Eksplozija

Eksplozija je brzo uvećanje zapremine date količine materije povezano sa ekstremnim oslobađanjem energije, što je po pravilu štetno i obično praćeno stvaranjem visoke temperature i oslobađanjem gasova pod visokim pritiskom. Eksplozije izazivaju talase pritiska u medijumu u kojem se odigravaju, po čemu se i vrši njihova kategorizacija na sagorevanja ili zapaljenja, ako su ovi talasi podzvučni i detonacije ako su talasi nadzvučni (takođe poznati kao šok-talasi - jer se prvo pretrpi udar, pa onda čuje zvuk).

Detonacija 16 tona eksploziva

Eksplozije benzina, simulacije pada bombi na aeromitingu

Vidi još: Eksploziv

Najčešći veštački eksplozivi su hemijski eksplozivi, za koje je karakteristična brza i jaka reakcija oksidacije koja proizvodi velike količine vrelog gasa. Barut je prvi otkriveni i korišćeni eksploziv. Druga značajna rana otkrića na polju tehnologije hemijskih eksploziva su bili Fridrik August Abelova nitroceluloza 1865. godine i Alfred Nobelov pronalazak dinamita (stabilizovani nitroglicerin) 1866. godine. Nova generacija eksploziva, atomska bomba, je bila otkrivena 1945. godine od strane ujedinjenih naučnika. Godine 1952. Američka armija je razvila prvu Fuzionu bombu.

Eksplozije su uobičajene i u prirodi. Na Zemlji, većina prirodnih eksplozija nastaje usled vulkanskih procesa raznih vrsta. Eksplozivne vulkanske erupcije se dešavaju kada lava (magma) dolazeći iz dubine zemlje sadrži i puno gasa; smanjenje pritiska do koga dolazi kada lava izbije na površinu izaziva da gas u obliku mehurova izbija iz lave, rezultujući velikim povećanjem zapremine. Do eksplozija takođe dolazi usled zemljotresa.

Eksplozija je proces brzog stvaranja, odnosno oslobađanja toplotne energije, praćena pojavom gasovitih produkata pod pritiskom većim od pritiska okolne sredine, usled čega dolazi do širenja produkata i tom se prilikom deo oslobodene energije pretvara u rad. Iako je svaka eksplozija praćena oslobađanjem energije, eksploziju ne karakteriše količina oslobođene energije, već brzina kojom se ova energija oslobada, tj. količina energije oslobođena u jedinici vremena. Na primer, pri eksploziji 1 kg trinitrotoluola (TNT-a) oslobađa se svega 4.186 kJ. Ova količina energije je mnogo manja od energije koja se oslobodi sagorevanjem 1 kg benzina od oko 46.046 kJ, pa čak i drveta ili lignita 8.372÷12.600 kJ. Međutim, u slučaju trinitrotoluola oslobađanje ovih 4.186 kJ poprima karakter eksplozivnog sagorevanja zbog vrlo kratkog vremena (oko stohiljaditog dela sekunde (10⁻⁵ s)) za koje se pomenuta količina energije oslobodi.

Definicije Eksplozija

Pojam „eksplozija“ (lat. explodere - znači raspasti, eksplodirati) većina ljudi povezuje sa jakim praskom, plamenom, oblacima crnog dima, letećim fragmentima odbačenog okruženja itd. Međutim, to su samo spoljašnja obeležja eksplozije, odnosno njena spoljašnja slika. Šta je zapravo eksplozija, koje vrste eksplozija postoje, kakva je njihova uloga u životu ljudi, koje su mogućnosti njene primene u ljudskim aktivnostima itd. biće objašnjeno u daljem tekstu.

1. Baumova definicija: Prema Baumu i njegovim kolegama (Baum et al., 1975), eksplozija se generalno definiše kao proces veoma brze fizičke ili hemijske transformacije sistema sa prelaskom njegove potencijalne energije u mehanički rad. Rad koji vrši eksplozija je rezultat naglog širenja gasova ili para, bez obzira da li su postojali pre ili su nastali tokom eksplozije. Najvažnija karakteristika eksplozije je nagli skok pritiska u okruženju koje neposredno okružuje mesto eksplozije. Ovo je takođe uzrok snažnog razornog dejstva eksplozije.
2. Dreminova definicija: Prema Dreminu (Dremin, 1991), eksplozija se definiše kao proces brzog oslobađanja velike količine energije u ograničenoj zapremini.
3. Johanson i Personova definicija: Johanson i Person (Johnsson and Persson, 1970) definišu eksploziju kao iznenadno širenje supstance do zapremine mnogo veće od njene početne zapremine. Pojam eksplozija tako uključuje efekte koji prate, ili uključuju, brzo sagorevanje i detonaciju, kao i čisto fizičke procese, kao što je npr. cilindar za prskanje komprimovanim gasom”.

Iz navedenih definicija proizilazi da su eksplozija i prskanje naduvanog balona pod dejstvom pritiska gasa u balonu, i eksplozija električnog kotla u kome se pregrejana voda pretvarala u paru, i eksplozija izazvana nuklearnim reakcijama i eksplozija hemijske eksplozivne materije izazvana hemijskim reakcijama. Drugim rečima, eksplozije mogu biti izazvane fizičkim promenama i hemijskim i nuklearnim reakcijama, pa se mogu podeliti na fizičke, hemijske i nuklearne eksplozije.

Uprkos brojnim razlikama (npr. u izvoru energije eksplozije, jačini itd.), svi eksplozivni procesi, uslovno rečeno, imaju dve faze:

• (a): pretvaranje nekog oblika energije u energiju jako komprimovane supstance i
• (b): naglo širenje tako sabijene supstance.

Najčešće se u procesu eksplozije stvaraju zagrejani gasovi ili pare, koji su u početku pod veoma visokim pritiskom.

Vrste eksplozija

Izvori energije eksplozije mogu biti različiti:

• hemijska,
• nuklearna,
• električna,
• toplotna,
• kinetička energija,
• energija elastične kompresije itd.

Eksplozije se najčešće klasifikuju na:

• fizičke
• hemijske eksplozije i
• nuklearne.

U fizičke eksplozije spadaju na primer, eksplozija suda u kome se čuva gas pod pritiskom ili eksplozija parnog kotla.

Tipičan primer eksplozije, a verovatno nama najbliži, je eksplozija hemijske eksplozivne materije koje se dešavaju pri aktiviranju hemijskih eksploziva a praćene su brzim oslobađanjem energije i gasovitih produkata. Hemijski eksplozivi predstavljaju materije čija je osnovna karakteristika da mogu detonirati pod određenim uticajem, što se u krajnjem slučaju svodi na takozvanu minimalnu energiju aktivacije. Za hemijske reakcije koje se odvijaju velikom brzinom i koje su praćene oslobađanjem toplotne energije i stvaranjem gasovitih proizvoda kaže se da imaju eksplozivni karakter, odnosno da su eksplozivne. Prema eksplozivnoj materiji, takve reakcije se mogu odvijati u dva oblika, odnosno pomoću dva mehanizma:

• (a): sagorevanjem i
• (b): detonacijom.

Hemijska eksplozija je definisana kao proces brzog pretvaranja hemijske energije u toplotnu, pri čemu su produkti detonacije uglavnom u gasovitom stanju sa zapreminom koja je i do hiljadu puta veća u odnosu na prvobitan kondezovan eksploziv. Porast pritiska je takođe neizbežan pratilac eksplozije, a javlja se kao posledica istovremenog oslobađanja toplote i velike količine gasovitih produkata razlaganja.

Da bi došlo do hemijske eksplozije treba da budu ispunjeni sledeći uslovi:

• proces hemijske reakcije mora se odvijati veoma brzo,
• proces hemijskih prestruktuiranja mora biti praćen oslobađanjem energije, koja se naziva toplota eksplozije,
• proces eksplozije mora biti praćen oslobađanjem gasovitih produkata što obezbeđuje rast pritiska,
• proces eksplozije započet na jednom mestu mora ići do kraja dok ne detonira celokupna masa eksploziva.

Do eksplozije takođe može doći i prilikom električnog pražnjenja, odnosno kada impulsni tok velike struje protiče kroz tanke električne provodnike (tzv. eksplozivni provodnici). Eksplozija je uzrokovana topljenjem metala, njegovim naglim eksplozivnim ključanjem i isparavanjem. U trenutku eksplozivnog ključanja, rastopljeni metal se praktično trenutno pretvara u paru pod visokim pritiskom, sposobnu da prouzrokuje uništavanje okoline.

Električne eksplozije danas pronalaze nove oblike praktične primene. Na njihovim temeljima nastala je samostalna oblast tehnike – tzv elektroimpulsna tehnologija. Imaju široku primenu u dobijanju skupih minerala (jer ne izazivaju njihovo usitnjavanje), a moguća je i u medicini, na primer za razbijanje kamena u bubregu.

Električne eksplozije su takođe česte u prirodi. Primer je munja, gigantsko električno pražnjenje u atmosferi, praćeno jakim bljeskom svetlosti i grmljavinom. Munje se najčešće javljaju u kišnim oblacima, ali se javljaju i prilikom vulkanskih erupcija, tokom tornada i peščanih oluja – drugim rečima, tamo gde postoje uslovi za stvaranje jakih električnih polja. U glavnom delu munje jačina struje može da dostigne sto hiljada ampera, brzina pražnjenja stotine miliona metara u sekundi, a temperatura kanala pražnjenja ponekad može da pređe 25.000 °C (45.000 °F; 25.300 K).

Kada grom „udari” u neki objekat, usled strujnog udara, u njemu se stvaraju uski kanali u koje se usmerava struja groma. Zbog visoke temperature u stvorenom kanalu pogođenog objekta dolazi do intenzivnog isparavanja supstanci i eksplozivnog uništenja.

Grom je uzrok mnogih velikih katastrofa, požara i pogibije ljudi. Međutim, štete od groma su neuporedivo manje od koristi koje imaju prirodnim održavanjem plodnosti zemlje. Naime, svake godine grom "napravi" oko 100 miliona tona azotnih jedinjenja koja putem kiše dospeju do zemlje. To je količina koja je oko 3 puta veća od celokupne količine veštačkih azotnih đubriva koje svetska industrija proizvede u jednoj godini.

Eksplozije se takođe dešavaju kada se čvrsto telo koje se kreće velikom brzinom (reda nekoliko km/s) sudari sa čvrstim preprekama. Prilikom sudara kinetička energija tela u pokretu se transformiše u toplotnu, na račun čega dolazi do naglog isparavanja tela i stvaranja jako komprimovanog gasa i/ili pare. Primeri eksplozija ovog tipa su eksplozije koje nastaju kada veliki meteoriti padnu na zemlju.

Većina zemljotresa su primeri eksplozija izazvanih elastičnom kompresijskom energijom. Usled kretanja velikih masa zemljine kore, u pojedinim delovima Zemlje mogu nastati veliki naponi. U ovim krajevima se akumulira ogromna količina energije koja se potom oslobađa tokom zemljotresa. Energija jakih zemljotresa procenjuje se na 10¹³-10¹⁵ kJ, što je ekvivalentno eksploziji nekoliko miliona tona klasičnog eksplozivnog materijala. Na sreću, takvi zemljotresi se dešavaju prilično retko. Na primer, od 100.000 zemljotresa koji se registruju svake godine, samo deset njih je razorno. Uprkos tome, pretpostavlja se da je od zemljotresa do danas umrlo oko 14 miliona ljudi (Turuma et al., 1982).

Iznenadne erupcije uglja i gasa u rudarskim jamama analogne su eksploziji izazvanoj energijom elastične kompresije. Nastaju usled nagle promene naprezanja u ležištima uglja zasićenim gasom, a manifestuju se uništavanjem rudnih ležišta, nasilnim oslobađanjem gasa i kretanjem ležišta uglja. Kako se dubina rudarske jame povećava, tako se povećava i pritisak rudarskih naslaga i gasa, a povećava se učestalost i jačina neočekivanih erupcija. Zbog toga se erupcije javljaju na većim dubinama čak i kada su u pitanju veoma čvrsta rudna ležišta.

Unutrašnji naponi usled zbijanja na velikim dubinama su toliki da pri istovaru rude, što nastaje kada se ruda otkrije, dolazi do njenog eksplozivnog raspadanja. Takvi primeri zabeleženi su pri pokušaju vađenja cilindričnih testnih uzoraka minerala sa velikih dubina, kao i prilikom vađenja mineralnih uzoraka sa dna okeana. U oba slučaja, ogroman pritisak je izazvao stvaranje unutrašnjih sila, koje, kada pritisak prestane (rastovar), dovode do prskanja uzorka.

Eksplozije koje nastaju kada se voda zamrzne u zatvorenoj čvrstoj posudi su sličnog tipa. Naime, pri pretvaranju vode u led dolazi do povećanja zapremine, povećanja pritiska u sudu i, ako taj pritisak premaši čvrstoću zidova posude, on eksplodira. Zabeležen je slučaj „eksplozije“ sante leda na reci Onon u istočnom Sibiru. U ovom slučaju, ulogu kontejnera igrao je ledeni pokrivač koji je okruživao nezamrznutu vodu.

Nedavna astronomska posmatranja potvrdila su da ni eksplozije u svemiru nisu retka pojava. Primeri takvih eksplozija su eksplozije na Suncu, formiranje novih zvezda, kao i eksplozije u centrima galaksija. Osnova ovih gigantskih eksplozija su nuklearne reakcije.

Eksplozije zasnovane na transformaciji atomskih jezgara jednog elementa u jezgra drugih elemenata nazivaju se nuklearne eksplozije. Postoje dva oblika nuklearnih reakcija. U prvom obliku – reakcija cepanja ili fisije – jezgra težih elemenata (uranijum i plutonijum) se cepaju (raspadaju) i stvaraju lakše elemente. U drugom tipu nuklearne reakcije – reakciji sinteze ili fuzije – spajaju se jezgra lakih elemenata (vodonik ili njegovi izotopi deuterijum i tricijum) i nastaju teži elementi (uglavnom helijum). Ove reakcije se takođe nazivaju termonuklearnim jer je za njihovo pokretanje i razvoj potrebna veoma visoka temperatura.

Ogromna količina energije se oslobađa tokom nuklearnih reakcija. Poređenja radi, evo nekih podataka: sagorevanjem 1 kg kamenog uglja oslobađa se 3x10⁴ kJ toplotne energije, 1 kg nuklearnog goriva 8,4x10¹⁰ kJ, dok 1 kg termonuklearnog goriva oslobađa 9x10¹³ kJ toplotne energije.

Nuklearne eksplozije predstavljaju brzo oslobađanje ogromne količine energije što je uslovljeno reakcijama koje se dešavaju prestruktuiranjem u jezgrima atomskih aktivnih elemenata.

Razlikuju se dva tipa reakcija:

• fisija - cepanje teških atomskih jezgara (plutonijuma, urana)
• fuzija - spajanje atomskih jezgara lakih elemenata (teški vodonik - deuterijum, litijum)

U oba slučaja dolazi do oslobađanja energije.

