Skutki wybuchów jądrowych

Sekcja 5.0 Skutki wybuchów jądrowych

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.14: 15 maja 1997

Ten artykuł jest dziełem pochodnym (tłumaczeniem na język polski wzbogaconym o szereg dodatkowych materiałów z polskich uczelni technicznych) znakomitego Nuclear Weapons FAQ autorstwa Carey Sublette. Oto pełne zastrzeżenie licencyjne oryginalnej wersji angielskiej:

COPYRIGHT CAREY SUBLETTE

This material may be excerpted, quoted, or distributed freely provided that attribution to the author (Carey Sublette) and document name (Nuclear Weapons Frequently Asked Questions or NWFAQ) is clearly preserved. I would prefer that the user also include the URL of the source.

Only authorized host sites may make this document publicly available on the Internet through the World Wide Web, anonymous FTP, or other means.

Unauthorized host sites are expressly forbidden. This restriction is placed to allow me to maintain version control.

The only authorized host site for the NWFAQ in English is the Nuclear Weapons Archive:
http://nuclearweaponsarchive.org

5.0 Skutki wybuchów jądrowych

Wybuchy jądrowe wywołują zarówno skutki natychmiastowe, jak i opóźnione. Skutki natychmiastowe, czyli fala uderzeniowa, promieniowanie cieplne oraz natychmiastowe promieniowanie jonizujące, powstają i powodują zniszczenia w ciągu sekund albo minut po detonacji. Skutki opóźnione, czyli opad promieniotwórczy i inne możliwe efekty środowiskowe, działają przez okres od godzin do stuleci i mogą szkodzić także bardzo daleko od miejsca wybuchu. Obie te klasy skutków są omówione w osobnych podsekcjach.

Podział energii uwolnionej w pierwszej minucie po detonacji między trzy główne mechanizmy niszczenia wygląda w przybliżeniu tak:

                      Mała moc (<100 kt)   Duża moc (>1 Mt)
Promieniowanie cieplne       35%                  45%
Fala uderzeniowa             60%                  50%
Promieniowanie jonizujące     5%                   5%
(80% gamma, 20% neutrony)

Rozpad promieniotwórczy opadu uwalnia z czasem dodatkowe 5-10% energii.

• 5.1 Przegląd skutków natychmiastowych
• 5.2 Przegląd skutków opóźnionych
• 5.3 Fizyka skutków wybuchu jądrowego
• 5.4 Wybuchy powietrzne i przyziemne
• 5.5 Efekty elektromagnetyczne
• 5.6 Mechanizmy zniszczeń i obrażeń

5.1 Przegląd skutków natychmiastowych

Trzy kategorie skutków natychmiastowych to fala uderzeniowa, promieniowanie cieplne oraz natychmiastowe promieniowanie jonizujące, zwane też promieniowaniem jądrowym. Ich względne znaczenie zależy od mocy bomby. Przy małych mocach wszystkie trzy mogą być istotnym źródłem obrażeń. Dla wybuchu rzędu 2,5 kt wszystkie trzy efekty są mniej więcej równoważne i każdy z nich może być śmiertelny w odległości około 1 km.

Przybliżone prawa skali dla promienia niszczącego każdego z tych efektów są następujące:

r_thermal = Y^0.41 * constant_th
r_blast = Y^0.33 * constant_bl
r_radiation = Y^0.19 * constant_rad

Jeśli Y wyrażono jako wielokrotność albo ułamek 2,5 kt, wynik otrzymuje się w kilometrach, a wszystkie stałe są równe 1. Założenia są następujące: promieniowanie cieplne wystarczające do wywołania oparzeń trzeciego stopnia (8 cal/cm^2), nadciśnienie 4,6 psi przy optymalnej wysokości wybuchu oraz dawka promieniowania 500 rem.

Zasady stojące za tymi prawami skali są proste. Udział energii bomby emitowany jako promieniowanie cieplne, fala uderzeniowa i promieniowanie jonizujące pozostaje zasadniczo podobny dla różnych mocy, ale sposób oddziaływania tych form energii z powietrzem i obiektami silnie się różni.

Powietrze jest w dużej mierze przezroczyste dla promieniowania cieplnego. Promieniowanie cieplne działa na odsłonięte powierzchnie, uszkadzając je przez szybkie ogrzanie. Bomba 100 razy silniejsza może wytworzyć taką samą intensywność promieniowania cieplnego na obszarze 100 razy większym. Powierzchnia wyobrażonej sfery wokół wybuchu rośnie z kwadratem promienia, więc promień zniszczeń rośnie mniej więcej z pierwiastkiem z mocy. W praktyce wzrost jest nieco wolniejszy, częściowo dlatego, że większe bomby emitują ciepło wolniej, więc każda kaloria powoduje nieco mniejsze szkody. Kluczowe jest jednak to, że obszar niszczony przez promieniowanie cieplne rośnie prawie liniowo z mocą.

Fala uderzeniowa jest efektem objętościowym. Fala przenosi energię przez materiał, w tym przez powietrze. W ciele stałym energia pozostawiona przez falę powoduje uszkodzenia, natomiast w powietrzu fala po prostu słabnie. Im więcej materii pokonuje energia, tym słabszy staje się efekt. Ilość materii rośnie z objętością wyobrażonej sfery, dlatego skala zniszczeń od fali uderzeniowej podlega prawu odwrotnej kostki.

Natężenie promieniowania jądrowego maleje zgodnie z prawem odwrotności kwadratu, tak jak w przypadku promieniowania cieplnego, ale dodatkowo jest ono silnie pochłaniane przez powietrze, przez co zanika jeszcze szybciej.

Prawa skali pokazują więc, że wraz ze wzrostem mocy znaczenie promieniowania cieplnego szybko rośnie względem fali uderzeniowej, a znaczenie promieniowania jonizującego szybko maleje.

W Hiroszimie, gdzie moc bomby wynosiła około 15 kt, ofiary odnosiły obrażenia ze wszystkich trzech przyczyn. Oparzenia, w tym także te spowodowane późniejszą burzą ogniową, były najczęstszym ciężkim urazem i pojawiały się na największych odległościach. Obrażenia od fali i oparzeń stwierdzono u 60-70% ocalałych. Osoby, które otrzymały istotne dawki promieniowania, znajdowały się już głęboko wewnątrz strefy śmiertelnej dla fali i oparzeń, dlatego chorobę popromienną stwierdzono tylko u około 30% rannych ocalałych. Wielu z nich było osłoniętych przed falą i błyskiem termicznym, dzięki czemu uniknęli głównych skutków tych dwóch mechanizmów. Mimo to większość osób z chorobą popromienną miała jednocześnie obrażenia od fali albo oparzenia.

Przy mocach rzędu setek kiloton i większych, typowych dla głowic strategicznych, obrażenia od promieniowania natychmiastowego stają się praktycznie nieistotne. Niebezpieczne poziomy promieniowania występują wtedy tak blisko wybuchu, że przeżycie fali jest niemożliwe. Z kolei śmiertelne oparzenia mogą występować znacznie poza obszarem poważnych zniszczeń od fali. Bomba 20 Mt może wywołać potencjalnie śmiertelne oparzenia trzeciego stopnia w odległości 40 km, gdzie fala uderzeniowa co najwyżej wybija szyby i powoduje powierzchowne skaleczenia.

Warto zauważyć, że wskaźniki śmiertelności w Hiroszimie i Nagasaki były od jednego do dwóch rzędów wielkości wyższe niż przy konwencjonalnych nalotach zapalających na inne miasta japońskie. W dwóch miastach o łącznej populacji poniżej 500 000 ludzi zginęło ostatecznie około 200 000 osób, czyli mniej więcej jedna czwarta wszystkich japońskich ofiar bombardowań. Wynikało to z tego, że bomba jądrowa zadawała obrażenia ludziom i budynkom niemal natychmiast, bez ostrzeżenia, i robiła to równocześnie poprzez błysk, falę i promieniowanie. Rozległe śmiertelne obrażenia powstawały więc od razu, a ogromna liczba rannych była unieruchomiona i nie mogła uciec z miast, które natychmiast zamieniały się w morze ognia. W klasycznych nalotach pożarowych ofiar bezpośrednich było mniej, a od początku nalotu do pełnego rozwinięcia pożarów mijały zwykle przynajmniej godziny, co dawało szansę na ucieczkę.

Praktyczną zasadą szacowania krótkoterminowej liczby ofiar śmiertelnych wszystkich przyczyn po ataku jądrowym jest przyjęcie, że wszyscy znajdujący się w obrębie izobary 5 psi wokół hipocentrum giną. W rzeczywistości część ludzi wewnątrz tej strefy przeżyje, a część poza nią umrze, ale przybliżenie zakłada, że obie liczebności mniej więcej się zbilansują. Reguła ta całkowicie pomija możliwe skutki opadu promieniotwórczego.

5.2 Przegląd skutków opóźnionych

5.2.1 Skażenie promieniotwórcze

Najważniejszym skutkiem opóźnionym jest powstanie ogromnych ilości materiału promieniotwórczego o długich czasach życia, od dni po tysiąclecia. Głównym źródłem tych produktów są pozostałości po reakcjach rozszczepienia. Potencjalnie istotnym źródłem wtórnym jest wychwyt neutronów przez izotopy nieradioaktywne zarówno wewnątrz bomby, jak i w otoczeniu.

Podczas rozszczepienia jądra mogą rozpaść się na około 40 różnych sposobów, tworząc mieszaninę mniej więcej 80 izotopów. Izotopy te bardzo różnią się trwałością: część jest całkowicie stabilna, a część rozpada się z czasami połowicznego zaniku od ułamków sekundy wzwyż. Produkty rozpadu mogą same być stabilne albo niestabilne, więc mieszanina szybko staje się jeszcze bardziej złożona. W produktach rozszczepienia zidentyfikowano około 300 izotopów 36 pierwiastków.

Krótko żyjące izotopy bardzo szybko uwalniają energię rozpadu, tworząc silne pola promieniowania, które jednocześnie szybko słabną. Długo żyjące izotopy oddają energię przez długi czas, generując promieniowanie mniej intensywne, ale bardziej trwałe. Produkty rozszczepienia dają więc początkowo bardzo wysoki poziom promieniowania, który szybko spada, ale gdy natężenie maleje, tempo tego spadku też staje się coraz mniejsze.

Przydatną regułą przybliżoną jest tak zwana reguła siódemek. Mówi ona, że dla każdego siedmiokrotnego wzrostu czasu po detonacji rozszczepieniowej, liczonego od 1 godziny wzwyż, natężenie promieniowania maleje dziesięciokrotnie. Po 7 godzinach radioaktywność spada więc o 90% do jednej dziesiątej poziomu z pierwszej godziny. Po 49 godzinach, czyli około 2 dniach, poziom znowu spada o 90%. Po kolejnych 2 tygodniach spada o następne 90% i tak dalej. Reguła jest dokładna do około 25% przez pierwsze dwa tygodnie i do czynnika dwóch przez pierwsze sześć miesięcy. Po pół roku tempo spadku przyspiesza. Reguła siódemek odpowiada w przybliżeniu zależności t^-1.2.

Produkty te są najbardziej groźne wtedy, gdy opadają na ziemię jako fallout. Tempo opadania silnie zależy od wysokości wybuchu, a w mniejszym stopniu od jego mocy.

Jeśli wybuch jest prawdziwym wybuchem powietrznym, to znaczy kula ognista nie styka się z ziemią, produkty promieniotwórcze po ochłodzeniu kondensują się w mikroskopijne cząstki. Większość z nich zostaje wyniesiona wysoko do atmosfery przez unoszącą się kulę ognistą, choć część pozostaje też w niższych warstwach atmosfery przez mieszanie konwekcyjne wewnątrz kuli. Im większy wybuch, tym wyżej i szybciej opad jest wynoszony oraz tym mniejsza część zostaje w niższych warstwach. Przy mocach 100 kt lub mniejszych kula ognista nie wznosi się ponad troposferę, gdzie występują opady, więc cały taki opad zostanie sprowadzony na ziemię przez pogodę w czasie od dni do najwyżej miesięcy. W zakresie megatonowym kula ognista wznosi się do stratosfery. Stratosfera jest sucha i praktycznie pozbawiona procesów pogodowych, które szybko ściągają pyły na dół. Drobny opad schodzi więc miesiącami albo latami. Do tego czasu traci większość swej groźności i rozprasza się globalnie. Powyżej 100 kt coraz większa część całkowitego opadu trafia do stratosfery.

