SKUTKI WYBUCHÓW JĄDROWYCH

W pierwszej fazie wybuchu jądrowego utworzeniu kuli ognistej towarzyszy emisja promieniowania cieplnego. Z powodu bardzo wysokiej temperatury składa się ono z promieni ultrafioletowych (fale krótkie), jak również ze światła widzialnego i promieni podczerwonych (fale długie). Dzięki pewnym zjawiskom związanym z adsorpcją promieniowania cieplnego przez powietrze obserwuje się dwa szczyty temperatury na powierzchni kuli; pierwszy trwający bardzo krótko oraz drugi utrzymujący się znacznie dłuższy okres czasu, przy czym czas trwania szczytów wzrasta z wydajnością energetyczną wybuchu.

Odpowiednio do dwóch szczytów temperatury, istnieją dwa szczyty emisji promieniowania cieplnego wysyłanego przez kulę ognistą. W czasie pierwszego szczytu, trwającego dla 1-megatonowej bomby dziesiąte części sekundy, temperatury są przeważnie bardzo wysokie. W rezultacie większą część promieniowania emitowanego w okresie tego szczytu stanowią promienie ultrafioletowe. Ze względu na krótki okres trwania tego szczytu zostaje wyemitowane tylko 1% promieniowania cieplnego. Następnie promienie ultrafioletowe są w dużym stopniu pochłaniane przez powietrze co powoduje, że dawka działająca w miejscu oddalonym od wybuchu jest stosunkowo nieznaczna. Pierwszy szczyt promieniowania cieplnego nie stanowi przeważnie dla człowieka i jego otoczenia wielkiego niebezpieczeństwa. Względnie duże dawki promieniowania ultrafioletowego mogą wywołać u ludzi bolesne pęcherze, a małe dawki mogą powodować zaczerwienienie skóry.

W drugim szczycie sytuacja przedstawia się całkiem inaczej. Szczyt ten może trwać kilka sekund i w tym czasie wydziela się około 99% całkowitej energii promieniowania cieplnego pochodzącego z bomby. Ponieważ temperatury są tu niższe niż w czasie pierwszego szczytu, większość promieni składa się ze światła widzialnego i promieni podczerwonych. Właśnie to promieniowanie stanowi główną przyczynę oparzeń różnego stopnia i zwęglenia skóry u ludzi znajdujących się w zasięgu wybuchu. Ponadto, oprócz podmuchu, który wywołuje większość zniszczeń podczas wybuchu bomby jądrowej również promieniowanie cieplne przyczynia się do ogólnego zniszczenia działając na łatwopalne materiały. W ten sposób powstają pożary, które mogą się szybko rozszerzać w zburzonych przez podmuch budynkach jak również trawić ogromne obszary lasów.

Powyższy problem i związane z nim zagrożenia odnoszą się do wybuchów jądrowych w atmosferze. Promieniowanie to nie przedstawia większego zagrożenia po wybuchach podwodnych, gdyż w zasadzie w 100% jest ono adsorbowane przez otaczające masy wody. Podobnie sytuacja przedstawia się w przypadku wybuchów podziemnych, promieniowanie zostaje prawie całkowicie adsorbowane przez otaczające warstwy ziemi.

Fala uderzeniowa, podobnie jak promieniowanie cieplne również jest przyczyną wielu zniszczeń, towarzyszących wybuchowi powietrznemu. Odbita fala uderzeniowa, podobnie jak fala pierwotna może powodować zniszczenia, gdyż wiatry związane z przejściem czoła fali uderzeniowej nawet w odległości przekraczającej 10 kilometrów od wybuchu 1-megatonowej bomby mogą wiać z prędkością przekraczającą 110 km/h. Jest zrozumiałe, że tak silne wiatry mogą powodować szkody związane z niszczeniem budynków, mostów, instalacji a także siać spustoszenia środowiskowe łamiąc drzewa czy zabijając ludzi i zwierzęta[2].

