Gli effetti delle esplosioni nucleari nella troposfera si possono suddividere in quattro categorie, ovvero le diverse modalità in cui viene rilasciata l'energia in una esplosione nucleare: Irraggiamento termico—30-50% dell'energia totale Onda d'urto o blast—40-50% dell'energia totale; Radiazioni ionizzanti—5% dell'energia totale; Radiazione residua—5-10% dell'energia totale.

Tale schema riassume gli effetti diretti, puramente fisici, di una esplosione nucleare.

La meccanica di una esplosione nucleare, per quanto riguarda la produzione di un'onda d'urto, è identica a quella prodotta da esplosivi convenzionali: è la violenta espansione di gas conseguenza del rilascio di una grande quantità di energia termica, in un tempo brevissimo, in una regione di spazio essenzialmente puntiforme. La sfera di plasma che si espande a partire dal punto di esplosione forma un fronte d'urto sferico che si propaga nell'atmosfera, con effetto distruttivo su edifici e manufatti di grande superficie sensibili ai picchi di sovrappressione. Negli esplosivi convenzionali il calore è prodotto da reazioni chimiche fortemente esotermiche. Nelle esplosioni nucleari invece, il rilascio di energia termica proviene da reazioni nucleari, che sono milioni di volte più esotermiche di quelle chimiche a parità di massa.

In aggiunta alla componente di espansione meccanica, le esplosioni nucleari si caratterizzano per una forte componente di emissione luminosa ed energia radiante nello spettro non visibile. Oltre all'agitazione termica dei nuclei atomici infatti, le reazioni nucleari rilasciano grandi quantità di energia in forma di onde elettromagnetiche (cioè fotoni) negli spettri X e gamma e soprattutto nello spettro degli ultravioletti e della luce visibile. La componente termica-meccanica - l'onda d'urto (blast) che si propaga per mezzo dell'atmosfera - costituisce quindi solo una parte dell'energia liberata, stimata intorno al 40-50% del totale. La quota restante è quasi tutta costituita da energia radiante ovvero emissione elettromagnetica. Questa viene liberata per un tempo brevissimo, dell'ordine di alcuni microsecondi, un tempo molto più breve di quello necessario all'espansione meccanica del fronte d'urto. L'esplosione nucleare pertanto è caratterizzata da una fortissima emissione radiante e istantanea quale componente aggiuntiva rispetto agli esplosivi convenzionali. La radiazione luminosa investe le superfici degli oggetti circostanti con effetto di irraggiamento termico, che a causa dell'intensità può essere notevole nonostante la brevità di esposizione. Una frazione della radiazione elettromagnetica è composta da fotoni altamente energetici, ovvero da radiazioni ionizzanti.

È da tenere presente che gli effetti più distruttivi o letali delle esplosioni nucleari - specie con riferimento a quelle di Hiroshima e Nagasaki, le uniche avvenute in un contesto bellico - non sono necessariamente quelli prodotti direttamente dall'esplosione, bensì possono essere conseguenze indirette, in particolare gli incendi (superincendi o Feuerstürme) che si sviluppano nelle decine di minuti successivi all'esplosione.

La radiazione residua, prodotta dal decadimento secondario dei prodotti di fissione, e responsabile del fallout nucleare, non è trascurabile e può rappresentare una minaccia mortale per persone o animali che dovessero respirare le polveri prodotte dall'esplosione, ed è fonte di possibile contaminazione radiologica dei luoghi nell'immediatezza dell'esplosione.

Descrizione Durante la reazione a catena di fissione nucleare, in un tempo dell'ordine del microsecondo, l'energia viene rilasciata principalmente in due forme. La prima è la radiazione elettromagnetica ad ampio spettro, cioè fotoni con varie lunghezze d'onda, di cui una forte componente è costituita da luce visibile, e include anche emissioni ad energie più alte quali la radiazione ultravioletta, le radiazioni x e gamma, oltre che frequenze più basse. La seconda è l'eccitazione termica dei nuclei, cioè il calore,o energia cinetica degli atomi. L'enorme quantità di calore produce l'espansione rapidissima della materia a partire dal punto di detonazione. Questa seconda componente, puramente termica, è lo stesso meccanismo che si ha negli esplosivi convenzionali.