Wybuch bliżej ziemi, na tyle blisko, że kula ognista jej dotyka, zasysa wielkie ilości gleby do wnętrza kuli. Ziemia zwykle nie paruje całkowicie, a nawet jeśli częściowo paruje, jest jej tak dużo, że tworzy duże cząstki. Izotopy promieniotwórcze osadzają się na cząstkach gruntu, które mogą szybko opaść. Taki opad osadza się od minut do dni, powodując skażenie z wiatrem zarówno w pobliżu, jak i tysiące kilometrów dalej. Najsilniejsze promieniowanie daje opad bliski, bo jest gęściej zdeponowany, a krótko żyjące izotopy nie zdążyły się jeszcze rozpaść. Warunki pogodowe, zwłaszcza deszcz, mogą to silnie zmieniać i lokalnie tworzyć bardzo intensywne strefy skażenia.

Wybuchy bardzo blisko ziemi, ale bez kontaktu kuli ognistej z podłożem, mogą mimo to wytworzyć pod punktem zerowym poważne zagrożenie wskutek aktywacji neutronowej. Neutrony pochłaniane przez glebę mogą dawać istotne promieniowanie przez kilka godzin.

Broń megatonowa opracowana w USA i ZSRR w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych została w dużej mierze wycofana i zastąpiona głowicami o mniejszych mocach. Typowa współczesna strategiczna głowica ma zwykle 200-750 kt. Nowsze prace z użyciem zaawansowanych modeli klimatycznych pokazały, że spadek mocy oznacza większy udział opadu osadzanego w niższej atmosferze oraz szybsze i bardziej intensywne jego opadanie, niż zakładano w badaniach z lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Zmniejszenie łącznej mocy arsenałów strategicznych przez zastąpienie broni o bardzo dużej mocy liczniejszymi głowicami o mniejszej mocy mogło więc realnie zwiększyć ryzyko opadu.

5.2.2 Wpływ na atmosferę i klimat

Choć skutki środowiskowe nie są tak bezpośrednio śmiercionośne jak opad, również mogą być bardzo groźne.

5.2.2.1 Uszkodzenie warstwy ozonowej

Bardzo wysokie temperatury kuli ognistej, a następnie szybkie rozszerzanie i chłodzenie powodują tworzenie wielkich ilości tlenków azotu z tlenu i azotu atmosferycznego, podobnie jak w silnikach spalinowych. Każda megatona mocy może wytworzyć około 5000 ton tlenków azotu. Wznosząca się kula ognista ładunku z zakresu wysokich kiloton albo megaton wnosi te tlenki wysoko do stratosfery, gdzie mogą dotrzeć do warstwy ozonowej. Seria dużych wybuchów atmosferycznych mogłaby znacząco uszczuplić ozon. Testy o wysokiej mocy z lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych prawdopodobnie rzeczywiście wywołały taki efekt, ale ówczesne pomiary ozonu były zbyt skąpe, by dało się wiarygodnie odróżnić sygnał od naturalnych wahań.

5.2.2.2 Zima jądrowa

Słynna hipoteza TTAPS, od nazwisk Turco, Toon, Ackerman, Pollack i Sagan, dotyczy możliwości wystąpienia tak zwanej zimy jądrowej. Efekt ten wynika z pochłaniania światła słonecznego przez wielkie ilości sadzy wprowadzonej do atmosfery wskutek masowego spalania miast i zapasów paliw po ataku jądrowym.

Zdarzenia podobne obserwowano w naturze po ogromnych erupcjach wulkanicznych, które wprowadzały do atmosfery wielkie ilości pyłu. Erupcja Tambory w 1815 roku, największa w nowożytnej historii, została w 1816 roku followed by rokiem bez lata, najzimniejszym rokiem ostatnich kilku stuleci.

Sadza pochłania światło znacznie skuteczniej niż pył wulkaniczny, a jej cząstki są małe i hydrofobowe, więc trudniej osiadają i trudniej je wymyć z atmosfery.

Choć początkowe badanie TTAPS spotkało się ze sceptycyzmem, późniejsze i bardziej zaawansowane prace prowadzone na całym świecie potwierdziły jego zasadniczy obraz. Prace te przewidują, że ilość sadzy powstałej ze spalenia większości wielkich miast USA i ZSRR drastycznie zakłóciłaby klimat całego świata. Najważniejszym skutkiem byłby szybki i bardzo głęboki spadek temperatury, szczególnie nad lądami. Współczesne badania wskazują, że przy dużym ataku jądrowym na cele miejskie lub petrochemiczne średnia temperatura mogłaby spaść co najmniej o 10 stopni C na wiele miesięcy. To chłodzenie przewyższa wszystko, co obserwowano w zapisanej historii, i jest porównywalne z pełnoskalową epoką lodową. Na obszarach położonych z wiatrem od stref ataku spadek temperatury może dochodzić do 35 stopni C. Prawdopodobnie żadne tak duże zaburzenie temperatury nie wystąpiło od 65 milionów lat.

Mniejsze ataki dawałyby oczywiście słabsze efekty. Trzeba jednak pamiętać, że większość światowych upraw żywności stanowią rośliny subtropikalne, których wydajność gwałtownie spada już przy średnim obniżeniu temperatury o 1 stopień C, nawet jeśli trwa ono krótko w sezonie wzrostu. Ponieważ świat utrzymuje zapasy żywności wystarczające tylko na kilka miesięcy, wojna wiosną albo latem na półkuli północnej mogłaby doprowadzić do śmiertelnego głodu na całym świecie nawet wtedy, gdyby wywołała tylko łagodną „nuklearną jesień”.

5.3 Fizyka skutków wybuchu jądrowego

Promieniowanie cieplne i fala uderzeniowa są nieuniknionymi skutkami niemal natychmiastowego uwolnienia olbrzymiej ilości energii w bardzo małej objętości, dlatego są wspólne dla wszystkich broni jądrowych niezależnie od typu i szczegółów konstrukcji. Emisja promieniowania jonizującego, zarówno natychmiastowego, jak i opóźnionego z opadu, zależy natomiast od fizyki reakcji jądrowych i od budowy samego ładunku, dlatego silnie zależy od typu i projektu broni.

5.3.1 Fizyka kuli ognistej

Kula ognista to gorąca kula gazu powstająca wtedy, gdy wybuch jądrowy ogrzewa samą bombę i jej najbliższe otoczenie do bardzo wysokich temperatur. Gdy ta żarząca się kula gorącego gazu rozszerza się, część energii oddaje jako promieniowanie cieplne, w tym światło widzialne i ultrafiolet, a część zużywa na wytworzenie fali uderzeniowej w otaczającym ośrodku. Powstawanie obu tych niszczących efektów jest więc ściśle związane z fizyką kuli ognistej. W dalszym opisie zakłada się, że kula ognista tworzy się w otwartym powietrzu, o ile nie zaznaczono inaczej.

5.3.1.1 Wczesna kula ognista

Natychmiast po zakończeniu reakcji jądrowych energia pozostaje skoncentrowana w samych paliwach jądrowych. Energia ta jest zmagazynowana przede wszystkim w postaci promieniowania cieplnego, czyli fotonów, dalej jako energia kinetyczna zjonizowanych atomów i elektronów, głównie elektronów, a także jako wzbudzone atomy częściowo albo całkowicie pozbawione elektronów.

Promieniowanie cieplne, zwane też promieniowaniem ciała doskonale czarnego, emituje każda materia. Jego natężenie i dominująca długość fali zależą od temperatury i oba te parametry rosną bardzo szybko wraz z temperaturą. Natężenie rośnie z czwartą potęgą temperatury. Przy temperaturze 60-100 milionów stopni C, czyli mniej więcej 10 000 razy wyższej niż na powierzchni Słońca, jasność powierzchniowa jest około 10^16 razy większa. Dlatego około 80% energii wybuchu jądrowego występuje jako fotony. Przy takich temperaturach są to miękkie promienie X o energiach 10-200 keV.

Pierwszą energią, która ucieka z bomby, są promienie gamma powstałe w samych reakcjach jądrowych. Mają energie rzędu MeV, a ich znaczna część przenika przez tamper i obudowę, wydostając się do otoczenia z prędkością światła. Gamma jonizują cząsteczki powietrza i uruchamiają reakcje chemiczne tworzące wokół bomby gęstą warstwę „smogu” o grubości dziesiątek metrów. Warstwa ta składa się głównie z ozonu, tlenków azotu i azotynów.

Promienie X, szczególnie bardziej energetyczne, mają istotną zdolność przenikania materii i mogą przebywać znaczne odległości zanim zostaną pochłonięte. Atomy wzbudzają się, gdy pochłaniają promienie X, a po pewnym czasie wypromieniowują część energii jako nowy promień X o niższej energii. Łańcuch takich emisji i absorpcji przenosi energię na zewnątrz z gorącego centrum bomby, w procesie zwanym transportem radiacyjnym. Ponieważ każdy akt absorpcji i reemisji trwa pewien czas, a kierunek emisji jest losowy, średnie tempo transportu energii jest znacznie mniejsze od prędkości światła, ale początkowo i tak znacznie większe niż tempo rozszerzania się plazmy tworzącej kulę ognistą lub prędkość neutronów.

Tworzy się więc rozszerzający obszar bardzo wysokiej temperatury, zwany sferą izotermiczną. Jest to kula, w której wszystko zostało ogrzane promieniami X do niemal jednolitej temperatury, początkowo liczonych w dziesiątkach milionów stopni. Gdy tylko sfera przekracza rozmiar obudowy bomby, zaczyna wypromieniowywać światło przez powietrze, jeśli bomba nie jest zakopana albo pod wodą. Z powodu nadal ogromnej temperatury jest niewiarygodnie jasna. Większość tej energii przypada jednak na promienie X i daleki ultrafiolet, dla których powietrze jest nieprzezroczyste. Nawet dla bliskiego UV i światła widzialnego dużo energii pochłania wspomniana warstwa smogu. Dodatkowo na tym etapie kula ognista ma zaledwie kilka metrów średnicy, więc jej pozorna jasność z dużej odległości i całkowita moc promieniowania nie są tak wielkie, jak sugerowałaby sama zależność T^4.

5.3.1.2 Rozwój fali uderzeniowej i emisja promieniowania cieplnego

W miarę rozszerzania się kula ognista chłodzi się, a długość fali fotonów przenoszących energię rośnie. Fotony o większej długości fali nie przenikają już tak daleko, więc prędkość transportu radiacyjnego maleje. Gdy sfera izotermiczna stygnie do około 300 000 stopni C, szybkość wzrostu radiacyjnego staje się porównywalna z prędkością dźwięku w plazmie kuli ognistej. W tym momencie na powierzchni kuli tworzy się fala uderzeniowa, bo energia kinetyczna szybko poruszających się jonów zaczyna być przenoszona do otaczającego powietrza. Zjawisko to, zwane separacją hydrodynamiczną, zachodzi dla wybuchu 20 kt po około 100 mikrosekundach, gdy kula ma około 13 metrów średnicy. Wewnętrzna fala uderzeniowa, związana z gwałtownym rozszerzaniem się szczątków bomby, może po kilkuset mikrosekundach dogonić tę falę i dodatkowo ją wzmocnić.

Początkowo fala uderzeniowa porusza się z prędkością około 30 km/s, czyli około stukrotnie szybciej niż dźwięk w normalnym powietrzu. Tak silne sprężenie ogrzewa powietrze do około 30 000 stopni C. W tej temperaturze powietrze staje się zjonizowane i żarzące się. Zjonizowany gaz jest nieprzezroczysty dla światła widzialnego, więc świecąca powłoka tworzona przez front fali zasłania znacznie gorętszą sferę izotermiczną wewnątrz. Front jest wielokrotnie jaśniejszy od Słońca, ale słabszy od samej sfery, dlatego działa jak optyczna przesłona i powoduje szybki spadek obserwowanej mocy promieniowania cieplnego.

Kula ognista jest najjaśniejsza właśnie w chwili separacji hydrodynamicznej. Bardzo wielka jasność kompensuje wtedy niewielki rozmiar. Gwałtowny spadek temperatury obniża moc promieniowania około dziesięciokrotnie, do minimum osiąganego po około 10 milisekundach dla 20 kt i 100 milisekundach dla 1 Mt. Ten pierwszy impuls zawiera tylko około 1% całkowitego promieniowania cieplnego bomby. W minimum kula 20 kt ma około 180 metrów średnicy.

Gdy fala uderzeniowa rozszerza się i chłodzi do około 3000 stopni, przestaje świecić i stopniowo staje się przezroczysta. To zjawisko nazywa się breakaway i dla 20 kt następuje po około 15 milisekundach, gdy front ma średnicę 220 metrów i porusza się z prędkością 4 km/s. Sfera izotermiczna wewnątrz, nadal mająca około 8000 stopni, znowu staje się widoczna, a pozorna temperatura i jasność kuli rosną, tworząc drugi impuls. Sfera izotermiczna jest już wtedy znacznie większa i emituje prawie wyłącznie światło o długościach fali, dla których powietrze jest przezroczyste, więc mimo niższej temperatury odzyskuje dużą część całkowitej jasności. Drugi szczyt przypada około 150 milisekund po wybuchu 20 kt i około 900 milisekund po 1 Mt. Po breakaway fala uderzeniowa i kula ognista nie oddziałują już dalej ze sobą.

