貝魯特致命爆炸的物理悲劇

2020年8月4日，一場巨大的爆炸在貝魯特市中心掀起致命的壓力波。然後，火球的視頻幾乎一樣快地波及全世界。現在，爆炸的細節是在貝魯特碼頭盡頭的一處小型存儲建築的煙花存儲區開始的，全世界都在關注該次爆炸最終的死亡、受傷和破壞情況。但是，從某種意義上說，世界已經有了一些預期的想法，因為之前曾發生過類似的爆炸。

作為一名生物醫學工程師，在爆炸後的傷害和創傷模式方面擁有博士學位，從意外爆炸中獲取有用信息是我日常工作的一部分。普通的爆炸很少有這樣規模，但物理和化學原理是相同的。科學，以及一些歷史案例研究，讓我做一些初步的計算，以解謎這場大爆炸。

1917年，在新斯科舍省哈利法克斯港，272萬公斤重磅高炸藥意外爆炸，留下大量殘骸，時間持續了好幾天，這是人類有史以來最大的非核爆炸。當我們更多地了解貝魯特，這可能挑戰該記錄，哈利法克斯的故事告訴我們，我們可能期望了解隨後的創傷，現代手機視頻現代手機視頻以及科學家在隨後世紀收集的爆炸物理學，告訴我們為什麼這些創傷模式以完全相同的方式發生。

硝酸銨的活潑化學性

每次大火都是分子的重排，而爆炸基本上就是將渦輪增壓為高能燃料的狂熱。不穩定的結構相互交換和交換原子，直到所有這些都對自己的「交易」感到滿意，幸福地處於更加放鬆狀態，即能量更低的狀態，就像巖石滾落到山的底部。但是它們多餘的能量必須去某個地方。在篝火中，僅空氣中的氧氣便以悠閒的方式促進了化學反應，化學反應能量以令人愉悅的熱量和光線緩慢釋放。但是，在爆炸中，氧氣就是一個小惡魔，將這個過程推向了超速行駛狀態。

爆炸的早期報導表明，引發噴發的建築物可能正在儲存大量硝酸銨，硝酸銨是一種易燃的化學物質，具有相對無害的化肥表現，但也已作為火箭燃料進行了試驗。氧氣是硝酸銨致命爆炸習慣的關鍵，而且鑑於上個世紀發生了47次已知的重大意外硝酸銨爆炸，這無疑成為了不該發生事件變成了常態事件。 「銨」是具有四個氫的氮原子，表示為NH4 +，而混合物的「硝酸鹽」部分是具有三個氧的氮，即NO3-。在無聊的日常情況下，銨的+和硝酸鹽的-將兩個分子拉到無害的擁抱中，但是當您添加火花（或煙火）時，這些分子意識到它們的原子會變得有點紊亂並轉化為一些全新的東西。

將硝酸銨用作肥料時，通常將其與其他化學物質混合使用，通常可以阻止這種反應的發生，儘管正如2013年西部肥料公司（West Fertilizer Company）的爆炸所證明的那樣，這些化學物質並不總是安全。貝魯特的第一份報告暗示肥料可能再次成為罪魁禍首。然而，在社交媒體上分享的照片顯示，標有「 Nitroprill HD」的袋子據稱存儲在貝魯特碼頭，一些人推測，如果這些照片準確無誤，Nitroprill可能就是名牌爆破劑硝普利（Nitropril）的仿冒品。硝普利設計用於煤礦，因此，這種特殊的硝酸銨不會像肥料那樣與安定的化學物質混合。相反，它本來就很複雜。

當硝酸鹽混合時，它的化學性質不穩定，這意味著N和O之間的鍵會振動，並產生不愉快的物理張力。NO3-渴望將一些氧氣推到任何鄰居身上，並通過一點點熱量使物體移動，它會很樂意這樣做。NH4 +太高興了，無法接受。

硝酸銨的化學重排回答了有關視頻的許多公眾問題，包括羽狀紅色的來源。NO3-的副產物之一，因為它散發出所有的氧是二氧化氮，它在邏輯上具有明顯的NO2化學結構，看上去很深，呈血紅色。許多爆炸性物質在爆炸過程中散發出淡淡的色彩和色調，表明它們的化學成分——自1920年前以來一直存在的用於為煙霧和爆炸同時上色的化學添加劑，也是我們獲得不同顏色煙花和信號火炬的方式——二氧化氮使硝酸銨爆炸具有標誌性的不祥血樣色彩。小型爆炸看起來有些微微的橙色，但是像貝魯特那樣，在大範圍內，陽光有助於加深其色調。

根據酒精、菸草、火器和爆炸物管理局的特工炸彈技術員和認證爆炸專家布拉德·沃伊塔拉克（Brad Wojtylak）的說法，當煙羽足夠大時，煙羽便會開始吸收陽光，而折射會使任何爆炸產生的正常顏色變暗。沃伊塔拉克沒有直接參與貝魯特的調查，但是有16年的爆炸事故調查經驗。他說，隨著陽光在汙染物雲中反彈，其他不確定的波長會沿不同方向折射。當煙霧羽流如此之大時，只有最長的波長（紅色陰影）一直持續到另一側的觀察者。因此，自然的帶紅色的顏色變得比小爆炸時更深，更豐富，更暗。