Bomba uranowa zrzucona na Hiroszimę 6 sierpnia 1945 roku o mocy 15 kt wybuchła na wysokości około 550 metrów. W wyniku eksplozji prawie 98% budynków uległo zniszczeniu, 71 000 osób zostało zabitych, a wiele tysięcy zmarło w ciągu następnych paru lat. Trzy dni później wybuchła bomba plutonowa o energii 20 kt na tej samej wysokości, co w przypadku Hiroszimy.

Dewastacja obu miast była skutkiem fali uderzeniowej, promieniowania cieplnego i natychmiastowego promieniowania jądrowego. Natomiast skażenia produktami rozszczepienia i wywołane wzbudzoną promieniotwórczością gleby zupełnie nie spowodowały ofiar[1].

W przypadku wybuchów podwodnych czy podziemnych, tylko część energii wyzwolonej w czasie wybuchu ujawnia się w postaci fali uderzeniowej w otaczającym powietrzu. Ponadto, im głębiej nastąpi wybuch tym mniejsza część energii wybuchu ujawni się w postaci fali uderzeniowej w powietrzu. W związku z powyższym w obu tych przypadkach zjawisko to praktycznie nie przedstawia większego zagrożenia dla ludzi i środowiska.

Kolejne skutki ekologiczne wybuchów naziemnych a także wybuchów podziemnych mających miejsce na małej głębokości wiążą się z powstawaniem kraterów. W przypadku wybuchów naziemnych skutki te wynikają z faktu stykania się ognistej kuli z powierzchnią ziemi. W związku z wysoką temperaturą, jaka panuje w ognistej kuli, podczas zetknięcia się jej z podłożem następuje stopienie a następnie wyparowanie znacznych ilości skał, gleby i innych substancji znajdujących się w danym obszarze, które następnie zostają wciągnięte w kierunku kuli, tworząc wspomniany już komin wybuchu. Obliczono, że tylko 5% energii bomby 1-megatonowej może zamienić w parę 20 000 ton gleby, włączając ją tym samym w skład kuli ognistej. W dodatku silne wiatry na powierzchni ziemi powodują, że wznosząca się kula ognista wsysa również duże ilości pyłu, kurzu i innych cząstek. Parowanie skał, gleby, pyłów i innych materiałów, oraz przemieszczenie tychże materiałów przez falę uderzeniową i podmuch, towarzyszący gwałtownemu rozprężeniu się gorącej kuli gazów powodują utworzenie krateru. Wielkość krateru zależy od wysokości, na której eksplodowała bomba, od rodzaju gleby, jak również od mocy bomby. W związku z powyższym negatywne skutki ekologiczne powierzchniowych wybuchów jądrowych to m. in. dewastacja terenu i niszczenie struktur glebowych na obszarach gdzie te wybuchy mają miejsce.

W przypadku podziemnych wybuchów na niewielkiej głębokości kratery powstają w następstwie rozprężania się gazów ognistej kuli, które wyrzucają duże ilości skał i ziemi zalegających ponad miejscem wybuchu. Skutki ekologiczne wynikające z tego faktu są takie same jak dla wybuchów naziemnych[2].

Krater ten znajduje się 18 kilometrów przed Sarżałem w Kazachstanie i wygląda jak wielki kopiec świeżej ziemi. Nie jest porośnięty trawą jak cały step wokół, chociaż powstał w 1959 roku. Jeziorko wewnątrz krateru ma 60 metrów długości i 30 szerokości i jest jednym z najbardziej skażonych radioaktywnie miejsc na ziemi - 8000 mikrorentgenów. Norma promieniowania jest tutaj przekroczona 400 razy[7].

Istnieją dwie zasadnicze drogi prowadzące do skażenia powierzchni ziemi substancjami promieniotwórczymi powstałymi w wyniku wybuchu bomby jądrowej. Jedna, na skutek wzbudzonej aktywności wywołanej wychwytem neutronów przez różne pierwiastki znajdujące się w ziemi lub morzu, zwłaszcza przez sód i mangan i druga, na skutek opadu, tzn. osiadania cząstek promieniotwórczych z utworzonej po wybuchu chmury.