Nie da się wskazać ostrej granicy końca drugiego impulsu, bo emisja zanika stopniowo. Orientacyjnie można przyjąć, że po 300 milisekundach dla 20 kt i 1,8 sekundy dla 1 Mt wyemitowano około 50% całkowitego promieniowania cieplnego, a chwilowa moc spadła do 40% drugiego maksimum. Po 750 milisekundach dla 20 kt i 4,5 sekundy dla 1 Mt wyemitowano około 75% całości, a moc spadła do 10% maksimum. Skale czasowe emisji rosną mniej więcej jak Y^0.45.

Choć drugi impuls nigdy nie osiąga takiej jasności jak pierwszy, odpowiada za około 99% całkowitego promieniowania cieplnego, bo trwa znacznie dłużej.

5.3.2 Fizyka promieniowania jonizującego

Istnieją cztery rodzaje promieniowania jonizującego powstającego przy wybuchach jądrowych, które mogą powodować istotne obrażenia: neutrony, promienie gamma, cząstki beta i cząstki alfa. Gamma to wysokoenergetyczne fotony, beta to szybkie elektrony, alfa to jądra helu. Neutrony są niebezpieczne zarówno jako szybkie, jak i wolne, choć szybkie są groźniejsze.

Wspólny mechanizm uszkadzania organizmu polega na tworzeniu chemicznie reaktywnych związków, tak zwanych wolnych rodników, które zaburzają normalną chemię żywych komórek. Rodniki te powstają, gdy promieniowanie jonizujące rozbija cząsteczki w tkankach na zjonizowane fragmenty. Szybkie neutrony robią to bezpośrednio, a wszystkie neutrony mogą dodatkowo przemieniać zwykłe atomy w radioaktywne izotopy, tworząc dodatkowe źródło promieniowania wewnątrz ciała.

Poszczególne rodzaje promieniowania stwarzają różne zagrożenia. Neutrony i gamma są bardzo przenikliwe i najtrudniej je osłonić. Mogą przebywać setki metrów w powietrzu i przechodzić przez ściany zwykłych budynków, dlatego mogą dawać śmiertelne dawki bez bezpośredniego kontaktu z materiałem promieniotwórczym. Beta są mniej przenikliwe: mogą pokonywać kilka metrów w powietrzu, ale nie ściany, i grożą przede wszystkim organizmom znajdującym się blisko źródła. Alfa mają zasięg zaledwie kilku centymetrów w powietrzu i nie przebijają skóry. Są niebezpieczne tylko po połknięciu albo wdychaniu emitera.

Skuteczność osłon opisuje się zwykle przez grubość połowiącą albo dziesięciokrotną, czyli taką, która osłabia natężenie promieniowania odpowiednio o połowę albo do jednej dziesiątej. Kilka warstw działa multiplikatywnie, więc trzy grubości dziesięciokrotne obniżają natężenie do jednej tysięcznej. Dla promieni gamma przykładowe grubości dziesięciokrotne wynoszą około 8,4-11 cm dla stali, 28-41 cm dla betonu, 41-61 cm dla ziemi, 61-100 cm dla wody i 100-160 cm dla drewna. Zakres wynika z różnej energii promieni gamma.

Nawet lekkie ubranie daje już wyraźną osłonę przed promieniowaniem beta.

5.3.2.1 Źródła promieniowania

5.3.2.1.1 Promieniowanie natychmiastowe

Promieniowanie powstaje bezpośrednio w reakcjach jądrowych i w rozpadzie radioaktywnych produktów pozostających po wybuchu, czyli szczątków rozszczepienia albo radionuklidów wytworzonych wychwytem neutronów.

Sam wybuch emituje bardzo krótki, około 100 nanosekund, impuls gamma i neutronów, zanim bomba zdąży się całkowicie rozerwać. Natężenie tej emisji mocno zależy od typu i konkretnego projektu broni. W większości konstrukcji początkowy impuls gamma jest niemal całkowicie pochłaniany przez tamper, obudowę i materiały wybuchowe, więc niewiele wnosi do zagrożenia. Neutrony, jako bardziej przenikliwe, mogą wydostać się na zewnątrz. Zarówno reakcje rozszczepienia, jak i syntezy wytwarzają neutrony. Synteza daje ich znacznie więcej na każdą kilotonę i są one zwykle bardziej energetyczne. Niektóre bronie, czyli bomby neutronowe, są specjalnie projektowane tak, aby wyemitować jak najwięcej energii w formie neutronów. W ciężko tampowanych bombach rozszczepieniowych neutronów może nie wydostać się prawie wcale. Szacuje się, że przy Fat Man istotna ekspozycja neutronowa nie wystąpiła, a przy Little Boy tylko 2% całkowitej dawki było związane z neutronami.

Sam impuls neutronowy może być poważnym źródłem promieniowania, zależnie od konstrukcji bomby. Gdy neutrony lecą przez powietrze, są spowalniane zderzeniami z atomami atmosfery i ostatecznie wychwytywane. Nawet ten proces osłabiania daje dodatkowe promieniowanie. Część energii kinetycznej utraconej przez szybkie neutrony zamienia się w promienie gamma, część o bardzo wysokich energiach, zwłaszcza dla neutronów fuzyjnych 14,1 MeV. Produkcja tych gammas od rozpraszania trwa około 10 mikrosekund. Wychwyt neutronów przez azot-14 również wytwarza gamma i zasadniczo kończy się w czasie do 100 milisekund.

Bezpośrednio po wybuchu powstają też wielkie ilości produktów rozszczepienia o bardzo krótkich czasach połowicznego zaniku, od milisekund do minut. Ich rozpad emituje bardzo silne promieniowanie gamma bezpośrednio z kuli ognistej. Proces ten zasadniczo wygasa w ciągu 10 sekund.

Znaczenie poszczególnych źródeł gamma zależy od rozmiaru wybuchu. Małe wybuchy, na przykład 20 kt, mogą dać do 25% dawki gamma z promieniowania bezpośredniego i z reakcji neutronowych. Dla dużych wybuchów, rzędu 1 Mt, ten udział jest praktycznie zerowy. We wszystkich przypadkach większość gamma pochodzi z szybkiego rozpadu radioaktywnych szczątków.

5.3.2.1.2 Promieniowanie opóźnione

Jedynym źródłem cząstek beta i alfa jest rozpad promieniotwórczy. Oczywiście są one emitowane także podczas wspomnianego bardzo szybkiego rozpadu zaraz po wybuchu, ale ich zasięg jest zbyt mały, by wnieść istotny wkład do promieniowania natychmiastowego. Znaczenia nabierają wtedy, gdy opad zaczyna osiągać ziemię. Gamma pozostają wtedy również bardzo ważne.

Opad jest złożoną mieszaniną różnych izotopów promieniotwórczych, której skład nieustannie się zmienia, bo jedne izotopy rozpadają się do kolejnych. Wiele z nich istotnie dokłada się do całkowitego poziomu promieniowania. Początkowo dominują izotopy krótko żyjące i ogólny trend polega na stopniowym spadku intensywności. Z czasem większego znaczenia nabierają izotopy długowieczne, a niewielka grupa z nich staje się głównym źródłem długotrwałego zagrożenia.

Ilość izotopów promieniotwórczych często wyraża się w kiurach. Jeden kiur to taka ilość materiału, która ulega 3,7x10^10 rozpadów na sekundę, czyli tyle co 1 g radu-226. W nowszej literaturze częściej występuje bekerel, równy 1 rozpadowi na sekundę. Rozszczepienie 57 g materiału daje około 3x10^23 atomów produktów rozszczepienia, po dwa na każde rozszczepione jądro. Minutę po wybuchu masa ta rozpada się z szybkością około 10^21 rozpadów na sekundę, czyli 3x10^10 kiurów. Szacuje się, że gdyby równomiernie rozłożyć te produkty na 1 km^2, to na wysokości 1 m nad gruntem, godzinę po wybuchu, natężenie promieniowania wynosiłoby około 7500 rad/h.

Szczególnie ważne są jod-131, stront-90 i 89 oraz cez-137, zarówno z powodu ich względnej obfitości w opadzie, jak i specyficznego powinowactwa biologicznego. Izotopy łatwo wchłaniane i koncentrujące się w określonych tkankach mogą powodować szkody nieproporcjonalne do ich udziału ilościowego.

Jod-131 jest emiterem beta i gamma o czasie połowicznego zaniku 8,07 dnia i aktywności właściwej 124 000 Ci/g. Energia rozpadu wynosi około 970 keV, zwykle rozdzielana między 606 keV beta i 364 keV gamma. Z powodu krótkiego półokresu jest najgroźniejszy w pierwszych tygodniach po wybuchu, choć niebezpieczne ilości mogą utrzymywać się przez kilka miesięcy. Stanowi około 2% produktów rozszczepienia, czyli około 1,6x10^5 Ci/kt. Jod jest chętnie wchłaniany przez organizm i koncentruje się w małym gruczole, jakim jest tarczyca.

Stront-90 jest emiterem beta o czasie połowicznego zaniku 28,1 roku i aktywności właściwej 141 Ci/g, a Sr-89 emiterem beta o półokresie 52 dni i aktywności 28 200 Ci/g. Każdy z nich stanowi około 3% izotopów powstałych w rozszczepieniu: około 190 Ci Sr-90 i 3,8x10^4 Ci Sr-89 na kilotonę. Z powodu podobieństwa chemicznego do wapnia oba izotopy są dobrze wchłaniane i odkładają się w kościach. Sr-89 jest istotnym zagrożeniem przez rok lub dwa po wybuchu, ale Sr-90 pozostaje nim przez stulecia. Znaczna część szkód od Sr-90 wynika z jego produktu rozpadu itr-90, który ma półokres zaledwie 64,2 godziny, więc rozpada się niemal tak szybko, jak powstaje, emitując beta 2,27 MeV.

Cez-137 jest emiterem beta i gamma o czasie połowicznego zaniku 30 lat i aktywności 87 Ci/g. Energia rozpadu wynosi 1,176 MeV, zwykle jako 514 keV beta i 662 keV gamma. Stanowi około 3-3,5% wszystkich produktów rozszczepienia, czyli około 200 Ci/kt. To główne długoterminowe źródło promieniowania gamma z opadu i zagrożenie utrzymujące się przez stulecia.

Choć nie są szczególnie ważne dla ostrych skutków popromiennych, interesujące są też węgiel-14 i tryt, ze względu na możliwe uszkodzenia genetyczne. Nie są to bezpośrednie produkty rozszczepienia. Powstają w wyniku oddziaływania neutronów rozszczepieniowych i fuzyjnych z atmosferą, a w przypadku trytu również bezpośrednio w reakcjach fuzyjnych. Większość trytu powstałego w syntezie zostaje spalona, ale istotne ilości mogą przetrwać. Tryt tworzy się też przy wychwycie szybkich neutronów przez azot: N-14 + n -> T + C-12. C-14 powstaje również w reakcjach neutronów z azotem: N-14 + n -> C-14 + p.

Tryt jest bardzo słabym emiterem beta bez gamma, o półokresie 12,3 roku i aktywności 9700 Ci/g. Węgiel-14 jest również słabym emiterem beta bez gamma, ale z półokresem 5730 lat i aktywnością 4,46 Ci/g. Testy atmosferyczne z lat pięćdziesiątych i wczesnych sześćdziesiątych wytworzyły około 3,4 g C-14 na kilotonę, czyli 15,2 Ci, dając łącznie około 1,75 tony albo 7,75x10^6 Ci. Dla porównania, naturalnie istnieje tylko około 1,2 tony C-14, z czego około 1 tony w atmosferze i 0,2 tony w żywej materii, oraz dalsze 50-80 ton rozpuszczone w oceanach. Wskutek wymiany węgla między atmosferą i oceanami czas połowicznego usuwania C-14 z atmosfery wynosi tylko około 6 lat. Obecnie stężenie atmosferyczne wróciło do poziomu niemal normalnego, ale podwyższone ilości pozostają w materiałach organicznych powstałych w latach sześćdziesiątych, na przykład w drewnie albo DNA.

5.4 Wybuchy powietrzne i przyziemne

Może się wydawać logiczne, że najbardziej niszczący sposób użycia broni jądrowej polega na zdetonowaniu jej dokładnie w środku celu, czyli na poziomie gruntu. Dla większości zastosowań nie jest to jednak prawda. Na ogół broń jądrową projektuje się tak, aby wybuchała nad ziemią, jako air burst, a punkt bezpośrednio pod miejscem wybuchu nosi nazwę hipocentrum. Wybuchy przyziemne albo podziemne są wykorzystywane do celów specjalnych.

