化学武器在海洋环境中的性能研究

穆中国，董文斌，刘 虹，张明虎

(1.海军大连舰艇学院水武与防化系，辽宁 大连 116018;2.海军司令部 军训部，北京 100841)

0 引言

作为一种威力巨大的大规模杀伤性武器［1－2］，化学武器利用毒剂形成大面积的染毒区域，对人员产生大规模杀伤作用，一旦在海战中使用，将会对水面舰艇部队构成巨大威胁。在实际应用中，化学武器的性能受战场气象环境的影响较大，为对化学武器做出有效的防护，舰艇部队必须结合化学武器在海洋环境中的性能特点制定防护战术，研制各种模拟训练器材。然而，由于海洋气象环境较为复杂，很难借助理论或试验研究化学武器在海洋环境中的性能，目前还未见结合海洋气象变化规律，从理论上研究化学武器性能的报道。这些难题如不加以解决，不利于舰艇部队的防化训练朝向实战化、精确化方向发展。

本文结合研究现状，从理论进行初步研究，首先研究海洋环境的气象变化规律，然后构建毒剂云团在海洋环境中扩散的数学模型，最后结合数学模型，通过仿真计算，从理论上研究化学武器在海洋环境中的性能。研究结果对于舰艇部队制定防护战术，模拟实际战场环境，构建模拟训练器材具有一定意义。

1 海洋风速变化规律

风速是影响化学武器在海洋战场性能的重要气象参数，在自然环境中，不同高度风速的关系满足风速断面方程:

式中:u和u1分别为高度z和z1处的风速;n为大气稳定度;z0为下垫面粗糙度。

海洋环境的空气垂直稳定度可近似看成等温，在等温条件下，式(1)可用拉庇达尔定律表示为:

在海洋环境中，海面粗糙度与10 m高的风速存在如下关系［3－5］:

故在等温条件下，由方程(2)和方程(3)可知海面风速的断面方程为:

整理可得距海面z m处的风速与10 m处的风速存在如下关系:

2 海洋大气扩散系数

影响化学武器性能的另一个海洋气象参数是大气扩散系数，它描述海面上方乱流空气运动对毒剂云团扩散特性的影响。在海面上方，影响毒剂云团的扩散系数主要有垂直扩散系数和水平扩散系数。

在等温条件下，距海面zm处的垂直扩散系数

式中:k为卡门常数，一般取0.4;z0为粗糙度;u1为1 m高的风速。

由式(3)整理可得:

由此可知，若求得10 m高的风速，即可求得海面任意高度处的垂直扩散系数。

莱赫特曼理论认为，一般毒剂云团在水平方向的扩散系数相等，即:

其中:K0相当于13.5 m高处的大气垂直扩散系数，故毒剂云团在海洋环境中的水平扩散系数

3 化学武器毒剂浓度扩散数学模型

3.1 毒剂云团的初始性质

由实验可知，化学武器爆炸后，所产生毒剂云团的初始半径r和初始高度h可由下式计算:

式中:M为化学武器中的弹药质量;β为毒剂与弹药的质量比。

3.2 毒剂云团浓度数学模型

化学武器(如:化学炮(炸弹))的爆炸可看成是瞬时体源的一种形式，其在大气中的传播浓度，可运用以梯度输送理论为基础的莱赫特曼方程和以统计理论为基础的正态浓度方程来计算［6］，其表达式为:

式中:Q为化学武器中所装的毒剂重量;ku为毒剂利用率;k0为在z1参考点处的大气水平扩散系数;k1为在z1参考点处的大气垂直扩散系数;z1为参考点距海面的距离;Γ(1+(1/n))为伽马函数，在等温条件下，该函数为1;u1为参考点z1处的风速;u为高度z处的风速;r为毒剂云团起始半径;h为毒剂云团起始高度。

设研究区域为海面，参考点z1距海面高度为1 m，式(11)中的x2+y2可看成是研究区域距爆炸中心距离的平方，以a2表示，由方程(11)可得化学武器在海面爆炸的毒剂浓度扩散方程:

4 化学武器在海洋环境中的性能

4.1 风速对化学武器性能的影响

设化学武器的弹药质量为1 kg，毒剂与弹药质量比为0.8，毒剂利用率为90%，研究海面区域距爆炸中心距离为20 m，参考点(距海面1 m处)的风速为2 m/s，4 m/s和 8 m/s。结合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序编程可求得在等温条件下，研究海面区域的毒剂浓度随风速的变化规律，其结果如图1所示。

图1 毒剂浓度随风速的变化规律Fig.1 Variety of toxic agent concentration with wind speed

从仿真计算结果可以看出，随着爆后时间的延长，毒剂云团的浓度呈现先急剧增加，再逐渐衰减的变化趋势。风速越大，毒剂浓度的变化趋势越为剧烈。当风速较高时，毒剂云团在极短时间内便可形成很高的毒剂浓度，对舰艇人员产生很强的杀伤作用，但其毒剂浓度衰减也较快，杀伤作用持续时间较短。当风速较小时，毒剂云团需较长的时间才能形成较高的毒剂浓度，其对人员的瞬时杀伤作用较弱，但由于毒剂浓度衰减较慢，其杀伤作用持续时间较长，可长时间威胁舰艇人员的生命安全。研究表明，化学武器在不同风速的天气里，展现出不同的战斗性能，在风速较大的天气，敌人可能会利用化学武器对实施杀伤性化学袭击，通过瞬时形成的高毒剂浓度在短时间内大量杀伤人员。在风速较小的天气里，可利用化学武器造成战场环境长时间染毒，迫使人员长时间进行防护，影响其战斗力，同时消耗防护器材的使用性能。