Zasięg i wielkość skażeń obu źródeł może się wahać w szerokich granicach, gdyż są one wypadkową takich czynników jak wydajność energetyczna i konstrukcja bomby, wysokość wybuchu, rodzaj terenu na którym miał miejsce wybuch oraz warunki meteorologiczne.

Po wybuchu bomby, skażone cząstki i kropelki stopniowo opadają na ziemię. Zjawisko to jest nazywane opadem promieniotwórczym. Opad z towarzyszącą mu nieodłącznie promieniotwórczością, która zanika w ciągu długiego okresu czasu jest głównym źródłem resztkowego promieniowania jądrowego.

Opad jest zjawiskiem przebiegającym etapami przez pewien okres czasu. Skażone cząstki mogą opadać nawet wtedy, gdy chmura radioaktywna nie jest już widoczna. Na ogół największą część opadu stanowią duże skażone cząstki pyłu, które opadają z chmury - grzyba w niezbyt dużej odległości od miejsca wybuchu. Tego rodzaju opad określa się jako opad lokalny. Oprócz tego istnieje jeszcze inny rodzaj opadu, składający się z bardzo rozdrobnionych cząstek, które wnikają do stratosfery i pozostają tam zawieszone przez długi okres czasu. Cząstki te opadają niezmiernie wolno, a przed opadnięciem mogą przebyć tysiące kilometrów i osadzać się na rozległej przestrzeni. Jest to opad ogólnoświatowy. W jego skład wchodzą resztki z eksplozji jądrowych wszystkich typów.

Opisywana wcześniej przy wybuchach podwodnych fala u podstawy i powstała z niej chmura pyłu, zawierająca duże ilości produktów rozszczepienia jest źródłem skażenia radiologicznego w przypadku podwodnych wybuchów jądrowych. Produkty rozszczepienia wchodzą w skład fali u podstawy w momencie wybuchu, lub też mogą przenikać z chmury radioaktywnej. Ze względu na radioaktywność tejże fali istnieje duże prawdopodobieństwo skażenia terenów, nawet w odległości wielu kilometrów od miejsca wybuchu, szczególnie w kierunku działania wiatru. Związane jest to z osadzaniem się kropelek wody, które mogą zawierać produkty rozszczepienia.

W przypadku wybuchu na stosunkowo dużej głębokości kula ognista miesza się z wyrzuconą wodą jeszcze przed osiągnięciem powierzchni. W tych warunkach powstaje niewielki słup wody i niewielka stosunkowo ilość pyłu wodnego. Wówczas też powstaje mała fala u podstawy lub też w ogóle jej nie ma, a co za tym idzie nie wytwarza się chmura radioaktywna i w związku z tym nie ma dużego opadu radioaktywnego. Rozpad kuli gazowej na wielką ilość małych pęcherzyków gazowych wywołuje burzenie i pienienie się wody, wytwarzając przy tym radioaktywną pianę. Nad powierzchnią wody wytwarza się mała ilość mgły radioaktywnej, większość zaś produktów rozszczepienia pozostaje w wodzie i ulega rozproszeniu. W wyniku dyfuzji rozmaitych resztek bomby, mieszających się z dużymi objętościami wody spoza skażonego obszaru, na którym nastąpił wybuch oraz na skutek naturalnego rozpadu, natężenie aktywności wody maleje dość szybko. W tym przypadku niebezpieczeństwo skażenia związane jest z osadzaniem się na pobliskich brzegach mórz radioaktywnej piany.

Jeżeli chodzi o wybuchy podziemne na niewielkiej głębokości, to stwarzają one zagrożenie powstania radioaktywnego skażenia na znacznych obszarach podobnie jak powierzchniowe wybuchy jądrowe. Wynika to z faktu, że chmura radioaktywna powstała podczas wybuchu przez wyrzucenie znacznych ilości skał i ziemi, zawiera duże ilości skażonego pyłu, który z łatwością może być rozpraszany przez wiatr na znaczne odległości[2].