5.4.1 Wybuchy powietrzne

Gdy dochodzi do wybuchu, powstaje fala uderzeniowa rozszerzająca się jak rosnąca bańka mydlana. Jeśli wybuch nastąpił nad ziemią, bańka rozszerza się i po dotarciu do gruntu fala odbija się, tworząc wtórną falę biegnącą za falą bezpośrednią. Fala odbita porusza się szybciej, bo biegnie przez powietrze już wprawione w ruch przez pierwszą falę. Ma więc tendencję do doganiania fali bezpośredniej i, gdy to nastąpi, obie łączą się w jedną wzmocnioną falę.

To zjawisko nosi nazwę efektu Macha i tworzy u podstawy pęcherza fali rodzaj „spódnicy”, czyli strefę, w której obie fale zlały się w jedną. Spódnica ta przemieszcza się po ziemi jako rozszerzający się krąg o większym działaniu niż pojedyncza fala z wybuchu przyziemnego.

Im wyżej następuje wybuch, tym słabsza jest fala, kiedy po raz pierwszy dociera do ziemi. Jednocześnie oddziałuje jednak na większy obszar. Wybuchy powietrzne zmniejszają więc maksymalną intensywność fali, ale zwiększają powierzchnię objętą działaniem nadciśnienia. Dla danej mocy i danego poziomu ciśnienia istnieje jedna wysokość, przy której obszar objęty tym ciśnieniem jest maksymalny. Nazywa się ją optymalną wysokością wybuchu dla tej mocy i tego poziomu ciśnienia.

Każdy cel ma jakiś próg wrażliwości na falę. Po przekroczeniu pewnego nadciśnienia zostaje po prostu zniszczony, a wyższe ciśnienie niczego już nie poprawia. Wybierając odpowiednią wysokość detonacji, wybuch powietrzny może zniszczyć dla większości celów znacznie większy obszar niż wybuch przyziemny.

Efekt Macha wzmacnia fale poniżej 50 psi. Przy 50 psi i więcej daje już mało, więc jeśli celem są bardzo wysokie nadciśnienia, przewaga wybuchu powietrznego znika.

Dodatkową zaletą wybuchu powietrznego jest korzystniejsze rozłożenie promieniowania cieplnego. Ponieważ kula ognista tworzy się nad ziemią, promieniowanie pada pod większym kątem i rzadziej jest zasłaniane przez przeszkody terenowe i niskie zamglenie.

5.4.2 Wybuchy przyziemne

Wybuchy przyziemne są użyteczne wtedy, gdy pożądany jest lokalny opad promieniotwórczy albo gdy fala ma niszczyć struktury zakopane czy wyjątkowo twarde, jak silosy rakietowe albo zapory. Fale uderzeniowe przenoszą się przez grunt skuteczniej, jeśli bomba eksploduje w bezpośrednim kontakcie z nim, dlatego do niszczenia zakopanych centrów dowodzenia i podobnych obiektów wybiera się właśnie wybuchy przyziemne. Niektóre cele, jak zapory ziemne, wymagają faktycznego utworzenia krateru, a więc również stają się celami przyziemnymi.

5.4.3 Wybuchy podziemne

Detonacja pod powierzchnią może być jeszcze skuteczniejsza przy tworzeniu kraterów i niszczeniu zakopanych obiektów. Może też całkowicie wyeliminować promieniowanie cieplne i znacznie skrócić zasięg działania fali. Problemem jest oczywiście dostarczenie bomby pod ziemię. Opracowano bomby penetrujące, zdolne wbić się w grunt na ponad 100 stóp.

5.5 Efekty elektromagnetyczne

Wysokie temperatury i promieniowanie energetyczne towarzyszące wybuchowi tworzą też wielkie ilości zjonizowanej materii obecnej zaraz po eksplozji. W odpowiednich warunkach mogą powstać bardzo silne prądy i pola elektromagnetyczne, zbiorczo określane jako EMP, czyli impuls elektromagnetyczny, odczuwalne na bardzo dużych odległościach. Organizmy żywe są na te efekty zasadniczo odporne, ale sprzęt elektryczny i elektroniczny może zostać uszkodzony chwilowo albo trwale. Zjonizowane gazy mogą też na długi czas blokować fale radiowe i radarowe o krótkiej długości fali, tworząc zjawisko fireball blackout.

Występowanie EMP bardzo silnie zależy od wysokości wybuchu. Przy wybuchach przyziemnych lub niskich, poniżej około 4000 m, może mieć znaczenie. Przy wybuchach bardzo wysokich, powyżej 30 000 m, jest bardzo istotne. W zakresie pośrednim jest natomiast stosunkowo mało ważne. Wynika to z faktu, że EMP powstaje przez asymetryczne pochłanianie natychmiastowych promieni gamma. Na średnich wysokościach powietrze absorbuje je dość równomiernie i nie tworzy dalekosiężnych zaburzeń elektromagnetycznych.

Powstawanie EMP zaczyna się od bardzo silnego, ale skrajnie krótkiego impulsu gamma z reakcji jądrowych. Około 0,3% energii bomby znajduje się w tym impulsie, ale trwa on zaledwie około 10 nanosekund. Gamma zderzają się z elektronami w cząsteczkach powietrza i wybijają je z dużą energią w procesie rozpraszania Comptona. Elektrony te wybijają następne elektrony, wywołując kaskadę dającą około 30 000 elektronów na każdą pierwotną gammę.

W wybuchach niskich elektrony, jako bardzo lekkie, poruszają się znacznie szybciej niż zjonizowane atomy, od których zostały oderwane, i dyfundują z obszaru swego powstawania. Tworzy to bardzo silne pole elektryczne, którego maksimum przypada około 10 nanosekund po wybuchu. Promienie gamma skierowane w dół pochłania jednak grunt, co uniemożliwia rozdział ładunków po tej stronie. Powstaje silny pionowy prąd elektryczny generujący intensywne emisje elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości, do około 100 MHz, promieniujące głównie poziomo. Jednocześnie Ziemia działa jako przewodnik, umożliwiając elektronom przepływ z powrotem ku punktowi wybuchu, gdzie skupione są dodatnie jony. To z kolei wytwarza silne pole magnetyczne wzdłuż powierzchni.

Choć tylko około 3x10^-10 całkowitej energii wybuchu przyziemnego jest wypromieniowywane jako EMP, co dla 1 Mt daje około 10^6 J, energia ta skupia się w bardzo krótkim impulsie. Rozdział ładunków trwa zaledwie dziesiątki mikrosekund, co oznacza moc emisji rzędu 100 gigawatów. Natężenia pola przy wybuchach przyziemnych są duże tylko blisko wybuchu. Dla małych bomb nie ma to większego znaczenia, bo strefa silnego EMP pokrywa się ze strefą bezpośrednich zniszczeń. Przy wzroście mocy sięga on dalej. Dla bomby 1 Mt efekt jest istotny aż do strefy 2 psi, około 5 mil.

Wybuchy wysokogórne tworzą EMP o znacznie większym znaczeniu. W tym przypadku około 3x10^-5 całkowitej energii przechodzi w EMP, czyli dla 1 Mt około 10^11 J. Taki EMP powstaje wtedy, gdy gamma skierowane w dół napotykają gęstsze warstwy powietrza. Pod bombą tworzy się wtedy przypominający naleśnik obszar jonizacji. Może sięgać aż do horyzontu, czyli do około 2500 km dla wybuchu na wysokości 500 km. W centrum warstwa jonizacji może mieć do 80 km grubości. Pole magnetyczne Ziemi powoduje spiralny ruch elektronów w tej warstwie, co tworzy silny impuls elektromagnetyczny skierowany w dół, trwający kilka mikrosekund. Między powierzchnią Ziemi i zjonizowaną warstwą powstaje też silne pionowe pole elektryczne 20-50 kV/m, utrzymujące się przez kilka minut, aż elektrony zostaną ponownie wychwycone przez powietrze. Choć maksymalne natężenia EMP z wybuchów wysokich wynoszą tylko 1-10% wartości szczytowych z wybuchów przyziemnych, są one prawie stałe na całej powierzchni Ziemi pod zjonizowanym obszarem.

Skutki takich pól dla elektroniki są trudne do przewidzenia, ale mogą być bardzo poważne. W przewodach, antenach i obiektach metalowych, jak rakiety, samoloty czy szkielety budynków, indukują się ogromne prądy. Cywilne sieci energetyczne są gigantycznymi antenami EMP, więc narażone byłyby na przepięcia znacznie większe niż od piorunów i to na znacznie większym obszarze. Nowoczesne układy VLSI są niezwykle wrażliwe na skoki napięcia i mogą zostać wypalone nawet przez niewielkie prądy upływu. Sprzęt wojskowy projektuje się zwykle jako odporny na EMP, lecz realistyczne testy są bardzo trudne, a skuteczność ochrony zależy od drobiazgów. Niewielkie zmiany projektu, błędne procedury obsługi, źle spasowane części, luźne elementy, wilgoć czy zwykły brud mogą całkowicie obejść nawet złożone zabezpieczenia. Można więc oczekiwać, że pojedynczy duży wybuch wysokogórny nad obszarem uprzemysłowionym spowodowałby potężne zakłócenia na nieokreślony czas i ogromne straty gospodarcze.

Osobnym skutkiem jest zdolność zjonizowanej kuli ognistej do blokowania fal radiowych i radarowych. Podobnie jak EMP, efekt ten szczególnie istotny jest przy wybuchach wysokich. Fireball blackout może blokować radar od dziesiątek sekund do minut na obszarze dziesiątek kilometrów, a łączność radiowa wysokiej częstotliwości może być zakłócana na setkach albo tysiącach kilometrów przez minuty lub godziny, zależnie od warunków.

5.6 Mechanizmy zniszczeń i obrażeń

Poszczególne mechanizmy są omawiane oddzielnie, ale nie powinno dziwić, że w połączeniu często wzmacniają się nawzajem. Odpowiednie skutki łączone będą wskazywane tam, gdzie ma to znaczenie.

5.6.1 Uszkodzenia termiczne i skutki zapalające

Uszkodzenia termiczne przy wybuchach jądrowych wynikają z bardzo silnego promieniowania cieplnego emitowanego przez kulę ognistą. Promieniowanie cieplne, głównie światło widzialne i podczerwień, pada na odsłonięte powierzchnie i jest przez nie całkowicie albo częściowo pochłaniane. Trwa od około jednej dziesiątej sekundy do kilku sekund, zależnie od mocy bomby. W tym czasie jego natężenie może przekraczać 1000 W/cm^2, podczas gdy maksymalne natężenie bezpośredniego światła słonecznego to około 0,14 W/cm^2. W przybliżeniu efekt jest podobny do bezpośredniego wystawienia na płomień palnika acetylenowego.

Ciepło jest pochłaniane przez nieprzezroczystą warstwę powierzchniową materiału, zwykle o grubości ułamka milimetra. Ciemne materiały absorbują go bardziej niż jasne i odbijające. Ciepło dopływa znacznie szybciej, niż może zostać odprowadzone w głąb materiału przez przewodzenie albo usunięte przez promieniowanie wtórne czy konwekcję, więc warstwa ta niemal natychmiast osiąga bardzo wysoką temperaturę. Blisko kuli ognistej temperatury powierzchni mogą przekroczyć 1000 stopni C. Skutki mogą być dramatyczne, ale ciepło nie wnika głęboko.

Do zadania danego poziomu uszkodzeń większa bomba wymaga większej całkowitej ilości energii niż mniejsza, bo ciepło emituje dłużej. Zwykle jest to jednak z nadmiarem kompensowane przez większą całkowitą emisję cieplną. Dłuższy czas działania sprawia też, że uszkodzenia termiczne od większej bomby sięgają głębiej.

Szkody od promieniowania cieplnego bardzo silnie zależą od pogody. Zachmurzenie, dym i inne zanieczyszczenia powietrza mogą wyraźnie skrócić skuteczne zasięgi w porównaniu z czystym powietrzem.

Dla praktycznych celów można przyjąć, że emisja promieniowania cieplnego kończy się, zanim dotrze fala uderzeniowa. Uogólnienie to przestaje być prawdziwe tylko w strefie całkowitego zniszczenia wokół wybuchu, gdzie każdy z trzech głównych mechanizmów i tak samodzielnie dawałby śmiertelność stuprocentową.

Skutki zapalające to wszystko, co sprzyja powstawaniu pożarów po wybuchu, a więc kombinacja działania promieniowania cieplnego i fali uderzeniowej.

