謹以此文獻給R。 Utsuho女士，因她在核聚變方向燦爛奪目的成就。
（R。Utsuho女士玉照見上）
作為衡量一次核爆炸所釋放總能量的準繩，使用TNT當量表示一枚核武器的威力已經成為一種慣例……
——美國陸軍部手冊TM-23-200《核武器的效能》，1960
讓我們開始今天的討論。在外行人看來，所有核爆炸幾乎都一樣：強烈的閃光、衝擊波，然後是那標誌性的蘑菇狀煙雲……但對諳於此道的人來說，僅僅是觀察一幅核爆炸的圖片或者影片片段，就足以大致推斷出它的當量範圍。對於瞭解核爆炸特點的人來說，圖片中的許多特徵就是最佳的證明，忠實地反映著核爆炸的威力……在今天的文章中，我將向大家傳授這些簡單易懂的判斷方法，使得各位讀者今後可以在看到圖片、影片以及實際核爆炸時（雖然筆者祈禱這種情況不要發生），可以輕易估算出它們的當量……
閒話少說，讓我們開始吧。
直接識別法
“兒童相見不相識，笑問客從何處來。”
——《回鄉偶書》，賀知章
對於某些核爆炸來說，它們恰好被流行文化選為了核爆炸的代表符號——因此它們的知名度高到了一眼就可以認出的地步，由此自然也可以確定當量了——下面是一些例子。
Crossroad Baker，當量21kt——這可能是知名度最高的核爆炸畫面之一。
Upshot-Knothole Grable，當量14kt——另外一張著名的核爆炸照片。
Castle Romeo，當量11Mt——幾乎是最經典的核爆炸圖片之一。
這才是最經典，或者說最符號化的核爆炸畫面：Upshot-Knothole Badger，22kt——我沒把它放第一個的原因是這些該死的小當量爆炸看起來都差不多……
焰星「十兇星」，當量……抱歉走錯了（逃
可是，在面對從未見過的陌生核爆炸時，我們怎麼判斷其當量呢？下面要講的，才是正題。
初步確定當量範圍：地形法
“地形？”很多人可能會想。“意思是說，讓我們用地形的參照物判斷蘑菇雲的尺寸？”
不，當然不是。你首先應該觀察的，是圖片中環境如何——絕大多數核爆炸錄影，都是美國和蘇聯拍攝的。（其餘那些太罕見，以至於你可以用直接識別法記住）所以，圖片中的環境，無非可以分為三類——
亞熱帶沙漠風景——美國內華達試驗場；
熱帶海洋或海濱、島嶼風景——美國太平洋試驗場(比基尼、埃託威克、聖誕島)；
高寒地區內陸/海濱——蘇聯試驗場。(哈薩克、新地島等)
Joe-4，蘇聯第一枚“熱核武器”。
重要的知識點來了：
由於擔心本土試驗的安全，
美國從未在內華達試驗場進行過高當量核試驗！
事實上，如果我沒記錯，在內華達進行的大氣層核試驗幾乎沒有超過50kt的——因此，
當背景為沙漠時，對當量的估算上限不應超過50-100kt！
懶得打名字的一次小當量試驗，37kt
相反，美國絕大多數高當量核試驗都在比基尼環礁完成。而由於100-500kt當量範圍內的武器測試較少，因此
當背景為海洋時，大部分情況下應認為當量下限不低於500kt！
Ivy Mike，11Mt
至於蘇聯……其實蘇聯也可以用直接記憶法啦 Joe-1 Joe-4 沙皇氫彈 不就這仨麼……（試圖溜走
當然，如果當量識別僅是如此就黔驢技窮的話，本文也就不會出現了。下面，當我們確定了大致當量範圍，讓我們進入稍微精確一點的估計技巧……
輻射極大值時間——對大當量武器的有效估計
核爆炸的顯著特徵之一，就是所謂的“雙閃光效應”——第一輻射極大值和第二輻射極大值。至於其成因，我之前在想法中說過，現在全文貼上——
為什麼核彈爆炸會有兩個熱輻射極大值？我們要從核爆炸的原理說起——
在核反應完成後的一瞬間，核反應產生的能量沉積在彈體殘骸中，將其加熱到幾千萬度。在如此高的溫度下，它會釋放出大量的黑體輻射——主要是軟X射線；這些X射線高效地加熱了周圍的一切物質——彈體殘骸、空氣、地面物質——將它們加熱到等離子體溫度。在爆炸後百萬分之幾秒，這些等離子體大致表現為一個圓形的白亮氣體團——這就是所謂的初始火球。剛形成的初始火球亮度極高——因此其產生了所謂的第一輻射極大值，主要集中在紫外波段；其瞬時功率極大，但由於持續時間極短（約幾個至幾十個毫秒），其釋放的熱輻射能量僅佔熱輻射總能量的1%；估算時一般忽略其效應。