Očigledno je iz do sada rečenog da su eksplozije dovoljno rasprostranjena pojava u prirodi, ali i mnogim ljudskim aktivnostima. Sa razvojem nauke i tehnologije rasla je i praktična primena procesa koji imaju eksplozivni karakter. Čovekova sposobnost da ovlada novim izvorima energije, da koncentriše tu energiju u velikoj meri određuje ukupan razvoj čovečanstva. Laseri, moćni akceleratori elementarnih čestica, kontrolisane nuklearne reakcije itd. su primeri procesa u kojima se javljaju ili izazivaju pojave bliske eksplozivnim. Procesi koji se odvijaju u raketnim motorima i motorima sa unutrašnjim sagorevanjem su zapravo, na izvestan način, kontrolisane slabe eksplozije.

Na kraju, sliku mogućih izvora eksplozija treba upotpuniti eksplozijama eksplozivno opasnih materija koje se često susreću u proizvodnim aktivnostima ljudi. Tipičan primer je eksplozija mešavine metana i vazduha u rudarskim jamama. Ako se u rudarskoj jami formira eksplozivna mešavina metana i vazduha, odnosno smeša u kojoj je zapreminski procenat metana 4,5 – 14,2 % (Bartkneht, 1981), onda je slučajna iskra dovoljna da izazove katastrofalnu eksploziju. Eksplozivna mešavina metana, zajedno sa finom ugljenom prašinom, koja pomešana sa vazduhom takođe može da eksplodira, dva su najveća neprijatelja rudara. Nažalost, takve eksplozije se i danas dešavaju uprkos strogim preventivnim merama.

Eksplozivno opasne materije se susreću i u hemijskoj industriji, na primer pri pumpanju, transportu i preradi gasa i naftnih derivata. Prašina nekih uobičajenih materija, kao što su brašno, skrob, šećer, itd., u određenoj koncentraciji sa vazduhom, takođe može postati eksplozivno opasna.

Proizvodne operacije koje mogu akumulirati statički elektricitet su takođe opasne. Ako se postigne dovoljno veliko punjenje, može doći do električnog pražnjenja – stvaranja „mini” munja, koji su često „paljivač” koji izaziva eksplozije u eksplozivno opasnom okruženju.

Nuklearne eksplozije

Glavni članak: Nuklearna eksplozija

Otkriće reakcija fisije (raspadanja) atomskih jezgara i upoznavanje njihovog mehanizma svakako je jedno od najvećih naučnih dostignuća prve polovine 20. veka. Nažalost, u istoriji čovečanstva ostaće zabeleženo da je nuklearna energija prvi put upotrebljena protiv čoveka – da se ubiju hiljade ljudi atomskim bombama bačenim na kraju Drugog svetskog rata na japanske gradove Hirošimu (6. avgust 1945) i Nagasaki (9. avgust). 1945)).

Od samog početka se shvatalo da upotreba nuklearne energije protiv ljudi može biti pogubna. Naučnici koji su doprineli otkriću nuklearne energije, a posebno oni koji su učestvovali u stvaranju prve atomske bombe, našli su se pred velikom moralnom dilemom ubrzo nakon što su shvatili kolika su razaranja i ljudske žrtve izazvane prve dve atomske bombe bačene na Hirošimu i Nagasaki. Mnogi su počeli da dovode u pitanje sopstvenu odgovornost ne samo za posledice prvih bombi već i za budućnost čovečanstva. Predvođeni A. Ajnštajnom, pokušali su da izdejstvuju zabranu dalje proizvodnje atomskih bombi ili bar uspostavljanje neke vrste međunarodne kontrole nad nuklearnim gorivom. U jednom od svojih govora o atomskoj energiji, Ajnštajn kaže: "Otkrićem atomske energije, naša generacija je donela na svet najrevolucionarniju silu od kada je primitivni čovek otkrio vatru. Ova fundamentalna sila univerzuma ne može biti sadržana u starom -oblikovani uski nacionalni koncept.Zato što nema tajne ni načina odbrane, ne postoji mogućnost njenog nadzora osim kroz podizanje nivoa razumevanja i insistiranja svih naroda sveta. Mi naučnici smo svesni da je naša odgovornost da prenesemo našim sugrađanima znanje o atomskoj energiji i njenim mogućim implikacijama na društvo. U tome leži naša jedina sigurnost i naša jedina nada – verujemo da će informisana javnost izabrati život, a ne smrt“.

Možda nijedan naučnik nije bio u takvoj moralnoj agoniji kao Robert Openhajmer, šef Menhetn projekta – projekta stvaranja prve atomske bombe u SAD. Tokom rada na razvoju bombe, Openheimer je izgubio 9 kg. Nekoliko meseci pre završetka izrade atomske bombe, zatražio je da ga što pre razreši dužnosti menadžera projekta. To je učinjeno tek u oktobru 1945. godine, nakon čega je otišao da radi na univerzitetu. Odbio je svako dalje uključivanje u rad na razvoju termonuklearne energije i često je govorio „Fizičari su zgrešili” i „Ruke su nam umrljane krvlju”. Navodno, američki predsednik Truman je na to rekao „Nije važno“. Voda će sve to oprati” (Braun, 1998).

Treba reći da su se u to vreme vodile veoma burne rasprave između naučnika, vojnih krugova i političara o atomskoj energiji u SAD. Razgovori su dali određeni rezultat. Civilni nadzor nad atomskim gorivom uspostavljen je preko Komisije za atomsku energiju, osnovane 1946. godine.

Mirnodopsko korišćenje nuklearne energije počelo je tek deset godina kasnije, 1953. i 1954. godine, sa prvim nuklearnim elektranama u SAD i Sovjetskom Savezu. Danas smo svedoci široke primene nuklearne energije, od nuklearnih elektrana do medicine i prehrambene industrije.

Reakcije fisije

Kao što je ranije pomenuto, nuklearne reakcije se mogu odvijati na dva načina:

• cepanjem atomskih jezgara nekih težih elemenata (fisija) i
• spajanjem atomskih jezgara lakših elemenata (fuzija).

Kada se brzi neutroni sudare sa jezgrima određenih elemenata, kao što su uranijum (U235 i U233) i plutonijum (Pu239), dolazi do reakcije u kojoj se formiraju jezgra novih – lakših elemenata i oslobađaju 2-3 nova neutrona. Nastali neutroni izazivaju fisiju preostalih jezgara, a samim tim se broj fisija povećava u lancu.

Karakteristika lančanih reakcija fisije atomskih jezgara je da oslobađaju veliku količinu energije. Nuklearna energija se zasniva na činjenici da su materija i energija različite forme iste pojave koje se mogu transformisati jedna u drugu. Mala promena mase materije koja se javlja u nuklearnim reakcijama (tzv. defekt mase) rezultira oslobađanjem ogromne količine energije - prema Ajnštajnu:

• E = mc², gde je:
  • E – oslobođena energija,
  • m – defekt mase i
  • c - brzina svetlosti.

Na primer, fisijom svih jezgara sadržanih u 50 grama uranijuma ili plutonijuma oslobađa se energija od oko 4,1x10⁹ kJ, što je ekvivalentno energiji koju obezbeđuje 1.000 tona trinitrotoluena (tj. kilotona trinitrotoluena). Ili drugi primer: cepanjem 1 kg uranijuma dobija se 22.900 hiljada kW/h energije, dok 1 kg dobrog klasičnog goriva daje manje od 11,6 kW/h energije, tj. za oko 2 miliona puta manje.

Lančane reakcije fisije atomskih jezgara odvijaju se izuzetno brzo. Na primer, ako se pretpostavi da se broj neutrona udvostručuje tokom svakog čina fisije, onda se fisija svih jezgara sadržanih u 100 kg uranijuma ili plutonijuma odvija za milioniti deo sekunde (10-6 s). Istovremeno, ukupan broj činova fisije je manji od 90, iako u reakciji učestvuje 1,2x10²⁷ neutrona.

Međutim, treba istaći da do eksplozivnog razvoja lančanih reakcija fisije atomskih jezgara dolazi samo u slučaju kada je masa nuklearnog goriva dovoljno velika – veća od neke „kritične mase“. Ako je masa nuklearnog goriva manja od kritične, veliki deo neutrona proizvedenih tokom fisije će se izgubiti, odnosno napustiti masu goriva, što može dovesti do gašenja reakcije nuklearne fisije. Iz navedenog sledi da se regulisanjem broja neutrona koji izazivaju dalju fisiju može kontrolisati brzina reakcije fisije atomskih jezgara tako da ona ne bude eksplozivna, već da se odvija kontrolisanom brzinom. Ovakve kontrolisane reakcije nuklearne fisije odvijaju se u složenim objektima – nuklearnim reaktorima (tzv. uranijumske peći, uranijumske baterije). Toplotna energija koja se stvara u reaktorima kao rezultat kontrolisane nuklearne fisije koristi se za pokretanje toplotnih motora koji obavljaju rad.

I dok se u nuklearnom reaktoru proces fisije odvija kontrolisano, u atomskoj bombi se reakcije odvijaju nekontrolisano i iznenada – eksplozivno. Da bi se postigla eksplozija korišćenjem nuklearnog goriva neophodna su dva uslova:

• a) masa goriva mora biti veća od neke kritične (minimalne) mase pri kojoj su moguće lančane reakcije fisije i
• b) fisija mora da potiče uglavnom od brze neutrone kako bi se proces odvijao što je moguće većom brzinom (inače bi sistem funkcionisao slično kao nuklearni reaktor).

Zbog činjenice da bi zalutali neutroni u atmosferi mogli da izazovu slučajnu lančanu eksploziju nuklearnog goriva čija je masa veća od kritične, atomska (tačnije nuklearna) bomba ima dva ili više delova nuklearnog goriva čija je pojedinačna masa manja i ukupna masa je veća od kritične. Postoje dve poznate metode pretvaranja podkritične mase nuklearnog goriva u kritičnu masu. Prema prvom, dva ili više delova nuklearnog goriva podkritične mase se naglo spajaju u jednu celinu čija je masa veća od kritične mase. To se može postići uz pomoć klasičnog eksploziva, u uređaju sličnom artiljerijskoj cevi. Detonacijom eksplozivnog punjenja jedna podkritična masa goriva se „ispaljuje“ prema drugoj, koja se nalazi na drugom kraju cevi. Ako se kritična masa stvori na takav način da se delovi goriva spoje u deliću sekunde, onda će doći do željene eksplozije.

Drugi metod se zasniva na činjenici da podkritična masa nuklearnog goriva može postati superkritična (veća od kritične) ako se fisioni materijal naglo sabije. Ovaj metod se zasniva na činjenici da se smanjenjem zapremine nuklearnog goriva, a time i njegove spoljne površine, smanjuje brzina gubitka neutrona curenjem ka spolja, u poređenju sa brzinom stvaranja neutrona u procesu fisije. Na ovaj način subkritična masa postaje superkritična. Udarna kompresija nuklearnog goriva može se postići korišćenjem sferno raspoređenih, specijalno napravljenih eksplozivnih punjenja od visokoeksplozivnih eksploziva. Podkritična „loptica“ nuklearnog goriva smeštena je u šupljinu u samom centru sistema. Kada se visoki eksploziv inicira potrebnim brojem eksterno postavljenih detonatora, stvara se udarni talas usmeren ka centru (implozija) koji komprimira nuklearno gorivo stvarajući superkritičnu masu i izaziva eksploziju.

Iz opisanog je jasno zašto se „male atomske bombe” ne mogu praviti, na primer u eksperimentalne svrhe, već se eksperimenti izvode i sa bombama koje moraju imati natkritičnu masu nuklearnog goriva. Prema nekim podacima, kritična masa U235 je 50 kg, a kritična masa Pu239 oko 16 kg.

Veruje se da je temperatura tokom eksplozije atomske bombe 10 miliona stepeni (10⁷ °C) i da se ne razlikuje mnogo od temperature u unutrašnjosti Sunca. Zbog tako ekstremno visoke temperature, svi proizvodi fisije, kao i sva količina nepromenjenog nuklearnog goriva, biće pretvoreni u gasove (pare) koji su pod ekstremno visokim pritiskom – što je zapravo tipična karakteristika eksplozivnog procesa. Ekspanzija nastalih vrućih gasova i pare stvara udarni talas koji izaziva pustoš u širokom području eksplozije. Nuklearna eksplozija je praćena emisijom biološki štetnog y-zračenja kao i stvaranjem produkata koji su ß i Y radioaktivni. Visoka temperatura izaziva toplotno zračenje, koje zauzvrat izaziva opekotine ljudi i požare na velikim udaljenostima od centra eksplozije.

Danas se uranijum (U235) i plutonijum (Pu239) koriste kao nuklearno gorivo. U235 se dobija iz neradioaktivnog izotopa U238, izuzetno složenim tehnološkim postupkom. Samo 1 kg metalnog uranijuma dobija se iz 500 kg rude uranijuma, koja sadrži samo 0,7% radioaktivnog U235, dok je preostalih 99,3% neradioaktivnog U238. Da stvar bude još komplikovanija, odvajanje U235 od U238 nije moguće konvencionalnim postupcima hemijske ekstrakcije zbog njihovih skoro identičnih hemijskih svojstava. Zbog toga se razdvajanje mora izvršiti složenim postupcima razdvajanja gasne faze, na osnovu male razlike u masama izotopa.

Ako se U238 ostavi duže vreme u nuklearnom reaktoru, on će „pokupiti” višak čestica (posebno neutrona) i postepeno se pretvoriti u plutonijum. Lančane reakcije nuklearne fisije teže je pokrenuti sa plutonijumom nego sa uranijumom.

Reakcije fuzije

Drugi oblik nuklearnih reakcija su reakcije spajanja jezgara lakših elemenata sa formiranjem jezgara težih elemenata i oslobađanjem velike količine energije. Na primer, kombinovanjem deuterijuma i tricijuma, izotopa vodonika, nastaje helijum i oslobađa se oko 3 puta više energije nego tokom reakcija fisije iste mase uranijuma.

Masa helijuma koji nastaje u reakciji fuzije je manja od zbira početne mase deuterijuma i tricijuma koji učestvuju u reakciji, a količina energije koja se oslobađa u reakciji je proporcionalna defektu (gubitku) mase.

Međutim, problem je kako pokrenuti reakciju fuzije između dva atomska jezgra. Naime, u normalnim uslovima atomska jezgra vodonikovih izotopa se ne mogu spojiti, jer sadrže pozitivno naelektrisane protone između kojih postoje sile elektrostatičkog odbijanja. Ove sile sprečavaju atome da se približe i spoje. Povećanjem temperature jezgara povećava se brzina njihovog kretanja i približavaju se jedno drugom. U trenutku kada se rastojanje između jezgara toliko smanji da sila privlačenja jezgara premaši silu elektrostatičkog odbijanja, dva jezgra će se spojiti u jedno. Spajanje će biti praćeno oslobađanjem energije i emisijom Y-zračenja.

