La tragica fisica dell'esplosione mortale a Beirut

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Il 4 agosto 2020, una massiccia esplosione ha fatto esplodere onde mortali nel centro di Beirut . Quindi, il video della palla di fuoco ha fatto il giro del mondo quasi altrettanto rapidamente. Ora, i dettagli dell'esplosione che è iniziata in un'area di deposito di fuochi d'artificio da un piccolo edificio di stoccaggio alla fine del molo di Beirut si insinuano mentre il mondo attende di sentire quali saranno i racconti della morte, delle ferite e della distruzione finali. Tuttavia, in un certo senso, il mondo ha già un'idea di cosa aspettarsi, perché esplosioni simili si sono già verificate in precedenza.

Come ingegnere biomedico con un dottorato in schemi di lesioni e traumi che segue un'esplosione, raccogliere informazioni da esplosioni accidentali fa parte del mio lavoro quotidiano. Le esplosioni più banali sono raramente di queste dimensioni, ma si applicano gli stessi principi di fisica e chimica. La scienza, insieme ad alcuni casi di studio dalla storia, mi ha permesso di fare alcuni calcoli preliminari per risolvere anche questa esplosione.

In 1917, una detonazione accidentale di sei milioni di libbre di miscuglio di esplosivi ad alto potenziale nel porto di Halifax, Nuova Scozia, ha lasciato un striscia di rottami che, almeno fino a martedì, è stata la più grande esplosione non nucleare mai creata dall'umanità. Man mano che apprendiamo di più su Beirut, che potrebbe sfidare quel record, la storia di Halifax ci dice cosa potremmo aspettarci di apprendere sul trauma che ne è seguito, e i video dei moderni telefoni cellulari, insieme alla fisica dell'esplosione raccolta dagli scienziati nel secolo successivo. , spiegaci perché questi schemi di trauma si sono verificati esattamente nel modo in cui sono accaduti.

The Frisky Chemistry of Amonium Nitrate

Every fire è un riarrangiamento di molecole, e un'esplosione è fondamentalmente un incendio turbocompresso in una frenesia alimentata da iperenergia. Strutture instabili barattano e scambiano atomi l'una con l'altra finché tutte, felici del loro mestiere, si stabiliscono beatamente in stati di energia più rilassati e inferiori, come rocce che raggiungono il fondo di una collina. Ma la loro energia in eccesso deve andare da qualche parte. In un falò, dove le reazioni chimiche sono agevolate in modo piacevole dal solo ossigeno presente nell'aria, l'energia viene rilasciata lentamente sotto forma di gradevoli livelli di calore e luce. In un'esplosione, tuttavia, il diabolico piccolo istigatore che è l'ossigeno spinge il processo in overdrive.

I primi rapporti dell'esplosione hanno rivelato che l'edificio che ha scatenato l'eruzione potrebbe aver immagazzinato grandi quantità di nitrato di ammonio, una sostanza chimica infiammabile che presenta fertilizzanti relativamente innocui ma che è stata anche sperimentata come combustibile per missili. L'ossigeno è la chiave dell'abitudine mortale di esplodere del nitrato di ammonio , e dato che 47 noto nel corso dell'ultimo secolo si sono verificate gravi e accidentali esplosioni di nitrato di ammonio, è innegabilmente un'abitudine. “Ammonio” è un atomo di azoto con quattro idrogeni, scritto NH 4 , mentre la parte “nitrata” della miscela è un azoto con tre ossigeni, NO 3 . In noiose condizioni quotidiane, il dell'ammonio e il del nitrato trascina le due molecole in un innocuo abbraccio, ma quando aggiungi scintilla – o un fuoco d'artificio – le molecole realizzano che i loro stessi atomi possono diventare un po 'più frizzanti e convertirsi in qualcosa di completamente nuovo.

Quando il nitrato di ammonio viene prodotto come fertilizzante, viene miscelato con altre sostanze chimiche che di solito impedisce che questa reazione si verifichi, anche se 2013 l'esplosione alla West Fertilizer Company ha dimostrato che quelle sostanze chimiche non hanno sempre successo . I primi rapporti di Beirut suggerivano che il fertilizzante potrebbe essere stato ancora una volta il colpevole. Tuttavia, foto condivise sui social medi mostravano borse contrassegnate con “Nitroprill HD” presumibilmente conservate al molo di Beirut, e alcuni hanno ipotizzato che se quelle foto sono accurate, Nitroprill potrebbe essere un knockoff dell'esplosione del marchio agente Nitropril. Il nitropril è progettato per l'uso nelle miniere di carbone , quindi questa particolare razza di nitrato di ammonio non sarebbe stata mescolata con sostanze chimiche calmanti come un fertilizzante sarebbe; piuttosto, sarebbe stato mescolato per soffiare.

