硬核解析用爆炸物理学带你了解,黎巴嫩贝鲁

爆炸冲击波伤专家探讨了化学和历史中拍摄的视频，席卷世界。

年8月4日，一场巨大的爆炸在黎巴嫩首都——贝鲁特市中心掀起了“致命的波澜”：这一大规模爆炸，造成了数千人员伤亡。随后，这一“火球”爆炸的视频几乎以同样快的速度波及到了全世界。现在，在贝鲁特港头尽头的一座存放吨硝酸铵的储存区中的爆炸细节陆续传来，全世界都在等待最终的死亡、受伤和损失统计数字。不过，从某种程度上来说，我们对此已经有所预料，因为全球各地以前也发生过类似的爆炸事件。

从15年的“8·12”天津滨海新区爆炸事故，再到19年的3·21响水化工企业爆炸事故，这一些大大小小的化工厂爆炸事件，让我们可以较容易地收集到这些意外爆炸事故的案例分析信息。虽然相较于更普通的爆炸事故，很少有这么大的规模，但同样的物理和化学（化工）原理也适用。通过“理论科学”+“历史上的一些案例分析”，让我们可通过一些初步的计算来解开这次爆炸的谜底。

年，万磅重（约吨）的烈性炸药在加拿大新斯科舍省哈利法克斯港意外爆炸，留下了一大片残骸，至少截止至上周二之前，这是人类有史以来最大规模的非核爆炸。随着我们对贝鲁特爆炸事件的了解越来越多，贝鲁特有可能挑战这一记录，哈利法克斯港事故的故事告诉我们，我们应该从这些化工爆炸事故中学到些什么。而实拍的手机视频，以及科学家们在这近一个世纪的时间中收集的爆炸物理学模型和化工事故分析经验，可以告诉我们为什么这些事故会以如此惨烈的方式发生。

解读一

该事件的主谋：硝酸铵——拥有活泼的化学性质

每一场火灾都是分子的重新排列，而爆炸基本上就是一场被涡轮增压成超能量燃烧的火焰“狂热状态”。不稳定的结构可以看作一个“物以物易物”的过程，彼此交换原子——直到所有的原子都对“自己的交易”感到满意后，它们才幸福地进入更放松、更低能量的较稳定状态，就像岩石滚落到达山脚一样（转化了势能）。但它们多余的能量必须要流向其他某个地方。在篝火中，化学反应仅靠空气中的氧气就能轻松地进行，能量以热和光的形式慢慢释放出来。然而，在爆炸中，氧气——这个魔鬼般的小煽动者，却将这个过程推进到了超速状态。

早期的爆炸报告显示，引发爆炸的建筑可能储存了大量（约吨）的硝酸铵。这是一种易燃化学品，其作为肥料有着相对无害的表现，但也曾被实验过作为火箭燃料。氧气是导致硝酸铵爆炸致死的关键因素，鉴于上个世纪已经发生了47起已知的重大意外硝酸铵爆炸事件，不可否认，这是一个重要特征。

简单科普：什么是硝酸铵？它是如何爆炸的？

铵是一个带有四个氢（H）的氮(N)原子，写成NH4+，而硝酸盐的部分是一个带有三个氧（O）的氮原子，NO3-。在一般的日常条件下，“铵”和“硝酸盐”的“+”与“-”将这两个分子簇拥成一个无害的状态，但当你加入火星或烟火时，这些分子就会意识到它们自身的原子可以变得更加活泼，并转化成全新的东西。

当硝酸铵被制成肥料时，它会与其他化学物质混合，这些化学物质通常会阻止这种反应的发生。不过，正如年韦斯特化工厂（WestFertilizerCompany）的爆炸事件所证明的那样，这些化学品并不总是成功的。来自贝鲁特的第一份报告显示，化肥可能再次成为罪魁祸首。然而，在各大媒体上分享的照片显示开看，标有NitroprillHD（硝普里尔）的袋子据称存放在贝鲁特码头，一些人猜测，如果这些照片准确真实的话，Nitroprill（硝普里尔）可能是有名的澳大利亚化工公司的爆破剂Nitropril（硝普利）的仿制品。Nitropril（硝普利）是专为煤矿使用而设计的（常用于与TNT匹配制作），所以这种特殊品种的硝酸铵不会像化肥那样与为了稳定化学性质的化学品混合使用，而是混合后进行增加爆破性。

