Kernwaffenexplosion

Eine Atomexplosion wirkt sich durch folgende Effekte auf ihre Umgebung aus:

• Druckwelle, die ähnlich wie bei normalen Explosionen ist, aber erheblich stärker
• direkte Wärmestrahlung und Licht
• direkte Kernstrahlung
• indirekte Radioaktivität durch Fallout-Partikel
• elektromagnetischer Impuls (EMP)

Detonationsarten

Es mag logisch erscheinen Atomwaffen direkt im Ziel zu zünden, d.h. als Bodendetonation. Allerdings trifft dies für die meisten Ziele nicht zu, da Atomexplosionen ihre größte Zerstörungskraft bei Luftdetonationen entwickeln. Boden- und Untergrunddetonationen werden nur in einigen Sonderfällen z.B. als Bunkerbrecher eingesetzt.

Luftdetonationen

Als Luftdetonationen werden Explosionen bezeichnet bei denen der Feuerball nicht den Erdboden berührt. Die Druckwelle der Detonation breitet sich wie eine Seifenblase aus und wird im Hypozentrum (Erdoberfläche unter der Bombe, Bodennullpunkt ground zero) als erstes reflektiert, was eine zweite schnellere Druckwelle verursacht. In einiger Entfernung zum Hypozentrum vereinigen sich beide zu einer einzigen sich ringförmig ausbreitenden Druckwelle, die im Vergleich zur Druckwelle einer Bodendetonation zwar schwächer, aber um ein vielfaches zerstörerischer ist.

Die Detonationshöhe spielt eine entscheidende Rolle. Je höher die Detonation stattfindet, umso schwächer ist die Druckwelle, die den Boden erreicht. Gleichzeitig vergrößert sich die von der Druckwelle betroffene Bodenfläche. Für jede vorgegebene Explosionsstärke, Überdruck der Druckwelle und Entfernung zum Hypozentrum gibt es eine optimale Detonationshöhe. Durch die optimale Wahl wird auf größtmöglicher Fläche ein größerer Schaden erreicht, als bei einer Bodendetonation.

Ein weiterer Effekt einer Luftdetonation ist, dass die emittierte Wärmestrahlung größeren Schaden anrichtet, da der Auftreffwinkel größer ist und damit die Absorptionswahrscheinlichkeit durch vorstehende Gebäude abnimmt.

Bodendetonation

Die "Vorteile" einer Bodendetonation liegen in der radioaktiven Verseuchung großer Landstriche durch Fallout und in der erheblich stärkeren aber begrenzten Druckwelle. Der Einsatz erfolgt zur Zerstörung von Bunkeranlagen wie Komandozentralen, Raketensilos und Staudämmen. Gerade aufgeschüttete Staudämme erfordern die Kraterbildung der Bodendetonation.

Untergrunddetonationen

In letzter Zeit wieder groß in der Diskussion, da diese besonders unterirdische Befehlszentralen und Bunkerkomplexe zerstören. Die Problematik besteht darin, die Bombe unbeschadet tief genug in den Untergrund zu bringen.

Stratosphärendetonation

Die Detonation einer kleinen Atombombe in der Stratosphäre höher als 30 km über dem Erdboden hat in Bezug auf die Druckwelle am Boden kaum Auswirkungen. Dennoch kommt die Zivilisation in einem weiten Umkreis zum erliegen, da ein sehr stark ausgeprägter elekromagnetischer Impuls (EMP) ausgelöst wird. Dieser zerstört vor allem elektronische Geräte mit Halbleiterbauelementen wie Computer, Fernseher, Radios oder die elektronische Zündung im Auto. Etwa 4-5 Detonationen reichen aus, um die gesamten USA zu lähmen.

Ablauf einer Explosion

Feuerblase

Sofort nach der Zündung der Bombe liegt die Energie innerhalb des Bombenmantels

• als Wärmestrahlung bzw. Photonen,
• als kinetische Energie ionisierter Elektronen und
• als freie Atomkerne vor.