Za pokretanje i razvoj reakcija fuzije neophodna je ogromna temperatura – reda veličine stotina miliona stepeni (~10⁸ °C), pa se zato reakcije fuzije atomskih jezgara nazivaju termonuklearnim reakcijama. U prvim eksperimentima izvedenim 1952. u SAD i 1953. u Sovjetskom Savezu, visoka temperatura potrebna za pokretanje nuklearnih reakcija dobijena je eksplozijom atomske bombe. Iako je ovako postignuta visoka temperatura trajala manje od milionitog dela sekunde, bila je dovoljna da se pokrene nasilni proces fuzije i oslobodi ogromna količina energije.

Posle SAD i Rusije, mnoge druge zemlje takođe pokušavaju da naprave termonuklearnu bombu. Na primer, Velika Britanija je testirala svoju nuklearnu bombu 1957. godine, Kina 1967., Francuska 1968. itd. Trka u nuklearnom naoružanju proširila se na zemlje Južne Azije 1974. godine kada je Indija izvela svoju prvu podzemnu nuklearnu eksploziju. Druge zemlje, poput Izraela, Južne Afrike, Brazila, Irana, Iraka, Severne Koreje, Argentine i Pakistana takođe su radile na razvoju nuklearnog oružja. Danas je verovatno više zemalja koje imaju neophodne tehničke preduslove da se upuste u razvoj nuklearnog naoružanja. Podsetimo se samo na slučaj Indije i Pakistana, koji su sredinom 1998. godine izvršili podzemno testiranje termonuklearnih bombi.

I opet, zlobnom ironijom sudbine čovečanstva, većina ljudi će termonuklearne reakcije povezati sa termonuklearnim bombama, tzv. naredničke bombe, iako su još od vremena prvih eksperimenata uloženi ogromni napori da se termonuklearne reakcije stave pod kontrolu – da se „ukrote” i kontrolisano odvijaju. Nema sumnje da bi se, ako bi ovo uspelo, dobio izvor energije bez presedana. Istovremeno, nema sumnje da će kontrolisana nuklearna fuzija biti najteži tehnološki poduhvat do sada.

A kako čovečanstvo „stoji” danas i kakva je njegova budućnost u pogledu energetskih potreba i izvora?

Procenjuje se da će količina energije koja će čovečanstvu biti potrebna već početkom ovog veka biti deset puta veća od ukupne količine energije potrošene od vremena Rimskog carstva do danas. Da li će svi raspoloživi energetski resursi, uključujući atomsku energiju, biti dovoljni da zadovolje ove potrebe?

Istovremeno, prirodni resursi za termonuklearne reakcije su praktično neiscrpni. Naime, gorivo za ove reakcije (deuterijum) nalazi se u morskim i okeanskim vodama. Ilustracije radi, ako bi reagovao sav deuterijum koji se nalazi u 1 litru vode (a u vodi ima 1 atom deuterijuma u poređenju sa 6 hiljada atoma vodonika), energija je jednaka energiji proizvedenoj sagorevanjem 400 litara ulja bi se dobilo. A količina vode u svetskim morima i okeanima je ogromna. Izračunato je da je njegova zapremina oko 137x10⁷ km³. U toj količini vode ima oko 2x10¹³ tona deuterijuma, što je dovoljna zaliha energije za nekoliko milijardi godina (Turuma et al., 1982).

Osim toga, u poređenju sa reakcijama nuklearne fisije, termonuklearne reakcije imaju prednost, ne samo sa stanovišta količine oslobođene energije, već i zbog toga što ne proizvode nuklearni otpad štetan po biosferu.

U celoj ovoj priči o termonuklearnim reakcijama, činjenica da dok najbolji umovi čovečanstva decenijama pokušavaju da ovladaju termonuklearnim reakcijama i stvore termonuklearni reaktor, takva „fabrika“ postoji u prirodi milijardama godina. Primer je Sunce – taj gigantski termonuklearni reaktor. Već tridesetih godina ovog veka pojavila se hipoteza da su termonuklearne reakcije pretvaranja vodonika u helijum, koje se odvijaju u unutrašnjosti Sunca, izvor njegove energije. Naime, zbog veoma visokih temperatura u unutrašnjosti Sunca (nekoliko miliona stepeni), atomi pojedinih elemenata su potpuno jonizovani, a njihove brzine su toliko velike da pri njihovom sudaru dolazi do reakcija fuzije. Spektralnom analizom utvrđeno je da u sunčevoj atmosferi ima vodonika, azota i ugljenika. Procenjuje se da je količina vodonika na suncu dovoljna da njegova temperatura ostane nepromenjena više od 100 miliona godina.

Danas znamo mnogo o Suncu, kome dugujemo sav život na Zemlji. Ali krije još mnogo tajni. Jedna od tih tajni su i eksplozije (tzv. izbočine) koje se povremeno javljaju na njenoj površini, u tzv. aktivne oblasti. Ove snažne eksplozije praćene su oslobađanjem ogromne količine energije i „ispaljivanjem“ čitavog niza naelektrisanih čestica u svemir. Energija emitovanih čestica je uporediva sa energijom kosmičkog zračenja. Uprkos velikoj udaljenosti između Zemlje i Sunca (oko 150 miliona kilometara), eksplozije na Suncu imaju uticaj na nas - stanovnike Zemlje. Naime, nekoliko sati nakon eksplozije, oblak „čestica“ sunčevih atoma vodonika stiže do Zemlje, izazivajući nekontrolisanu rotaciju igala kompasa, prekid radio komunikacije... Povećava se broj srčanih udara i saobraćajnih nezgoda... Ovako Zemlja reaguje na turbulentne procese koji se odvijaju na Suncu – solarne eksplozije.

Eksplozivne vulkanske erupcije

Eksplozivne vulkanske erupcije su zastrašujući geološki fenomen. U pojedinim fazama razvoja Zemlje vulkanska aktivnost je bila intenzivnija nego danas, ostavljajući neizbrisiv trag na formiranje današnjeg oblika Zemljine površine. Među prvim zabeleženim svedočanstvima o vulkanskim erupcijama su beleške rimskog pisca Plinija Mlađeg, svedoka katastrofalne erupcije vulkana Vezuv u Italiji, 79. godine pre nove ere, u kojoj su Pompeja i njeni stanovnici nestali ispod sloja vulkanskog pepela i kamenja debljine 7–9 m. Danas na Zemlji postoji više od 800 aktivnih vulkana, od kojih se većina nalazi u Tihom okeanu.

Vulkansku erupciju izaziva magma, vruća viskozna talina čvrstih minerala koja se uzdiže iz unutrašnjosti Zemlje na površinu. Ako na mestu njenog izbijanja postoje pukotine u zemljinoj kori, nastupiće relativno mirna erupcija. Međutim, u nekim slučajevima, izlaz magme na površinu Zemlje je težak. U takvim slučajevima, kako se magma približava površini i kako se pritisak površinskog sloja Zemlje na magmu smanjuje, voda i gasovi koji su do tog trenutka rastvoreni u magmi prelaze u gasovito/parno stanje. Zbog intenzivnog formiranja mehurića vodene pare i gasa, magma izgleda „kao da ključa“. Pritisak vodene pare i gasa raste na nekoliko hiljada bara, što na kraju dovodi do eksplozivne vulkanske erupcije – probijanja površinskog sloja zemljine kore i izbacivanja u atmosferu emulzije tečne magme i gasa (u oblik vulkanskog pepela – mešavina prašine i peska veličine čestica ispod 2 mm) i komada lave veličine od 1 cm do nekoliko metara. Neproziran crni oblak vulkanskog pepela uzdiže se u vazduh i do desetina kilometara, nakon čega pada na zemlju stvarajući mrak poput mraka u mračnom tunelu.

Brojni su primeri snažnih eksplozivnih vulkanskih erupcija u prošloj istoriji Zemlje. Jedna od najvećih erupcija 20. veka je erupcija vulkana Bezimeni na poluostrvu Kamčatka (Sovjetski savez), koja na sreću nije izazvala ljudske žrtve jer se vulkan nalazio u nenaseljenom području. Naime, taj vulkan, za koji se mislilo da je ugašen u 17. veku, ponovo je oživeo 1955. godine. Tokom oktobra i novembra zabeležena je serija jakih erupcija, da bi konačno u martu 1956. godine došlo do strašne eksplozije praćene formiranjem velikog plamenog stuba i emisijom vulkanskog pepela u atmosferu. Procenjuje se da je zapremina vulkanskog pepela, koji se popeo na visinu od 40 km (130.000 ft), iznosila oko 500 miliona kubnih metara. Posle erupcije, sve u krugu prečnika 10 km (33.000 ft) bilo je prekriveno slojem vulkanskog peska.

Najveća zabeležena eksplozivna vulkanska erupcija u 19. veku bila je erupcija vulkana Krakatau 1883. godine. Krakatau je bilo nenaseljeno ostrvo prečnika 5—8 km (16.000—26.000 ft), smešteno između ostrva Java i Sumatre (Indonezija), na kome se uzdizao veličanstveni kupasti vrh visok 2.100 m (6.900 ft). Podzemni zemljotresi i slabije eksplozije bili su znak već u maju te godine da se vulkan aktivira, a krajem 26-27 avgusta dogodiće se katastrofa. Tokom dana 26. avgusta čula se jaka tutnjava koja se neprekidno pojačavala. Stubovi pepela podigli su se iznad vulkana na visinu od oko 30 km (98.000 ft). Stvoreni su snažni morski talasi cunamija koji su jurili ka Javi i Sumatri, pustošivši njihove obale. Tokom sledeće noći, tutnjava je postajala sve glasnija. Oko 10 časova 27. avgusta erupcija je dostigla vrhunac. Odjeknula je strašna eksplozija u kojoj je nestalo 2/3 ostrva. Ogromne količine gasa, pare, pepela i komada vulkanskih stena izbačene su na visinu od 70—80 km (230.000—260.000 ft). Nastali su ogromni talasi, visoki i do 37 m (121 ft), koji su se jedan za drugim obrušavali na susedna ostrva i u strašnom naletu zbrisali čitava naselja „sa lica zemlje“. Posle sat vremena usledila je još jedna jaka eksplozija, a zatim se vulkan postepeno smirio.

Količina materijala izbačenog u atmosferu tokom erupcije, uglavnom kremena i peska, iznosila je oko 21 km³. Ukupna oslobođena energija je ekvivalentna energiji koju daje 200 milijardi tona trinitrotoluena. Ogromni morski talasi cunamija, izazvani eksplozivnom erupcijom, obišli su celu Zemlju, a eksplozija se čula čak do Madagaskara, udaljenog 4.600 km (15.100.000 ft). Nakon erupcije, obale Jave i Sumatre bile su neprepoznatljive. Sivi blato, produkti vulkanske erupcije, leševi mrtvih ljudi i životinja prekrili su zemlju. Broj ljudskih žrtava procenjuje se na oko 40 hiljada.

Erupcija je uništila skoro celo ostrvo Krakatau, a ostali su samo njegovi ostaci. Posle 1927. godine, na tom području su se ponovo javljale slabije erupcije, što je rezultiralo stvaranjem novog, malog ostrva poznatog kao Anak Krakatau (Dete Krakataua).

Vulkanske erupcije, odnosno ogromne količine vulkanskog pepela koje se bacaju u atmosferu tokom erupcija, neki autori navode kao mogući uzrok klimatskih promena na Zemlji. U zavisnosti od dimenzija čestica vulkanskog pepela, jačine erupcije, pravca vetra i sl., vulkanski pepeo može da se podigne na veliku visinu i da se raznese na veliku daljinu. Na primer, tokom erupcije vulkana Bezimeni (1956. godine), na Kamčatki, vulkanski pepeo je stigao čak do Velike Britanije, a tokom erupcije vulkana Krakatau (1883. godine), male čestice vulkanske prašine su skoro dva puta obletele Zemlju, uzrokujući neobične pojave u atmosferi. Nakon erupcija, vulkanski pepeo može ostati u atmosferi mesecima ili čak godinama.

Grupa američkih naučnika, istražujući vulkansku prašinu taloženu na morskom dnu, otkrila je da se periodi velikih i naglih klimatskih promena u poslednja dva miliona godina poklapaju sa vulkanskom aktivnošću. Veza između ove dve pojave je veoma složena. Naime, s jedne strane, vulkanske čestice odbijaju sunčeve zrake i tako dovode do pada temperature na Zemlji, a sa druge strane mogu da apsorbuju infracrvene (toplotne) zrake koji dolaze sa zemljine površine, što dovodi do toga da se Zemljina površina zagreva. Ukratko, ova dva procesa dovode do smanjenja temperature zemljine površine – odnosno njenog hlađenja.

Prema nekim tvrdnjama, posle erupcije vulkana Krakatau, prosečna temperatura na Zemlji pala je za 0,5 - 0,6 °C. Istovremeni porast aktivnosti mnogih vulkana u različitim delovima Zemlje mogao je biti uzrok ledenih doba u prošlosti. Smatra se da je za tako nešto, u oblasti srednjih geografskih širina, dovoljno smanjiti temperaturu za nekih 4-5 stepeni.

Eksplozije uzrokovane udarom meteorita u Zemlju

Ranije je pomenuto da do eksplozije može doći i kada se telo koje se kreće velikom brzinom (10 – 20 km/s) sudari sa čvrstim preprekama. Do eksplozije dolazi usled pretvaranja kinetičke energije tela u pokretu u toplotnu energiju, naglog isparavanja tela na račun proizvedene toplote i stvaranja vrućih gasova i pare koji su u početku pod veoma visokim pritiskom.

U prirodi se takvi fenomeni javljaju kada veliki meteoriti padaju na površinu Zemlje, Meseca, Marsa i drugih planeta. Meteoriti, današnji najstariji i najprimitivniji ostaci planetarne materije, oduvek su padali na Zemlju. Većina njih nije velika, pa izgore pri ulasku u zemljinu atmosferu. Nešto veće, od 1 kg i više, ne uspevaju da sagore u gornjim slojevima atmosfere, ali pošto se njihovo kretanje kroz atmosferu dosta usporava, padaju na zemlju bez značajnijih spoljašnjih efekata. Najveći netaknuti meteorit za koji se zna da je pao na Zemlju je meteorit Hoba Vest težak 60 t (130.000 lb) koji je pao u južnoj Africi.

Međutim, sudar većih meteorita sa Zemljom obično ima karakteristike strašne eksplozije koja ostavlja svoj večni trag na površini Zemlje u vidu ogromnih kratera.

Zemlja je u nekoliko navrata bila izložena ovom obliku „kosmičkog bombardovanja“. Verovatno najveći meteorit koji je pao na Zemlju bio je onaj koji je stvorio Popigajski basen u dolini reke Popigaj na severu Sibirske visoravni (Sovjetski Savez), pre nekih 30 miliona godina. Prečnik kratera nastalog padom tog meteorita je oko 100 km (330.000 ft). Istraživanja pokazuju da je meteorit bez većih poteškoća prošao kroz Zemljinu atmosferu, prodro kroz površinski sloj zemljine kore, zaustavio se u predelu stena i potom eksplozivno eksplodirao. U središtu eksplozije, stene su se topile, a talina je tekla na dno stvorenog kratera. Pretpostavlja se da je dubina tog „ognjenog jezera“ dostizala 200 m (660 ft). Ali ono je postojalo samo delić sekunde, nakon čega su rastopljene stene bačene u vazduh u vidu brojnih komada različitih veličina koji su padali na udaljenosti do 40 km (130.000 ft) od ivice kratera.