而硝酸盐，当混合搅拌时，就会把这些小O抛弃。它在化学性质上是不稳定的，这意味着N和O之间的键会以一种“不愉快”的物理张力状态下振动。由于过载的3个氧原子，NO3-迫不及待地想把它们推到周围的邻居（物体）身上，再加上一点点的热量，就能让物体移动，其会心甘情愿地这么做。同时，NH4+也非常乐意接受。

视频解读：在爆炸视频中，究竟是发生了怎样的化学反应？

硝酸铵的化学重排回答了许多公众对视频的疑问，包括令人吃惊的红色烟雾的来源。其为NO3-的副产品之一——NO2（二氧化氮），二氧化氮具有明显的化学结构，并呈深血红色。许多爆炸性物质在爆炸过程中都会释放出与其化学成分相对应的特有颜色——早在20世纪20年代之前，用于给烟雾和爆炸着色的化学添加剂中就已经出现了，这也是我们可以从不同颜色烟花和信号弹得知其中不同化学元素的原因——而正是二氧化氮给硝酸铵爆炸带来了其标志性的、不祥的血色色调。在一些小规模的硝酸铵爆炸看起来很微妙，其呈橙色，但在贝鲁特这样的大规模爆炸中，在阳光的作用下会加深其颜色。

更多阅读：详文分析：我们是该坚持“禁燃烟花”，还是“保持传统习俗”？

据美国烟酒枪械和爆炸物局的特种炸弹技术员和认证爆炸专家布拉德·沃伊蒂拉克（BradWojtylak）称，当烟雾足够大时，它们就会开始捕捉阳光，经过折射会使任何爆炸产生的正常颜色变暗。沃伊蒂拉克（Wojtylak）虽并没有直接参与贝鲁特爆炸事件的调查，但他有16年调查爆炸事故的经验。他表示，当阳光在污染物烟雾中反射时，其他不太确定的波长就会向不同方向折射。当烟雾在如此大的范围内发生时，只有波长最长的红色会一直持续到另一边的观察者。所以，自然而然，该爆炸视频中所显示的红色会变得比小规模的爆炸更深、更暗。

像军用级武器中使用的任何炸药一样，纯燃烧的炸药会产生同样纯正的烟雾：雪白的、雄烟滚滚的白色，有时还会产生一些淡灰色。

但是，像这类意外化工爆炸就没有那么整洁了，它们的粗放式燃烧也会产生灰烬、微粒和严重的黑色烧焦的污染物质。

这些黑色的粘稠物和其他副产物一起涌向天空，是爆炸时的烟雾染上颜色，就像篝火木材燃烧后留下的木炭残渣一样。在一位爆炸专家看来，

这些视频中黑色和红色的滚滚云团盘旋在贝鲁特的码头上——这些颜色信息，不断告诉我们其是硝酸铵。

解读二

误区：视频中爆炸后，遭到强烈的撞击的——并不是冲击波

另外，视频还显示，从爆炸现场快速向外扩散出一个令人不寒而栗的“白色半球体”，这个由恐怖的“由蒸汽组成的穹顶状物”，最终冲向每一个拍摄者，并在音频中以一段极为混乱的撞击声宣告其到来。这个半球，就是爆炸产生的压力波。

