军事天地

“1964年10月16日，在中国西部的戈壁滩罗布泊地区传出一声巨响，紧接着数千里之外的研究人员看着远处的天空徐徐升起了一朵巨大的蘑菇云。”这是人民日报对中国第一颗试爆原子弹的报道。

而现在我们只要一想到原子弹爆炸，脑海中最先出现的就是它们所制造出的大型蘑菇云，简直就像是原子弹的商标。

那么这朵蘑菇云是怎么出现的？这个商标又真的是原子弹所特有的吗？

01 原子弹如何炸出蘑菇云

最初的原子弹是通过让中子去轰击核燃料（铀—235）并使其产生裂变，进而释放出能量和中子，然后这些新的中子继续进一步轰击铀—235，形成连锁反应。

铀—235裂变

因此当一颗原子弹被引爆后，其中心周围将产生大量的X射线、中子、α粒子等高能粒子，它们不仅会侵入附近一切有生命的物体并破坏细胞内遗传片段，更直观的作用则是在极短时间内使周围空气发生电离。因为爆炸中心将在几毫秒内产生数千万度高温与几百万个亿帕的高压。

早在20世纪50年代，麻省理工学院的电子工程学教授哈罗德·金顿就曾用Rapatronic相机拍摄了原子弹刚刚炸开（数毫秒的时间）的“热乎景象”。

Rapatronic相机

由于这种相机是通过磁场来控制快门按钮，人们得以在离爆炸地点11千米的地方拍摄到了原子弹爆炸后数毫秒内发生的变化。

通过相机拍摄的照片，科学家发现核爆发生的几毫秒钟后就会形成震波波前（shock front），核燃料也急速膨胀成为一个大火球。

两张照片时间相差1毫秒

此刻处于爆炸中心的空气被迅速加热，同时原子弹附近会形成一道障碍，阻止火球的蔓延。

而被加热的空气与周围较冷的空气混合后，密度往往会比处于爆炸之外的空气更低，因此在靠近地面处的爆炸中心就形成了一个真空区间，在这附近的低空气体被卷入后，产生的上升气流将托着高温气流往上升。

可以说在这短短数毫秒内，趁着空气不注意，直接把它们“烤熟送上天了”。

不过还没完，爆炸发生后，高温气流上升到一定高度（原子弹巨大能量产生的火球甚至可以击穿对流层，达到平流层）*之后又会遇到冷空气冷却，停止继续上升。

这时无法继续上升的空气想要下降却做不到，因为下方仍在上升的热气流阻挡了它们的去路，所以只能向四周扩散来往下降。

在整个上升过程中，源源不断的热气流冷却后重复此过程，最终在气流顶端的气体裹挟着由爆炸产生的大量烟雾和尘埃形成了蘑菇云的顶部。

黄色部分为热气流；灰色部分为尘埃和碎屑

而这个一开始依靠核爆产生的巨大能量往上冲的上升气流就形成了蘑菇云的支柱部分。

这就是原子弹爆炸后所产生的的蘑菇云。

02 蘑菇云只能由原子弹（或核弹）炸出来吗？

其实上文只能算大致描述了原子弹爆炸后产生的蘑菇云现象，真正导致蘑菇云形成的原理实际上是由于瑞利—泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability，简称RT-不稳定）。

该原理主要存在于两种密度不同的流体之间。由于密度的差异，具有不同密度的流体会受到不同作用力（比如地球重力）的影响。简单地解释：当较轻的流体支撑较重的流体时，由于流体之间将趋向于平衡，从而导致密度较小的流体会“射穿”密度较大的流体，此时RT-不稳定就会发生。

RT-不稳定在我们生活中十分常见。比如油和水的混合液体，油浮在水的上方，经过一段时间后，会有部分的油“侵入”到水中；此外，我们平常喝的黑糖奶茶，其中奶茶和黑糖混合的花纹也是RT—不稳定的体现。

而在更广的尺度上，大气中冷暖空气的相遇，河流入海口水流交汇时的扰动，大气电离层中由太阳辐射导致的环流和湍流，甚至超新星爆发过程中的一些现象，都属于RT-不稳定的体现。

回到蘑菇云的问题上。仅仅只有RT-不稳定还足以形成，不然还能在奶茶上开一朵蘑菇出来......

蘑菇云的形成还需要可急速产生热量的事件，借助这股能量来产生密度更小的热空气，所以其实传统的炸弹爆炸或者火山喷发的时候都可以形成，只不过没有原子弹那么大型罢了。

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