معمای قارچی‌شکل انفجارها /چرا دود انفجارها در تهران به شکل قارچ دیده می‌شود؟

غزال زیاری-  در روزهای اخیر شاهد وقوع انفجارهای متعددی در کشور بوده‌ایم که علاوه بر اثرات فیزیکی، موجی از سؤالات و ابهام‌های علمی و نگرانی‌های عمومی را در فضای رسانه‌ای ایجاد کرده است.

یکی از بزرگترین این ابهام‌ها، مشاهده ستون‌های دود و غبار بعد از وقوع انفجارهاست که در برخی موارد به شکل نیم‌دایره‌ای یا اصطلاحاً «قارچی» در آسمان دیده می‌شوند. از همین رو ما ضروری دیدیم تا علاوه بر افزایش اطلاعات عمومی، با اتکا به قوانین فیزیک، برای کاهش رعب و وحشت در بین شما عزیزان دست به کار شویم.

برخلاف تصور رایج که افراد ابر قارچی را مرتبط با انفجارهای اتمی می‌دانند، تشکیل ابر قارچی بعد از انفجارها پدیده استانداردی در مکانیک سیالات است که تحت شرایط انرژی خاص در هر نوع انفجار بزرگ یا حتی پدیده‌های طبیعی رخ می‌دهد.

در مقاله‌ای درباره رد درخشان موشک‌ها در آسمان به این نکته اشاره شد که پدیده‌های بصری در آسمان اغلب ترکیبی از امضاهای شیمیایی و آیرودینامیکی هستند. گرچه رد درخشان موشک‌ها ناشی از تخلیه سوخت در ارتفاعات بالاست، ابر قارچی ناشی از انفجار که در نزدیکی سطح زمین یا در تروپوسفر دیده می‌شود، نتیجه مستقیم برهم‌کنش گازهای گرم با جو غلیظ است.

فیزیک ناپایداری رایلی-تیلور (RTI)

دلیل اصلی شکل‌گیری ساختار قارچی در انفجارها، پدیده‌ای به نام ناپایداری رایلی-تیلور است. این ناپایداری زمانی رخ می‌دهد که یک سیال با چگالی کمتر (گازهای فوق‌داغ ناشی از انفجار) به یک سیال با چگالی بیشتر (هوای محیط) فشار وارد کرده یا آن را جابه‌جا می‌کند. در لحظه انفجار، به دلیل دمای بالا، حجم عظیمی از گازهای با چگالی خیلی پایین تولید می‌شوند که تمایل شدیدی به بالا رفتن دارند.

مراحل توسعه ناپایداری

توسعه این ناپایداری را می‌توان به چهار مرحله اصلی تقسیم کرد که در هر مرحله، فیزیک حاکم بر سیال تغییر می‌کند:

• مرحله خطی:

در این مرحله اختلالات کوچکی در رابط این دو سیال ایجاد می‌شود که به شکل لرزش های اولیه و تغییر شکل جزئی کروی مشاهده می‌شود.

• مرحله غیرخطی:

اینجا ساختارهایی شبیه انگشت یا حباب شکل می‌گیرند که منجر به شکل گیری ساقه ابر قارچی شکل و برآمدگی اولیه خود قارچ می‌شوند

• مرحله برهم کنش:

در مرحله سوم، حباب‌های کوچک با هم ادغام شده و حباب‌های بزرگی شکل می‌گیرند که منجر به پهن‌تر شدن بخش بالایی ابر قارچی شکل می‌شود.

• مرحله تلاطم:

و در نهایت با ادغام کامل سیالات با هم و ایجاد جریان‌های آشفته، شکل گل کلمی کلاهک ابر قارچی به طور کامل شکل می‌گیرد.

کالبدشکافی ابر قارچی: ساقه، کلاهک و گردابه حلقوی

یک ابر قارچی از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود که هر کدام محصول یک فرآیند فیزیکی مجزا هستند:

گوی آتشین و صعود اولیه

بلافاصله بعد از انفجار، یک گوی آتشین که شامل هوای بسیار داغ و بقایای تبخیر شده است، شکل می‌گیرد.

این گوی به دلیل نیروی شناوری، مثل یک بالون هوای داغ به سمت بالا حرکت کرده و با بالا رفتن این توده داغ، هوای اطراف به عقب رانده شده و جریانی ایجاد می‌شود که منجر به سرد شدن لایه‌های بیرونی خواهد شد.