5.6.1.1 Obrażenia termiczne

Bardzo intensywne ogrzanie skóry prowadzi do oparzeń. Oparzenia spowodowane nagłym impulsem cieplnym z kuli ognistej nazywa się flash burns. Im więcej promieniowania cieplnego zostanie pochłonięte, tym cięższe jest oparzenie. Orientacyjne dawki ciepła i maksymalne zasięgi dla różnych stopni oparzeń są następujące:

CIĘŻKOŚĆ        20 kiloton               1 megatona             20 megaton

I stopień   2,5 cal/cm^2 (4,3 km)   3,2 cal/cm^2 (18 km)    5 cal/cm^2 (52 km)
II stopień  5 cal/cm^2 (3,2 km)     6 cal/cm^2 (14,4 km)    8,5 cal/cm^2 (45 km)
III stopień 8 cal/cm^2 (2,7 km)     10 cal/cm^2 (12 km)     12 cal/cm^2 (39 km)

Wygodne przybliżenia pozwalające obliczyć zasięgi dla dowolnej mocy są następujące:

r_thermal_1st = Y^0.38 * 1.20
r_thermal_2nd = Y^0.40 * 0.87
r_thermal_3rd = Y^0.41 * 0.67

Zasięg wyrażony jest w kilometrach, a moc w kilotonach. Równania są dokładne do około 10% dla mocy od 1 kt do 20 Mt.

Oparzenia pierwszego stopnia nie są ciężkie i nie powodują zniszczenia tkanki. Objawiają się natychmiastowym bólem i zaczerwienieniem skóry. Ból oraz nadwrażliwość utrzymują się od minut do godzin, po czym skóra wraca do normy bez dalszych następstw.

Oparzenia drugiego stopnia uszkadzają tkanki skóry właściwej i zabijają część z nich. Po bólu i zaczerwienieniu w ciągu kilku godzin pojawiają się pęcherze, bo między naskórkiem a uszkodzoną tkanką gromadzi się płyn. Część tkanki pozostaje jednak żywa, więc oparzona powierzchnia zwykle szybko goi się bez blizn. Pęknięte pęcherze mogą być miejscem zakażenia.

Oparzenia trzeciego stopnia powodują śmierć tkanki na całej grubości skóry, włącznie z komórkami macierzystymi potrzebnymi do jej odtworzenia. Jedyną drogą gojenia jest odrastanie skóry od brzegów, co jest procesem bardzo powolnym i zwykle pozostawia blizny, jeśli nie zastosuje się przeszczepów. Przed wygojeniem oparzenia trzeciego stopnia stwarzają poważne ryzyko zakażenia i dużej utraty płynów. Oparzenie trzeciego stopnia obejmujące 25% ciała albo więcej zwykle prowadzi w ciągu minut do wstrząsu, który sam wymaga natychmiastowej pomocy.

Możliwe są jeszcze cięższe oparzenia, określane czasem jako czwarte albo nawet piątego stopnia. Niszczy się wtedy tkanka podskórna, mięśnie i tkanka łączna. Powstają przy ekspozycjach znacznie większych niż te z tabeli dla trzeciego stopnia. Wielu ludzi bardzo blisko hipocentrum w Hiroszimie doznało właśnie takich oparzeń. W pobliżu punktu zerowego ekspozycja termiczna wynosiła około 100 cal/cm^2, czyli około piętnastokrotnie więcej niż potrzeba do oparzenia trzeciego stopnia, a większość tej dawki dotarła w pierwszych 0,3 sekundy, zanim nadeszła fala. To wystarczało, by odsłonięta tkanka dosłownie błyskawicznie przechodziła w parę, obnażając kości.

Na granicy zasięgu oparzeń trzeciego stopnia czas między oparzeniem a uderzeniem fali wynosi od kilku sekund dla wybuchów niskokilotonowych do około minuty dla wybuchów o wysokiej mocy megatonowej.

5.6.1.2 Skutki zapalające

Mimo ogromnej intensywności promieniowania cieplnego i bardzo wysokich temperatur powierzchniowych, jego zdolność bezpośredniego wzniecania pożarów jest mniejsza, niż mogłoby się wydawać. Wynika to głównie z krótkiego czasu działania i niewielkiej głębokości przenikania ciepła. Skrajne ogrzanie może powodować pirolizę, czyli zwęglenie materii organicznej z wydzieleniem palnych gazów, oraz chwilowe zapłony, ale rzadko wystarcza do wywołania trwałego samopodtrzymującego się spalania. Dzieje się tak głównie w przypadku materiałów typu tinder lub ciemnych i łatwopalnych: suchych liści, trawy, starej gazety, cienkich ciemnych tkanin, papy i podobnych.

Skuteczność zapłonowa impulsu termicznego jest ponadto silnie osłabiana przez późniejsze nadejście fali uderzeniowej, która zwykle zdmuchuje płomienie już wzniecone. Tlące się materiały mogą jednak później ponownie się zapalić.

Główne działanie zapalające wybuchu jądrowego wywołuje w praktyce fala uderzeniowa. Zawalona zabudowa jest znacznie bardziej podatna na pożar niż zabudowa stojąca. Fala zmienia wiele konstrukcji w sterty drewna na rozpałkę, wybite otwory w dachach i ścianach działają jak kominy, instalacje gazowe pękają, a zbiorniki na paliwa i inne materiały łatwopalne ulegają rozszczelnieniu. Głównymi źródłami zapłonu wydają się płomienie i płomyki pilotowe urządzeń grzewczych, takich jak piece, podgrzewacze wody, kuchenki czy piekarniki. Materiały tlące się po impulsie termicznym bardzo skutecznie zapalają wyciekający gaz.

Choć źródła zapłonu są prawdopodobnie rozproszone, wiele czynników sprzyja ich przejściu w pożary masowe. Skrajnie ważne jest całkowite sparaliżowanie działań straży pożarnej. Dodatkowo fala rozrzuca materiały palne przez przerwy ogniowe, które normalnie ograniczają rozprzestrzenianie ognia, takie jak ulice, podwórza czy pasy przeciwpożarowe.

Skuteczność zawaleń budynków i załamania akcji gaśniczej w tworzeniu pożarów masowych widać choćby po trzęsieniach ziemi w San Francisco w 1906, Tokio-Jokohamie w 1923 i Kobe w 1995. Nie było tam promieniowania cieplnego, a mimo to powstały ogromne pożary. W San Francisco i Tokio-Jokohamie odpowiadały one za większość zniszczeń.

W Hiroszimie pożary rozwinęły się w prawdziwą burzę ogniową. Jest to bardzo intensywny pożar, który tworzy szybko wznoszącą się kolumnę gorącego powietrza nad obszarem pożaru. To z kolei generuje silne wiatry wiejące do środka, rozdmuchujące i karmiące płomienie. Pożar trwa, aż wypali się wszystko palne. Burze ogniowe powstają z wielu źródeł zapłonu rozrzuconych na dużym obszarze, które zlewają się w jeden wielki pożar. Temperatury w takiej strefie mogą sięgać setek stopni, tlenek węgla osiąga poziomy śmiertelne, a niewielu ludzi, którzy znajdą się wewnątrz burzy ogniowej, przeżywa. Burze ogniowe mogą topić drogi, samochody i szkło, gotować wodę w jeziorach i rzekach oraz zabijać ludzi w schronach podziemnych. Wiatr wiejący do środka może osiągać siłę wichury, ale zarazem ogranicza rozprzestrzenianie pożaru poza obszar, na którym burza już się uformowała. W Hiroszimie zaczęła się około 20 minut po bombardowaniu.

W Nagasaki burza ogniowa nie wystąpiła. Zamiast tego doszło do innej formy pożaru masowego, czyli wielkiej pożogi. Jest to pożar mniej intensywny, rozwijający się i spalający wolniej. Może zacząć się w wielu miejscach albo w jednym, a następnie rozprzestrzeniać na znaczne odległości. W Nagasaki pożary potrzebowały około 2 godzin, aby się dobrze rozwinąć, i trwały około 4-5 godzin.

5.6.1.3 Uszkodzenia oczu

Jasność i emisja cieplna wybuchu jądrowego stanowią oczywiste źródło zagrożenia dla oczu. Możliwe są zarówno uszkodzenia rogówki przez ogrzanie powierzchni, jak i siatkówki. Zaskakująco mało takich przypadków odnotowano jednak w Japonii. Ryzyko zmniejszało kilka czynników. Po pierwsze, uszkodzenie oka występuje, gdy wzrok jest skierowany ku kuli ognistej, a ludzie spędzają mało czasu patrząc w niebo. Tylko niewielki odsetek populacji miał więc oczy zwrócone w stronę wybuchu. Po drugie, bomba eksplodowała w pełnym świetle dnia, więc źrenice były już zwężone.

Około 4% populacji znajdującej się w strefie oparzeń trzeciego stopnia w Hiroszimie zgłaszało zapalenie rogówki trwające od kilku godzin do kilku dni. Innych obrażeń rogówki nie stwierdzono.

Najczęstszym urazem była ślepota błyskowa, czyli przejściowe wybielenie barwnika wzrokowego w siatkówce przez intensywne światło. Widzenie wraca całkowicie po odtworzeniu barwnika, co trwa od sekund do minut. Może to jednak poważnie utrudniać reakcję na zagrożenie, na przykład schowanie się przed nadchodzącą falą.

Najpoważniejszym, choć stosunkowo rzadkim skutkiem dla oka, jest uszkodzenie siatkówki. Występuje tylko wtedy, gdy oko patrzy bezpośrednio na detonację. Uszkodzenie ma postać oparzeń w tej części siatkówki, na której skupia się obraz kuli ognistej. Jasność powierzchniowa kuli ognistej nie maleje z odległością, poza wpływem zamglenia, zmniejsza się tylko jej pozorny rozmiar. Dlatego uszkodzenie siatkówki może wystąpić w każdej odległości, z której kula jest jeszcze widoczna, choć wielkość uszkodzonego obszaru maleje z odległością. Ryzyko jest większe nocą, bo źrenica jest rozszerzona. Dla wybuchów atmosferycznych o mocy 100 kt i większej odruch mrugania w znacznym stopniu chroni siatkówkę.

5.6.2 Uszkodzenia od fali uderzeniowej

Uszkodzenia od fali uderzeniowej są skutkiem nadejścia fali powstałej w wybuchu. Fale uderzeniowe rozchodzą się szybciej od dźwięku i powodują niemal natychmiastowy skok ciśnienia na froncie. Powietrze zaraz za frontem jest rozpędzane do wysokich prędkości i tworzy silny wiatr. Wiatr wywołuje z kolei ciśnienie dynamiczne działające na powierzchnie zwrócone ku fali. To właśnie suma skoku ciśnienia, czyli nadciśnienia, oraz ciśnienia dynamicznego powoduje zniszczenia.

Zarówno nadciśnienie, jak i ciśnienie dynamiczne osiągają wartość maksymalną od razu po nadejściu fali, a potem spadają przez okres od ułamków sekundy do kilku sekund, zależnie od siły fali i mocy wybuchu. Następnie następuje dłuższy okres słabego podciśnienia, który ma niewielkie znaczenie dla obrażeń. To samo ciśnienie jest bardziej niszczące w przypadku większej bomby, bo działa dłużej.

Między nadciśnieniem a ciśnieniem dynamicznym istnieje ścisły związek. Przy 70 psi są sobie równe, a prędkość wiatru wynosi wtedy 1,5 prędkości dźwięku. Poniżej 70 psi ciśnienie dynamiczne jest mniejsze od nadciśnienia, a powyżej je przewyższa. Ponieważ zależność jest stała, do opisu skutków fali wygodnie stosuje się samo nadciśnienie. Przy 20 psi prędkość wiatru wciąż wynosi około 500 mph, czyli więcej niż w najsilniejszych tornadach.

Ogólnie można przyjąć, że obszary miejskie są całkowicie niszczone z ogromną liczbą ofiar przy nadciśnieniu 5 psi, a ciężkie uszkodzenia sięgają co najmniej izobary 3 psi. Ciśnienie dynamiczne jest wtedy znacznie mniejsze od nadciśnienia, ale nawet przy 5 psi prędkość wiatru wynosi około 162 mph, czyli prawie tyle co w najsilniejszych huraganach.

Człowiek jest zaskakująco odporny na bezpośrednie działanie nadciśnienia. Śmiertelne skutki zaczynają się dopiero powyżej około 40 psi. Dzięki tej odporności nieosłonięte załogi okrętów podwodnych mogą awaryjnie opuszczać śluzy z głębokości sięgających 100 stóp, a rekord skutecznej ewakuacji sięga 600 stóp, czyli odpowiada ciśnieniu około 300 psi. Pęknięcie błony bębenkowej jest możliwe, ale zwykle nie zagraża życiu.

Prawdziwe zagrożenie wynika z zawaleń budynków, które są znacznie mniej odporne niż organizm. Gwałtowne implozje okien i ścian tworzą śmiertelny grad odłamków, a zawalenie konstrukcji ponad ludźmi może ich zgnieść albo udusić.

