della curva danni-raggio è praticamente verticale proprio al di sopra della superficie, a differenza delle curve di minore sovrapressione. Il che vuol dire che rispetto ad un’esplosione a livello del suolo, con un’esplosione in aria si ha un raggio d'azione per una curva di sovrappressione di 2 psi di gran lunga maggiore di quello relativo alla sovrappressione di 30 psi.

Sott’acqua, però, l'obbiettivo è di detonare in profondità, ben al di sotto della linea d'acqua, dal momento che in questo modo si può ottenere un raggio di distruzione doppio di quello che otterreste se detonaste in superficie! Questo perché, se ci si trova appena sotto la superficie dell’acqua, gran parte dell'energia viene dispersa per formare una bolla gigantesca invece di essere usata per ottenere la desiderata onda di pressione (in realtà è una serie di onde di pressione create dal collasso e dalla ri-espansione della bolla), che provoca il cedimento strutturale dello scafo delle navi in superficie. 

Per quanto riguarda i grafici, c’è da osservare la mescolanza fra unità del Sistema Internazionale e quelle in uso negli Stati Uniti tipiche delle pubblicazioni militari degli USA (pressione in lb/in2 - libbre al pollice quadrato - mentre la distanza in ascisse è misurata in metri). Oppure,  la strana mescolanza di unità dovute a convenzioni in uso – ad esempio nel Grafico 2 navale del 1960, la distanza orizzontale è data in yarde (1 yard = 0,9144 m), mentre quella verticale è in piedi (1 foot = 0,3048 m). 

Per finire, si osserva che l’esplosione in aria produce una ricaduta radioattiva molto minore di quella di un'esplosione al suolo. La ricaduta consiste di particelle radioattive che vengono lanciate i atmosfera dall’esplosione e che più tardi si depositano, sia per gravità o perché vengono trascinate a terra dalla pioggia. Se fate detonare la bomba al suolo e scavate un cratere, molti di quei detriti vanno a finire come ricaduta radioattiva. Naturalmente, in una vera guerra nucleare, può essere che questa ricaduta sul territorio del nemico sia proprio l’effetto desiderato. 

Come solito per gli argomenti tecnici, su Wikipedia si trovano molte esposizioni ben documentate:

Effetti delle esplosioni nucleari https://it.wikipedia.org/wiki/Effetti_delle_esplosioni_nucleari

Esplosioni in aria (solo in inglese) https://en.wikipedia.org/wiki/Air_burst

Esplosioni sottomarine https://en.wikipedia.org/wiki/Underwater_explosion