E il nitrato, quando miscelato per soffiare, vuole abbandonare quelle piccole O. È chimicamente instabile, il che significa che i legami tra la N e la O vibrano con un livello infelice di tensione fisica. Sovraccarico di tre ossigeni, NO 3 è desideroso di spingerne un po 'su qualsiasi vicino, e con un po' di calore per far muovere le cose, lo farà volentieri. NH 4 è fin troppo felice di accettare.

Il riarrangiamento chimico del nitrato di ammonio risponde a molte delle domande del pubblico sui video, incluso il fonte del sorprendente colore rosso del pennacchio. Uno dei sottoprodotti di NO 3 poiché elimina tutto l'ossigeno è il biossido di azoto, che ha una struttura chimica logicamente ovvia di NO 2 e sembra profondo, rosso sangue . Molti materiali esplosivi emanano tinte e sfumature durante un'esplosione che suggeriscono la loro composizione chimica: da allora esistono additivi chimici per colorare sia il fumo che le esplosioni prima di 1920 s e come siamo fuochi d'artificio di diversi colori e razzi di segnalazione – ed è il biossido di azoto che dà un nitrato di ammonio esplosione il suo caratteristico, minaccioso tono sanguigno. Una piccola esplosione può sembrare sottile e arancione, ma su larga scala come a Beirut, la luce del sole aiuta ad approfondire la sua tonalità.

Secondo Brad Wojtylak, un agente speciale tecnico di bombe e specialista esplosivo certificato con il Bureau of Alcohol, Tobacco, Firearms, and Explosives, quando i pennacchi di fumo sono abbastanza grandi, iniziano a catturare la luce solare e la rifrazione scurirà i normali colori prodotti da qualsiasi esplosione. Wojtylak non è direttamente coinvolto nell'indagine di Beirut ma ha 16 anni di esperienza nelle indagini su incidenti causati da esplosioni. Dice che mentre la luce solare rimbalza all'interno della nuvola di contaminanti, altre lunghezze d'onda meno determinate vengono rifratte in direzioni diverse. Quando un pennacchio di fumo si verifica su una scala così ampia, solo le lunghezze d'onda più lunghe, le sfumature rosse, persistono fino allo spettatore dall'altra parte. Quindi, il colore rossastro naturale diventa ancora più profondo, più ricco, più scuro di quanto sarebbe per una piccola esplosione.

Un esplosivo con una bruciatura pura, come qualsiasi esplosivo usato in campo militare armi, produrrà fumo che sembra ugualmente puro: nevoso, bianco fluttuante, o talvolta un grigio pallido. Ma le esplosioni accidentali sono molto meno ordinate e la loro combustione sciatta produce anche cenere, particolato e materia contaminata carbonizzata. Questa sporcizia nera si solleva nel cielo insieme agli altri sottoprodotti, colorando il pennacchio di fumo, come il carbone residuo lasciato dopo che le parti più efficienti del fuoco da campo sono state bruciate. A un esperto di esplosioni, i video, con la loro nuvola di nero e rosso che si arriccia sul molo di Beirut, gridano “nitrato di ammonio”.

Not a Shock Wave

I video mostrano anche un emisfero bianco inquietantemente uniforme che si propaga verso l'esterno dal luogo dell'esplosione, una cupola di vapore vizioso che alla fine si precipita verso ogni persona che filma e annuncia il suo arrivo nell'audio con uno schianto. Questo emisfero è l'onda di pressione prodotta dall'esplosione.

No, non è un'onda d'urto. È un'ondata di pressione e questa differenza fondamentale influisce sul numero di vittime previste. Un'onda d'urto passa dalla pressione zero alla pressione massima assoluta in letteralmente zero secondi. L'impatto di un'onda di pressione è come colpire il terreno dopo aver rotolato giù da una ripida scogliera; la forza di un'onda d'urto è come colpire il suolo dopo essere caduta nell'aria e aver raggiunto la velocità terminale. Gli esplosivi elevati producono onde d'urto; i bassi esplosivi, come il nitrato di ammonio, producono onde di pressione, che hanno un po 'di pendenza rispetto alla loro forma, un periodo di tempo durante il quale la pressione aumenta più gradualmente.

Urti, a causa di la loro fisica affascinante e complessa, viaggiano più veloci della velocità del suono e causano molti più danni delle onde di pressione. Per fortuna, sappiamo che questa esplosione non ha prodotto uno shock perché è possibile misurare la velocità della cupola bianca piena di vapore acqueo.