Ciśnienie dynamiczne może dodatkowo powodować obrażenia, porywając wielką liczbę obiektów z dużą prędkością. W miastach znajduje się wiele przedmiotów, które mogą stać się pociskami, a niszczone budynki wytwarzają ich jeszcze więcej. Poważne obrażenia albo śmierć mogą też wynikać z uderzenia człowieka o przeszkodę po rzuceniu go przez powietrze.

Skutki fali są szczególnie niebezpieczne na obszarach zabudowanych z powodu wielkiej liczby pocisków wtórnych i obecności przeszkód, o które można zostać roztrzaskanym.

Fala potęguje również obrażenia od oparzeń, zrywając mocno uszkodzoną skórę. Powstają wtedy rozległe, otwarte rany, które łatwo ulegają zakażeniu.

Różnorodność tych mechanizmów sprawia, że trudno podać jedną prostą regułę opisującą poziom szkód przy określonym nadciśnieniu. Przydatny przewodnik wygląda tak:

1 psi     Pękają szyby.
          Występują lekkie urazy od odłamków.
3 psi     Zawalenia budynków mieszkalnych.
          Poważne obrażenia są częste, możliwe zgony.
5 psi     Większość budynków się zawala.
          Obrażenia są powszechne, zgony liczne.
10 psi    Budynki żelbetowe są ciężko uszkodzone albo niszczone.
          Większość ludzi ginie.
20 psi    Ciężko zbudowane obiekty betonowe są ciężko uszkodzone albo niszczone.
          Śmiertelność zbliża się do 100%.

Stałe do równania r_blast = Y^0.33 * constant_bl:

constant_bl_1_psi  = 2.2
constant_bl_3_psi  = 1.0
constant_bl_5_psi  = 0.71
constant_bl_10_psi = 0.45
constant_bl_20_psi = 0.28

Tutaj Y jest wyrażone w kilotonach, a zasięg w kilometrach.

5.6.3 Obrażenia od promieniowania

Promieniowanie jonizujące powoduje obrażenia przede wszystkim przez uszkadzanie chromosomów. Ponieważ materiał genetyczny stanowi tylko niewielką część masy komórki, szkoda rzadko wynika z bezpośredniego trafienia cząsteczki DNA. Zamiast tego promieniowanie rozbija inne cząsteczki i tworzy reaktywne wolne rodniki albo niestabilne związki. To one uszkadzają DNA i zakłócają chemię komórki, powodując zarówno skutki natychmiastowe dla metabolizmu i podziałów, jak i skutki długoterminowe przez utajone uszkodzenia struktury genetycznej.

Komórki potrafią naprawić znaczną część uszkodzeń genetycznych, ale wymaga to czasu, a aparat naprawczy może zostać przeciążony, jeśli uszkodzenia są szybkie i powtarzalne. Jeśli komórka spróbuje się podzielić zanim naprawy zostaną zakończone, podział kończy się niepowodzeniem i obie komórki giną. Z tego powodu najbardziej wrażliwe są tkanki o szybkim tempie podziałów. Oznacza to też, że skutki promieniowania zależą częściowo od szybkości ekspozycji. Procesy naprawcze mogą w dużym stopniu kompensować ekspozycje rozciągnięte w czasie. Szybkie otrzymanie dużej dawki wywołuje ostrą chorobę popromienną, podczas gdy taka sama dawka rozłożona na długi okres może nie wywołać objawów ostrych.

Najbardziej wrażliwe są szpik kostny i tkanki limfatyczne, czyli narządy tworzące krew i odporność. Czerwone krwinki żyją tylko kilka miesięcy, a białe kilka tygodni, więc muszą być stale uzupełniane. Wrażliwy jest też układ pokarmowy, ponieważ wyściółka przewodu pokarmowego nieustannie się odnawia. Mieszki włosowe także dzielą się stale, stąd jeden z najbardziej znanych objawów choroby popromiennej, czyli wypadanie włosów. Najmniej wrażliwe są tkanki praktycznie niedzielące się, zwłaszcza układ nerwowy.

Z tego samego powodu dzieci i niemowlęta są bardziej wrażliwe niż dorośli, a płody są najwrażliwsze ze wszystkich.

Jeśli człowiek przeżyje, większość uszkodzeń chromosomalnych zostaje ostatecznie naprawiona i objawy choroby popromiennej ustępują. Naprawa nie jest jednak doskonała. Utajone uszkodzenia mogą ujawnić się po latach albo dekadach jako skutki w komórkach rozrodczych oraz jako nowotwory. To właśnie te skutki utajone są głównym zagrożeniem przy małych dawkach promieniowania.

5.6.3.1 Jednostki pomiaru ekspozycji

Tradycyjnie używano trzech jednostek: rentgenów, radów i remów. W literaturze naukowej są one stopniowo zastępowane jednostkami SI: gray i sievert. Każda z dawnych jednostek mierzy coś innego. Rentgen opisuje ilość energii promieniowania fotonowego, czyli gamma i X, docierającą do organizmu. Jest to jednostka historyczna, wygodna pomiarowo, ale słabiej nadająca się do opisu skutków biologicznych. Rad obejmuje wszystkie formy promieniowania jonizującego i mierzy dawkę faktycznie pochłoniętą przez tkankę. Jeden rad to absorpcja 100 ergów na gram tkanki, czyli 0,01 J/kg. Gray mierzy to samo, przy czym 1 Gy = 100 rad.

Rem również odnosi się do wszystkich pochłoniętych dawek, ale dodatkowo uwzględnia względny efekt biologiczny różnych rodzajów promieniowania. Dawkę w remach liczy się, mnożąc dawkę w radach przez odpowiedni współczynnik skutku biologicznego RBE, a następnie sumując wkłady. Sievert jest podobny, ale oparty na Gy zamiast rad, i używa uproszczonego systemu współczynników jakości Q. Jeden Sv odpowiada w przybliżeniu 100 rem. To właśnie rem i Sv są najbardziej znaczące przy omawianiu skutków biologicznych.

Rodzaj promieniowania   RBE      Q
Gamma / X               1        1
Beta                    1        1
Alfa                    10-20    20   (po spożyciu lub inhalacji)
Neutrony szybkie        -        10   efekt ogólny
                        1             efekt natychmiastowy
                        4-6           opóźniona zaćma
                        10            efekt nowotworowy
                        20            efekt białaczkowy

5.6.3.2 Typy ekspozycji na promieniowanie

Ważne jest rozróżnienie między dawką całego ciała a ekspozycją skoncentrowaną w określonym narządzie. Jednostki dawki odnoszą się do jednostki masy tkanki, więc 1000 rem może oznaczać zarówno dawkę dla całego ciała, jak i tylko dla małego obszaru. Całkowita pochłonięta energia jest znacznie mniejsza, gdy narażona jest tylko niewielka część ciała, więc i ogólny uraz jest wtedy mniejszy.

Nawet przy ekspozycji całego ciała poszczególne tkanki nie są napromieniane jednakowo. Samo ciało stanowi osłonę dla narządów głębiej położonych, więc tkanki w centrum ciała mogą otrzymać tylko 30-50% nominalnej dawki całkowitej. Na przykład trwała bezpłodność żeńska ma 50% prawdopodobieństwa przy dawce 200 rem dla jajników, ale taka dawka narządowa występuje dopiero przy dawkach całego ciała rzędu 400-600 rem.

Ekspozycje od broni jądrowej zachodzą na trzech skalach czasowych:

• Najkrótsza to ekspozycja od promieniowania natychmiastowego emitowanego przez kulę ognistą, trwająca około minuty. Może ona dawać bardzo wysokie dawki osobom blisko punktu wybuchu. W przypadku bomb neutronowych głównym mechanizmem niszczącym jest właśnie promieniowanie natychmiastowe, docierające w ułamku sekundy.
• Druga skala wiąże się z wczesnym opadem troposferycznym po wybuchach przyziemnych. Cząstki zaczynają osiadać od około godziny do kilku godzin po wybuchu, a większość opadu spada w ciągu jednego albo dwóch dni. W danym miejscu sam proces osadzania trwa zwykle nie dłużej niż kilka godzin. Dawkę otrzymuje się tak długo, jak długo przebywa się w strefie opadu, ale z powodu szybkiego wczesnego rozpadu większość dawki przypada na pierwsze dni.
• Trzecia skala to długotrwała ekspozycja na niskie poziomy promieniowania trwająca miesiące albo lata. Może ona wynikać z zamieszkiwania obszarów skażonych wczesnym opadem, z ekspozycji na opad opóźniony ze stratosfery albo z radionuklidów wchłoniętych do organizmu.

Skutki ekspozycji dzieli się zwykle na ostre i utajone. Skutki ostre pojawiają się w ciągu godzin do tygodni po wystarczająco dużej dawce, zwykle po ekspozycji szybkiej. Skutki utajone ujawniają się po latach, nawet gdy sama ekspozycja dawno się zakończyła.

Ponieważ skutki utajone kumulują się, a nie wydaje się, by istniała dawka progowa całkowicie wolna od ryzyka, normy bezpieczeństwa ustalono tak, aby minimalizować łączną ekspozycję w czasie. W źródle przytoczono następujące standardy:

Ekspozycja zawodowa

0,3 rem/tydzień   (całe ciało)
1,5 rem/rok       (całe ciało u kobiet w ciąży)
5 rem/rok         (całe ciało)
15 rem/rok        (tkanki oka)
50 rem/rok        (dowolna tkanka)
200 rem limitu życiowego (całe ciało)

Ekspozycja ludności

0,5 rem/rok       (całe ciało)
5 rem/rok         (dowolna tkanka)

Limity zawodowe, według autora, prawdopodobnie miały zostać wkrótce obniżone.

Roczna naturalna ekspozycja człowieka zmienia się istotnie w zależności od miejsca zamieszkania, wysokości nad poziomem morza, składu geologicznego i leczenia medycznego. Typowe wartości to około 0,1 rem/rok z naturalnego tła i 0,08 rem/rok z promieniowania medycznego, razem 0,18 rem/rok. W USA jednym z regionów o najwyższym tle jest Kolorado, około 0,25 rem, ponieważ duża wysokość zwiększa dawkę od promieni kosmicznych, a skały granitowe zawierają radionuklidy szeregu uranowego. W miejscach o niezwykle silnym tle naturalnym notowano nawet 0,5-12 rem/rok, między innymi w części Sri Lanki, Kerali i Brazylii. Nie uwzględnia to radonu w budynkach, który może łatwo przewyższać wszystkie pozostałe źródła razem w regionach z silną emisją z gruntu. Zdarzały się domy dające ekspozycję płuc rzędu 100 rem/rok, czyli ryzyko porównywalne z ciężkim paleniem.

5.6.3.3 Natychmiastowa emisja promieniowania z wybuchu jądrowego

Choć temat jest złożony, źródło podaje uproszczony sposób szacowania natychmiastowej ekspozycji radiacyjnej. Dla promienia strefy śmiertelnej obowiązuje zależność:

r_radiation = Y^0.19 * constant_rad

Jeśli Y jest w kilotonach, zasięg w metrach, a standard dawki to 1000 rad, wtedy:

constant_rad_1000 = 700 m

Następnie dawkę można przeskalować z odległością korzystając z poniższych odległości dziesięciokrotnych, czyli takiej zmiany odległości, która powoduje zmianę dawki o czynnik 10:

1 kt    330 m
10 kt   440 m
100 kt  490 m
1 Mt    560 m
10 Mt   670 m
20 Mt   700 m

Dla przykładu, dla bomby 10 Mt w odległości 5000 m:

dose = (1000 rads) / 10^[(5000-[10000^0.19]*700)/670] = 35 rads

Przybliżenie zakłada 100% udziału rozszczepienia dla bomb poniżej 100 kt oraz podział 50/50 rozszczepienie/synteza dla większych mocy. Dla bomb neutronowych, mających zwiększoną emisję promieniowania, stosuje się inne parametry:

constant_rad_1000 = 620 m
tenth-range       = 385 m

5.6.3.4 Ostra choroba popromienna

Ostra choroba popromienna wynika z przyjęcia dużej dawki dla całego ciała w krótkim czasie, zwykle nieprzekraczającym kilku tygodni. Nie ma ostrej granicy między ekspozycją ostrą i przewlekłą. Ogólnie, im dłużej trwa ekspozycja, tym większa całkowita dawka jest potrzebna do wywołania tego samego poziomu ostrej choroby. Dawki przyjęte w ciągu kilku dni niewiele różnią się skutkami od dawek natychmiastowych, poza tym że objawy są odpowiednio opóźnione albo rozciągnięte. Broń jądrowa może wywołać ostrą chorobę popromienną albo przez promieniowanie natychmiastowe w chwili detonacji, albo przez silne promieniowanie od wczesnego opadu w pierwszych dniach po wybuchu.