U oblasti severne Arizone (SAD) nalazi se i krater (tzv. Canion Diablo ili Barringer krater), za koji se veruje da je nastao udarom meteorita o Zemlju. Legenda lokalnih Indijanaca kaže da je krater nastao na mestu „gde je nekada davno Bog sišao na zemlju u vatrenim kolima“ – što zapravo navodi na zaključak da bi uzrok kratera mogao biti meteorit (Turuma et al., 1982).

Početkom 20. veka (1902) filadelfijski rudarski inženjer D. M. Baringer se zainteresovao za ovu oblast kao potencijalno ležište rude gvožđa.

Nakon obilaska tog područja, Baringer se uverio da je krater nastao padom velikog gvozdenog meteorita. Pretpostavio je da je meteorit ostao zakopan ispod samog kratera. Pretpostavka o poreklu kratera bila je tačna, ali Barindžer nije znao da kada je meteorit udario u Zemlju, doživeo je potpuni raspad (otopljenje, isparavanje i eksplozivno raspadanje na male komadiće). Barringer je proveo 26 godina istražujući krater i uporno tražeći džinovski gvozdeni meteorit ispod površine kratera. Naravno, nikada ga nije pronašao, ali je naučnoj javnosti dokazao da je krater nastao udarom meteorita o Zemlju.

Istraživanja su pokazala da je ovaj krater nastao pre 50.000 godina kada je meteorit prečnika oko 50 m (2.000 in) i težine nekoliko stotina tona, napravljen od nikla i gvožđa, koji se kretao brzinom od oko 18 km/s udario u to planinsko područje Arizona, stvarajući krater koji je danas dubok oko 170 m (560 ft) i prečnika 1,2 km (3.900 ft). Da bi se napravio ovakav krater sa klasičnim eksplozivom, trebalo bi utrošiti više od 20x10⁶ tona trinitrotoluena. O veličini kratera govori podatak da se u podnožju kratera istovremeno moglo odigrati 20 fudbalskih utakmica, a na njegovim padinama bi moglo da se smesti više od dva miliona navijača.

Danas je krater u privatnom vlasništvu Baringerove porodice. U njenom prostoru se nalazi i muzej (Muzej kratera Meteora) koji je otvoren za posetioce.

Zanimljiva je hipoteza nemačkog fizičara O. Muka o propasti Atlantide - legendarne carske države čija se vlast proširila na mnoga ostrva i deo evropskog kontinenta, a koja se prvi put pominje u delima starogrčkog filozofa Platona.

A. Muk veruje da je nestanak Atlantide prouzrokovan padom velikog meteorita negde u jugozapadnom delu Atlantskog okeana, 8498. godine pre nove ere. Prečnik tog meteorita mogao je biti oko 10 km (33.000 ft), a masa 1000-2000 milijardi tona. Pad meteorita izazvao je stvaranje ogromnih talasa koji su se, krećući se velikom brzinom, jurnuli ka obalama Atlantskog okeana, "zamećući" sva naselja ispred sebe. Eksplozija je razbila morsko dno, uzrokujući njegovo pomeranje. Tako je, prema Muku, pučina progutala legendarnu Atlantidu (Turuma et al., 1982).

Tajnu jegulje autor smatra indirektnim dokazom svoje teorije. Naime, poznato je da se larve jegulje rađaju u Sargaškom moru, koje se nalazi na istočnoj obali Severne Amerike. Larve se golfskom strujom odnose na istok do obala zapadne Evrope. Tokom ovog putovanja, koje traje 2-3 godine, larve izrastu u mlade jegulje koje, dospevši do obala zapadne Evrope, ulaze u reke i kreću ka izvorima. Jegulje žive u slatkoj rečnoj vodi 8-15 godina, nakon čega se, kao odrasle ribe, vraćaju u Sargako more, prelazeći razdaljinu od 6-7 hiljada kilometara, da tamo polažu jaja. Nakon mrijesta, jegulje umiru.

Prema Muku, u davna vremena ostrva Atlantide blokirala su put značajnom delu Golfske struje, zbog čega su stvorila kružno kretanje morske vode u oblasti Sargaškog mora. Istovremeno, morska voda je obogaćena slatkom rečnom vodom sa ostrva, čime je ovo područje postalo idealno za razvoj larvi jegulje. Odrastajući, larve jegulje otišle su na istok do reka Atlantide, gde su se razvile u odrasle ribe. Nestankom Atlantide nestao je i kružni tok morske vode u oblasti Sargaškog mora, ali je ostao instinkt jegulje, stvaran generacijama. Zbog toga evropske jegulje polažu jaja u Sargaško more, a njihove larve, kao i mnogo hiljada godina ranije, idu na istok ka obećanoj Atlantidi, stižući u reke zapadne Evrope. Tako je, smatra Muk, katastrofalna eksplozija izazvana udarom meteorita uticala na sudbinu jegulja.

Najveća kosmička katastrofa u 20. veku svakako je ona vezana za meteorit Tunguska (poznat i kao sibirska eksplozija). U 7.15 časova, 30. juna 1908. Misteriozna eksplozija dogodila se u oblasti istočno od gornjeg toka reke Donje Tunguske u istočnom Sibiru (Sovjetski Savez). Uzrok eksplozije bio je ulazak u Zemljinu atmosferu velikog meteorita koji je eksplozivno eksplodirao na visini od oko 10 km (33.000 ft) od površine Zemlje. Slika ovog događaja nije zabeležena, ali su svedočenja brojnih očevidaca omogućila rekonstrukciju događaja. Ono što se na osnovu snimljenih podataka i iskaza očevidaca može zaključiti o eksploziji je sledeće: Seizmički instrumenti su snimili vibracije na udaljenosti od oko 1000 km; na udaljenosti od oko 500 km (1.600.000 ft), očevici su čuli „tupi prasak” i videli „plamteći oblak” na horizontu; na oko 170 km (560.000 ft) od centra eksplozije, na vedrom nebu uočen je objekat u obliku „ogromne plamene lopte“; na udaljenosti od oko 60 km (200.000 ft) ljudi su oboreni na zemlju ili čak onesvešćeni od udara udarnog talasa nastalog eksplozijom, polomljeni su prozori... Najbliži očevici bili su pastiri koji su se nalazili u naseljima oko 30 km (98.000 ft) od mesto eksplozije.

Svi ovi podaci ukazuju da je sila eksplozije bila ogromna – verovatno jednaka sili eksplozije više od 3 miliona tona trinitrotoluena. Izračunato je da je brzina meteorita u trenutku ulaska u atmosferu bila 30–40 km/s (što je 4-5 puta veće od prve kosmičke brzine). U trenutku eksplozije brzina meteorita se smanjila na 16–20 km/s usled otpora vazduha. Masa meteorita u trenutku eksplozije bila je nekoliko desetina hiljada tona, dok je preostali deo ispario u atmosferi pre eksplozije.

Eksplozija je izazvala stvaranje snažnog udarnog talasa (ili serije udarnih talasa) koji je oborio drveće na ogromnoj površini - površini od oko 2.200 km². Na mestu eksplozije nema kratera ili ostataka meteorita. Pronađeni su samo mali komadi, veličine oko deset mikrona, koji su zapravo očvrsnule kapi rastopljenog metala i silikata od kojih je sagrađen meteorit.

Sibirska eksplozija je predmet brojnih istraživanja i brojnih naučnih radova. Lansirane su mnoge verzije mogućeg uzroka eksplozije, među njima i neke potpuno neverovatne: na primer, da je eksploziju izazvao ulazak u Zemljinu atmosferu komada antitela, svemirskog broda poslatog sa druge planete itd.

Pošto meteorit nije stigao do površine Zemlje, prvi istraživači su smatrali da je reč o objektu koji bi mogao biti ledeni fragment komete koji je eksplozivno ispario ulaskom u atmosferu. Savremeni naučnici veruju da je meteorit, krećući se brzinom od 12–20 km/s, pretrpeo snažan mehanički udar pri ulasku u atmosferu (slično udaru koji telo pretrpi pri padu u vodu) i da se zbog toga raspao. na manje delove koji su eksplodirali umesto da stignu do površine zemlje. Očigledno je da se u slučaju sibirske eksplozije meteorit raspao na vrlo male čestice, veličine čestica prašine. Zbog toga na površini Zemlje nema kratera ili velikih meteorita. Prema C. Chibi i kolegama (Chiba et al., 1993) sibirska eksplozija je bila eksplozija kamenog meteorita u atmosferi. Autori potkrepljuju ovu tvrdnju činjenicom da su ruski istraživači pronašli male komade kamena u drveću u zoni eksplozije, čiji je sastav identičan onom kod tipičnih kamenih meteorita. Prema njihovim rečima, meteorit bi mogao da ima prečnik od 50-60 metara. Međutim, bez obzira na brojna istraživanja i pisana dela, sibirska eksplozija verovatno ni do danas nije sasvim pouzdano objašnjena.

Brojni asteroidi kruže oko Sunca. Sibirski objekat je verovatno bio najveći koji je ušao u Zemljinu atmosferu u 20. veku. Da se njegova eksplozija dogodila u naseljenom području, razaranja i ljudske žrtve bi bile ogromne. Pitanje je sasvim opravdano: kolika je verovatnoća da veliki svemirski objekat udari u Zemlju?

Danas se veruje da se jednom u hiljadu godina Zemlja može sudariti sa velikim svemirskim telom. Verovatnoća da će se tako nešto desiti tokom našeg života (tj. za oko 75 godina) je 1:10.000, što je jednako verovatnoći da poginemo u saobraćajnoj nesreći u periodu od 6 meseci. Današnji postojeći krateri na Zemlji, nastali padom meteorita, samo upozoravaju na katastrofalne posledice koje bi takav sudar mogao imati po Zemlju i njene stanovnike.

Svemirske eksplozije

Ogromno prostranstvo koje obuhvata sve što nas okružuje zove se univerzum. Ono što svemir sadrži i šta se u njemu dešava daleko prevazilazi našu maštu. Ono što vidimo gledajući čisto zvezdano nebo je samo naša galaksija, Mlečni put. Njegov prečnik je oko 100 hiljada svetlosnih godina (svetlosna godina = 9,46x10¹² km, tj. razdaljina koju pređe svetlost koja se kreće brzinom od 300.000 km/s za jednu godinu) a pored Sunca ima oko 100 miliona Zvezdica. I postoji više od 100 milijardi sličnih galaksija. Svi oni zajedno čine metagalaksiju – tu daleku i prolaznu strukturnu tvorevinu u večnom i beskonačnom univerzumu.

Praktično, do nedavno, univerzum se smatrao stacionarnom, nepokretnom tvorevinom. Pretpostavljalo se da se promene u univerzumu dešavaju izuzetno sporo, mirno i postepeno. Kruženje materije u svemiru tumačeno je na sledeći način: Usled termonuklearnih reakcija koje se odvijaju u centru zvezde, oni postepeno raspršuju svoju materiju u svemiru, ova supstanca se akumulira u ogromnim svemirskim maglama; magle se postepeno zgušnjavaju i ponovo pretvaraju u zvezde; zvezde iznova i iznova rasipaju svoju supstancu... I tako se periodično ponavlja proces nestajanja jednih zvezda i pojave drugih.

Međutim, savremeni astrofizičari su pretpostavljali da se u univerzumu odvijaju potpuno drugačiji, nestacionarni procesi – kosmičke eksplozije u centrima galaksija i zvezda, što je dovelo do preispitivanja tradicionalnih ideja o evoluciji materije u svemiru.

Univerzum nije uvek bio onakav kakav je danas. U početku u njemu nije bilo ni galaksija ni zvezda, a materija je bila u strahovito gustom i sjajnom stanju. Pre otprilike 20 miliona godina, ova materija je eksplodirala i stvorena je metagalaksija. Nakon eksplozije, galaksije su se udaljile od mesta eksplozije (kao geleri od eksplozije granate), i dalje se udaljavaju, a njihova gustina se smanjuje. Ova teorija o formiranju galaksija naziva se teorija „velikog praska” (tzv. teorija Bing praska).

Trenutak u vremenu koji je usledio nakon početnog širenja bio je posebno važan za istoriju metagalaksije. U tom periodu postojali su takvi uslovi u kojima su se mogle odvijati nuklearne reakcije, u kojima su se od protona i neutrona formirala jezgra helijuma. Posle oko milion godina, kada se ogromna početna temperatura od oko (740 °C (1.360 °F; 1.010 K) ove cifre su izražene u milionima) smanjila na 2.727—3.727 °C (4.941—6.741 °F; 3.000—4.000 K), počeli su da se formiraju neutralni atomi helijuma i vodonika. Teži elementi pojavili su se milijardu godina nakon toga, odnosno kada su nastale zvezde prilikom čije eksplozije su hemijski elementi koje danas poznajemo bačeni u svemir.

Postoje različite hipoteze o formiranju galaksija. Prema J.B.Zeljdoviću, galaksije su nastale u ranim fazama širenja metagalaksije. Kao rezultat kompresije materije udarnim talasima, nastale su guste dvodimenzionalne formacije, zvane bline, čija je temperatura mogla da dostigne milion stepeni. U raznim delovima metagalaksije koja se širi, nazvane su bline različite mase, gustine i temperature. Galaksije su nastale eksplozivnim raspadom Blina. Kako su slepi bili različiti, tako su i nastale galaksije bile različite (Turuma et al., 1982).

Međutim, eksplozivni procesi u svemiru nisu tu stali. Nove zvezde se neprestano rađaju, a stare umiru u svemiru. Najinteresantnije je da nove zvezde u početku slabo sijaju. Tek kada njihova temperatura dostigne 10 miliona celzijusa, odnosno kada se stvore uslovi za reakcije termonuklearne fuzije jezgara vodonika u helijum, nove zvezde počinju da sijaju pravim intenzitetom.

Energetski najeksplozivniji fenomen u svemiru naziva se supernova - eksplozija zvezde. To se dešava pred kraj života nekih gigant zvezda, kada se njihovo nuklearno gorivo potroši i termonuklearne reakcije počnu da se gase. U strašnoj eksploziji, zvezda se raspada, a udarni talas baca svoj omotač u međuzvezdani prostor. Pri tome se oslobađa ogromna količina energije (reda 10⁴¹ J), intenzivno kosmičko zračenje se emituje u svemir i stvaraju teški hemijski elementi koji predstavljaju osnovu života. Supernove su retka pojava u našoj galaksiji, ali su češće u susednim galaksijama.