W przeciwieństwie do rozmiarów skażenia jakie mogą powodować podziemne wybuchy jądrowe, mające miejsce na małych głębokościach, skażenia podczas wybuchów na większych głębokościach ulegają znikomemu rozproszeniu. Zasadniczo żadne produkty rozczepienia ani materiały o aktywności wzbudzonej neutronami nie przedostają się do atmosfery, gdyż zatrzymane zostają wewnątrz skały, w miejscu wybuchu. Z badań i obserwacji wynika, że znaczna część pierwiastków o punkcie wrzenia poniżej 1130oC (np. jod, cez i gazy niekondensujące, jak krypton i ksenon), co jest temperaturą krzepnięcia lawy, ma tendencję do pozostawania w otworze-kominie, a pierwiastki trudno topliwe (cyrkon, neptun, pluton) niemal w całości zostają w lawie. W czasie stygnięcia gruzu i lawy spada ciśnienie w otworze-kominie, a woda powoli przedostaje się do wnętrza, wchodząc w kontakt z gruzem i lawą. Część radionuklidów rozpuszcza się w tej wodzie i wraz z powolnym przepływem wód podziemnych zostaje przeniesiona do środowiska, do wód mórz lub bezpośrednio do oceanu. Takie uwolnienie jest spowodowane normalną migracją pozostałości materiałów promieniotwórczych w geosferze lub jakimiś wydarzeniami zaburzającymi.

O skuteczności zatrzymywania skażeń wewnątrz skały świadczą dane Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA), która przeprowadziła badania oceniające radiologiczne skutki eksperymentów jądrowych, jakie Francja przeprowadziła w latach 1966 - 1996 na atolach Mururoa i Fangataufa na południowym Pacyfiku. Badania dowiodły, że stężenia radionuklidów w środowisku ziemnym i wodnym są na ogół niskie i porównywalne ze stężeniami podawanymi dla tych samych radionuklidów w podobnych atolach, gdzie nie prowadzono prób z bronią jądrową. Stwierdzono, że substancje promieniotwórcze przypisywane eksperymentom jądrowym występują w środowisku ziemnym i wodnym atoli Mururoa i Fangataufa, ale w bardzo niskich stężeniach, które jak stwierdzono nie mają znaczenia radiologicznego. Z pośród badanych radionuklidów jedynie Pu-239+240 jest obecny w stężeniach znacząco przewyższających poziomy oceaniczne związane z opadem globalnym. Stężenia sztucznych radionuklidów w lagunach są niskie, znacznie niższe niż stężenia aktywności radionuklidów naturalnie obecnych w wodach otwartych oceanów, których typowe wartości to 12 000 Bq/m3 dla K-40 i 80 Bq/m3 dla izotopów uranu. Ponadto, na podstawie modeli dokonano oceny przyszłych warunków radiologicznych. Przewiduje się, że nie jest prawdopodobne, by stężenia Cs-137 i Pu-239+240 w wodach laguny kiedykolwiek przekroczyły stężenia obecne. Stężenia Sr-90 i trytu mogą marginalnie przekroczyć wartości bieżące, ale dopiero w następnych dziesięcioleciach[5].

Niestety, zdarzało się w historii prób jądrowych, że i głębokie wybuchy podziemne przyczyniały się do znacznego skażenia środowiska. Tak było 17 lutego 1989 roku podczas ostatniej próby jądrowej w Kazachstanie. Bombę zdetonowano w górze na Diegielenie. Wybuch wydmuchał z niej wszystkie "wnętrzności" co spowodowało, że do atmosfery przedostała się ogromna radioaktywna chmura, którą wiatr skierował na miasto Czagan[7].

Cechą wybuchu jądrowego jest to, że oprócz widzialnego promieniowania cieplnego powstaje niewidzialne promieniowanie jonizujące, złożone głównie z promieni gamma, neutronów i fragmentów rozszczepienia.