冲击波压力波，有很大的差别——会大大影响到预估伤亡人数

我们需要区分的是——不，这不是冲击波。它是压力波，这一关键的区别，会影响到预期的伤亡人数。冲击波从零压力到绝对最大压力只需零秒。

直观的区别：

压力波的冲击力就像物体从陡峭的悬崖上滚下来后撞到地面。

冲击波的力道就像物体从空中落下达到极限速度后，撞击地面。

不同波在日常中的应用：

烈性炸药会产生冲击波；低爆炸药，如硝酸铵，会产生压力波，压力波的形状有一点坡度，一段时间内，压力会逐渐增加。

令人欣慰的是：此次爆炸事件产生的是压力波

由于其迷人而复杂的物理特性，冲击波的传播速度比声速还要快，造成的伤害远比压力波大得多。值得庆幸的是，我们知道这次爆炸没有产生冲击，因为这个充满水蒸气的白色穹顶状物的速度是可以测量的。

在空气中的声速是米/秒。根据后面一些画面中拍摄的视角和独特的红色椅子照片，笔者将《卫报》发布的贝鲁特视频中的一个段画面，追踪到LaMezcaleria屋顶酒吧的屋顶露台上的拍摄地点，测得它距离爆炸中心有米。从这个有利位置，可以看到压力波先整齐地从爆炸中心移动到桥墩末端和长而巨大灰色粮仓建筑边缘的中间点，距离为米，然后到码头末端米，最后到LaMezcaleria屋顶酒吧。

通过测量视频上压力波到达这些地标的时间，我们知道，当压力波冲向码头时，其所飞驰的速度只有米/秒。这对炸弹来说太慢了。当爆炸声和撞击声传到这个昔日宁静、风景如画的室外酒吧时，它的速度已经降至了米/米。该压力波比米/秒的声速要慢的多，由于耳朵受到快速压力波动的影响，会使围观者迷失方向，并造成破坏、恐怖、混乱、玻璃碎裂、平面撕裂等一系列现象。但是，如果是冲击波——可能会使他们在观看时，因肺部创伤而当场死亡。

在年重达万磅（约吨）的加拿大哈利法克斯爆炸中，冲击波在市中心的传播造成大量伤亡，距离爆炸中心1.5英里，估计造成人死亡，另有人受到严重受伤。(据悉，在港口爆炸的船只携带的是高爆炸药，而高爆炸药的性质总是会产生冲击波)。在贝鲁特，值得庆幸的是，虽然据报道称建筑物的损坏已经达到了5.6英里远，但由于低爆炸性的硝酸铵制造的是压力波而不是冲击波。所以到目前为止，死亡人数估计仍在数百人，尽管炸弹的规模可能比哈利法克斯的炸弹还要大。

通过爆炸坑的大小：粗略预估其爆炸当量大小

对亏了现代科技技术的快速发展，即使在等待更完整的信息慢慢流出同时，也可以通过泄漏出的爆炸坑大小信息，科学地计算出该爆炸当量的大小。对该码头航拍照片的分析显示，爆炸坑的直径在至米之间；爆炸物理学与历史的结合告诉我们，要从地球侧面切割出这么大的一块，需要相当于万到万公斤TNT炸药的爆炸当量。作为参考，年俄克拉荷马市穆拉大楼爆炸相当于使用了1.8万公斤的TNT炸药。所以，贝鲁特事故比俄克拉荷马城事故至少要轰动倍。

顺便说一句，值得注意的是：核武器是在离地面几百英尺高的地方引爆的，因此不会直接在土壤上施加足够的力量来制造弹坑。广岛上空的第一枚原子武器的引爆发生在距今正好整整75年前，尽管其对建筑物和民众造成了历史上前所未有的创伤，但却没有留下任何弹坑。

德国也深知储存不当的硝酸铵的破坏力，该国的一次事故更强化了爆炸当量的计算。年，德国奥帕乌的一次化肥爆炸，就造成了了一个与此次事故极为相似的爆炸坑。在万公斤硝酸铵爆炸后，德国奥帕乌事件爆炸坑的直径为米，它的大小支持了贝鲁特码头可能还有数百万公斤炸药当量的观点。早期报道说，贝鲁特码头仅能容纳吨(万公斤)炸药当量。然而，即使只使用这吨，特别探员沃伊提拉克（Wojtylak）表示，他的初步计算显示，那些免于这一大爆炸风险的人至少需要距离贝鲁特码头15公里。