Mišljenje je nekih naučnika je da kada se povećava nivo radijacije u atmosferi, supernove mogu uticati na klimu naše planete i život na njoj. Prema nekim hipotezama, nagli porast radijacije, izazvan supernovom, mogao je da bude uzrok iznenadnog nestanka dinosaurusa – ogromnih gmizavaca koji su živeli na Zemlji u mezozojskoj eri. Poznata su ogromna groblja ovih gmizavaca (na primer, takozvana Planina kamenih zmajeva u Sahari) gde su pronađeni ostaci hiljada dinosaurusa, što upućuje na zaključak o njihovom iznenadnom nestanku.

Prema savremenoj astrofizici, nema sumnje da svemirske eksplozije igraju najvažniju ulogu u evoluciji univerzuma. Brojne svemirske eksplozije koje se dešavaju širom univerzuma čine život u svemiru uporedivim sa vrstom „svemirskog vatrometa“.

Eksplozivna materija

Glavni članak: Eksploziv

Eksplozivna materija je hemijsko jedinjenje ili homogena mešavina hemijskih jedinjenja koja ima osobinu da za veoma kratki vremenski interval razvije veliku količinu gasovitih produkata zagrejanih na visokoj temperaturi 1.500—45.000 °C (2.730—81.030 °F; 1.770—45.270 K), odnosno koja ima osobinu da se pod uticajem spoljašnjeg podstreka (izvora paljenja) naglo razlaže uz istovremeno razvijanje velike količine gasovitih produkata i toplote.

U sastav eksplozivnih materija, sa izuzetkom inicijalnih eksploziva, ulaze ugljenik, vodonik, kiseonik i azot. Pri tome je od posebne važnosti što atomi kiseonika nisu direktno vezani za atome ugljenika i vodonika. Jedinjenja kod kojih su atomi kiseonika vezani direktno sa atomima ugljenika i vodonika (skrob, šećer), su energetski stabilna pa se kod njih daljom transformacijom ne može da se postigne izrazitije oslobađanje energije.

U jedinjenjima koja imaju osobine eksploziva, kiseonik je vezan najčešće za azot, pa se u prvoj fazi kida veza kiseonika i azota, a zatim se kiseonik vezuje za ugljenik i vodonik, odnosno vrši se oksidacija ugljenika i vodonika.

Prema hemijskom sastavu sve eksplozivne materije se dele na:

• eksplozivna jedinjenja, i
• eksplozivne smeše.

Основна разлика између експлозива и горива је у томе што за процес горења треба довести ваздух, а код експлозива је кисеоник укључен у његов састав.

Kod eksplozivnih jedinjenja kiseonik potreban za oksidaciju je ugrađen u isti molekul sa gorivim elementima ugljenikom i vodonikom. Naime, kod eksplozivnog jedinjenja gorivo i oksidator su u sklopu njegovog molekula. Do momenta pobuđivanja detonacije oni su obično rastavljeni atomima elemenata koji najčešće ne učestvuju u detonacionom preobražaju eksplozivnog jedinjenja. To su najčešće atomi slabo reaktivnog azota.

Do razlaganja dolazi putem saopštavanja određene energije aktivacije koja je karakteristična za svaki eksploziv. Ukoliko se pođe od opšte elementarne strukture eksploziva koju čine atomi ugljenika (C), vodonika (H), kiseonika (O) i azota (N), nakon aktivacije dolazi do prestruktuiranja aktivnih atomskih grupa u termodinamički stabilnija jedinjenja. Gorivi elementi i oksidator se sjedinjavaju i obrazuju vodenu paru (H₂O) i ugljendioksid (CO₂) a atomi azota koji su ih razdvajali do momenta aktivacije se obično izdvajaju u slobodnom elemetarnom stanju.

Eksplozivne smeše u osnovi sačinjavaju gorive i oksidacione komponente koje se određenom tehnologijom umešavanja i homogenizacije dovode u što bliži kontakt. Obično sadrže i određen procenat eksplozivnog jedinjenja koje ima prvenstveno funkciju senzibilizatora, koje prvo počinje da se razlaže pri dovođenju energije za aktiviranje. Najčešće korišćeni senzibilizatori su trinitrotoluol (TNT) i nitroglicerin (NG).

Kao eksplozivne smeše javljaju se: klasični privredni eksplozivi, pirotehničke smeše, barutne smeše, smeše gasova i prahova, savremeni privredni eksplozivi itd.

Kod mnogih eksploziva materija potpuno prelazi u gasovito stanje, dok je kod nekih ovaj prelaz delimičan, tj. u produktima eksplozije pored gasova nalaze se i materije u čvrstom stanju.

Klasifikacija eksplozivnih materijala

Glavni članak: Eksploziv

U praksi postoji klasifikacija eksplozivnih materija prema agregatnom stanju, osobinama i nameni. Prema agregatnom stanju eksplozivne materije se dele:

• čvrste,
• tečne, i
• gasovite.

Koncentracija energije je najmanja kod gasovitih eksploziva (smeše zapaljivih gasova sa vazduhom, na primer smeše metana sa vazduhom, eksplozivne prašine). Zbog male energije pritisci eksplozije gasovitih eksplozivnih materija nisu veliki.

Tečne eksplozivne materije neće se razmatrati jer su suviše opasne za praktičnu upotrebu.

Čvrste eksplozivne materije u zavisnosti od osobina i namene, dele se u tri osnovne grupe:

• inicijalne ili primarne,
• pogonske i
• razorne ili sekundarne eksplozive.

Podela hemijskih eksploziva

Glavni članak: Eksploziv

Inicijalni eksplozivi

Inicijalni eksplozivi iniciraju razlaganje pogonskih i razornih eksploziva. Razorne eksplozive dovode do detonacije a pogonske eksplozive do paljenja. Inicijalne eksplozive karakteriše velika osetljivost na udar i trenje.

Jedna od važnih karakteristika pomenute vrste eksploziva je brz prelazak iz faze gorenja u fazu detonacije. Dovoljna je i sasvim mala pripaljena količina ovog eksploziva u čvrstom stanju da bi odmah došlo do detonacije. Pomenuta karakteristika inicijalnih eksploziva iskorišćena je kod detonatorske rudarske kapisle, gde se aktiviranje vrši putem sporogorućeg štapina ili električnim putem. Proces gorenja prelazi u detonaciju i kapisla daje snažan inicijalni impuls koji aktivira eksploziv u kome je smešten detonator.

Najčešće korišćeni inicijalni eksplozivi su:

• fulminat žive - ${\ce {Hg(ONC)2}}$,
• olovo azid - ${\ce {Pb(N3)2}}$,
• olovotrinitrorezorcihat - ${\ce {C6H(N02)3O2xPbxH2O}}$.

Pogonski eksplozivi

Pogonski eksplozivi obezbeđuju energiju za pogon različitih vrsta projektila. Oni sagorevaju a ne detoniraju. Najčešće korišćeni pogonski eksplozivi su:

• crni barut,
• kompozitni baruti,
• nitroglicerinski baruti, i
• nitrocelulozni baruti.

Kompozitni baruti predstavljaju smeše neorganskih oksidatora sa organskim gorivima. Crni barut se sastoji od sledećih komponenata:

• drveni ugalj (64-80 %) kao gorivi sastojak,
• šalitra (kalijumnitrat) (5-25 %) kao nosioc kiseonika,
• sumpor (5-30 %) kojim se olakšava paljenje jer je njegova temperatura paljenja 240 °C (464 °F; 513 K) dok je temperatura paljenja drvenog uglja 400 °C (752 °F; 673 K).

U praksi je najčešća primena crnog baruta koji se sastoji od 75 % šalitre, 15 % drvenog uglja i 10 % sumpora. Baruti mogu svoju energiju da saopšte (predaju) na dva načina:

• barut može sagoreti u samom oruđu. Topovski ili puščani barut može poslužiti kao primer sagorevanja u oruđu gde se oslobađaju zagrejani gasoviti produkti i svoju toplotnu energiju pod velikim početnim pritiskom (2.000 bar) predaju zrnu koje se izbacuje kroz cev
• projektil sa sobom nosi pogonsko gorivo koje sagoreva tokom njegovog kretanja.

Razorni eksplozivi

Osnovni vid razlaganja razornih eksploziva je detonacija.

Dele se prema nameni na:

• vojne i
• civilne (privredne) eksplozive.

Većina vojnih eksploziva su čista hemijska jedinjenja ili smeša dva hemijska jedinjenja, kao na primer:

• trinitrotoluol - trotil (TNT) ${\ce {(C7H5N3O6)}}$
• pentrit (PETN) ${\ce {(C(CH2ONO2)4-C5H8N4O12)}}$
• heksogen (RDX) ${\ce {(C3H6N6O6)}}$

Svi privredni eksplozivi su smeše više hemijskih jedinjenja. Upotreba velikog broja mogućih smeša je ograničena, jer je za praktično korišćenje, neophodno da privredni eksplozivi ispune zahteve:

• da su sigurni pri rukovanju i transportu, odnosno da nisu preterano osetljivi,
• da imaju temperaturu paljenja iznad 160 °C (320 °F; 433 K),
• da pri zagrevanju na 75 °C (167 °F; 348 K) izdržc najmanje 48 sati,
• da su sposobni da se sigurno iniciraju,
• da su sposobni za sigurno prenošenje detonacije od patrone na patronu u minskoj rupi,
• da imaju uravnotežen ili blago pozitivan bilans kiseonika,
• da u produktima razlaganja ne sadrže ugljenmonoksid i azotne okside,
• da su dovoljno jeftini.

Privredni eksplozivi su najčešće smeše tri jedinjenja:

• oksidatora kao nosioca atoma kiseonika. Kao oksidator obično se koristi amonijumnitrat (AN) ${\ce {(NH4NO3)}}$,
• goriva kao nosioca atoma ugljenika i vodonika. Kao gorivo se koristi drveno brašno, treset, razna ulja, aluminijum i slično,
• senzibilizatora za obezbedivanje detonacije. Eksplozivi na bazi amonijumnitrata bili bi slabo osetljivi na inicijaciju kada bi se sastojali samo od oksidatora i goriva. Da bi im se povećala osetljivost dodaju se senzibilizatori (najčešće nitroglicerin, čist ili u smeši sa nitroglikolom i trinitrotoluol) sa najmanje 6 % u sastavu privrednih eksploziva, čime se obezbeđuje potpuna detonacija.

Reakcije razlaganja amonijumnitrata i trinitrotoluola za vreme eksplozije:

• 2NH₄NO₃ → 4H₂O + N₂ + O₂ + Q
• 21NH₄NO₃ + C₇H₅(NO₂)₃ → 12CO₂ + 47H₂O + 24N₂ + Q

Najvažnije prosečne vrednosti privrednih eksploziva videti u tabeli ispod:

Prosečne vrednost privrednih eksploziva

Karakteristika eksploziva	Prosečna vrednost
Detonaciona brzina	2.000 - 6.000 m/s
Prenos detonacije	0 –12 cm
Toplota eksplozije	3.000 - 6.000 kJ/kg
Gasna zapremina	600 - 1.100 l/kg
Gustina	0,8 - 1,5 kg/l
Bilans kiseonika	-3 - +3%
Osetljivost na udar	0,8 - 5 kgm
Osetljivost na inicijalizaciju	Kapisla br. 8; Pentolit
Temperatura paljenja	> 200 °C (392 °F; 473 K)
Temperatura eksplozije	2.000 °C (3.630 °F; 2.270 K)
Pritisak detonacije	2 - 15 Gpa
Kritični prečnik	17 – 70 mm

Postoje tri velike familije privrednih eksploziva i to:

• ANFO eksplozivi - čvrste eksplozivne materije
• SLURRY eksplozivi - od tečljivo-puštljivih do plastično-gumastog stanja
• Amonijumnitritni trinitrotoluol - praškasti eksplozivi.

ANFO eksplozivi - amonijumnitratni uljni eksplozivi

Osnovna komponenta ANFO eksploziva je amonijumnitrat - gorivo ulje. Postojanost prema vodi je slaba. Ovaj nedostatak se može otkloniti ako se isporučuju u patronama sa plastičnim crevom. Primenjuju se kod površinskih radova, dok je kod podzemnih radova upotreba ograničena. Ne mogu se koristili tamo gde se javlja metan ili ugljena prašina.

SLURRY eksplozivi - vodoplastični eksplozivi

SLURRY eksplozivi kao tečnu komponentu u svom sastavu sadrže vodu. Ostale sastavne komponente ovih eksploziva su najčešće amonijumnitrat i natrijumnitrat kao oksidacione soli, zatim eksplozivne materije nitroaromatskog ili nitroestarskog porekla u čvrstom stanju kao senzibilizatori i metalni prahovi kao visokoenergetsko gorivo.

Imaju kašasto-plastičnu konzistenciju, veliku gustinu i odličnu vodo-otpornost. Prisustvo vode smanjuje osetljivost na udar i trenje što povećava sigurnost pri upotrebi. Iniciranje ovih eksploziva vrši se preko detonatorskog pojačivača (bustera).

Amonijumnitritni trinitrotoluol - praškasti eksplozivi

Amonijumnitritni trinitrotoluoli su praškasti eksplozivi izrađeni na bazi amonijumnitrata (oksidaciona so), nitroaromata (TNT) kao senibilizatora, organskih gorivih materija i sredstava koja štite eksploziv od vlage i stvrdnjavanja. Sposobnost za prijem detonacionog impulsa je dobra pa se mogu inicirati detonatorskom kapislom br. 6. Za privredna miniranja preporučuje se rudarska kapisla br.8 ili detonirajući štapin.

Kako je amonijumnitrat rastvorljiv u vodi svi praškasti eksplozivi su neotporni na uticaj vode. Ova vrsta eksploziva se primenjuje kod svih površinskih miniranja. Koriste se i za miniranje pod zemljom, sa izuzetkom rudnika gde se pojavljuje metan ili opasna ugljena prašina.

Bilans kiseonika

Da bi se procenilo dejstvo nekog eksploziva potrebno je poznavati osnovne termohemijske pokazatelje eksploziva, kao što su:

• Toplotni efekat,
• Zapremina produkata eksplozije,
• Temperatura produkata eksplozije, i
• Pritisak produkata eksplozije.

Sastav produkata eksplozije u velikoj meri zavisi od količine kiseonika, odnosno da li se proces odvija u višku, odnosno manjku kiseonika, tj. razlike između ukupne količine kiseonika koji ulazi u sastav eksploziva i količine kiseonika potrebnog za potpunu oksidaciju ugljenika i vodonika, kao i drugih komponenata eksploziva koje se lako oksidišu (na primer aluminijum).

• Bilans kiseonika je broj koji označava koliko grama kiseonika preostaje ili nedostaje za potpunu oksidaciju ugljenika i vodonika i drugih gorivih elemenata, pri eksploziji 100 g eksploziva.

Ako bruto formulu jednog eksplozivnog sastava (jedinjenja) napišemo u obliku C_aH_bΝ_cΟ_d, tada se bilans kiseonika, B.K., može izračunati na osnovu izraza:

$B.K.={\frac {[d-(2a+{\frac {b}{2}})]M_{o}}{M_{C}a+M_{H}b+M_{N}c+M_{O}d}}100$

gde su:

• a - broj atoma ugljenika,
• b - broj atoma vodonika,
• c - broj atoma azota,
• d - broj atoma kiseonika,
• M_C - molarna masa ugljenika,
• M_H - molarna masa vodonika,
• M_N - molarna masa azota, i
• M_O - molarna masa kiseonika.