Nel loro insieme, queste due componenti di emissione energetica - elettromagnetica e puramente termica - trasmettono un complesso di effetti sull'ambiente circostante. I due effetti principali sono: l'irraggiamento termico diretto, ovvero la trasmissione di energia in modo pressoché istantaneo attraverso la luce emessa dalla sfera di plasma dell'esplosione, che con il suo bagliore riscalda le superfici esposte degli oggetti che illumina, le quali possono raggiungere temperature altissime in un tempo dell'ordine del millisecondo. L'effetto della componente puramente termica è quello meccanico, il blast o onda d'urto dell'esplosione conseguenza della violenta espansione dei gas, che è il convenzionale effetto cinetico sul mezzo (aria atmosferica o altro). Questo secondo effetto è correlato alle proprietà meccaniche del mezzo, cioè la modalità con cui l'aria o il mezzo circostante trasmette l'energia termica prodotta dall'esplosione trasformandola in energia cinetica su scala macroscopica. L'onda d'urto non si propaga in modo istantaneo, la sua velocità nello spazio dipende dalla densità del mezzo e dalle sue proprietà fisiche. Il blast si propaga come un fronte d'onda a velocità che tendono a decrescere con la distanza.

In aggiunta a queste componenti, l'esplosione di un'arma nucleare emette anche quote non trascurabili di energia in forma di radiazione ionizzante e di radiazione derivata dal decadimento residuo dei prodotti di fissione.

A seconda dell'arma utilizzata e dell'ambiente nel quale viene fatta detonare, l'energia distribuita tra queste principali categorie può essere incrementata o decrementata, eventualmente anche fino ad annullare una componente.

Ad esempio, gli effetti della radiazione luminosa dipenderanno dalla trasparenza dell'aria o del mezzo a determinate lunghezze d'onda elettromagnetiche nel luogo dell'esplosione: la presenza di foschia, nebbia o cortine di fumo potrebbe ridurre notevolmente l'intensità della radiazione luminosa. La propagazione dell'onda d'urto, a sua volta, dipende dalle proprietà meccaniche del mezzo: in assenza di un mezzo dotato di sufficiente densità, come l'aria, questa non si produce affatto. L'onda d'urto è l'effetto dell'assorbimento di calore da parte dagli atomi dell'aria o del mezzo presso cui avviene l'esplosione, tali materiali ricevono energia radiante sull'intero spettro elettromagnetico e la trasformano a propria volta istantaneamente in energia termica, quindi cinetica, causando una violenta espansione di tutto ciò che si trova attorno al punto di detonazione. Il tipo di materia circostante e le sue proprietà fisiche determinano perciò le caratteristiche del blast o onda d'urto, in quanto da tali proprietà dipendono le modalità di trasformazione e trasmissione della radiazione elettromagnetica in energia termica e cinetica.

Il fatto che il dispositivo esploda al suolo, in atmosfera o al di fuori di essa determina quanta energia venga trasmessa sotto forma di blast e le sue caratteristiche, e determina anche quanta energia si diffonderà nell'altra forma, la radiazione elettromagnetica. In linea generale, un mezzo più denso come ad esempio il suolo, tende ad assorbire una maggiore quantità di energia su tutto lo spettro, annullando quindi la componente di radiazione termica che viene anch'essa assorbita e non si propaga, e dunque in un mezzo denso si creano onde d'urto più potenti; al tempo stesso però, proprio a causa del suo grande potere di assorbimento, il mezzo più denso assorbe tutta l'energia in breve distanza, e ciò limita il raggio dell'area di massima distruzione della bomba.

