只有原子弹“配”有蘑菇云吗？

陶蕊

2020年8月，黎巴嫩首都贝鲁特市的港口附近发生了巨大爆炸，天空中腾起一朵又白又大的“蘑菇云”，让人不禁联想到原子弹爆炸时的场景。尽管官方通报称这场爆炸是由大量的硝酸铵燃爆引起的，仍有许多不明真相的群众猜测，都有蘑菇云产生了，一定是遭到原子弹袭击了！

那么，只有原子弹爆炸才会产生蘑菇云吗，蘑菇云是怎么产生的呢？

原子弹如何“长蘑菇”

原子弹的爆炸原理是通过加热加速中子，让中子去轰击核燃料（铀-235等放射性元素），核燃料发生裂变，进而释放出大量能量和高能粒子的过程。当一颗原子弹被引爆后，会在极短时间内使周围空气发生电离。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。

高温高压使周围的空气升温膨胀，被边缘的冷空气迅速推举上升。原子弹产生的巨大能量能使高温气流上升到平流层（离地表10～50千米的高空）的高度，直到遇到更强势的冷空气阻止它继续上升。依靠那股上冲时的巨大能量，地面的石头、碎片、粉尘等物质颗粒同时被推到高空，这股上升的气流就形成了“蘑菇茎”。

往上冲的热气团被“挡住”了前路，却也无法马上掉头，因为下方仍在上升的热气流阻挡了它们的回头路，所以它们只能向四周扩散。在上升过程中热气不断与周边的冷空气接触，进行热量交换，最终会降温到与周围气体的温度一致，两者的温度和气压接近了，热气团就能“融入”四周冷空氣中。源源不断的热气流冷却后重复此过程，就形成了“蘑菇顶”。这样，一个完整的蘑菇云便形成了。

黎巴嫩爆炸中的“蘑菇云”

生活中的“蘑菇云”

说到这里，想必你能总结出来，并不是只有核爆炸时才会产生蘑菇云。只要有较大的力量在空气或水体这样的流体中爆发，使流体出现压强或密度差异。较轻的流体会被较重的流体向上推举，但流体间会不断进行能量交换，趋向平衡，就会出现“蘑菇云”现象。

老烟民口中吹出来的烟圈可算是一朵超小型蘑菇云。经验丰富的烟民会一口气吸入大量的烟气，将烟气聚集在咽喉处。等烟气快从咽喉挤向口腔时，他们把嘴唇呈“O”型努起来，缩紧喉咙，用力呼气，把烟气从缩小的嘴唇中挤出来，一个个烟圈就形成了。这个过程与原子弹爆炸正相似，烟气相对外界空气是温度较高密度较小的上升气流，烟民们向外喷出的力量就像炸弹爆炸时的推力。当烟圈被从缩小的嘴唇推出来时，“蘑菇顶”被外界空气推挤向上，后续的烟圈汇成了“蘑菇茎”，直到烟气与周围空气热量交换完毕，两股气流最终融合在一起，“蘑菇云”才消散。

新式武器——空气炮发射出的也是一朵朵蘑菇云。空气炮炮筒里压缩着大量的空气，当它们被点燃时，就会以一定的速度冲出炮筒。由于出气口周围的静止空气与排出的空气之间的密度不同——静止的空气密度较大，密度大的气体向中间的低密度的流动气体挤压过去，流动气体被挤成了“蘑菇顶”。“蘑菇顶”向前运动的过程中同样会向周围扩散，“蘑菇”越长越大，直到最后消失。这朵“蘑菇云”的破坏力非常惊人，口径不足一米的空气炮，能推倒60米外的“纸箱城墙”。通过在空气炮中填装“弹药”或增加炮身长度和口径，还能使炮火的威力大增。打穿双层砖墙或者汽车的坚硬金属外壳，都不在话下。

空气炮打出的“蘑菇云”

不过，蘑菇云并不总是有益的。直升机在下降或下滑飞行阶段也常伴有“蘑菇云”，这是因为当直升机忽然悬停时，由于主旋翼的搅动，机翼周围空气气压较小，静止空气会大量向主旋翼涌来。这样产生的“蘑菇云”会使旋翼再次转动，直升机失去平衡，会发生抖动、摇晃等现象，严重时甚至会发生无法控制的下降坠地事故。

消除不想要的“蘑菇云”

既然“蘑菇云”有时候会给我们的生产生活带来不好的影响，我们能不能减少这些蘑菇云的产生呢？美国理海大学的物理学家阿林达姆·班纳吉在蛋黄酱的帮助下，初步了解到了蘑菇云的形成参数。

班纳吉的研究课题是可控核聚变，但是他的研究一直受制于“蘑菇云”的形成——核燃料的金属外壳和气体的交界处存在气压和密度不同的现象，由于气流的运动，燃料容易在尚未压缩至聚变条件时就提前爆炸。如何减小气流的搅动，成为班纳吉亟待解决的问题。这时，他常购买的一款蛋黄酱进入了实验对象的选择范围，班纳吉发现，这款蛋黄酱的物理性质与高温下熔化的氢弹的外壳金属非常相似。如果知道了什么条件下蛋黄酱会在空气中形成“蘑菇云”，也就能避免核燃料提前爆炸的现象。

班纳吉团队在实验中测试着蛋黄酱形成“蘑菇云”的临界条件。他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个有机玻璃容器内，上方再扣一个同样的空容器，让蛋黄酱和空气形成密度梯度，然后将之固定在加速离心旋转轮上。当转轮开始转动时，蛋黄酱会在离心力作用下喷射出来，形成大小不一的“蘑菇云”。班纳吉通过改变旋转轮的旋转力度和角度，就能得到不同条件下蛋黄酱的“失稳阈值”。结果表明，初始振幅和波长越小，蛋黄酱“爆炸”需要的时间越长，形成的蘑菇云也越小。

知道了蘑菇云的形成阈值，当我们不想受到蘑菇云的影响时，就可以通过改变在流体中的推力和方向来消除蘑菇云的产生。也许未来每一个飞行员都要感谢蛋黄酱帮助他们解决了一大难题。

上升的热气流回旋扩散形成了“蘑菇云”