贝鲁特致命爆炸的悲剧物理学

2020年8月4日，一场巨大的爆炸在贝鲁特市中心掀起了致命的海浪。然后，火球的视频几乎同样迅速地在世界各地传播开来。现在，爆炸的细节开始于贝鲁特码头尽头一座小型仓库的烟花储存区，全世界都在等待最终的死亡、受伤和破坏数字。然而，在某种程度上，世界已经对会发生什么有所了解，因为以前也发生过类似的爆炸事件。

作为一名生物医学工程师，拥有爆炸后伤害和创伤模式的博士学位，从意外爆炸中收集信息是我日常工作的一部分。更普通的爆炸很少有这么大的规模，但同样的物理和化学原理也适用。科学，以及一些来自历史的案例研究，让我也做一些初步的计算来解开这次爆炸的谜团。

1917年，新斯科舍省哈利法克斯港意外引爆了600万磅的大杂烩烈性炸药，留下了一片残骸，至少到周二为止，这是人类有史以来造成的最大规模的非核爆炸。随着我们对贝鲁特有更多的了解，这可能会挑战这一纪录，哈利法克斯的故事告诉我们，我们可能会从随后的创伤中学到什么，现代手机视频，以及科学家在其间收集的爆炸物理学，告诉我们为什么这些创伤模式会以这种方式发生。

每一场火灾都是分子的重新排列，而爆炸基本上就是一场以超高能量为燃料的疯狂大火。不稳定的结构彼此交换和交换原子，直到它们都乐于交易，幸福地安顿到更放松、更低能量的状态，就像到达山脚的岩石一样。但是他们多余的能量一定会流向某个地方。在营火中，光是空气中的氧气就能悠闲地促进化学反应，能量随着令人愉快的热和光的水平而缓慢释放。然而，在一次爆炸中，邪恶的小煽动者氧气将这一过程推到了超速状态。

有关爆炸的早期报道显示，引发火山喷发的建筑可能储存了大量硝酸铵，这是一种易燃化学物质，其表现形式作为肥料相对无害，但也已被试验作为火箭燃料。氧气是硝酸铵致命爆炸习惯的关键，鉴于上个世纪发生了47起已知的重大意外硝酸铵爆炸事件，这无疑是一种习惯。“铵”是有四个氢的氮原子，写成NH4+，而混合物的“硝酸盐”部分是有三个氧的氮，NO3-。在无聊的日常条件下，铵的+和硝酸盐的-将这两个分子拉到一个无害的拥抱中，但是当你添加一个火花-或者烟花-分子意识到它们的原子可以变得更活泼，转化成一些全新的东西。

当硝酸铵被制成肥料时，它会与其他化学物质混合在一起，这些化学物质通常会阻止这种反应的发生，尽管正如2013年西部化肥公司的爆炸所证明的那样，这些化学物质并不总是成功的。来自贝鲁特的第一批报道表明，化肥可能再次成为罪魁祸首。然而，社交媒体上分享的照片显示，贝鲁特码头上据信存放着标有“Nitroprill HD”的袋子，一些人猜测，如果这些照片是准确的，Nitroprill可能是名牌爆破剂硝普利的仿制品。硝普利是为煤矿使用而设计的，所以这种特殊的硝酸铵不会像肥料那样与镇静的化学品混合；相反，它会混合在一起吹。

而硝酸盐，当混合在一起吹的时候，想要抛弃这些小O。它在化学上是不稳定的，这意味着NS和O之间的键以令人不快的物理紧张程度振动。超负荷的三个氧，NO 3-急于将一些氧推到任何邻居身上，只要有一点热来推动事情，它就会心甘情愿地这样做。NH4+太高兴了，不能接受。

硝酸铵的化学重排回答了公众对视频的许多问题，包括羽状物令人惊叹的红色的来源。NO3的副产品之一是二氧化氮，因为它释放出所有的氧气，它具有NO2的逻辑上明显的化学结构，看起来很深，血红色。许多爆炸性物质在爆炸中会发出颜色和色彩，这表明它们的化学成分--用于给烟雾和爆炸着色的化学添加剂自20世纪20年代之前就已经存在，这就是我们获得不同颜色烟花和信号照明弹的原因-正是二氧化氮赋予了硝酸铵爆炸的标志性、不祥的血液般的基调。一次小小的爆炸可能看起来微妙和橙色-i