解读三

此次事故中，大多人因何伤亡？我们可以从中吸取哪些教训

在这一半径范围内，在市中心位置发生如此巨大的爆炸所造成的伤害可能和经历这些伤害的受害者一样多种多样，但其中有不少可能是来自玻璃和其他不明飞行物体。对于那些扁平的、精致的、易碎的、安装在高楼或街边的玻璃，即使是极微小量级的冲击波，其也是完美目标；它比其他任何物质都更容易破碎和击飞。

在加拿大哈利法克斯事故中，最终引发主要爆炸的熊熊烈火与浓烟——意味着在爆炸时，市民们已经站在窗户前开始饶有趣味的观看。然而，这是伤亡中最直接、最主要因素。因此，在年早晨受伤的人群中，玻璃碎片击中围观者眼睛的伤势——在报道中以描述为异常普遍。而此次事故中，储存区所产生的那惊人滚滚浓烟和那奇特的深红色，同样吸引了贝鲁特事故周边有大量的围观者。如果没有烟雾吸引这些目击者，我们也就不会有如此充足的手机下事故画面，但是，同样的是，这也可能会减少受伤人数。

爆炸之后，伤员是如何被救治的呢？

医院急诊室医生丹-巴克兰（DanBuckland）介绍，哈利法克斯爆炸导致的一系列事件，在发生大规模伤亡事件后，今天仍在急诊室发生。巴克兰曾治疗过年北卡罗来纳州达勒姆天然气爆炸造成的伤员，虽然爆炸发生在人口密集的市中心，但爆炸规模要小得多。他说，第一波病人是那些地理位置上离急救中心很近的人，这些人虽然十分不幸地受伤了，但也足够幸运地在救护车附近受伤。在那之后，医院就会被能够自行的伤员所淹没，这些伤员的伤势足以自行寻求医疗服务。巴克兰表示，增加幸存者人数的关键是让第三波病人通过这扇门，穿过这第二波的人群。第三波是由现场核心地带的伤者组成，他们伤势极为严重，已经无法行走，梳理残骸的急救人员接下来会将他们作为医疗优先对象。

在平民区发生爆炸后，应急救援人员并不是唯一的英雄。年12月6日上午9点多，在加拿大哈利法克斯，45岁的胡子拉碴的火车调度员文森特·科尔曼(VincentColeman)知道，哈利法克斯港装满炸药的轮船冒出的滚滚浓烟是一个可怕的预兆，预示着更糟糕的情况即将到来。但当其他调度员纷纷逃命时，科尔曼（Coleman）意识到随时会有多少乘客到达哈利法克斯，所以他留了足够的时间发了最后一封电报:“阻止火车进站。军需品船起火，正向6号码头驶去......再见了，孩子们。科尔曼在9点05分的爆炸中丧生，但他的最后一封电报拯救了成千上万的人，不仅是火车上的乘客在进入已被爆炸破坏的区域前得以停靠，还有已经在哈利法克斯的市民：电报信号传到了周边地区的每一个接线员手中，因为科尔曼思维敏捷，每一个在公里外感到大地隆隆作响的医生，几乎都能立即获得关于发生了什么事故。他们都迅速赶到一线进行救援。

医务人员以最快的速度处理了尽可能多的第一波、第二波、甚至第三波伤员，有的甚至在火车上建立了临时治疗中心。我们可以相信的是，在贝鲁特事故中，也将逐渐出现那些感人、鼓舞人心的故事（无论在哪，大家都是心系一方——毕竟生命是如此的难能可贵），以及对伤亡损失人数的最终统计。但与此同时，在拍摄爆炸的人和物理学的应用之间，我们可以防止任何阴谋论或误解的升级。不过我们庆幸的是这次爆炸不是军用级别的炸弹，也肯定不是核弹。可悲而又不幸的是，这只是历史再次重演的悲剧：爆炸物具有毁灭性的杀伤力，我们永远不应该低估它们的破坏力。

撰写：GolevkaTech

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