Često se u različitim eksplozivnim smešama (materijama) kao goriva materija osim ugljenika i vodonika nalazi i aluminijum koji se dodaje u vidu finijeg ili grubljeg praha. Opšta formula eksplozivnih materija pomenutog sastava ima oblik C_aH_bΝ_cΟ_dAl_e, pa izraz za bilans kiseonika dobija oblik:

$B.K.={\frac {[d-(2a+{\frac {b}{2}}+{\frac {3}{2}}e)]M_{o}}{1000}}100$

gde je (e) broj atoma aluminijuma.

U pogledu bilansa kiseonika razlikuju se:

• eksplozivne materije sa pozitivnim bilansom kiseonika,
• eksplozivne materije sa bilansom kiseonika jednakom nuli (uravnotežen bilans), i
• eksplozivne materije sa negativnim bilansom kiseonika.

Kiseonični koeficijent

Bilans kiseonika se veoma često izražava u vidu kiseoničnog koeficijenta. Kiseonični koeficijent predstavlja odnos raspoloživog kiseonika koji ulazi u sastav eksploziva prema kiseoniku koji je potreban za potpunu oksidaciju svih gorivih elemenata eksplozivne materije. Za razliku od bilansa kiseonika koji može imati pozitivnu ili negativnu vrednost, kiseonični koeficijent ima uvek pozitivnu vrednost i predstavlja stepen zasićenosti eksploziva kiseonikom. Polazeći od bruto formule eksploziva C_aH_bΝ_cΟ_d, kiseonični koeficijent A, se može izračunati na osnovu izraza:

$A={\frac {d}{2a+{\frac {b}{2}}}}100$

U slučaju kada eksplozivna materija ima u svom sastavu aluminijum (C_aH_bΝ_cΟ_dAl_e), kiseonični koeficijent se izračunava na osnovu izraza:

$A={\frac {d}{2a+{\frac {b}{2}}+{\frac {3}{2}}e}}100$

Eksplozivne materije sa pozitivnim bilansom kiseonika

Eksplozivne materije sa pozitivnim bilansom kiseonika su one materije koje u svom sastavu sadrže dovoljnu količinu kiseonika za potpunu oksidaciju ugljenika i vodonika, što znači da će za vreme eksplozije ugljenik i vodonik biti potpuno oksidovani u ugljendioksid i vodu (vodenu para) i da će u gasovitim produktima eksplozije biti i slobodnog kiseonika. Prema tome, pri eksplozivnom razlaganju ovih eksplozivnih materija produkti razlaganja su CO₂, H₂O i azot i kiseonik koji se izdvajaju u elementarnom stanju. Primer eksplozivne materije sa pozitivnim bilansom kiseonika je nitroglicerin (C₃H₅(ONO₂)₃-C₃H₅N₃O₉) koji se razlaže prema jednačini:

C₃H₅N₃O₉ → 3CO₂ + 2,5H₂O + 1,5N₂ + 0,25O₂ + Q (6.366 kJ/kg).

Eksplozivne materije sa uravnoteženim bilansom kiseonika

I kod eksplozivnih materija kod kojih je bilans kiseonika jednak nuli dolazi do potpune oksidacije ugljenika i vodonika, ali eksplozivna materija ne sadrži više kiseonika nego što je potrebno za potpunu oksidaciju, tako da u produktima eksplozije nema slobodnog kiseonika. Prema tome, produkti razlaganja su CO₂, H₂O i H₂.

Primer eksplozivne materije sa pozitivnim bilansom kiseonika je nitroglikol (C₂H₄N₂O₆) koji se razlaže prema jednačini:

C₂H₄N₂O₆ → 2CO₂ + 2H₂O + N₂ + Q (7.000 kJ/kg).

Bilans kiseonika nitroglikola (C₂H₄N₂O₆):

$B.K.={\frac {[6-(2\times 2+{\frac {4}{2}})]16}{14\times 2+1\times 4+14\times 2+16\times 6}}100=0,00\%$

Eksplozivne materije sa negativnim bilansom kiseonika

Za eksplozivne materije sa negativnim bilansom kiseonika karakteristično je što nemaju dovoljno kiseonika za potpunu oksidaciju svih gorivih elemenata. Kod ove vrste eksplozivnih materija treba razlikovati:

• eksplozivne materije sa umereno negativnim bilansom kiseonika, i
• eksplozivne materije sa jako negativnim bilansom kiseonika.

Eksplozivne materije sa umereno negativnim bilansom kiseonika

Kod eksplozivnih materija sa umereno negativnim bilansom kiseonika produkti eksplozije, zbog nedovoljne količine kiseonika za potpunu oksidaciju sadrže pored CO₂, H₂O, N₂, još i CO i H₂. Koji produkti će se obrazovati zavisi od sastava eksploziva i temperature, jer je odnos između CO₂, CO, H₂O i H₂ regulisan konstantom ravnoteže vodenog gasa, Kw, koja zavisi od temperature, tj. sa povećanjem temperature reakcija ravnoteže vodenog gasa se pomera sa desne na levu stranu i obrnuto

CO + H₂O ${\begin{array}{c}{\stackrel {\longrightarrow }{\longleftarrow }}\end{array}}$ CO₂ + H₂ + 41 kJ.

$K_{w}={\frac {[CO][H_{2}O]}{[CO_{2}][H_{2}]}}$

Predstavnici navedene grupe eksploziva su:

• heksogen (RDX) - (C₃H₆N₆O₆), i
• pentrit - pentaeritritteatranitrat (PETN) - (C₅H₈N₄O₁₂)

Eksplozivne materije sa jako negativnim bilansom kiseonika

Kod eksplozivnih materija sa jako negativnim bilansom kiseonika u produktima eksplozije pored CO i H₂ javljaju se i drugi produkti, pored ostalih i ugljenik u obliku čađi. Tipičan predstavnik ove grupe eksploziva je trinitrotoluol (TNT) (O₇H₅N₃O₆) čija jednačina eksplozivnog sagorevanja ima oblik:

C₇H₅N₃O₆ → 2,5H₂O + 3,5CO + 3,5C + l,5N₂ + Q (4.200 kJ/kg)

Eksplozivne materije sa negativnim bilansom kiseonika ne smeju se upotrebljavati za radove pod zemljom zbog pojave otrovnih gasova.

Sastav produkata eksplozije osim što u najvećoj meri zavisi od bilansa kiseonika, zavisi i od drugih faktora, kao što su:

• sistem pobuđivanja,
• gustine eksploziva,
• granulacije, i
• sadržaja vlage, itd.

Bilans kiseonika je od značaja za privredne eksplozive jer se ne dozvoljava pojava otrovnih gasova, što je za vojne eksplozive beznačajno.

Izračunavanje karakteristika eksploziva

Izračunavanje karakteristika eksploziva vrši se na osnovu standarda SRPS H.D8.012, koji propisuje način izračunavanja teorijskih karakteristika eksploziva i to:

• produkta eksplozije
• gasne zapremine produkata eksplozije
• toplote produkata eksplozije
• temperature produkata eksplozije za eksplozive sa uravnoteženim, pozitivnim ili negativnim bilansom kiseonika.

Izračunavanje se vrši na osnovu jednačine razlaganja, polazeći od elementarnog sastava eksploziva datog recepturom i odnosi se na 1 kg eksploziva ne računajući omotač patrone (parafinisani papir, polietilen ...).

Toplota eksplozije

Glavni članak: Hesov zakon toplote

U procesu eksplozije dolazi do pretvaranja potencijalne hemijske energije eksplozivne materije u toplotnu energiju, a zatim u mehanički rad koji obavljaju zagrejani i komprimovani produkti eksplozije tokom širenja.

Eksplozija je uvek praćena pozitivnim toplotnim efektom. Toplotna energija koja se oslobodi za vreme eksplozije naziva se toplota eksplozije. Ona se obično računa za 1 kg eksplozivne materije, ređe za 1 mol, što znači da je njena jedinica kJ/kg ili kJ/mol.

Toplota eksplozije Q_v je toplota oslobođena eksplozijom 1 kg eksploziva pri stalnoj zapremini, odnosno bez obavljanja rada. Pri tome se uzima da je nastala voda u gasovitom stanju (vodena para).

Izračunava se na osnovu izraza: gde su:

Q_v = Q_p2 - Q_p1 + 0,10132V₀

• Q_p1 - toplota stvaranja (obrazovanja) komponenata eksploziva uz konstantni pritisak od 101325 Pa na temperaturi od 20 °C (68 °F; 293 K)
• Q_p2 - toplota stvaranja (obrazovanja) produkata eksplozije uz konstantni pritisak od 101325 Pa na temperaturi od 20 °C (68 °F; 293 K)

Za odredivanje toplote eksplozije, obično se koristi Hesov zakon, po kome je promena unutrašnje energije jednog izolovanog sistema jednoznačna funkcija parametara stanja sistema. Prema ovom zakonu toplotni efekat reakcije (Q_v ili Q_p) ne zavisi od puta po kome se ona odvija, već zavisi samo od početnog i krajnjeg stanja sistema, tj. ako se od jednih te istih polaznih materija dobijaju različitim putevima isti krajnji produkti, ukupna količina oslobođene toplote biće jednaka, nezavisno od puteva preobražaja do krajnjeg stanja.

Postoje tri stanja Hesovog toplotnog efekta reakcije:

• Stanje 1 - Početno stanje koje čine polazni elementi;
• Stalje 2 - Odgovara samoj eksplozivnoj materiji; i
• Stanje 3 - Odgovara produktima sagorevanja ili krajnjem stanju.

Radi prelaska iz stanja 1 u stanje 3 mogu se koristiti dva puta.

• Prvi: Od slobodnih elemenata možemo najpre dobiti eksploziv, i toplotni efekat te reakcije označiti kao Q_1-2 (toplota obrazovanja eksplozivne materije). Posle toga eksploziv sagorevamo u atmosferi kiseonika pri čemu dobijamo proizvode sagorevanja eksplozivne materije, uz oslobađanje toplote sagorevanja označene sa Q_2-3.
• Drugi: Polazimo od slobodnih elemenata iz kojih je sastavljena eksplozivna materija odgovarajuće količine kiseonika neposredno dobijamo proizvode sagorevanja, tj. direktno prevodimo sistem iz stanja 1 u stanje 3. Pri ovome se oslobađa toplota koju označavamo kao Q_1-3, a koja predstavlja toplotu obrazovanja produkata sagorevanja. Saglasno Hesovom zakonu algebarski zbir toplotnih reakcija pri prelazu sistema iz stanja 1 u stanje 3, po prvom putu je jednak toploti koja se oslobodi ako se reakcija odvija po drugom putu tj.

Q_1-2 + Q_2-3 = Q_l-3

iz čega proizilazi da je toplota obrazovanja eksplozivne materije jednaka:

Q_1-2 = Q_1-3 - Q_2-3

Toplota eksplozije je jednaka razlici toplote stvaranja (obrazovanja) produkata eksplozije i toplote obrazovanja samog eksploziva. Vrednosti toplota stvaranja (obrazovanja) pri temperaturi od 20 °C (68 °F; 293 K) i pritisku od 101325 Pa, prema standardu SRPS H.D8.012,

Pri proračunu toplote eksplozije uobičajeno je da se toplote obrazovanja produkata eksplozije, kao i toplote stvaranja samog eksploziva uzimaju iz odgovarajućih termodinamičkih tablica. Međutim, treba napomenuti da se u tim tablicama toplota obrazovanja najčešće iskazuje kao toplota reakcije pri stalnom pritisku, a kako se toplota uzima pri stalnoj zapremini, neophodno je izvršiti odgovarajuća preračunavanja, odnosno izvršiti korekciju.

Za preračunavanje se koristi izraz:

Q_v = Q_p + (n₂ - n₁) RT

gde su:

• R - gasna konstanta
• T - apsolutna temperatura
• n₁ - broj molova gasovitih komponenti polazne materije
• n₂ - broj molova gasovitih produkata reakcije.

S obzirom da je za čvrste i tečne eksplozivne materije n₁=0

${\ce {Qv = Qp + n2RT}}$

ili

${\ce {Qv=Qp + AP(V2-V1)}}$

gde su:

A - mehanički koeficijent toplote,

P - krajnji pritisak produkata eksplozije,

V₁ - početna zapremina produkata eksplozije, i

V₂ - krajnja zapremina produkata eksplozije.

Temperatura eksplozije

Temperatura eksplozije je maksimalna temperatura produkata eksplozije uz pretpostavku izohorne reakcije (bez vršenja rada), odnosno to je ona temperatura koja bi se dobila kada bi se celokupna toplota eksplozije utrošila na zagrevanje produkata eksplozije bez vršenja rada. Temperatura eksplozije T_e se izračunava na osnovu izraza:

Q_v - Q₁ = c_v(1)T_e

gde su:

• Q_v - toplota eksplozije, tj. toplota oslobođena eksplozijom 1 kg eksploziva,
• Q_t - toplota topljenja čvrstih sastojaka (ostataka) zaostalih pri eksploziji 1 kg eksploziva, i
• c_v - specifična toplota pri stalnoj zapremini.

Vrednost c_v(t) za gasovite produkte eksplozije izračunava se pomoću izraza:

c_v(t) = $a-{\frac {b}{T_{e}}}$

pa se zamenom u izrazu dobija:

$T_{e}={\frac {Q_{v}-Q_{1}+b}{a}}$

a ukoliko u produktima eksplozije nema čvrstih ostataka, odnosno ako je Q_t=0, dobija se:

$T_{e}={\frac {Q_{v}+b}{a}}$

Pritisak eksplozije

Glavni članak: Van der Valsova jednačina stanja

Pritisak gasovitih produkata eksplozije je određen vrstom eksploziva i odnosom između količine eksploziva stavljenog u minsku rupu i zapremine minske rupe, tj. gustinom punjenja. Maksimalni pritisak bi se dobio ukoliko eksploziv ispunjava čitavu korisnu zapreminu minske rupe. U tom slučaju gustina punjenja jednaka je jedinici.

Pritisak eksplozije, P_e, se može izračunati na osnovu jednačine gasnog stanja koja daje odnos između pritiska gasovitih produkata eksplozije, zapremine u kojoj je bio smešten eksploziv i temperature eksplozije, tj.

P_eV = mRT_e

gde su:

• V - zapremina u kojoj je smešten eksploziv pre eksplozije,
• m - masa eksploziva.