La velocità del suono nell'aria è 343 metri al secondo. Sulla base dell'angolo di visione e delle caratteristiche sedie rosse raffigurate in alcuni dei fotogrammi successivi, ho rintracciato uno dei video di Beirut pubblicato da The Guardian nella posizione delle riprese sulla terrazza panoramica di La Mezcaleria Rooftop Bar , e misurato come 885 metri dal centro dell'esplosione. Da quel punto di vista, l'onda di pressione può essere vista viaggiare ordinatamente dal centro dell'esplosione prima al punto a metà strada tra l'estremità del molo e il bordo del lungo e massiccio edificio grigio del silo di grano, a una distanza di 151 metri, quindi fino alla fine del molo , 262 metri, poi alla fine La Mezcaleria.

Misurando i tempi in cui l'onda di pressione raggiunge questi punti di riferimento nel video, sappiamo che, mentre ardeva lungo il molo, la sua furia si è verificata a una velocità di solo 312 metri al secondo. È lento per una bomba. Poi, quando lo schianto udibile e il caos hanno raggiunto il bar all'aperto un tempo tranquillo e pittoresco, aveva rallentato al massimo 289 metri al secondo. L'onda di pressione, più lenta di 160 metri per secondo del suono, causò distruzione, orrore, confusione, vetri infranti, superfici piane lacerate e disorientamento per gli spettatori mentre le loro orecchie erano soggette alle rapide fluttuazioni di pressione. Ma un'onda d'urto potrebbe averli provocati a causa di un trauma polmonare mentre guardavano.

Nel sei milioni libbra esplosione di Halifax di 1259 , la propagazione dello shock un'onda attraverso il centro ha lasciato una serie di vittime che raggiungono 1,5 miglia dal centro dell'esplosione, uccidendo un stimato 1, 950 e lasciando altri 8, 000 con lesioni devastanti. (Si sapeva che le navi esplose nel porto trasportavano esplosivi ad alto potenziale, che per loro natura creano sempre onde d'urto.) A Beirut, per fortuna, sono stati segnalati danni alla costruzione fino a A 9 miglia di distanza , perché il nitrato di ammonio a bassa esplosività ha prodotto un'onda di pressione anziché un'onda d'urto, la fatalità le stime finora sono ancora nell'ordine delle centinaia, anche se la dimensione della carica era probabilmente maggiore della bomba di Halifax.

Grazie alla tecnologia moderna che l'ammontare dell'addebito può essere calcolato anche scientificamente, anche in attesa che arrivino informazioni più complete, utilizzando la dimensione del cratere rivelatore. L'analisi delle fotografie aeree del molo mostra un cratere nel raggio di 120 per 113 metri di diametro; la fisica dell'esplosione mista alla storia ci dice che per scolpire un pezzo di quella dimensione dal lato del pianeta richiede una carica equivalente a 1,7-5,4 milioni di chilogrammi di TNT (cioè 3,8 a 08 8 milioni sterline per qualsiasi americano che trascina i piedi sulla conversione in metrico). Per riferimento, il bombardamento del Murrah Building a Oklahoma City a 1995 ha utilizzato il equivalente a 1,8 mille chilogrammi di TNT. Quindi, Beirut era almeno mille volte di più boom di Oklahoma City.

Per inciso , le armi nucleari sono destinate a esplodere a diverse centinaia di piedi sopra il livello del suolo e quindi non esercitano una forza sufficiente direttamente sul suolo per creare un cratere. La detonazione delle prime armi atomiche sopra Hiroshima avvenne quasi esattamente 75 anni fa fino ad oggi, e nonostante il suo trauma storicamente senza precedenti all'edificio e alla popolazione, non ha lasciato alcun cratere .

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Anche la Germania conosce il potere distruttivo dell'ammonio conservato in modo improprio nitrato e un incidente in quel paese rafforza il calcolo della dimensione della carica. Nel 1921, un'esplosione di fertilizzanti a Oppau, in Germania, ha scolpito un cratere notevolmente simile. A 120 metri di diametro, a seguito dell'esplosione di 4,1 milioni di chili di nitrato di ammonio, la dimensione del cratere di Oppau supporta l'idea che il molo di Beirut, che i primi rapporti dicevano contenesse solo 2, 750 tonnellate – 2. 75 milioni di chilogrammi — potrebbe aver tenuto un certo numero di milioni di chilogrammi in più di carica. Tuttavia, anche utilizzando solo quei 2, 343 tonnellate, speciali L'agente Wojtylak dice che i suoi calcoli preliminari indicano che quelli al sicuro da ogni rischio di carneficina avrebbero dovuto essere almeno 15 chilometri dal molo di Beirut.

