只有原子弹才“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摄氏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”四周冷空气中。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”

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”形努起来，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——核燃料的金屬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。