Die Intensität der Wärmestrahlung steigt im Innern rapide auf Temperaturen von 60-100 Millionen °C an. Das ist einige 10.000 mal heißer als die Sonnenoberfläche. Die Leuchtkraft ist etwa 10^16-fach größer als die der Sonne!

Die erste Energie die den Bombenmantel verlässt, ist Gammastrahlung, die mit Lichtgeschwindigkeit auf die umgebende Luft trifft und dort einen dichten Nebel aus Ozon und Stickoxiden bildet.

Die sich bildende Feuerblase, Isothermalesphäre genannt, dehnt sich schlagartig aus und sobald sie den Bombenmantel verlässt, gibt sie Licht- und Wärmestrahlen in die Umgebung ab. Die Feuerblase hat zu diesem Zeitpunkt einen Durchmesser von wenigen Metern.

Die sich ausdehnende Feuerblase kühlt sich dabei auf etwa 300.000 °C ab. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich an der Oberfläche der Feuerblase eine Schockwelle, welche ihre Energie mit etwa 30 km/s an die umgebende Luft abgibt.

Feuerball und Druckwelle

Diese Kompression heizt die Luft auf etwa 30.000 °C (ca. das 5-fache der Sonnenoberflächentemperatur) auf - es bildet sich der Feuerball. Bei dieser Temperatur wird Luft ionisiert und undurchsichtig, was die Leuchtkraft der sich weiterhin ausdehnenden Feuerblase etwas abschwächt. Bei einer 20 kt Bombe hat der Feuerball zu diesem Zeitpunkt etwa einen Durchmesser von 180 Meter.

Während der weiteren Ausdehnung des Feuerballs kühlt er sich weiter auf etwa 3.000 °C ab und wird durchsichtig. Dahinter wird wieder die hell leuchtende Feuerblase mit einer Temperatur von rund 8000 °C sichtbar. Zu diesem Zeitpunkt haben Feuerblase und Feuerball ihre größte Ausdehnung erreicht. Die Druckwelle aber breitet sich weiter aus.

Pilzwolke

Nach dem "wegbrechen" der Druckwelle kühlt sich der Feuerball weiter ab und beginnt sich aufgrund der Konvektion zu heben. Er reißt Staub und Asche mit in die Höhe. Die bekannte Pilzwolke entsteht.

Auswirkungen von Atomexplosionen

Folgen der Druckwelle

Der größte Schaden wird in bebauten Regionen (Städte) durch die Explosionsdruckwelle angerichtet. Die Explosion treibt die Luft vom Explosionsort fort, was eine plötzliche Druckschwankung verursacht (Statischer Überdruck) und orkanartige Winde (Dynamischer Überdruck). Der statische Überdruck zerstört vor allem massive Bauten, während der orkanartige Wind Menschen, Tiere, Bäume und leichte Bauten "umbläst".

Die meisten Todesfälle treten durch den dyamischen Überdruck ein. Menschen werden wie Spielzeugpuppen durch die Luft gewirbelt und in Objekte oder aus modernen Bürohäusern heraus geblasen. Weiterhin werden auch sonst harmlose Gegenstände zu hochgefährlichen Projektilen.

Die Druckwelle ist auch verantwortlich für Feuer, welche durch die Zerstörung von Gasrohren, Stromkabeln und Brennstoffanlagen entstehen.

Bei einer Bodendetonation verursacht der ernome Druck die Bildung eines Explosionskraters. Ein Teil des Erdreiches aus dem Krater lagert sich am Kraterrand ab, der großteil wird jedoch pulverisiert und bildet später einen Teil des Fallout.

Folgen der Licht- und Wärmestrahlung

Ungefähr 35% der freiwerdenden Energie einer Atomexplosion wird in Wärmestrahlung umgesetzt. Da sich Wärmestrahlung mit annähernder Lichtgeschwindigkeit in der Atmosphäre ausbreitet, treten Lichtblitz und Wärmestrahlung gemeinsam einige Sekunden vor dem Eintreffen der Druckwelle auf.

Wenn Personen in Richtung des Explosionsortes sehen, verursacht die enorme Lichtintensität eine temporären Erblindung bis in weite Entfernungen. Das bildet besonders für Maschienführer und Autofahrer ein erhebliches Unfallrisiko.