Wyróżnia się dwa rodzaje promieniowania jądrowego tj. promieniowanie początkowe i resztkowe. Jako umowną granicę podziału między wyżej wymienionymi rodzajami promieniowania przyjmuje się okres 1 minuty po wybuchu. W przypadku wybuchów podwodnych i podziemnych promieniowanie początkowe przechodzi bezpośrednio w promieniowanie resztkowe i w związku z tym rozróżnianie obu rodzajów promieniowania ma mniejsze znaczenie. Początkowe promieniowanie jądrowe, emitowane w przybliżeniu w ciągu pierwszej minuty po wybuchu, składa się głównie z neutronów i promieni gamma, powstałych w procesie rozszczepienia. Samorzutna emisja cząstek beta i promieni gamma z substancji radioaktywnych będących produktami rozszczepienia jest przyczyną promieniowania resztkowego.

Promieniowanie gamma i neutrony ze względu na wybitnie szkodliwe oddziaływanie na organizmy żywe oraz ze względu na ich szeroki zasięg, są niezwykle istotne dla oceny zjawisk związanych z wybuchem jądrowym.

Poza promieniami gamma, które rzeczywiście towarzyszą procesowi rozszczepiania, początkowe promieniowanie jądrowe obejmuje także promienie gamma, pochodzące z innych źródeł. Powstają one między innymi w procesie wychwytu radiacyjnego, który polega na wychwycie neutronów pochodzących z procesów rozszczepienia przez jądra substancji wchodzących w skład bomby, jak również jądra azotu atmosferycznego. Reakcjom tym towarzyszy natychmiastowa emisja promieni gamma. Powstają one również w procesie wzbudzania jąder przez neutrony prędkie. Promienie gamma są w tym przypadku emitowane podczas powrotu jądra do swojego podstawowego stanu energetycznego. Promieniowanie gamma pochodzące z tych źródeł, to tzw. natychmiastowe promienie gamma. Istnieje jeszcze opóźnione promieniowanie gamma, którego źródłem są substancje radioaktywne będące produktami rozszczepienia oraz produktami ich rozpadu. Natychmiastowe promieniowanie gamma jest emitowane niemal wyłącznie w momencie wybuchu bomby, jest więc w dużym stopniu pochłaniane przez materiały bomby. Opóźnione promieniowanie gamma jest emitowane głównie w późniejszych stadiach wybuchu, gdy materiały bomby już wyparują. Neutrony są wyzwalane w procesie rozszczepiania lub syntezy jąder. Wszystkie neutrony, pochodzące z syntezy jąder i ponad 99% neutronów z procesu rozszczepiania wytworzone są prawie natychmiast, w okresie krótszym niż 0.000001 część sekundy. Są to neutrony natychmiastowe. Pozostała część neutronów (mniej niż 1%) pochodzących z rozszczepienia nazywana jest neutronami opóźnionymi. Opóźnione neutrony w większości emitowane są w ciągu pierwszej minuty i stanowią część początkowego promieniowania jądrowego.

Jak już wcześniej zostało wspomniane, resztkowe promieniowanie jądrowe to ta część promieniowania, która emitowana jest po upływie 1 minuty od chwili wybuchu bomby jądrowej. Promieniowanie to powstaje głównie z produktów rozszczepienia i w mniejszym stopniu z resztek nierozszczepionego uranu i plutonu. Poza tym resztki bomby zawierają zazwyczaj pewne izotopy promieniotwórcze powstałe w wyniku wychwytu neutronu przez materiały bomby. Innym źródłem resztkowego promieniowania jest aktywność wywołana wychwytem neutronu przez różne pierwiastki znajdujące się w ziemi, morzu lub innych substancjach otaczających miejsce wybuchu.[2].

Wspomniano już, że promieniowanie jonizujące poraża tylko żywe organizmy w strefie działania wybuchu jądrowego. Negatywne skutki działania promieniowania jądrowego na organizmy żywe zależą od całkowitej dawki pochłoniętego promieniowania, od szybkości pochłaniania, od tego jaka część ciała i jaki obszar były eksponowane na promieniowanie a także od ogólnej kondycji organizmu. Jedynie nieliczne zjawiska związane z promieniowaniem, takie jak skutki genetyczne zależą w zasadzie tylko od całkowitej otrzymanej dawki a nie od szybkości jej pochłaniania. W większości przypadków zaś, efekt biologiczny określonej całkowitej dawki promieniowania zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem szybkości pochłaniania tej dawki.