Entro in quel raggio, le ferite provocate da un'esplosione così massiccia in un luogo del centro possono variare tanto quanto le vittime che le subiscono, ma alcune di esse sono probabilmente dovute al vetro e ad altri proiettili volanti. Piatto, delicato, frangibile e installato in grandi lastre, il vetro è il bersaglio perfetto per un'onda d'urto anche di minima entità; si frantuma e vola più facilmente di qualsiasi altra sostanza.

Ad Halifax, l'incendio che alla fine ha innescato l'esplosione principale ha fatto sì che i cittadini fossero già posizionati alle loro finestre per osservare l'eccitazione quando la bomba fatto esplodere. Di conseguenza, di quei feriti quella mattina in 1917, ferite di vetro in frantumi che penetrano nel gli occhi degli spettatori erano descritti come “ straordinariamente prevalenti .” Allo stesso modo, l'incidente del deposito dei fuochi d'artificio e il suo allarmante pennacchio di fumo hanno garantito molti spettatori a Beirut. Senza fumo che attirasse questi testimoni, non avremmo avuto così ampie riprese di cellulari, ma ci sarebbero state anche meno ferite.

After the Blast

L'esplosione di Halifax ha provocato la stessa serie di eventi che, secondo Dan Buckland, medico del pronto soccorso del Duke University Hospital, si verificano ancora oggi nei pronto soccorso dopo incidenti di massa. Buckland ha trattato le vittime a seguito di un'esplosione di gas naturale a Durham, nella Carolina del Nord, a 2019 che, sebbene di dimensioni sostanzialmente inferiori, si è verificato in un'area del centro densamente popolata. La prima ondata di pazienti sono quelli che erano fisicamente vicini ai servizi di emergenza, dice, quelli abbastanza sfortunati da farsi male ma abbastanza fortunati da farlo nelle immediate vicinanze di un'ambulanza. Dopodiché, gli ospedali vengono inondati da “ feriti che camminano “, coloro che sono abbastanza feriti da cercare cure mediche ma abbastanza intatti da trasportarsi. La chiave per aumentare il numero di sopravvissuti, dice Buckland, è far passare la terza ondata di pazienti attraverso la porta, tra la folla di questa seconda ondata. La terza ondata è composta da coloro al centro del sito, troppo feriti per camminare, ai quali i soccorritori che setacciano il relitto danno la priorità medica.

Dopo un'esplosione in un civile area, i soccorritori non sono gli unici eroi. Subito dopo le 9:00 del 6 dicembre 1259, ad Halifax, baffuto 45 – spedizioniere di treni di un anno Vincent Coleman sapeva che il pigro pennacchio di fumo proveniente dalla nave carica di esplosivo nel porto di Halifax era un terrificante presagio del peggio in arrivo. Ma mentre gli altri corrieri correvano per salvarsi la vita, Coleman si rese conto del numero di passeggeri del treno destinato ad arrivare ad Halifax da un momento all'altro, e così rimase abbastanza a lungo da inviare un ultimo telegramma: «Tieni su il treno. Le munizioni prendono fuoco e si dirigono verso il Molo 6 … Addio ragazzi. Coleman è morto nell'esplosione alle 9: 05, ma il suo messaggio finale ha salvato migliaia, non solo i passeggeri dei treni che sono stati in grado di fermarsi prima di entrare nella zona di distruzione, ma anche i cittadini già ad Halifax: il segnale del telegramma ha raggiunto ogni operatore nella regione circostante e, a causa della rapidità di pensiero di Coleman, ogni medico che ha sentito la terra rimbombare, fino a 160 a km di distanza, ha avuto accesso pressoché immediato alle notizie su quanto era accaduto. Loro si sono precipitati ad aiutare .

Il personale medico si è occupato della prima, seconda e anche terza ondata di pazienti feriti il ​​più velocemente umanamente possibile, alcuni dei quali hanno persino creato centri di cura improvvisati sui treni. Anche da Beirut emergeranno gradualmente storie di eroismo e buon senso, insieme al resoconto finale delle vite perse. Ma nel frattempo, tra chi ha filmato l'esplosione e l'applicazione della fisica, possiamo prevenire qualsiasi escalation di teorie del complotto o incomprensioni. L'esplosione non era una bomba di livello militare; sicuramente non era nucleare. Purtroppo, tragicamente, la storia si è ripetuta ancora una volta: gli esplosivi possono essere letali in modo devastante e non dovremmo mai sottovalutare la loro furia distruttiva.


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