剛形成的火球透過繼續將周邊空氣加熱成等離子體而膨脹。當火球溫度低於300，000開爾文時，即可認為熱輻射已不再是驅動火球膨脹的主要因素——此時，由於火球的高溫高壓，其產生一向四周高速膨脹的激波；由流體力學我們知道，氣體透過激波後溫度升高。但，由於核爆炸產生的激波強度極大，以至於它能將通過後的氣體加熱到發光的程度——於是，火球就隨激波一起高速擴張——但隨著火球半徑擴張，激波強度迅速下降；而正在發光的激波陣面此時又是不透明的（“光學厚的”，用x格更高的話來說）——因此，火球的表觀溫度是降低的；儘管其半徑正在擴大，但其總光度反而下降。衝擊波強度的衰減持續到這樣一個時間點——在那一瞬間，衝擊波強度低到無法將空氣加熱到發光的程度——此時，火球外的氣體瞬間由光學厚變為光學薄（“透明”，通俗一點來說），從而暴露出火球內部的熾熱氣體——因此，火球的表觀溫度又急劇上升，從而產生了第二輻射極大值——由於此時火球半徑已非常大，再加上此次極大值持續時間較長，因此其釋放了核爆炸約99%的熱輻射。
值得注意的是，這兩個極大值的出現時間都與武器當量的平方成正比：其計算公式分別為t=0.0027√W
和t=0.032√W，其中W為以kt表示的武器當量；
簡單計算即可得出，沙皇氫彈的第一和第二輻射極大值分別出現在0。6s和7。1s。這或許是唯一一個可以被肉眼觀測到的第一輻射極大值；對於其他任何當量來說，第一輻射極大值的出現時間都無法讓人類察覺。不過，儘管討論如何防護第一輻射極大值毫無意義（能量太低、時間太短），第二輻射極大值的出現時間卻給我們提供了一種面對大當量武器的自保方法：飛身臥倒在大型掩體背後，你就有機會躲掉相當大一部分致命的熱輻射，甚至一大部分核輻射——當然，那就是另外一個長長的故事了。
這一大段話中，最重要的莫過於，我們可以簡單地確定第二輻射極大值出現時間和武器當量之間的確定關係——
t=0.032√W(s)
Hardtack Popular，9。8Mt——圖中顯然可見“雙閃光”特徵。
儘管做不到精確估計這些時間，但是務必記住，
越大的武器需要越長的時間釋放它的盛怒——當你能明顯看見這個由暗變亮的過程，武器當量很可能不低於Mt級別。
透過這種估算方式，大當量武器威力可以被估算到精度不低於一個數量級……需要注意的是，
因為10Mt以上爆炸幾乎都非常著名，因此如果你可以確定這不是那幾次有名的爆炸中的一次，存在雙閃光現象的炸彈當量幾乎可以肯定在2-8Mt之間！
不管怎麼說，我們總算有了一種方法可以大致估算大當量武器的威力。而對於小當量、中當量武器，以及對大當量武器估計的核實和進一步估計，我們另有妙法……
雲柱和火柱：對核爆炸火球和煙雲的觀察
“日間，耶和華在雲柱中領他們的路；夜間，在火柱中光照他們，使他們日夜都可以行走。”
——出埃及記 13：21
（只是偶然想起這一句描寫；本人並非宗教徒）
為了瞭解如何觀測蘑菇雲，我們首先需要簡單解釋一下它的成因。事實上，蘑菇雲現象並非核爆炸所獨有；任何爆炸中，蘑菇狀煙雲都是十分常見的現象。究其原因，無非是爆炸產生的一團熱氣體由於自身密度低於周邊的冷空氣，而在大氣中冉冉上升的過程；
其中，熱氣團本身形成蘑菇的“傘”，而由於負壓從地面吸起的塵埃成為了蘑菇的“莖”。而在核爆炸中，熱氣團本身的所有能量都是由核彈釋放的，因此我們只需觀察這熱氣團的形態，就可以得知核爆炸釋放能量的多少……
一看火球圓不圓：
讓我們從熱氣團最初的形態——火球開始觀察。
請看下面兩張核爆炸火球的高速攝影：
Trinity，人類歷史上第一枚核裝置——23kt
Ivy Mike，人類歷史上第一枚熱核武器——10。4Mt
我們可以看到，圖1中，火球與地面接觸的邊緣有明顯的前緣和唇邊；而圖2中，火球就接近完美的半圓形。這是因為，圖2中的火球尺度遠遠大於圖1，以至於這些細節完全被尺度所掩蓋——由此我們可以判斷，圖2的武器當量遠遠大於圖1。