布拉德·沃伊泰拉克(Brad Wojtylak)是一名特工炸弹技术员，也是烟酒火器和爆炸物管理局的认证爆炸专家，他表示，当烟柱足够大时，它们开始捕捉阳光，折射将使任何爆炸产生的正常颜色变暗。沃伊泰拉克没有直接参与贝鲁特的调查，但拥有16年调查爆炸事故的经验。他说，当阳光在污染物云中反弹时，其他不太确定的波长会被折射到不同的方向。当烟柱以如此大的规模出现时，只有最长的波长，也就是红色色调，会一直持续到另一边的观测者。因此，自然的红色变得比小爆炸更深、更丰富、更暗。

一种纯燃烧的炸药，就像军用武器中使用的任何炸药一样，会产生看起来同样纯净的烟雾：雪白的，波涛汹涌的白色，有时还会产生浅灰色。但意外的爆炸远没有那么整洁，它们草率的燃烧也会产生火山灰、颗粒物和严重的黑色烧焦的污染物。这种黑色的粘性物质与其他副产品一起涌入天空，将烟柱染上颜色，就像篝火木头更有效的部分被烧毁后留下的木炭残留物一样。对于一名爆炸专家来说，这些视频在贝鲁特的码头上卷起了滚滚的黑红两色云彩，尖叫着“硝酸铵”。

视频还显示，一个令人不安的均匀的白色半球从爆炸现场向外传播，一个恶气的圆顶最终冲向每一个拍摄的人，并在音频中以一声撞车的声音宣告它的到来。这个半球是爆炸产生的压力波。

不，这不是冲击波。这是一种压力波，这一关键差异会影响预计的伤亡人数。冲击波从零压力到绝对最大压力只需零秒。压力波的冲击力就像从陡峭的悬崖上滚下来后撞到地面；冲击波的力量就像从空中坠落并达到终点速度后撞到地面。高能炸药产生冲击波；低能炸药，如硝酸铵，产生压力波，其形状有点倾斜，压力在一段时间内逐渐增加。

冲击，因为它们迷人和复杂的物理，传播速度比音速快，它们造成的破坏比压力波大得多。值得庆幸的是，我们知道这次爆炸没有产生冲击波，因为充满水蒸气的白色圆顶的速度是可以测量的。

声音在空气中的速度是每秒343米。根据后来一些照片中拍摄的视角和独特的红色椅子，我追踪了《卫报》发布的其中一段贝鲁特视频，找到了它在La Mezcaleria屋顶酒吧屋顶露台上的拍摄地点，并测量出它距离爆炸中心有885米。从这个有利位置可以看到，压力波首先从爆炸中心整齐地传播到桥墩末端和巨大的灰色长筒仓建筑边缘之间的中点，距离151米，然后到达桥墩末端，262米，最后到达La Mezcaleria。

通过测量压力波到达视频中这些地标的时间，我们知道，当它沿着码头燃烧时，它的狂暴速度只有每秒312米。这对炸弹来说太慢了。然后，当可听到的撞车和混乱声到达以前平静而风景如画的户外酒吧时，它已经放慢到最多每秒289米。低于每秒343米音速的压力波，造成了破坏、恐怖、混乱、玻璃破碎、平板撕裂和旁观者的迷失方向，因为他们的耳朵受到快速的压力波动的影响。但冲击波可能会导致他们在观看时死于肺部创伤。

在1917年600万磅的哈利法克斯爆炸中，冲击波在市中心的传播导致距离爆炸中心1.5英里的一系列死亡人数，估计有1950人死亡，另有8000人受伤。(众所周知，在港口爆炸的船只携带着烈性炸药，这些炸药本质上总是会产生冲击波。)。谢天谢地，在贝鲁特，尽管据报道，远至5.6英里(约合1.6公里)外的建筑物遭到了破坏，但由于低爆炸性硝酸铵产生的是压力波，而不是冲击波，迄今为止的死亡人数估计仍有数百人，尽管装药规模很可能比哈利法克斯的炸弹大。

多亏了现代技术，即使在等待更完整的信息滴漏出来的同时，也可以使用具有说服力的陨石坑的大小来科学地计算装药大小。对码头航拍照片的分析显示，有一个直径在120米到140米之间的陨石坑；爆炸物理和历史相结合告诉我们，从地球的一侧雕刻这么大的一块需要相当于170到540万公斤TNT的药量(对于任何拖延转换成公制的美国人来说，这相当于380万到1180万磅)。作为参考，1995年俄克拉荷马城的摩拉大厦爆炸案使用了相当于18000公斤TNT的炸药。因此，贝鲁特的繁荣程度至少是俄克拉何马城的1000倍。