Kako je:

$R={\frac {P_{o}V_{o}}{T_{o}}}$

dobija se:

$P_{c}V={\frac {P_{o}V_{o}}{T_{o}}}T_{c}m$

odakle je:

$P_{c}={\frac {P_{o}V_{o}}{T_{o}}}T_{c}{\frac {m}{V}}=f\Delta$

gde su:

$f={\frac {P_{o}V_{o}}{T_{o}}}T_{c}$ - Specifičan pritisak gasova

$\Delta ={\frac {m}{V}}$ - Gustina punjenja

Specifični pritisak, f, je definisan vrstom eksploziva jer je određen temperaturom eksplozije i gasnom zapreminom produkata eksplozije. Pod specifičnim pritiskom se podrazumeva pritisak gasova koji nastaje ako bi 1 kg eksplozivne materije eksplodirao u zapremini od 1 kg pod uslovom da u tom slučaju važi jednačina idealnog gasnog stanja, tj. ukoliko je:

$\Delta ={\frac {m}{V}}=l$

onda je:

$P_{c}=f$.

Jednačina idealnog gasnog stanja se ne može primeniti kod pritisaka od nekoliko desetina hiljada Bara koji odgovaraju vrednostima pritisaka eksplozija, već samo kod niskih pritisaka. U ovakvim uslovima gasovi odstupaju od idealnog stanja, pa je kod njih neophodna upotreba Van-der Valsove jednačine, koja u sebi sadrži korekciju za pritisak i zapreminu:

(P_c + β)(V - α) = RT_c

$P_{c}={\frac {RT_{c}}{V-\alpha }}-\beta$

gde su:

• β - faktor popravke (korekcije) pritiska, koji uzima u obzir međusobno privlačenje molekula koje smanjuje pritisak na zidove suda ili minske bušotine. S obzirom da je njegova vrednost veoma mala u odnosu na pritisak eksplozije u proračunima se zanemaruje.
• α - kovolumen, tj. zapremina zgusnutih molekula u kojima se oseća dejstvo međumolekularnih sila i koji vise ne stoje na raspolaganju za slobodno, haotično kretanje. Međutim, zapremina koja ostaje slobodna za kretanje molekula takođe se umanjuje za zapreminu čvrstih produkata ukoliko se izdvajaju za vreme eksplozije.

Da bi se na osnovu navedene jednačine mogao proračunati pritisak eksplozije, moraju se bar približno znati vrednosti za kovolumen i vrednosti zapremina čvrstih ostataka.

Približne vrednosti kovolumena u zavisnosti od gustine punjenja date su u tabeli ispod:

Tabela vrednosti za kovolumen i vrednosti zapremina čvrstih ostataka

Gustina punjenja, $\Delta$ (kg/l)	Kovolumen, $\alpha$ (l/kg)
1,5	0,54
1,4	0,56
1,3	0,59
1,2	0,64
1,1	0,66
1,0	0,68
0,9	0,72
0,8	0,76
0,7	0,80
0,6	0,87

Da bi se odredile vrednosti za zapreminu čvrstog ostatka mora se preko jednačine razlaganja naći broj molova čvrstog ostatka, a zatim na osnovu vrednosti iz tabele ispod odrediti njihova zapremina.

Određivanje zapremine preko jednačine razlaganja

Jedinjenje	Formula	Zapremina (cm³/mol)
Aluminijumoksid	Al2O3	25,5
Barijumoksid	BaO	27,8
Kalijumhlorid	KCl	37,6
Kalcijumkarbonat	CaCO3	56,9
Kalcijumoksid	CaO	16,5
Natrijumkarbonat	Na2CO3	42,3
Natrijumhlorid	NaCl	27,0

Pritisak detonacije

Pritisak detonacije se ispoljava samo za vrema prolaska detonacionog talasa, tj. čim se detonacija završi prestaje njegovo dejstvo. On je vezan za kretanje gasa u pravcu čela detonacionog talasa. Pritisak detonacije, P_D, je približno dva puta manji od pritiska na početku zone hemijske reakcije, a isto tako dva puta veći od pritiska eksplozije, tj.

$P_{D}={\frac {P_{o}D^{2}}{400}}$,

gde su:

• P₀ - gustina eksploziva
• D - brzina detonacije.

Sastav produkata eksplozije

Ukoliko se pođe od opšte bruto formule sastava eksploziva CaHbNcOd jednačina razlaganja u opštem slučaju ima oblik:

* C_aH_bN_cO_d → xCO₂ + CO + nH₂O + zH₂ + vN₂

* C: x + y = a

* H: 2n + 2z = b

* O: 2x + y + n = d

* 2v = c

* $P_{w}={\frac {yn}{xz}}$,

Pošto je konstanta ravnoteže vodenog gasa K_w funkcija temperature, to se najpre mora pretpostaviti neka temperatura eksplozije na osnovu koje se bira konstanta. Na osnovu sastava gasovitih produkata eksplozije dobijenog za pretpostavljenu temperaturu, izračunava se toplota i temperatura eksplozije. U slučaju da se izračunata temperatura znatno razlikuje od pretpostavljene, proračun se mora ponoviti bazirajući konstantu ravnoteže na izračunatoj temperaturi.

Vrednost konstante ravnoteže u zavisnosti od temperature date su u tabeli ispod:

Vrednost konstante ravnoteže u zavisnosti od temperature

Temperatura	Konstanta ravnoteže
727 °C (1.341 °F; 1.000 K)	0,73
927 °C (1.701 °F; 1.200 K)	1,43
1.127 °C (2.061 °F; 1.400 K)	2,25
1.327 °C (2.421 °F; 1.600 K)	3,09
1.527 °C (2.781 °F; 1.800 K)	4,66
1.727 °C (3.141 °F; 2.000 K)	5,31
1.927 °C (3.501 °F; 2.200 K)	5,85
2.127 °C (3.861 °F; 2.400 K)	6,31
2.327 °C (4.221 °F; 2.600 K)	6,78
2.527 °C (4.581 °F; 2.800 K)	7,13
2.727 °C (4.941 °F; 3.000 K)	7,43
3.227 °C (5.841 °F; 3.500 K)	7,83
3.727 °C (6.741 °F; 4.000 K)	8,32
4.227 °C (7.641 °F; 4.500 K)	8,47
4.727 °C (8.541 °F; 5.000 K)	8,65

Uzroci

Eksplozije mogu nastati u prirodi usled velikih priliva energije. Postoje brojni načini na koje se eksplozije mogu pojaviti prirodno, kao što su vulkanski ili zvezdani procesi različitih vrsta. Eksplozivne vulkanske erupcije nastaju kada se magma diže odozdo, u njoj je rastvoren gas. Smanjenje pritiska kako se magma diže dovodi do toga da gas izlazi iz rastvora, što dovodi do brzog povećanja zapremine. Eksplozije se takođe javljaju kao posledica udara i pojava kao što su hidrotermalne eksplozije (takođe usled vulkanskih procesa). Eksplozije se takođe mogu dogoditi izvan Zemlje u svemiru u događajima kao što su supernove, ili češće, zvezdane baklje. Eksplozije se često dešavaju tokom požara u šumama eukaliptusa gde se isparljiva ulja u krošnjama drveća iznenada sagorevaju.

Astronomski uzroci

Maglina M1-67 oko Volf-Rajeove zvezde VR 124 je ostatak zvezdane eksplozije, koja se trenutno posmatra kao šest svetlosnih godina u širini

Među najvećim poznatim eksplozijama u svemiru su supernove, koje nastaju nakon završetka života nekih vrsta zvezda. Sunčeve baklje su primer uobičajenih, mnogo manje energetskih, eksplozija na Suncu, a verovatno i na većini drugih zvezda. Izvor energije za aktivnost solarne baklje dolazi od zaplitanja linija magnetnog polja koje su rezultat rotacije Sunčeve provodne plazme. Druga vrsta velike astronomske eksplozije se dešava kada veoma veliki meteorit ili asteroid udari na površinu drugog objekta, kao što je planeta. Na primer, veruje se da je događaj u Tunguskoj iz 1908. nastao usled eksplozije meteora.

Spajanja crnih rupa, koja verovatno uključuju binarne sisteme crnih rupa, sposobna su da zrače mnoge solarne mase energije u univerzumu u deliću sekunde, u obliku gravitacionog talasa. Ovo je sposobno da prenese običnu energiju i destruktivne sile na obližnje objekte, ali u prostranstvu svemira, obližnji objekti su retki. Gravitacioni talas primećen 21. maja 2019, poznat kao GV190521, proizveo je signal spajanja u trajanju od oko 100 ms, za koje vreme se procenjuje da je odašiljao devet solarnih masa u obliku gravitacione energije.

Hemijski uzroci

Najčešći veštački eksplozivi su hemijski eksplozivi, koji obično uključuju brzu i nasilnu reakciju oksidacije koja proizvodi velike količine vrućeg gasa. Barut je bio prvi eksploziv koji je izmišljen i stavljen u upotrebu. Drugi značajni rani razvoji u tehnologiji hemijskih eksploziva bili su razvoj nitroceluloze Frederika Avgusta Abela 1865. i pronalazak dinamita Alfreda Nobela 1866. Hemijske eksplozije (namerne i slučajne) često se iniciraju električnom varnicom ili plamenom u prisustvu kiseonika. Može doći do slučajnih eksplozija u rezervoarima za gorivo, raketnim motorima itd.

Električni i magnetni uzroci

Kondenzator koji je eksplodirao

Električni kvar velike struje može stvoriti "električnu eksploziju" formiranjem električnog luka visoke energije koji brzo isparava metal i izolacioni materijal. Ova opasnost od bljeska luka predstavlja opasnost za ljude koji rade na rasklopnim uređajima pod naponom. Preveliki magnetni pritisak unutar ultra-jakog elektromagneta može izazvati magnetnu eksploziju.

Mehanički uzroci i para

Strogo fizički proces, za razliku od hemijskog ili nuklearnog, na primer, pucanje zapečaćenog ili delimično zatvorenog kontejnera pod unutrašnjim pritiskom se često naziva eksplozijom. Primeri uključuju pregrejani kotao ili jednostavnu limenu konzervu pasulja bačenu u vatru.

Eksplozije pare koja se širi ključale su jedna vrsta mehaničke eksplozije koja se može desiti kada se posuda koja sadrži tečnost pod pritiskom pukne, što dovodi do brzog povećanja zapremine kako tečnost isparava. Imajte na umu da sadržaj kontejnera može izazvati naknadnu hemijsku eksploziju, čiji efekti mogu biti dramatično ozbiljniji, kao što je rezervoar za propan usred požara. U takvom slučaju, efektima mehaničke eksplozije kada rezervoar pokvari, dodaju se efekti eksplozije koja nastaje usled oslobađanja (u početku tečnog, a zatim skoro trenutno gasovitog) propana u prisustvu izvora paljenja. Iz tog razloga, radnici hitne pomoći često razlikuju ova dva događaja.

Nuklearni uzroci

Pored zvezdanih nuklearnih eksplozija, nuklearno oružje je vrsta eksplozivnog oružja koje svoju razornu snagu dobija iz nuklearne fisije ili iz kombinacije fisije i fuzije. Kao rezultat toga, čak i nuklearno oružje sa malim kapacitetom je znatno moćnije od najvećeg dostupnog konvencionalnog eksploziva, sa jednim oružjem koje je u stanju da potpuno uništi ceo grad.

Svojstva

Sila

Punjenje koje je eksplodiralo na probna vrata tokom treninga

Eksplozivna sila se oslobađa u pravcu koji je okomit na površinu eksploziva. Ako je granata u vazduhu tokom eksplozije, pravac eksplozije će biti 360°. Nasuprot tome, u oblikovanom punjenju eksplozivne sile su fokusirane da proizvedu veću lokalnu eksploziju; oblikovana punjenja vojska često koristi za probijanje vrata ili zidova.

Brzina

Brzina reakcije je ono što razlikuje eksplozivnu reakciju od obične reakcije sagorevanja. Osim ako se reakcija ne odvija veoma brzo, gasovi koji se toplotno šire će se umereno raspršiti u medijumu, bez velike razlike u pritisku i eksplozije. Kako vatra na drva gori u kaminu, na primer, svakako postoji evolucija toplote i formiranje gasova, ali nijedno se ne oslobađa dovoljno brzo da stvori iznenadnu značajnu razliku pritiska i zatim izazove eksploziju. Ovo se može uporediti sa razlikom između energetskog pražnjenja baterije, koje je sporo, i kondenzatora blica poput onog u blicu fotoaparata, koji oslobađa energiju odjednom.

Evolucija toplote

Generisanje toplote u velikim količinama prati većinu eksplozivnih hemijskih reakcija. Izuzeci se nazivaju entropijski eksplozivi i uključuju organske perokside kao što je aceton peroksid. Brzo oslobađanje toplote uzrokuje da se gasoviti proizvodi većine eksplozivnih reakcija šire i stvaraju visoke pritiske. Ovo brzo stvaranje visokih pritisaka oslobođenog gasa predstavlja eksploziju. Oslobađanje toplote nedovoljnom brzinom neće izazvati eksploziju. Na primer, iako jedinica mase uglja daje pet puta više toplote od jedinice mase nitroglicerina, ugalj se ne može koristiti kao eksploziv (osim u obliku ugljene prašine) jer je brzina kojom daje ovu toplotu prilično spora. U stvari, supstanca koja gori manje brzo (tj. sporo sagorevanje) može zapravo da razvije više ukupne toplote od eksploziva koji brzo detonira (tj. brzo sagorevanje). U prvom slučaju, sporo sagorevanje pretvara više unutrašnje energije (tj. hemijski potencijal) zapaljene supstance u toplotu koja se oslobađa u okolinu, dok u drugom, brzo sagorevanje (tj. detonacija) umesto toga pretvara više unutrašnje energije u rad na okolini (odnosno manje unutrašnje energije pretvorene u toplotu); c.f. toplota i rad (termodinamike) su ekvivalentni oblici energije.

Kada se hemijsko jedinjenje formira iz njegovih sastojaka, toplota se može ili apsorbovati ili osloboditi. Količina toplote koja se apsorbuje ili odaje tokom transformacije naziva se toplota formiranja. Toplote formacija za čvrste materije i gasove pronađene u eksplozivnim reakcijama određene su za temperaturu od 25 °C (77 °F; 298 K) i atmosferski pritisak, i obično su date u jedinicama kilodžula po gram-molekulu. Pozitivna vrednost ukazuje na to da se toplota apsorbuje tokom formiranja jedinjenja iz njegovih elemenata; takva reakcija se naziva endotermna reakcija. U eksplozivnoj tehnologiji samo materijali koji su egzotermni — koje imaju neto oslobađanje toplote i imaju negativnu toplotu formiranja — su od interesa. Reakciona toplota se meri u uslovima konstantnog pritiska ili konstantne zapremine. To je toplota reakcije koja se može ispravno izraziti kao "toplina eksplozije".

Pokretanje reakcije

Hemijski eksploziv je jedinjenje ili smeša koja se, nakon primene toplote ili udara, raspada ili preuređuje izuzetnom brzinom, dajući mnogo gasa i toplote. Mnoge supstance koje se obično ne klasifikuju kao eksplozivi mogu učiniti jednu ili čak dve od ovih stvari.