Podczas oddziaływania promieniowania jądrowego na organizmy żywe ma miejsce naruszanie złożonego aparatu regulującego wszystkie procesy zachodzące w komórce i określającego dziedziczność cząsteczki DNA i RNA. Cząstki jonizujące mogą wywoływać bezpośrednie zmiany w cząsteczkach DNA i RNA wybijając elektrony, bądź też mogą oddziaływać na cząsteczki DNA i RNA pośrednio, wywołując jonizację cząsteczek wody wchodzącej w skład protoplazmy. Cząsteczki wody rozpadają się na jony H i OH. Jony OH przyłączają rozpuszczony w protoplaźmie tlen i tworzą bardzo aktywne chemicznie cząsteczki HO i cząsteczki wody utlenionej, które wchodzą w reakcje chemiczne z cząsteczkami białka molekuł DNA i RNA i niszczą je.

Zbiór objawów wywołanych przez napromieniowanie części lub całego organizmu dużą dawką promieniowania jonizującego nazywa się chorobą popromienną. Niebezpieczeństwo napromieniowania jest tym większe, że nie wywołuje ono bezpośrednio żadnych objawów i dlatego też nie można zdawać sobie sprawy z przekroczenia dopuszczalnej dawki. Objawy chorobowe występują dopiero po pewnym okresie czasu, którego długość zależy od szeregu czynników (dawka promieniowania, rodzaj napromieniowanych organów, stan organizmu, itd.) i wynosi na ogół kilka godzin. Charakterystycznymi objawami są wymioty, biegunka, brak apetytu, ogólne osłabienie organizmu, zmniejszenie się liczby białych ciałek krwi. Następnie przez dwa, trzy dni obserwowana jest chwilowa poprawa, a po 1 - 3 tygodniach dalsze zaostrzenie objawów chorobowych. Następuje wypadanie włosów, wylewy krwi w skórze i w błonach śluzowych (szczególnie w układzie pokarmowym) prowadzące do powstania owrzodzeń, gorączka, niedokrwistość, możliwość zmętnienia gałek ocznych i bezpłodność.

Jeśli dawka, jaką otrzymał cały organizm lub najbardziej czułe na napromieniowanie organy (szpik kostny, gruczoły płciowe, błony śluzowe układu pokarmowego) jest duża, to po tych etapach choroby następuje śmierć. Dawka śmiertelna dla człowieka wynosi około 500 rem. Napromieniowanie niektórych części ciała np. rąk, dawką dziesięciokrotnie przewyższającą dawkę śmiertelną, nie wywołuje poważnych zmian w organizmie. Istotne jest, że zmiany w organizmie wywołane długotrwałym działaniem promieniowania o małej mocy lub wielokrotnymi dawkami małymi stopniowo nakładają się. Ich końcowy rezultat nie jest jednakże tak groźny dla organizmu jak jednorazowe otrzymanie dużej dawki równej sumie małych. Jeśli otrzymana dawka nie jest śmiertelna, następuje powolny, mogący trwać wiele miesięcy, powrót do zdrowia. Napromieniowanie nie wywołujące nawet choroby popromiennej może mieć cały szereg groźnych dla organizmu skutków w postaci rozwoju nowotworów złośliwych lub białaczki.

Promieniowanie może być także przyczyną zmian genetycznych w organizmach żywych. Niewielkie zmiany genetyczne (mutacje) nie wywołują natychmiastowej śmierci komórki, są jednak przekazywane następnym pokoleniom. Najczęściej są to zmiany ukryte, ujawniające się nieraz dopiero w dalszych pokoleniach, kiedy zdarzają się jednakowe mutacje u obojga rodziców. Większość mutacji jest szkodliwa i w przyszłości może być przyczyną śmierci organizmu lub jego potomstwa[8].