Die abgegebene Wärmestrahlung verursacht Verbrennungen der Haut, die mit größerer Entfernung zum Bodennullpunkt abnehmen. Im Hypozentrum ist die Wärmestrahlung so stark, dass Menschen zur Unkenntlichkeit verglühen. Die Entfernungen in denen Verbrennungen auftreten sind sehr unterschiedlich, da hohe Luftfeuchtigkeit oder Staubpartikel (Smog) die Intensität abschwächen, Schnee und Eis oder eine niedrige Wolkendecke die Intensität verstärken können. Zusätzlich können sich Materialien wie Gardinen, Bettwäsche, Laub, Zeitungspapier entzünden. Diese Feuer treten vor dem Eintreffen der Druckwelle auf und werden zum Teil von ihr "ausgeblasen".

Folgen der direkten Kernstrahlung

Alle Atomwaffen senden während der Detonation ioniesierende Strahlung aus, die alle Lebewesen beeinträchtigt. Die Strahlungsdosis nimmt rapide mit der Entfernung zum Hypozentrum ab und hat nur bei kleiner Sprengkraft bis etwa 50 kt eine relevante Auswirkung, da bei größerer Sprengkraft die Wärmestrahlung und die Druckwelle bereits tödlich sind. So forderte die direkte Kernstrahlung bei den Explosionen in Hiroshima und Nagasaki die meisten Todesopfer. Die Betroffenen erkranken an der sog. Strahlenkrankheit.

Folgen des Fallout

Als Fallout wird ein Gemisch aus verschiedenen radioaktiven Substanzen und Staub bezeichnet, das aus der Pilzwolke ausfällt oder ausgewaschen wird.

Der meiste Fallout wird bei Bodendetonationen erzeugt, wobei Staub durch die Druckwelle aufgewirbelt und durch Konvektion der Pilzwolke in große Höhe transportiert wird.

Das Ausfallen der Substanzen erfolgt je nach vorherrschender Windrichtung und Windgeschwindigkeit über eine sehr große Fläche. Die am stärksten verseuchten Partikel fallen rund um das Hypozentrum zu Boden, mit zuhnehmender Entfernung nimmt die Strahlungsintensität ab, dennoch können lokale Konzentrationen z.B. durch Regen von hochverstrahltem Material, sog. Hotspots auftreten.

Wenn die Strahlungsintensität groß genug ist, um sofortige Gesundheitschäden zu verursachen, wird der Fallout als dünne Staubschicht sichtbar. Die Beeinträchtigung der Lebewesen erfolgt auf die gleiche Art wie bei direkter Kernstrahlung. Personen, welche genügender Falloutstrahlung ausgesetzt sind werden sterben, und diejenigen mit geringerer Bestrahlung erkanken an der Strahlenkrankheit

Folgen des EMP

Der Elektromagnetische Impuls (EMP) ist eine elektromagnetische Welle ähnlich einer Radiowelle, welche durch sekundäre Reaktionen bei der Absorption von Gammastrahlen auftritt. Sie unterscheidet sich zu Radiowellen in 2 Punkten: Der EMP erzeugt ein viel stärkeres elektrisches Feld, das in Antennen (also in allen Metallleitungen) bis zu einige 1000 Volt induzieren kann. Zweitens tritt die Energie als einzelner Impuls innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf. Somit wäre der EMP einem Blitz ähnlicher, jedoch steigen blitzinduzierte Spannungen erheblich langsamer an. Darum sprechen Blitzschutzsysteme nicht an, sie sind einfach zu langsam. Alle elektrischen oder elektronischen Geräte und Anlagen mit langen Leitungen oder Antennen und empfindlichen Bauteilen wie Halbleitern und Kondensatoren werden durch den EMP geschädigt. Dazu gehören u.a. die Stromversorgung (Freileitungsnetz), Telefonnetze, Haushaltsgeräte, Radio- und Fernsehsender. Nur Funkgeräte mit sehr kurzen Antennen werden wenig beeinflusst.