Reakcija mora biti sposobna da se pokrene primenom udara, toplote ili katalizatora (u slučaju nekih eksplozivnih hemijskih reakcija) na mali deo mase eksplozivnog materijala. Materijal u kome postoje prva tri faktora ne može se prihvatiti kao eksploziv osim ako se reakcija ne može izvesti kada je to potrebno.

Fragmentacija

Fragmentacija je nakupljanje i projekcija čestica kao rezultat detonacije visokog eksploziva. Fragmenti mogu poticati iz: delova konstrukcije (kao što su staklo, delovi konstrukcijskog materijala ili krovnog materijala), otkrivenih slojeva i/ili različitih geoloških karakteristika na nivou površine (kao što su rastresite stene, zemlja ili pesak), okolnog omotača eksploziv, i/ili bilo koji drugi labavi razni predmeti koji nisu isparili udarnim talasom od eksplozije. Fragmenti velike brzine, niskog ugla mogu da putuju stotinama metara sa dovoljno energije da pokrenu druge okolne visokoeksplozivne predmete, povrede ili ubiju osoblje i/ili oštete vozila ili strukture.

Značajni primeri

Hemijske eksplozije

17 vek

• 1626 Vangongčang eksplozija

19 vek

• 1887. Eksplozija rudnika Nanaimo

20 vek

• Eksplozija u Halifaksu 1917
• Bitka kod Mesina 1917
• 1921 Oppau eksplozija
• Eksplozija u Bombaju 1944
• Katastrofa u Port Čikagu 1944
• 1944. Eksplozija greške RAF-a
• Eksplozija u Kadizu 1947
• Katastrofa u Teksas Sitiju 1947
• Nedelinska katastrofa 1960
• Eksplozija sovjetske rakete N1 1969
• Katastrofa u Fliksborou 1974
• 1998 PEPCON katastrofa , Henderson, Nevada
• 1988 Pul eksplozija
• 1994. Eksplozija fabrike đubriva Port Nil

21 vek

• 2001 AZF (fabrika)
• Katastrofa Riongchona 2004
• 2005 Požar na terminalu za skladištenje nafte u Hertfordširu
• 2008 Gerdec eksplozije
• Požar u rafineriji nafte u Katanju 2009
• Eksplozija kompanije Vest Fertilizer 2013
• Eksplozije u Tjenđinu 2015
• Eksplozija u Bejrutu 2020
• Eksplozija zvezdanog broda 2023

Nuklearne eksplozije

• Triniti test (1945)
• Atomsko bombardovanje Hirošime i Nagasakija (1945)
• Ivi Mike (1952)
• Dvorac Bravo (1954)
• Car Bomba (1961)

Vulkanske eksplozije

• Minojska erupcija (oko 1600. p.n.e.)
• Erupcija Krakatae 1883
• Erupcija Mount St. Helens 1980
• Erupcija planine Tambora 1815
• Erupcija planine Pinatubo 1991
• 2022 Hunga-Tonga Hunga-Ha'apai erupcija
• Teorija supererupcije i katastrofe Tobe (73000 p.n.e.)
• Jeloustonska kaldera

Astronomske ili Svemirske eksplozije

• Spisak supernova
• Bljesak gama-zračenja
• Vazdušni udar u Čeljabinsku 2013
• Sunčeva oluja 1859
• Meteorski krater
• Krater Čiksulub

Brzina sagorevanja

Brzina sagorevanja je određena vremenom koje je potrebno da sagore uzročnik eksploziva određenih dimenzija. Ona varira između nekoliko milimetara u sekundi (nitrocelulozni prah (trinitroceluloza)) i 400 m/s (crni prah) i zavisi od pritiska pod kojim se sagorevanje odvija.

Detonacija

Detonacija je proces širenja hemijske reakcije unutar eksplozivne supstance superzvučnom brzinom. Brzina detonacije varira između 2800 m/s (amonijum nitrat) i 9200 m/s (oktogen) i raste sa povećanjem gustine eksploziva. Osetljivost eksploziva na udar je takođe različita: glicerol trinitrat i živa rasprskana (živin fulminat) će eksplodirati ako se na njih spusti teret od 2 kilograma sa visine od 4 centimetra, a amonijum nitrat ako se isti teret ispusti sa visine od 105 centimetara.

Spontana detonacija raznih eksplozivnih materija počinje na različitim temperaturama: živa eksplodira na 180—200 °C (356—392 °F; 453—473 K), a crni barut na 310 °C (590 °F; 583 K). Crni prah razvija pritisak od 281 MPa (megapaskali) tokom eksplozije, a pucajući želatin (kolodion pamuk) pritisak od 1342 MPa. Pritisak je važniji od toplote da izazove eksploziju.

Ne postoje oštre granice između navedenih vrsta eksploziva. U ono vreme, crni barut je bio univerzalni eksploziv. Želatinizacijom visoko eksplozivnog celuloznog nitrata (trinitroceluloze), brzina detonacije se smanjuje toliko da može poslužiti kao barut. Sredstva koja smanjuju brzinu detonacije nazivaju se flegmatizatori (voda, voskovi, vazelin), a ona koja povećavaju osetljivost nazivaju se senzibilizatori (aluminijumski prah).

Efekti

Najvidljiviji i najčujniji efekti su efekti deflagracije i destruktivnog talasa (eksplozije) i padavina koje on izaziva. Na ekvivalentnoj udaljenosti od eksplozije, u vodi udarni talas može imati još veće štetne efekte na živa bića nego u vazduhu.

Eksplozija je takođe izvor infrazvuka koji je nečujan za ljude, ali je primetan instrumentima ili određenim životinjama na velikim udaljenostima.

Takođe ima potencijalno toksično i ekotoksično dejstvo, manje ili više odloženo u zavisnosti od komponenti eksploziva (i prajmera kada postoji). Pare i dim od pucanja uglavnom sadrže toksična jedinjenja. Mesta, organizmi ili objekti uništeni eksplozijom mogu sami biti izvor biološkog, fizičkog, hemijskog, radioaktivnog zagađenja ili kontaminacije,  itd.

Konačno, istraživači sa Univerziteta Reding nedavno su pokazali (u časopisu Annales Geophisicae) da su velike eksplozije (termonuklearne bombe, kao i bombe (težine do deset tona) koje su bacali avioni tokom Drugog svetskog rata) dovoljno moćne da oslabe i poremete samu gornju atmosferu, do nivoa jonosfere (hiljadu kilometara iznad eksplozije, oblast koja je obično uznemirena samo velikim događajima kao što su sunčeve baklje, vulkanske erupcije, veliki zemljotresi, velike oluje i iznenadno zagrevanje stratosfere). Ovo je pokazano analizom radio snimaka koje su svakodnevno prikupljali vojni operateri tokom 152 saveznička vazdušna napada od 1943. do 1945., manje ili više parazitiranih naelektrisanim česticama u gornjoj atmosferi: stopa naelektrisanih čestica u jonosferi značajno opada tokom svakog naleta, verovatno zbog udarnih talasa od bombi. Retrospektivno se procenjuje da svaki napad ima uticaj na gornju atmosferu ekvivalentan najmanje 300 udara groma. Može se pretpostaviti da će ponovljeni prolasci zvučne barijere mlaznim avionima u nekim trenažnim i ratnim zonama imati sličan efekat, ali ometanje jonosfere može ometati GPS sisteme, radio teleskope i radio komunikacije.

Zdravstvene posledice eksplozija

U zavisnosti od vrste, težine i udaljenosti eksplozije i drugih okolnosti, može doći do tipičnih zdravstvenih oštećenja, kao što su rupture pluća, ARDS, blast traume, opekotine, ozbiljne povrede i šok. Pravi se razlika između primarnih (direktno uzrokovanih reakcijom eksplozije), sekundarnih (zbog bačenih krhotina) i tercijarnih povreda (npr. uzrokovanih padom ili krhotinama).

Eksplozije mogu izazvati različite vrste zdravstvenih posledica, kako fizičkih tako i psihičkih. Ove posledice zavise od više faktora, uključujući udaljenost od epicentra eksplozije, vrstu i snagu eksploziva, kao i okruženje u kojem eksplozija nastaje.

Fizičke Posledice

1). Primarne Posledice:

• Blast Talasi: Najneposrednija posledica eksplozije je blast talas, koji može prouzrokovati ozbiljna unutrašnja oštećenja, kao što su ruptura bubnih opni, iskakanje očiju iz ležišta, i rupture pluća.
• Oštećenje Sluha: Pucanje bubnih opni i druga oštećenja unutrašnjeg uha su česti kod osoba koje su bile blizu epicentra eksplozije.

2). Sekundarne Posledice:

• Povrede od Gelera: Krhotine i gelera koji se raspršuju usled eksplozije mogu uzrokovati ozbiljne fizičke povrede, uključujući duboke posekotine, probijanja i amputacije.
• Opekotine: Eksplozije često prate visoke temperature, što može dovesti do teških opekotina.

3). Tercijarne Posledice:

• Fizički Uticaj: Sila eksplozije može izbaciti ljude u vazduh ili ih baciti na tlo, uzrokujući prelome kostiju, povrede glave i druga telesna oštećenja.

Psihološke Posledice

1). Traumatski Stres:

• PTSP i Anksioznost: Izloženost eksploziji često dovodi do post-traumatskog stresnog poremećaja (PTSP), anksioznosti i drugih oblika psihičkih trauma.
• Depresija: Dugotrajne posledice mogu uključivati depresiju i osećaj bespomoćnosti, posebno kod osoba koje su izgubile voljene ili pretrpele teške povrede.

Posledice na Respiratorni Sistem

1). Oštećenje Pluća:

• Inhalacija Otrovnih Gasova: Eksplozivi mogu osloboditi toksične gasove koji oštećuju pluća i disajne puteve.
• Dugotrajna Izloženost: Redovna izloženost određenim vrstama eksploziva može dovesti do hroničnih respiratornih problema.

Prevencija i Tretman

1). Medicinski Tretman:

• Hitna Pomoć: Brza medicinska intervencija je ključna za tretman povreda uzrokovanih eksplozijom.
• Dugoročna Terapija: Rehabilitacija i dugoročna medicinska pomoć su često potrebni za oporavak od teških povreda.

2). Psihološka Podrška:

• Savetovanje i Terapija: Psihološka podrška i profesionalno savetovanje su ključni za oporavak od traumatskih iskustava povezanih sa eksplozijama.

Bezbednost Rada sa Eksplozivima

1. Opšte Mere Predostrožnosti

• Edukacija i Obuka: Osobe koje rukuju eksplozivima moraju biti temeljno obučene i sertifikovane. Ova obuka uključuje razumevanje vrsta eksploziva, njihovih svojstava, kao i pravilnog postupanja u hitnim situacijama.
• Inspekcije i Održavanje: Redovne inspekcije skladišta eksploziva i opreme za rukovanje su obavezne kako bi se osigurala ispravnost i bezbednost.

2. Bezbednost pri Rukovanju Eksplozivima

• Pravilno Rukovanje: Strogo se pridržavati procedura za rukovanje, skladištenje i upotrebu eksploziva.
• Kontrolisana Okolina: Rukovanje eksplozivima treba obavljati u kontrolisanim uslovima, daleko od potencijalnih izvora paljenja i u područjima sa ograničenim pristupom.
• Oprema za Zaštitu: Upotreba odgovarajuće zaštitne opreme, kao što su zaštitne maske, naočare, rukavice, je obavezna.

3. Bezbedno Sklanjanje Ljudstva

• Bezbednosna Razdaljina: Osigurati da su svi radnici i osoblje na sigurnoj udaljenosti tokom rukovanja eksplozivima.
• Evakuacioni Planovi: Postojanje jasnih evakuacionih planova i puteva u slučaju nezgode.

4. Bezbednost pri Transportu Eksploziva

• Specijalizovana Vozila: Koristiti specijalizovana vozila za transport eksploziva, koja su dizajnirana da minimiziraju rizik od detonacije.
• Ograničenje Brzine i Pažljiva Vožnja: Prilikom transporta, strogo se pridržavati ograničenja brzine i izbegavati trase koje prolaze kroz naseljena područja.
• Pratnja i Komunikacija: Transport eksploziva treba da bude u pratnji i stalnoj komunikaciji sa centralom za hitne situacije.

5. Hitne Situacije i Protokoli za Reagovanje

• Protokoli za Hitne Situacije: Detaljno razrađeni i vežbani protokoli za hitne situacije, uključujući brzu evakuaciju, komunikaciju sa hitnim službama i prvu pomoć.

6. Pravni Okvir i Regulativa

• Poštovanje Zakona: Strogo pridržavanje nacionalnih i međunarodnih zakona i regulativa koje se tiču rukovanja, skladištenja i transporta eksploziva.

Svaki od ovih segmenata zahteva detaljno razrađene procedure i konstantno osvešćivanje značaja bezbednosnih mera među svim učesnicima u procesu. Bezbednost pri rukovanju eksplozivima je složen proces koji zahteva kontinuiranu pažnju i poštovanje uspostavljenih procedura.

Vidi još

• Eksploziv
• Implozija
• Nuklearna eksplozija
• Sagorevanje
• Deflagracija
• Detonacija
• Eksplozija prašine
• Standardi za električnu opremu u potencijalno eksplozivnim sredinama
• Zaštita od eksplozije
• Granica eksplozivnosti
• Eksplozija rezervoara za gorivo
• Implozija (mehanički proces): suprotno od eksplozije
• Motor sa unutrašnjim sagorevanjem
• Klipni motor
• Potpuni poremećaj tela, uzrok smrti koji se obično povezuje sa eksplozijom
• Podvodna eksplozija

Literatura

• Baum F. A., Stanюkovič K. P. i Šehter B. I. Fizika vzrыva. — M., 1959
• Matveйčuk V. V. Vzrыvnoe delo. Vnimanie, vzrыv. — M.: Akademičeskiй proekt, 2005. — 512 s.
• Greiner N. Roy, Phillips D. S., Johnson J. D., Volk F. Diamonds in Detonation Soot // Nature. 1988. Vol. 333. P. 440—442.
• Fortov V. E., Gnedin Ю. N., Ivanov S. V i dr. Stolknovenie kometы Šumeйkerov-Levi-9 s Юpiterom: Čto mы uvideli // Uspehi fiz. nauk, 1996. - T. 166, № 4. - S. 391—422.
• Roy Bergdoll, Sebastian Breitenbach (2019), Die Roten Hefte, Heft 1 – Verbrennen und Löschen (na jeziku: nemački) (18 izd.), Stuttgart: Kohlhammer, ISBN 978-3-17-026968-2 

Spoljašnje veze

• E. Torres et M.-P. Rudelin, Explosion — Les trois blast Arhivirano na sajtu Wayback Machine (25. oktobar 2005), Le Généraliste
• P. Naudin et K. Oualim, Le blast, Lésions provoquées par une explosion Arhivirano na sajtu Wayback Machine (11. april 2005), un article du site Urgence-pratique
• „Arhivirana kopija” (PDF). INERIS. Arhivirano iz originala (PDF) 13. 02. 2015. g. Pristupljeno 12. 10. 2023.