Gli effetti maggiormente significativi di un'arma nucleare – esplosione e radiazione termica – sulle zone e sulle persone da essa direttamente colpite producono lo stesso meccanismo di distruzione degli esplosivi convenzionali, con la differenza che l'energia liberata da un ordigno nucleare per grammo di esplosivo è milioni di volte più grande di quella di qualunque composto chimico e le temperature raggiunte attorno al punto di detonazione raggiungono brevemente i ; e con l'aggiunta dell'effetto dell'irraggiamento termico, che per le armi nucleari è enorme, specialmente se l'arma viene fatta detonare in un mezzo leggero e trasparente quale l'atmosfera a una certa altezza dal suolo: l'esplosione riscalda un'area vasta causando l'incendio di ampie superfici di territorio.

Nelle fasi iniziali della detonazione, l'energia di un esplosivo nucleare viene rilasciata in diverse forme di radiazione penetrante. La materia con cui quest'energia interagisce (aria, acqua, roccia) raggiunge celermente la temperatura di ebollizione, vaporizzandosi ed espandendosi a grande velocità. L'energia cinetica creata da tale espansione contribuisce alla formazione di un'onda d'urto. Quando la detonazione ha luogo a bassa quota in atmosfera, vicino cioè al livello del mare o del terreno, la gran parte dell'energia rilasciata interagisce con l'atmosfera e crea un'onda che si espande sfericamente dall'ipocentro: l'intensa radiazione termica scatena una palla di fuoco (fireball) e, se la quota è sufficientemente bassa, una nube a fungo (il fungo atomico). In una detonazione ad alta quota, dove invece la densità dell'aria è bassa, molta più energia viene rilasciata come radiazione gamma ionizzante e X, piuttosto che come un'onda d'urto atmosferica.

Nel 1945 si creò un dibattito tra gli scienziati che stavano sviluppando la prima bomba nucleare sulla possibilità che si creasse un'esplosione nucleare grande abbastanza da incendiare l'intera atmosfera terrestre. Questo avrebbe implicato che la reazione nucleare tra due atomi di azoto fosse in grado di creare un atomo di carbonio e uno di ossigeno, con rilascio di un'energia tale da eccitare altri atomi di azoto al punto di farli reagire, proseguendo la reazione a catena fino all'esaurimento di tutto l'azoto atmosferico. Si dimostrò che una siffatta eventualità era così improbabile da essere considerata impossibile; ciononostante, una parte della comunità scientifica continuò a discuterne per molti anni.

Effetti diretti

Irraggiamento termico

Le esplosioni nucleari emettono grandi quantità di radiazione elettromagnetica sotto forma di luce visibile, infrarossa e ultravioletta. L'irraggiamento si sprigiona in un tempo molto breve, dell'ordine del millisecondo, pertanto la sua intensità nella regione di spazio circostante è enorme. L'intensità decresce in proporzione al quadrato della distanza dal punto dell'esplosione (detto ipocentro).

I principali danni che questo impulso radiante può causare alle persone sono ustioni e danni irreversibili agli occhi. L'irraggiamento può causare danni a tutti i sistemi viventi che vi sono esposti direttamente e anche uccidere gli organismi animali e vegetali. In giornate sgombre da nubi e foschia, se l'esplosione avviene in quota la dannosità dell'irraggiamento termico si estende per un raggio maggiore rispetto a quello degli effetti dell'onda d'urto: la radiazione luminosa è sufficientemente potente da innescare incendi su una vasta superficie di territorio, la quale si ricopre di macerie o detriti prodotte dal blast e pertanto si presta ad alimentare focolai di incendio. Il raggio d'azione degli effetti termici è correlato alla potenza dell'arma, costituendo il 35-45% dell'energia emessa se questa esplode in atmosfera, con variazioni a seconda del tipo di ordigno.

Ustioni dirette