顺便说一句，核武器将在离地面几百英尺的地方引爆，因此不会直接在土壤上施加足够的力量来形成火山口。广岛上空第一枚原子武器的爆炸几乎恰好发生在75年前的那一天，尽管它给这座城市和民众带来了历史上前所未有的创伤，但它没有留下弹坑。

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德国也知道储存不当的硝酸铵的破坏力，该国发生的一起事故加强了对装药量的计算。1921年，德国奥帕的一次化肥爆炸，刻出了一个非常相似的陨石坑。在410万公斤硝酸铵爆炸后，直径120米的奥帕陨石坑的大小支持了贝鲁特码头可能多装了数百万公斤炸药的想法。早期报道称，贝鲁特码头只容纳了2750吨-275万公斤。然而，特别探员沃伊泰拉克表示，即使只使用这2750吨，他的初步计算也表明，那些免受所有大屠杀风险的人需要距离贝鲁特码头至少15公里。

在这个半径内，市中心发生的如此大规模的爆炸造成的伤害可能与经历过爆炸的受害者一样多，但其中一些人很可能是来自玻璃和其他飞行的投射物。玻璃扁平、易碎、易碎，安装在大片上，是微不足道的冲击波的完美目标；它比任何其他物质都更容易破碎和飞行。

在哈利法克斯，最终引发主要爆炸的大火意味着，当炸弹爆炸时，市民们已经站在窗户前观看兴奋的场面。因此，在1917年那个早上的伤者中，碎玻璃穿透旁观者眼睛的伤害被描述为“非常普遍”。烟花储存区的事故及其令人震惊的浓烟同样保证了贝鲁特有大量的旁观者。如果没有烟雾吸引这些目击者，我们就不会有如此丰富的手机镜头，但受伤的人也可能会更少。

根据杜克大学医院(Duke University Hospital)急诊室医生丹·巴克兰(Dan Buckland)的说法，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，至今仍在急诊室发生。2019年，北卡罗来纳州达勒姆发生天然气爆炸，虽然规模要小得多，但发生在人口稠密的市中心，巴克兰治疗了伤亡人员。他说，第一波患者是那些身体靠近急救服务的人，那些不幸受伤但幸运地在靠近救护车的地方受伤的人。在那之后，医院里充斥着“行走的伤员”，这些伤员受的伤足够多，可以寻求医疗护理，但又足够完好无损，可以转移自己。Buckland说，增加幸存者数量的关键是让第三波病人通过门，穿过第二波病人的人群。第三波是由那些在现场核心的人组成的，他们伤势太重，无法行走，急救人员在梳理残骸时将他们列为下一步的医疗优先事项。

在平民区发生爆炸后，紧急救援人员并不是唯一的英雄。1917年12月6日上午9点刚过，在哈利法克斯，留着八字胡的45岁火车调度员文森特·科尔曼(Vincent Coleman)知道，哈利法克斯港装满炸药的船只缓缓冒出的浓烟是更糟糕的情况即将到来的可怕预兆。但当其他调度员逃命时，科尔曼意识到随时会有多少火车乘客抵达哈利法克斯，所以他留了足够长的时间，发了最后一封电报：“让火车停下来。军需品船着火了，正驶向6号码头...。再见了，孩子们。“。科尔曼在9点05分的爆炸中丧生，但他的最后一条信息拯救了数千人，不仅是火车上在进入破坏区域之前能够停车的乘客，还有已经在哈利法克斯的市民：电报信号到达了周围地区的每个操作员手中，因为科尔曼的

医务人员以人类最快的速度处理了尽可能多的第一波、第二波、甚至第三波受伤患者，其中一些人甚至在火车上建立了临时治疗中心。贝鲁特也将逐渐涌现出英雄主义和精明的故事，以及对死亡人数的最终统计。但与此同时，在那些拍摄爆炸和应用物理学的人之间，我们可以防止任何阴谋论或误解的升级。爆炸不是军用级别的炸弹；它肯定不是核爆炸。可悲的是，历史再次重演：炸药可能具有毁灭性的杀伤力，我们永远不应低估它们的破坏性狂暴。

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