陶蕊

2020年8月，黎巴嫩首都貝魯特市的港口附近發(fā)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(lián)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(chǎn)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(chǎn)生蘑菇云嗎，蘑菇云是怎么產(chǎn)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(fā)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(nèi)使周圍空氣發(fā)生電離。爆炸中心將在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生數(shù)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(chǎn)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(xù)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(zhì)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(fù)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(jié)出來，并不是只有核爆炸時才會產(chǎn)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(fā)，使流體出現(xiàn)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(xiàn)“蘑菇云”現(xiàn)象。

老煙民口中吹出來的煙圈可算是一朵超小型蘑菇云。經(jīng)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(xù)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(fā)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(chǎn)生的“蘑菇云”會使旋翼再次轉(zhuǎn)動，直升機失去平衡，會發(fā)生抖動、搖晃等現(xiàn)象，嚴重時甚至會發(fā)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(chǎn)生活帶來不好的影響，我們能不能減少這些蘑菇云的產(chǎn)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(shù)。

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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，這款蛋黃醬的物理性質(zhì)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(xiàn)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(nèi)，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(zhuǎn)輪上。當轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)力度和角度，就能得到不同條件下蛋黃醬的“失穩(wěn)閾值”。結(jié)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(chǎn)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。