環太平洋物理學(第二部分):在海底的核爆炸氣泡中

《環太平洋》大概有一個清單。配備巨劍、槍炮和火箭臂的巨型機器人?✅。長著巨爪、利齒和酸液噴射的巨型怪獸?✅

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[caption id="attachment_7887" align="aligncenter" width="646" caption="圖片來源:華納兄弟電影公司"][/caption]

《環太平洋》大概有一個清單。配備巨劍、槍炮和火箭臂的巨型機器人?✅。長著巨爪、利齒和酸液噴射的巨型怪獸?✅。如果所有這些震撼人心的好戲還不夠,這部電影還以兩次巨大的核爆炸作為結尾。其中一次爆炸非常巨大,它實際上將部分海底變成了陸地,然後又坍塌了。擁有未來力量的機器人的肌肉是我們為了讓電影繼續下去可以原諒的(僅僅為了抬起一個機甲的手臂,就需要大約1000個布加迪威龍發動機),但是我們對核爆炸瞭解很多。自20世紀50年代以來,我們已經使用了相當於5億噸TNT當量的原子能,來弄清楚到底會發生什麼。

這就引出了一個書呆子的問題:要讓太平洋海底變成陸地,機甲炸彈需要多大?


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核爆(前方劇透)

在影片的後期,機甲突襲者尤里卡犧牲自己摧毀了兩隻盤旋的怪獸。它的有效載荷本意是摧毀讓怪獸不斷出現的跨維度傳送門,但那將留給機甲吉普賽危機及其核反應堆來完成。突襲者引爆,產生了一個巨大的蒸汽和能量氣泡,它衝過另一架機甲,露出了乾燥的海底,上面還有拍打翅膀的魚。一秒鐘後,水又湧回以填補空隙,吉普賽危機艱難地到達了它的最終目的地。

當核彈在水下爆炸時,它確實會產生一個巨大的氣泡,這個氣泡首先衝出,然後塌陷,並在與周圍水壓的搏鬥中膨脹。其背後的物理學是複雜而引人入勝的[PDF]。重要的是,我們已經進行了足夠的核試驗,從而得出可以模擬炸彈氣泡大小的方程式。但是要找到氣泡的大小,我們需要炸彈的大小。

在《環太平洋》的早期,阻止怪獸入侵的計劃被揭示:轟炸“缺口”並摧毀跨維度傳送門。為此,機甲突襲者尤里卡配備了一個2400磅的熱核裝置——相當於120萬噸TNT。這聽起來令人印象深刻,但在引爆巨型炸彈的編年史中,它很小。有史以來引爆的最大核裝置——沙皇炸彈——比它大50倍。即便如此,機甲炸彈也不是可以小覷的東西。它攜帶的能量大約相當於一場大型颶風在一秒鐘內消耗的能量。

大小不是一切;深度也很重要。核爆炸的行為會因其靠近地表還是深海而大相徑庭。事實上,如果你把核彈放在足夠深的地方,爆炸後地表幾乎不會有任何動靜。也許會有水向上湧,但不會有蘑菇雲。相反,如果炸彈只在水下幾百英尺的地方,由此產生的羽流絕對令人難以置信。因此,要弄清楚《環太平洋》中我們正在處理的是什麼,我們必須估計深度。

在《環太平洋》的最後一幕中,一對機甲下降到海洋中以炸燬缺口。由於機甲行進的地方沒有光線(你甚至可以看到熱液噴口),而且太平洋的平均深度約為4000米,我們可以估計炸彈在被稱為深淵的某個區域深海中爆炸。爆炸越深,爆炸為了產生一個大氣泡就必須對抗越大的壓力。

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1971年,軍方生成了一份報告,該報告使用深度和爆炸當量(炸彈的能量)來模擬核爆炸後水下氣泡的大小。(令人難以置信的網上漫畫XKCD使用這個方程式來估計馬裡亞納海溝底部的核爆炸。)該方程式使用氣泡幾何形狀、水壓和爆炸當量來計算出爆炸氣泡的最大半徑(如果你有興趣,請參見第34頁)。將我們在《環太平洋》中收集到的一切資訊放在一起,機甲炸彈會產生一個像興登堡飛艇一樣寬的氣泡——大約245米。

在第一秒內,氣泡的大小增加了一倍,隨後又被巨大的水壓壓回。它經歷了三次壓縮和膨脹的迴圈,然後要麼到達地表,要麼完全消散成一股上升的熱的、放射性的水。(你可以透過在水下開槍在小規模上看到相同的“氣泡反彈”過程。)如果氣泡最終到達地表,它看起來會像這樣,水從深處以每小時200多英里的速度噴出。

但是電影場景呢?看到氣泡有將近三個足球場那麼寬,在幾毫秒內,裡面的所有水都會汽化,只留下“乾燥”的地面。它會像核風暴的中心一樣,衝擊波向外傳播,將那裡僅有的一點點海洋生物夷為平地。

然而,這種確認有一些注意事項。首先,考慮到潛艇——與機甲大小相當的巨型機器——如果沒有受到損壞,就不能靠近水下的核爆炸(看看所有被編輯的資訊!),吉普賽危機是否能夠承受衝擊波或毫髮無損地從中脫身是值得懷疑的。其次,主要爆炸氣泡內部的溫度會高到足以完全汽化怪獸和機甲。如果吉普賽危機可以用核反應堆的廢氣燒穿5級怪獸斯拉騰,那麼核爆炸的熱量會融化它們兩個。在乾燥地面上的核爆炸會融化岩石。最後,如此巨大的爆炸會形成一個數百米寬的巨大隕石坑。如果吉普賽危機沒有被徹底摧毀,它也會有一個嚴重的洞要爬出來。

原諒這些問題,一個強大到足以承受爆炸的機甲有可能在太平洋底部的無水區域中——至少一兩秒,因為這是物理學。

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Kyle Hill is a science communicator who specializes in finding the secret science in your favorite fandom. He has a bachelor's degree in environmental engineering and a master's degree in communication research (with a focus on science, health, and the environment) from Marquette University in Milwaukee, Wisconsin.
Aside from co-hosting Al Jazeera America's science show, TechKnow, Hill is also a freelancer who has contributed to Wired, Nature Education, Popular Science, Slate, io9, Nautilus, and is a columnist for Skeptical Inquirer. He manages Nature Education's Student Voices blog, is a research fellow with the James Randi Educational foundation. Email: sciencebasedlife@gmail.com

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