只有原子彈才“配”有蘑菇云嗎

陶蕊

2020年8月，黎巴嫩首都貝魯特市的港口附近發生了巨大爆炸，天空中騰起一朵又白又大的“蘑菇云”，讓人不禁聯想到原子彈爆炸時的場景。盡管官方通報稱這場爆炸是由大量的硝酸銨燃爆引起的，仍有許多不明真相的群眾猜測，都有蘑菇云產生了，一定是遭到原子彈襲擊了！

那么，只有原子彈爆炸才會產生蘑菇云嗎，蘑菇云是怎么產生的呢？

原子彈如何“長蘑菇”

原子彈的爆炸原理是通過加熱加速中子，讓中子去轟擊核燃料（鈾-235等放射性元素），核燃料發生裂變，進而釋放出大量能量和高能粒子的過程。當一顆原子彈被引爆后，會在極短時間內使周圍空氣發生電離。爆炸中心將在幾毫秒內產生數千萬攝氏度高溫與幾百萬個億帕的高壓。

高溫高壓使周圍的空氣升溫膨脹，被邊緣的冷空氣迅速推舉上升。原子彈產生的巨大能量能使高溫氣流上升到平流層（離地表10～50千米的高空）的高度，直到遇到更強勢的冷空氣阻止它繼續上升。依靠那股上沖時的巨大能量，地面的石頭、碎片、粉塵等物質顆粒同時被推到高空，這股上升的氣流就形成了“蘑菇莖”。

往上沖的熱氣團被“擋住”了前路，卻也無法馬上掉頭，因為下方仍在上升的熱氣流阻擋了它們的回頭路，所以它們只能向四周擴散。在上升過程中熱氣不斷與周邊的冷空氣接觸，進行熱量交換，最終會降溫到與周圍氣體的溫度一致，兩者的溫度和氣壓接近了，熱氣團就能“融入”四周冷空氣中。源源不斷的熱氣流冷卻后重復此過程，就形成了“蘑菇頂”。這樣，一個完整的蘑菇云便形成了。

黎巴嫩爆炸中的“蘑菇云”

說到這里，想必你能總結出來，并不是只有核爆炸時才會產生蘑菇云。只要有較大的力量在空氣或水體這樣的流體中爆發，使流體出現壓強或密度差異。較輕的流體會被較重的流體向上推舉，但流體間會不斷進行能量交換，趨向平衡，就會出現“蘑菇云”現象。

老煙民口中吹出來的煙圈可算是一朵超小型蘑菇云。經驗豐富的煙民會一口氣吸入大量的煙氣，將煙氣聚集在咽喉處。等煙氣快從咽喉擠向口腔時，他們把嘴唇呈“O”形努起來，縮緊喉嚨，用力呼氣，把煙氣從縮小的嘴唇中擠出來，一個個煙圈就形成了。這個過程與原子彈爆炸正相似，煙氣相對外界空氣是溫度較高、密度較小的上升氣流，煙民們向外噴出的力量就像炸彈爆炸時的推力。當煙圈被從縮小的嘴唇推出來時，“蘑菇頂”被外界空氣推擠向上，后續的煙圈匯成了“蘑菇莖”，直到煙氣與周圍空氣熱量交換完畢，兩股氣流最終融合在一起，“蘑菇云”才消散。

新式武器——空氣炮發射出的也是一朵朵蘑菇云。空氣炮炮筒里壓縮著大量的空氣，當它們被點燃時，就會以一定的速度沖出炮筒。由于出氣口周圍的靜止空氣與排出的空氣之間的密度不同——靜止的空氣密度較大，密度大的氣體向中間的低密度的流動氣體擠壓過去，流動氣體被擠成了“蘑菇頂”?！澳⒐巾敗毕蚯斑\動的過程中同樣會向周圍擴散，“蘑菇”越長越大，直到最后消失。這朵“蘑菇云”的破壞力非常驚人，口徑不足一米的空氣炮，能推倒60米外的“紙箱城墻”。通過在空氣炮中填裝“彈藥”或增加炮身長度和口徑，還能使炮火的威力大增。打穿雙層磚墻或者汽車的堅硬金屬外殼，都不在話下。

空氣炮打出的“蘑菇云”

不過，蘑菇云并不總是有益的。直升機在下降或下滑飛行階段也常伴有“蘑菇云”，這是因為當直升機忽然懸停時，由于主旋翼的攪動，機翼周圍空氣氣壓較小，靜止空氣會大量向主旋翼涌來。這樣產生的“蘑菇云”會使旋翼再次轉動，直升機失去平衡，會發生抖動、搖晃等現象，嚴重時甚至會發生無法控制的下降墜地事故。

消除不想要的“蘑菇云”

既然“蘑菇云”有時候會給我們的生產生活帶來不好的影響，我們能不能減少這些蘑菇云的產生呢？美國理海大學的物理學家阿林達姆·班納吉在蛋黃醬的幫助下，初步了解到了蘑菇云的形成參數。

班納吉的研究課題是可控核聚變，但是他的研究一直受制于“蘑菇云”的形成——核燃料的金屬外殼和氣體的交界處存在氣壓和密度不同的現象，由于氣流的運動，燃料容易在尚未壓縮至聚變條件時就提前爆炸。如何減小氣流的攪動，成為班納吉亟待解決的問題。這時，他常購買的一款蛋黃醬進入了實驗對象的選擇范圍，班納吉發現，這款蛋黃醬的物理性質與高溫下熔化的氫彈的外殼金屬非常相似。如果知道了什么條件下蛋黃醬會在空氣中形成“蘑菇云”，也就能避免核燃料提前爆炸的現象。

班納吉團隊在實驗中測試著蛋黃醬形成“蘑菇云”的臨界條件。他們將冷藏的蛋黃醬倒進一個有機玻璃容器內，上方再扣一個同樣的空容器，讓蛋黃醬和空氣形成密度梯度，然后將之固定在加速離心旋轉輪上。當轉輪開始轉動時，蛋黃醬會在離心力作用下噴射出來，形成大小不一的“蘑菇云”。班納吉通過改變旋轉輪的旋轉力度和角度，就能得到不同條件下蛋黃醬的“失穩閾值”。結果表明，初始振幅和波長越小，蛋黃醬“爆炸”需要的時間越長，形成的蘑菇云也越小。

知道了蘑菇云的形成閾值，當我們不想受到蘑菇云的影響時，就可以通過改變在流體中的推力和方向來消除蘑菇云的產生。也許未來每一個飛行員都要感謝蛋黃醬幫助他們解決了一大難題。