综上所述，舰艇部队要想在海战中战胜敌化学武器袭击，必须结合海洋气象特点做好防护准备工作，在风速较大的天气里，应重点检查舰艇人员的防护速度和对防护器材的操作熟练程度，确保舰艇人员在敌发动化学袭击时，能做到及时正确的防护。在风速较小的天气里，应重点检查个人和集体防护器材的防护性能，确保防护器材能长久防护毒剂云团。

4.2 距离对化学武器性能的影响

设化学武器的弹药质量为1 kg，毒剂与弹药质量比为0.8，毒剂利用率为90%，研究海面区域距爆炸中心距离为20 m和30 m。参考点(距海面1 m处)的风速为2 m/s，结合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序编程可求得在等温条件下，距爆炸中心不同距离的海面区域，毒剂浓度随时间的变化规律如图2所示。

图2 烟幕浓度随高度的变化规律Fig.2 Variety of smoke concentration with height

由计算结果可以看出，在海洋战场环境中，距离爆炸中心越近，毒剂浓度变化趋势越为平缓，从毒剂浓度的分布规律可以看出，距爆炸中心的距离仅增加10 m，最高毒剂浓度降低了近5倍，随着爆后时间的延长，毒剂的不断扩散，距离对毒剂浓度的影响逐渐变小，最后在不同距离范围内，毒剂浓度基本接近。研究表明，在敌人使用化学武器后，舰艇如能迅速机动远离爆炸中心，可有效减轻毒剂云团在爆炸初期对人员的瞬时杀伤作用。

4.3 化学武器在海洋与陆地环境的性能对比

设化学武器的弹药质量为1 kg，毒剂与弹药质量比为0.8，毒剂利用率为90%，研究海面区域距爆炸中心距离为20 m，参考区域(距海面和地面的距离为1 m)的风速为2 m/s，化学武器的使用环境分别为海洋、平坦陆地(粗糙度为0.01)，有低矮植被的陆地(粗糙度为0.05)。结合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序编程可求得在等温条件下，在不同施放环境中，毒剂浓度随时间的变化规律(见图3)。

从计算结果可以看出，在有低矮植被的陆地环境中，毒剂浓度变化趋势最为剧烈，化学武器使用之后，毒剂云团在极短时间内便可形成很高的毒剂浓度，对人员产生很强的瞬时杀伤作用，但其毒剂浓度衰减也较快，杀伤作用持续时间较短;平坦陆地环境次之;在海洋环境中，毒剂浓度变化更为平缓一些，瞬时杀伤作用相对弱一些，由于毒剂浓度衰减缓慢，其杀伤作用持续时间更长一些。施放环境对最高毒剂浓度影响不大，在3种施放环境中，毒剂云团所能达到的最高毒剂浓度基本相同。研究表明，化学武器在陆地和海洋环境中存在着较大的性能差别，在陆地环境中，低矮植被的存在有助于提高化学武器瞬时杀伤作用，应防止敌人利用此特点发动杀伤性化学袭击，化学武器在海洋环境中尽管瞬时杀伤作用稍弱一些，但其杀伤作用持续时间更长，比在陆地环境中威力更大，水面舰艇部队要想有效应对敌化学武器袭击，必须结合海洋环境自身特点制定防护方案，应确保防护器材的防护性能更加优良，能长时间对毒剂云团加以防护。

图3 在海洋和陆地环境中，毒剂浓度的变化规律Fig.3 Variety of toxic agent concentration in ocean and land

5 结语

本文结合海洋气象环境特点和毒剂扩散数学模型，研究了化学武器在海洋环境中的性能，得出如下结论:

1)在施放条件相同的情况下，风速越大，化学武器在爆炸初期的瞬时杀伤作用越强，杀伤作用持续时间越短。

2)在施放条件相同的情况下，随着距爆炸中心距离的增加，化学武器的瞬时杀伤作用明显减弱。

3)在施放条件相同的情况下，化学武器在陆地和海洋环境中存在较大的性能差异，其在陆地环境中的瞬时杀伤作用更强一些，在海洋环境中的杀伤作用持续时间更长一些，化学武器在海洋环境中的威力更大一些。

［1］夏治强.化学武器兴衰史话［M］.北京:化学工业出版社，2008.1 －286.XIA Zhi-qiang.The recessionary and glorious history of chemicalweapon［M］.Beijing:ChemicalIndustry Publishing Company，2008.1 －286.

［2］赵秋红.气象因素对化学武器毒剂扩散影响的分析［J］.中国公共安全，2007，9(3):123 －124.ZHAO Qiu-hong.Analyse of effect of weather factors on toxic agent diffusion of chemical weapon［J］.China Public Security，2007，9(3):123 －124.

［3］过杰，郭佩芳，周国良.太平洋海面粗糙度的计算及波长的提取［J］.海洋湖沼通报，2007，(1):24－29.GUO Jie，GUO Pei-fang，ZHOU Guo-liang.Calculation of sea surface roughness and extraction of wavelength in the pacific ocean［J］.Trsanctions ofOceanology and Limnology，2007，(1):24 －29.

［4］周良明，郭佩芳，过杰.ERS散射计风速资料反演海面粗糙度［J］.海洋湖沼通报，2006，(2):7 －11.ZHOU Liang-ming，GUO Pei-fang，GUO Jie.Inversion of sea surface roughness from wind speed data by ERS［J］.Trsanctions of Oceanology and limnology，2006，(2):7 －11.

［5］姚禄久，高钧麟，肖凯涛，等.烟幕理论与测试技术［M］.北京:国防工业出版社，2004.1 －246.YAO Lu-jiu，GAO Jun-lin，XIAO Kai-tao，et al.Theory and testing technigue of smoke［M］.Beijing:National Defense Industry Publishing Company，2004.1 －246.