Wraz ze wzrostem dawki skutki narastają nieliniowo. Istnieje próg, poniżej którego widoczne objawy są niewielkie i odwracalne, około 300 rem, ale po przekroczeniu tego progu zaczyna pojawiać się śmiertelność, która potem szybko rośnie. Uważa się, że wynika to częściowo z przeciążenia mechanizmów naprawy komórkowej.

Całkowita energia pochłonięta przez człowieka o masie 75 kg, który otrzymał śmiertelną w wielu przypadkach dawkę 600 rad, wynosi tylko około 450 J. To interesujące, bo pocisk 45 ACP ma energię kinetyczną około 900 J.

Proponowano prawo skali dla dłuższych ekspozycji, w którym dawka potrzebna do wywołania danego skutku rośnie jak t^0.26, gdzie t jest w tygodniach. Dla ekspozycji nie dłuższych niż tydzień przyjmuje się stałe działanie pojedynczego rem. Stąd dawka powodująca około 50% zgonów wynosi 450 rem, jeśli zostanie przyjęta w ciągu tygodnia albo szybciej, ale około 1260 rem, jeśli rozłoży się na rok.

5.6.3.4.1 Ostre skutki ekspozycji całego ciała

Poniżej 100 rem

W tym zakresie nie występuje wyraźna choroba. Wykrywalne zmiany w komórkach krwi zaczynają się około 25 rem, ale pojawiają się regularnie dopiero powyżej 50 rem. Obejmują one wahania liczby białych krwinek, spadek liczby płytek i mniej nasilony spadek czerwonych krwinek. Zmiany rozwijają się przez kilka dni i mogą zanikać miesiącami. Są wykrywalne głównie laboratoryjnie. Przy 50 rem zaczyna być widoczny zanik węzłów chłonnych. Upośledzenie odporności może zwiększyć podatność na infekcje. Spadek produkcji plemników zaczyna się około 20 rem, a 80 rem daje około 50% szans przejściowej bezpłodności u mężczyzn.

100-200 rem

Pojawiają się łagodne ostre objawy. Głównie dotyczy to tkanek krwiotwórczych, a także tkanek produkujących plemniki. Objawy zaczynają się około 100 rem i stają się częste przy 200 rem. Typowe są lekkie lub umiarkowane nudności, z prawdopodobieństwem około 50% przy 200 rem, oraz okazjonalne wymioty, rozpoczynające się po 3-6 godzinach i trwające od kilku godzin do doby. Następnie przychodzi okres utajony bez objawów. W tym czasie narastają zmiany we krwi, bo komórki obumierają naturalnie, ale nie są zastępowane. Po 10-14 dniach objawy kliniczne wracają: utrata apetytu, złe samopoczucie i zmęczenie, utrzymujące się do 4 tygodni. Gojenie innych obrażeń pogarsza się, a ryzyko zakażeń rośnie. Przejściowa bezpłodność mężczyzn staje się regułą. Im większa dawka w tym przedziale, tym bardziej prawdopodobne i szybsze są objawy, krótszy jest okres utajony i dłuższa choroba.

200-400 rem

Choroba staje się coraz cięższa i zaczyna się wyraźna śmiertelność. Nadal głównie cierpi układ krwiotwórczy. Nudności stają się powszechne, a przy 300 rem wręcz nieuniknione. Częstość wymiotów dochodzi do 50% przy 280 rem. Objawy początkowe pojawiają się po 1-6 godzinach i trwają 1-2 dni. Potem następuje 7-14 dni utajenia. Po nawrocie mogą pojawić się wypadanie włosów, osłabienie, zmęczenie, biegunka i krwawienia z jamy ustnej, tkanek podskórnych oraz nerek. Spadek liczby białych krwinek jest ciężki, a podatność na infekcje staje się istotnym zagrożeniem. Bez leczenia przy 300 rem śmiertelność staje się znaczna, około 10%. Zaczyna się też możliwość trwałej bezpłodności u kobiet. Powrót do zdrowia trwa od miesiąca do kilku miesięcy.

400-600 rem

Śmiertelność rośnie bardzo gwałtownie, od około 50% przy 450 rem do około 90% przy 600 rem, jeśli nie zostanie zastosowana intensywna pomoc medyczna. Nadal dominują uszkodzenia układu krwiotwórczego. Objawy wstępne pojawiają się po 0,5-2 godzinach i trwają do dwóch dni. Okres utajony pozostaje w granicach 7-14 dni. Objawy z niższego przedziału stają się coraz częstsze i cięższe, dochodząc przy 600 rem do praktycznie 100%. Gdy dochodzi do zgonu, najczęściej następuje on po 2-12 tygodniach wskutek infekcji i krwotoków. Powrót do zdrowia trwa miesiące albo rok, a morfologia może wracać do normy jeszcze dłużej. Prawdopodobna staje się trwała bezpłodność kobiet.

600-1000 rem

Przeżycie zależy od bardzo intensywnego leczenia. Szpik jest prawie albo całkowicie zniszczony i wymaga przeszczepów. Coraz bardziej cierpi też przewód pokarmowy. Objawy wstępne pojawiają się po 15-30 minutach, trwają dzień albo dwa, po czym następuje 5-10 dni utajenia. Końcowa faza trwa od tygodnia do czterech tygodni i kończy się śmiercią z powodu infekcji i krwawień wewnętrznych. Powrót do zdrowia, jeśli nastąpi, zajmuje lata i może nigdy nie być pełny.

Powyżej 1000 rem

Bardzo wysokie dawki są w stanie wywołać natychmiastowe zaburzenia metaboliczne. Powyżej 1000 rem szybka śmierć komórek w przewodzie pokarmowym powoduje ciężką biegunkę, krwawienia z jelit, utratę płynów i rozchwianie gospodarki elektrolitowej. Może to prowadzić do zgonu z powodu zapaści krążeniowej już w ciągu godzin od wystąpienia objawów. Natychmiastowe nudności wynikają z bezpośredniego pobudzenia ośrodka nudności w mózgu.

W zakresie 1000-5000 rem czas początku objawów skraca się z około 30 minut do 5 minut. Po pierwszej fali silnych nudności i osłabienia może nastąpić pozorny okres dobrego samopoczucia, trwający od kilku godzin do kilku dni, nazywany fazą „chodzącego ducha”. Potem przychodzi faza końcowa trwająca 2-10 dni, z szybkim następowaniem skrajnego osłabienia, biegunki, anoreksji i gorączki. Śmierć jest pewna, często poprzedzona delirium i śpiączką. Leczenie może jedynie łagodzić cierpienie.

Powyżej 5000 rem zaburzenia metaboliczne są tak poważne, że zaczynają bezpośrednio uszkadzać układ nerwowy. Natychmiast pojawiają się dezorientacja i śpiączka, w czasie od sekund do minut. Występują drgawki, które można jedynie tłumić sedacją. Ofiara może konać do 48 godzin.

Armia USA przyjmuje, że 8000 rad szybkich neutronów z bomby neutronowej natychmiast i trwale obezwładni żołnierza.

W źródle zaznaczono, że po katastrofie w Czarnobylu osoby narażone na 400-1000 rem miały lepszą przeżywalność niż wynikałoby z powyższego opisu, dzięki postępom w przeszczepach szpiku i intensywnej terapii, m.in. z udziałem dr. Roberta Gale’a. Autor dodaje jednak dwa zastrzeżenia:

• Taka opieka jest możliwa tylko przy małej liczbie przypadków i sprawnej infrastrukturze. Nawet ograniczony atak jądrowy zniszczyłby tę możliwość i większość ludzi mogłaby otrzymać co najwyżej podstawową pomoc, a śmiertelność mogłaby być wręcz wyższa.
• Wielu silnie napromienionych ocalałych z Czarnobyla zmarło później z powodu utajonych skutków promieniowania.

5.6.3.4.2 Ostre napromienienie miejscowe

Ostre napromienienie miejscowe jest szczególnie ważne dla dwóch narządów: skóry i tarczycy.

Oparzenia beta

Cząstki beta mają ograniczony zasięg w tkance. Zależnie od energii są całkowicie pochłaniane przez 1 mm do 1 cm tkanki. Zewnętrzna ekspozycja na beta z opadu dotyczy więc głównie skóry i powoduje tak zwane oparzenia beta. Z powodu słabej przenikliwości występują one tylko wtedy, gdy skóra ma bezpośredni kontakt z cząstkami opadu albo gdy człowiek przebywa na zewnątrz w silnym polu promieniowania. Pozostanie w budynku, odpowiednie ubranie i dekontaminacja przez umycie się mogą skutecznie zapobiegać takiej ekspozycji. Oparzenia beta wystąpiły między innymi u mieszkańców Wysp Marshalla oraz u załogi japońskiego kutra po teście Castle Bravo, który niespodziewanie zrzucił silny opad na rozległy obszar.

Początkowym objawem jest swędzenie albo pieczenie w ciągu pierwszych 24-48 godzin. Objawy te nie są jednak pewne i wyraźne tylko przy silnej ekspozycji. W ciągu 1-2 dni dolegliwości znikają, ale po 2-3 tygodniach pojawiają się właściwe objawy oparzenia. Najpierw wzrasta pigmentacja albo pojawia się rumień. Następnie dochodzi do wypadania włosów i zmian skórnych.

W lżejszych przypadkach uszkodzenie dotyczy głównie naskórka. Po utworzeniu suchego strupa powierzchowne zmiany goją się szybko, zostawiając odbarwione centrum otoczone nieregularnym pierścieniem zwiększonej pigmentacji. Prawidłowy kolor wraca po kilku tygodniach.

W cięższych przypadkach tworzą się głębsze owrzodzenia. Zmiany te sączą się, zanim pokryją się twardym suchym strupem. Goja się przy zwykłej pierwszej pomocy, ale normalna pigmentacja może wracać miesiącami.

Odrastanie włosów zaczyna się około 9 tygodni po ekspozycji i kończy po około 6 miesiącach.

Napromienienie tarczycy

Krótko żyjący jod-131, z półokresem około 8 dni, stanowi szczególne zagrożenie, bo spożyty jod ma tendencję do kumulacji w tarczycy. Ryzyko zmniejsza fakt, że bezpośrednie spożycie opadu jest rzadkie i dość łatwe do uniknięcia. Jod-131 zwykle trafia do organizmu przez skażone mleko pochodzące od krów jedzących skażoną paszę.

Krótki półokres oznacza bardzo wysokie początkowe natężenie promieniowania, ale też szybki zanik. Jeśli przez miesiąc albo dwa zapewni się nieskażoną paszę albo będzie się spożywać mleko suszone czy konserwowe, ryzyko jest niewielkie.

Jeśli jednak spożywa się żywność skażoną I-131, około jedna trzecia pobranego jodu trafia do tarczycy, która waży około 20 g u dorosłych i 2 g u niemowląt. Może to dawać bardzo wysokie dawki dla tego gruczołu przy pomijalnych dawkach dla reszty ciała. Z powodu mniejszej tarczycy i dużego spożycia nabiału niemowlęta i dzieci są szczególnie wrażliwe. Część dzieci na Wyspach Marshalla otrzymała dawki tarczycowe nawet 1150 rem. Większość dzieci napromienionych dawkami powyżej 500 rem rozwinęła w ciągu 10 lat nieprawidłowości tarczycy, w tym niedoczynność i nowotwory.

Ekspozycji na I-131 można zapobiegać przez szybkie przyjęcie jodku potasu. Duże dawki stabilnego jodu nasycają organizm i uniemożliwiają późniejsze zatrzymywanie radiojodu.

5.6.3.4.3 Uszkodzenia płodu

Ostra ekspozycja radiacyjna w czasie ciąży może wyraźnie szkodzić płodowi. W Hiroszimie i Nagasaki niekorzystne skutki obserwowano u kobiet ciężarnych narażonych na 200 rem i więcej. Jeśli ekspozycja miała miejsce w pierwszym trymestrze, znacząco rosła liczba dzieci z upośledzeniem umysłowym. Jeśli w ostatnim trymestrze, wyraźnie rosła liczba martwych urodzeń oraz śmiertelność niemowląt w pierwszym roku życia.

5.6.3.5 Przewlekła ekspozycja radiacyjna

Długotrwała ekspozycja wynika z zamieszkiwania obszaru skażonego opadem przez długi czas, spożywania żywności wyprodukowanej na skażonym terenie albo obu tych czynników naraz. Jeśli tempo ekspozycji jest wystarczająco małe, objawy ostrej choroby popromiennej mogą się nie pojawić, mimo że łączna dawka będzie bardzo duża. Skutki utajone, takie jak nowotwory i uszkodzenia genetyczne, zależą przede wszystkim od dawki całkowitej, a nie od jej tempa, więc nadal mogą być poważne. Ekspozycja 0,25 rem/dzień przez 5 lat daje łącznie około 450 rem, z małym ryzykiem ostrej choroby, ale taka sama dawka przyjęta nagle miałaby wysoką śmiertelność.