同樣的法則，對空中爆炸也完全適用：
Teapot Turk，43kt——那些尖刺是所謂的“rope trick”。
Dominic Housatonic，8。3Mt
由於實際尺度存在數量級差距，大當量武器的火球總體來說更均勻，更圓；
而從時間尺度上來說，由於大當量武器的火球直徑大得多，因此火球保持近似圓形的時間也更長；
例如下面這枚14kt的武器，在爆炸後1-2秒就已經完全喪失了火球的圓形，開始作為蘑菇雲膨脹；而像下下圖那種7。6Mt的大當量武器，其火球的圓形足足可持續十幾秒，才開始逐漸失去形狀……
某14kt武器
某7。6Mt武器——代號圖裡有寫……
二看雲顏色黑不黑——黑雲白雲，估出當量就是好雲
我們先來觀察下面兩幅蘑菇雲的圖片。
Joe-4，400kt——蘇聯最早的熱核武器設計
上文出現過的Ivy Mike的蘑菇雲。
你是否發現，
似乎越大當量的蘑菇雲顏色就越白？
這很容易解釋。初始形成的蘑菇雲主要是灰黑色的，這顏色來自於炸彈碎片和地面物質；當蘑菇雲冉冉上升到某一高度後，空氣中的水汽會吸附在這些細小顆粒上，使得雲變白。但是，
如果武器當量足夠大，那麼蘑菇雲在冷卻到不再發光之前就已經上升到了足夠的高度，以至於雲自然看起來就是白色的——我們有理由相信，黑色到白色的分界線處在500kt-1Mt之間，更靠近1Mt的位置——或許是700-800kt。
Operation Dominic的某次試驗，代號未知——注意雲是怎麼從火球直接變白的。影片為x3倍速。
而對於更高當量的武器（例如大於2-3Mt），火球蘊含的能量是如此之高，以至於它在上升到相當高的高度時，仍然在發光……
Castle Bravo，14Mt——美國引爆過最大的核彈。
為了讓讀者對蘑菇雲的大小有直觀的認識，我們將三個蘑菇雲的大小做一個直觀的對比：
三張核爆炸圖片在上文中均有出現
三看蘑菇雲高度和上升速度
上面這幾張圖還引出一個重要的問題，就是
蘑菇雲的高度和當量的關係。
我們知道，蘑菇雲上升的動力來自於它的熱度——那麼，大當量武器釋放進周圍空氣的熱量更多，很顯然也會升到更高的高度。
下圖給出了核爆炸當量和最終雲高的關係。
以Ivy Mike為例：
我們可以看到，蘑菇雲的頂端遠在最高的雲層之上，刺破平流層的深藍——不難想象，它的高度一定在15km以上，但看它的形狀仍然十分飽滿，顯然還遠遠沒有達到最終高度——那麼它的當量一定十分巨大。而事實，也正是如此。
四看形狀飽不飽滿
透過觀察上面的圖片我們還可以發現，大當量武器的蘑菇雲看起來更飽滿——這是因為它們的火球體積更大，所以更不容易喪失圓形。綜上所述，我們給出觀察蘑菇雲判斷當量的總結：
先看火球圓不圓；(不圓——小當量武器)
再看雲體白不白；(不白——<1Mt)
然後觀察紅不紅。(紅——大當量；根據經驗判斷具體值)
輔以對高度的合理估計(一般來說可以利用雲層)，我們就可以對核爆炸的當量範圍有一個大致判斷……
到此，我們的核武器威力估算方法就告一段落。本文的目的，不是讓讀者精確的估計核武器的當量（事實上這也做不到），而是至少讓讀完本文的讀者們在看見一次核爆炸的影像時，能夠對它的威力——低、中或是高當量——有一個最基本的概念。如果讀者有了這樣的能力，那麼筆者就可以欣慰地說，自己寫作本文的目的就已經達到了。
我們，下次再見~
下次，我將介紹一種應用廣泛的物理方法，並用它對核爆炸威力進行精確定量估算；
敬請期待：
量綱分析法
【完】
下面是課後習題。
習題1。1
https：//www。zhihu。com/video/1310670640668422144
習題1。2
https：//www。zhihu。com/video/1310670694620573696
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