تشکیل گردابه حلقوی

مهم‌ترین بخش آیرودینامیکی ابر قارچی، تشکیل یک گردابه حلقوی در قسمت کلاهک است. اصطکاک با هوای محیط باعث می‌شود که لبه‌های گوی آتشین در حال صعود، به سمت پایین و داخل خم شوند. این حرکت دورانی، ساختاری شبیه به یک پیراشکی ایجاد می‌کند که در آن گازها از مرکز به سمت بالا حرکت کرده و از لبه‌ها به سمت پایین می‌چرخند.

این گردابه حلقوی باعث پایداری ابر در حین صعود شده و به آن اجازه می‌دهد تا مسافت زیادی را در اتمسفر طی کند.

ساقه و اثر دودکشی

در حالی که کلاهک به سمت بالا حرکت می‌کند، ناحیه کم‌فشاری در پشت آن ایجاد می‌شود.

این خلأ نسبی، هوای غبارآلود و دود را از سطح زمین به سمت بالا می‌مکد. جریان‌های هوایی که پس‌وزش نامیده می‌شوند، ستون عمودی یا ساقه قارچ را تشکیل می‌دهند.

اگر انفجار در ارتفاع زیادی رخ دهد، ساقه ممکن است ضعیف یا حتی نامرئی باشد؛ چرا که فاصله از زمین مانع از مکش مقادیر زیاد خاک و غبار خواهد شد.

تفاوت بین انفجارهای هسته‌ای و شیمیایی

یکی از چالش‌های اصلی در تحلیل انفجارهای شهری، تمایز قائل شدن بین انفجارهای مرسوم و پدیده انفجارهای هسته‌ای است که همین کار می‌تواند تا حد زیادی از وحشت عمومی جلوگیری کند.

به اشتباه این ایده در ذهن اکثر ما جا افتاده که ابر قارچی به تنهایی نشان‌دهنده یک انفجار هسته‌ای است؛ در صورتی که تشکیل ابر قارچی، فقط نشان‌دهنده مقدار انرژی گرمایی زیاد در یک فضای کوچک است.

امضای رنگی و ترکیبات شیمیایی

یکی از سریع‌ترین روش‌ها برای تشخیص نوع انفجار، رنگ ابر است.

• ابر قرمز تیره یا نارنجی:

این رنگ ابر در اثر انفجارهای شیمیایی (نیترات آمونیوم) پدیدار می‌شود و علت رنگ قرمز تیره یا نارنجی آن، وجود دی‌اکسید نیتروژن به عنوان محصول جانبی است.

• ابر سفید درخشان (پس از مرحله اولیه):

تنها در صورتی که ابر قارچی بعد از مرحله اولیه به رنگ سفید درخشان باشد، می‌توان گفت که انفجار هسته‌ای رخ داده و دلیل تشکیل ابری به این رنگ هم میعان سریع بخار آب به دلیل تغییرات فشار است.

• ابر سیاه یا خاکستری تیره

ابر قارچی به رنگ خاکستری تیره یا سیاه، از انفجار صنعتی یا سوخت خبر می‌دهد و تشکیل ابری به این رنگ به دلیل وجود دوده و کربن ناشی از احتراق ناقص هیدروکربن‌ها و نشان‌دهنده سوختن مواد آلی یا مخازن سوخت است که با مکانیسم شناوری به شکل قارچی درآمده‌اند.

به عنوان مثال در انفجار بیروت لبنان در سال ۲۰۲۰ میلادی، رنگ نارنجی تند ابر قارچی به وضوح نشان‌دهنده دخالت نیترات آمونیوم در این انفجار بود.

چرا دود در تهران به شکل قارچ دیده شد؟

تهران به دلیل توپوگرافی خاص و قرارگیری در کوهپایه، اغلب دارای لایه‌بندی دمایی در اتمسفر است. زمانی که یک انفجار بزرگ رخ می‌دهد، گازهای داغ با سرعت بالایی صعود می‌کنند تا به لایه پایدار جو (مثل تروپوپوز یا یک لایه اینورژن محلی) برسند. برخورد با این لایه‌های پایدار باعث پهن شدن کلاهک ابر می‌شود.

منابع: scienceline، ucs، britannica، lanl

۲۲۷۲۲۷