Prawo skali dla czasu sugeruje też, że mogą pojawiać się wolno narastające objawy przypominające ostrą chorobę popromienną. Jako przykład autor podaje najbardziej skażone miejsce atolu Rongelap, położonego 160 km z wiatrem od testu Castle Bravo 15 Mt z 1 marca 1954 roku. Otrzymało ono łącznie około 3300 rad, z czego 1100 rad przypadło na okres od miesiąca do roku po teście. Gdyby miejsce było zamieszkałe w tym czasie, efektywna dawka z punktu widzenia choroby popromiennej wyniosłaby 1100/(48 tygodni)^0.26 = 403 rad.

5.6.3.5.1 Ekspozycja zewnętrzna

Gdy obszar zostaje skażony izotopami emitującymi gamma, powstaje pole promieniowania obejmujące wszystkie organizmy nieosłonięte od niego. W praktyce tylko gamma mają dość duży zasięg i przenikliwość, by tworzyć istotne zagrożenie zewnętrzne.

Głównym źródłem długotrwałej ekspozycji zewnętrznej jest cez-137, o półokresie 30 lat i energii gamma około 0,6 MeV.

Jedna megatona energii z rozszczepienia produkuje dość Cs-137, by skazić 100 km^2 polem promieniowania rzędu 200 rad/rok. Przyziemny wybuch megatonowy może skażać tysiące kilometrów kwadratowych stężeniami przekraczającymi normy bezpieczeństwa dla pracy zawodowej. 3000 megaton energii rozszczepieniowej, równomiernie rozprowadzonej po świecie przez opad stratosferyczny, podwoiłoby naturalne tło promieniowania zewnętrznego od tego izotopu.

Ekspozycję zewnętrzną można wyraźnie zmniejszyć, pozostając w budynkach tak dużo, jak to możliwe. Typowy drewniany dom zmniejsza ją około 2-3 razy, a wielokondygnacyjny budynek około 10-100 razy. Dodatkowe osłony w pomieszczeniach, gdzie spędza się najwięcej czasu, na przykład w sypialni, mogą poprawić te wskaźniki jeszcze bardziej. Ponieważ półokres Cs-137 jest długi, byłyby to jednak trwałe zmiany stylu życia. Takie środki były konieczne choćby dla dzieci na silnie skażonych obszarach Białorusi po Czarnobylu.

5.6.3.5.2 Ekspozycja wewnętrzna

Ekspozycja wewnętrzna jest najpoważniejszym przewlekłym zagrożeniem, jeśli spożywa się żywność z terenów skażonych. Przy rozległym skażeniu po wojnie jądrowej albo dużej awarii radiacyjnej, jak w Kysztymie czy Czarnobylu, ludzie mogą nie mieć innego praktycznego wyjścia. Nawet jeśli alternatywa istnieje, mieszkańcy skażonych terenów mogą zacząć ignorować zakazy spożywania lokalnej żywności, co zdarzało się na Wyspach Marshalla i na Ukrainie.

Radionuklidy mogą być pobierane przez rośliny przez system korzeniowy albo osiadać na liściach wraz z opadem. Oczywistym zagrożeniem jest grube skażenie roślin i pasz przez smugę opadu po wybuchu przyziemnym, ale problemem jest też stopniowy globalny opad.

Głównymi zagrożeniami dla ekspozycji wewnętrznej są cez-137 i stront-90. Znaczenie mają także stront-89, transuranowce emitujące alfa oraz węgiel-14.

Już kilka kiurów radionuklidów na kilometr kwadratowy wystarcza, by ziemia stała się nieprzydatna do uprawy według współczesnych norm bezpieczeństwa. Jedna megatona energii rozszczepieniowej może w ten sposób wyłączyć z produkcji żywności około 200 000 km^2 na dekady. U mieszkańców Białorusi żyjących na terenach skażonych zaledwie 0,2 Ci/km^2 obserwowano obniżone poziomy leukocytów.

Cez-137

Ten metal alkaliczny ma chemię podobną do potasu. W efekcie jest łatwo pobierany przez rośliny i tkanki zwierzęce. Po spożyciu rozprowadza się dość równomiernie po całym organizmie, więc jego wchłonięcie daje ekspozycję całego ciała, dodatkowo wzmocnioną przez przenikliwe gamma. Cez ma umiarkowany czas przebywania w organizmie: biologiczny półokres wynosi około 50-100 dni, więc po zaprzestaniu spożywania skażonej żywności organizm oczyszcza się z niego w ciągu miesięcy albo najwyżej kilku lat.

Stront-90 i Stront-89

Stront jest chemicznie podobny do wapnia i odkłada się w kościach razem z nim. Większość połkniętego strontu nie trafia do kości, a jego biologiczny półokres wynosi tylko około 40 dni. Nieco mniej niż 10% zostaje jednak zatrzymane w kościach i ma tam biologiczny półokres około 50 lat. Ponieważ szpik kostny jest jedną z najbardziej wrażliwych tkanek na promieniowanie, stanowi to bardzo poważne zagrożenie.

Sr-90, z półokresem 28,1 roku, powoduje długoterminowe uszkodzenia, natomiast Sr-89, z półokresem 52 dni, może powodować istotne obrażenia krótkoterminowe. Normy bezpieczeństwa dopuszczają obciążenie ciała Sr-90 rzędu 2 mikrocurie dla pracownika, 0,2 mikrocurie dla pojedynczej osoby z populacji ogólnej i 0,067 mikrocurie jako średnią dla całej populacji. Szacuje się, że 10 mikrocurie na osobę wywołałoby wyraźny wzrost zachorowalności na raka kości. Wybuch kilku tysięcy megaton energii rozszczepieniowej w atmosferze mógłby podnieść średnie obciążenie całej populacji świata ponad zawodowy limit dla Sr-90 na kilka pokoleń. Skażenie 2 Ci/km^2 stanowi w USA granicę przydatności terenu do produkcji żywności.

Ciężkie emitery alfa

Ciężkie pierwiastki emitujące alfa również mogą być bardzo groźne zdrowotnie. Najważniejsze są tu izotopy występujące w większych ilościach w broni jądrowej: krótko żyjące izotopy uranu U-232 i U-233 oraz transuranowce, przede wszystkim Pu-239, Pu-240 i Am-241. Są groźne po wchłonięciu z powodu wysokiej radiotoksyczności cząstek alfa. Po wybuchu ich ilość jest jednak pomijalna wobec ilości produktów rozszczepienia. Stają się problemem głównie przy incydentach typu broken arrow, czyli wypadkach, w których materiały rozszczepialne z broni zostają uwolnione bez detonacji jądrowej. Obszary zagrożenia są wtedy oczywiście znacznie mniejsze niż przy opadzie po wybuchu. Typowa broń jądrowa zawiera około 300-600 Ci emitera alfa, przy założeniu około 5 kg plutonu. Rozkład przybliżony to 300 Ci Pu-239, 60 Ci Pu-240 i do 250 Ci Am-241.

Jeśli drobne cząstki emiterów alfa zostaną wdychane, mogą osiedlić się na stałe w płucach i tworzyć bardzo poważne źródło ekspozycji dla tkanki płucnej. 1 mikrocurie emitera alfa zdeponowane w płucach daje około 3700 rem/rok dla tkanki płucnej, czyli skrajnie duże ryzyko nowotworowe.

Uran i transuranowce mają powinowactwo do kości, z wyjątkiem neptunu. Po wchłonięciu odkładają się w kościach i stwarzają istotne ryzyko dla tkanki kostnej oraz szpiku. Pluton ma biologiczny półokres 80-100 lat, gdy odkłada się w kościach, i koncentruje się także w wątrobie z półokresem 40 lat. Maksymalne dopuszczalne zawodowe obciążenie ciała Pu-239 wynosi 0,6 mikrograma, czyli około 0,0375 mikrocurie, a dla płuc 0,26 mikrograma, czyli około 0,016 mikrocurie.

Węgiel-14

C-14 jest słabym emiterem beta o niskiej aktywności wynikającej z bardzo długiego półokresu. Stwarza jednak szczególne zagrożenie, bo w przeciwieństwie do wielu innych izotopów zostaje wbudowany bezpośrednio w materiał genetyczny jako stały składnik organizmu. To oznacza ryzyko niewspółmierne do klasycznie liczonej dawki promieniowania.

5.6.3.5.3 Nowotwory

Najpoważniejszym długoterminowym skutkiem ekspozycji radiacyjnej jest wzrost ryzyka nowotworów. Szacunki rakotwórczości promieniowania, szczególnie małych dawek, z biegiem lat zwykle rosły wraz z gromadzeniem danych epidemiologicznych.

Jako ówczesny stan wiedzy źródło wskazuje raport BEIR V z 1990 roku, przygotowany przez Komitet Narodowej Akademii Nauk USA do spraw biologicznych skutków promieniowania jonizującego.

Ogólna zasada przybliżona jest taka, że ryzyko nowotworu jest mniej więcej proporcjonalne do całkowitej dawki, niezależnie od jej wielkości, szybkości i czasu trwania. 500 rem otrzymane przez dekadę stanowi więc podobne ryzyko jak 500 rem otrzymane naraz, a 50 rem daje około jedną dziesiątą tego ryzyka. Nie ma dowodów na istnienie dawki progowej albo „bezpiecznej dawki”. Normy bezpieczeństwa ustala się głównie tak, aby wzrost zachorowalności pozostawał poniżej poziomu łatwego do wykrycia.

Pewne odchylenia od tej reguły występują. W szczególności małe dawki rozłożone na długi czas są istotnie mniej rakotwórcze, mniej więcej o czynnik 2, niż ta sama dawka otrzymana naraz.

Ryzyko nowotworu od promieniowania można wyrazić jako wzrost prawdopodobieństwa śmiertelnego raka w ciągu życia na jednostkę dawki. Źródło podaje ogólne oszacowanie około 0,8% szansy śmiertelnego raka na każde 10 rem dla mężczyzn i kobiet, uśrednione po strukturze wieku populacji USA. Stąd dawka całkowita 1000 rem dla całego ciała dawałaby około 80% dodatkowego ryzyka śmiertelnego raka ponad naturalne tło nowotworowe, rzędu 20%. U dzieci ryzyko wydaje się około dwukrotnie wyższe, częściowo dlatego, że mają przed sobą więcej lat życia po ekspozycji.

Istnieją też współczynniki ryzyka dla określonych tkanek:

Pierś kobieca   1,0% / 100 rem
Szpik kostny    0,2% / 100 rem   (0,4% u dzieci)
Tkanka kostna   0,05% / 100 rem
Płuco           0,2% / 100 rem

5.6.3.5.4 Skutki genetyczne

Uszkodzenie komórek rozrodczych przez promieniowanie może powodować mutacje przekazywane kolejnym pokoleniom. Jest to zjawisko bardzo ważne, choć łatwo je przerysować. Może zaskakiwać, że do dziś nie wykryto jednoznacznie podwyższonego tempa mutacji od promieniowania w populacji ludzkiej, nawet wśród dużej populacji ocalałych po bombach atomowych i ich potomków. Jednym z powodów jest to, że ludzie są populacją o dużej naturalnej zmienności genetycznej i nie podlegają kontrolowanej hodowli, jak zwierzęta laboratoryjne. Około 10% populacji ma wykrywalne zaburzenia genetyczne, zwykle niezbyt ciężkie, co utrudnia zauważenie dodatkowych mutacji, jeśli ich częstość nie jest bardzo wysoka.

Dwa czynniki ograniczają efektywną ekspozycję dla skutków genetycznych. W ostrych ekspozycjach wysokie dawki dla narządów rozrodczych mogą spowodować trwałą bezpłodność, co uniemożliwia przekazanie uszkodzeń. W przewlekłej ekspozycji liczą się tylko dawki otrzymane przed reprodukcją, a ponieważ większość rozrodu ma miejsce przed 30 rokiem życia, ekspozycje po tym wieku mają małe znaczenie populacyjne.

Szacuje się, że dawka dla tkanek rozrodczych potrzebna do podwojenia naturalnej częstości zaburzeń genetycznych wynosi około 100-200 rem. Początkowy wzrost, czyli w pierwszym pokoleniu, wynosi tylko około jednej trzeciej wartości docelowej, która ustala się dopiero po osiągnięciu równowagi genetycznej. Wzrost częstości zaburzeń genetycznych w dużej populacji oznacza oczywiście trwałą zmianę gatunku ludzkiego.

5.6.3.5.5 Zaćma

Tkanki oka wykazują zwiększoną częstość zaćmy już przy dawkach, przy których większość innych tkanek dopiero zaczyna wykazywać wzrost ryzyka nowotworów. To sprawia, że ryzyko zaćmy jest jednym z najważniejszych kryteriów tkankowych przy ustalaniu norm bezpieczeństwa.