與軍用級武器中使用的任何炸藥一樣，具有純燃性的炸藥會產生看上去純淨的煙：白色、白色巨浪或有時是淺灰色。但是，意外爆炸要雜亂得多，它們不穩固的燃燒還會產生灰燼、微粒和黑焦炭黑的汙染物質。這種黑色的黑灰與其他副產品一起滾滾衝向天空，使煙羽成色，就像篝火柴更有效的部分燒掉後留下的木炭殘渣一樣。對於爆炸專家來說，在貝魯特碼頭上捲起的黑色和紅色捲曲的雲朵的視頻，告訴了他們，那是「硝酸銨」發生了爆炸。

不是衝擊波

錄像還顯示，白色的半球從爆炸現場向外均勻地傳播，那是一團惡臭的蒸汽，最終傷害到每個拍攝的人。這個半球是爆炸產生的壓力波。

不，這不是衝擊波。 這是一個壓力波，關鍵的不同會影響預期的傷亡人數。衝擊波在零秒內從零壓力變為其絕對最大壓力。壓力波的衝擊就像滾下陡峭的懸崖後撞到地面一樣。衝擊波的力就像從空中墜落並達到最終速度後撞擊地面。高能炸藥會產生衝擊波； 低爆炸藥（如硝酸銨）會產生壓力波，壓力波的形狀略有傾斜，在此期間壓力會逐漸增加。

震動由於其引人入勝且複雜的物理原理，其傳播速度快於音速，並且所造成的損害要遠大於壓力波。值得慶幸的是，我們知道這次爆炸不會產生衝擊，因為可以測量充滿水蒸氣的白色圓頂的速度。

空氣中的聲音速度為每秒343米。根據視角和後來的一些相框中描繪的紅色椅子的獨特性，我追蹤了《衛報》發布的貝魯特錄像帶之一，其位於拉梅茲卡萊裡亞屋頂酒吧（La Mezcaleria Rooftop Bar）露臺上的拍攝地點，測量距離為885米爆炸的中心。從這個有利位置，可以看到壓力波整齊地從爆炸中心首先傳播到碼頭末端和長而巨大的灰色糧倉建築物邊緣（距離151米）之間的中點。碼頭盡頭262米，最後到達拉梅茲卡萊裡亞。

通過測量壓力波到達視頻上這些地標的時間，我們知道，當壓力波衝向碼頭時，它僅以每秒312米的速度發生。然後，當可聽見的撞擊聲和混亂聲傳到原本寧靜而風景如畫的戶外酒吧時，它的速度已降至每秒289米。壓力波的速度比每秒343米的聲音慢，導致破壞、恐怖、混亂、玻璃破碎和平坦的表面撕裂，以及使旁觀者的耳朵失去聽覺。但是如果他們觀看是衝擊波，衝擊波可能會使他們因肺部創傷而死亡。

在1917年發生的272萬公斤的哈利法克斯爆炸中，衝擊波在市區中的傳播使死亡人數達到了距爆炸中心2.5公裡的範圍，造成約1,950人喪生，另有8,000人遭受毀滅性傷害。值得慶幸的是，據報導在貝魯特，由於低爆炸性硝酸銨，建築物受到破壞的地方高達9公裡。造成的壓力波而不是衝擊波，儘管裝藥量可能比哈利法克斯的炸彈大，但到目前為止的死亡人數估計仍在數百人之內。

藉助現代技術，即使使用等量環形山的大小，也可以科學計算出電荷量，即使在等待更完整的信息滴灌時也是如此。對碼頭的航拍照片的分析顯示，爆炸坑的直徑在120至140米之間。高爐物理學和歷史經驗告訴我們，要從行星的側面切出一塊這樣大的塊，需要的電荷相當於1.7至540萬公斤的TNT 。作為參考，1995年對俄克拉荷馬市穆拉大廈的轟炸使用了相當於1.8千公斤的TNT。因此，貝魯特的繁榮至少是俄克拉荷馬城的一千倍。

順便說一句，核武器將在距地面幾百米處引爆，因此不會直接在土壤上施加足夠的力以形成環形山。在75年前發生的廣島上空的第一枚原子武器的爆炸，儘管其歷史上對建築物和民眾的傷害是空前的，但沒有留下任何彈坑。

德國也知道儲存不當的硝酸銨的破壞力，該國發生的事故加強了裝料量的計算。1921年，德國奧珀的肥料爆炸事件造成了一個非常相似的爆炸坑。在爆炸了410萬公斤硝酸銨之後，直徑為120米的奧珀爆炸口的大小支持了貝魯特碼頭的想法，據早期報導稱，貝魯特碼頭僅存貯了2,750公噸（275萬公斤）。但是，爆炸專家布拉德·沃伊塔拉克說，即使僅使用了2750公斤，他的初步計算表明，那些免受爆炸危險的人至少需要距離貝魯特碼頭15公裡。

在該半徑範圍內，市區爆炸造成的傷害可能與遭受爆炸的受害者一樣多，但其中許多可能是玻璃和其他飛行彈丸造成的。玻璃扁平、細膩、易碎，並且大面積安裝，是微小爆炸波的理想目標。它比其他任何物質都更容易破碎和炸飛。

在哈利法克斯（Halifax），最終引發主要爆炸的大火意味著，市民坐在窗戶旁，觀看遠處爆炸的刺激場面。結果，在1917年那天早上受傷的人中，破碎的玻璃穿透了圍觀者的眼睛，被描述為「極為普遍」。煙花存儲區的事故眾多的受傷者，也說明當時有許多貝魯特的市民也在圍觀該次爆炸。沒有這些吸引目擊者的煙霧，我們將沒有足夠的手機畫面，但是受傷的可能性也可能更少。

爆炸後

根據杜克大學醫院急診室醫師丹·巴克蘭（Dan Buckland）的說法，哈利法克斯爆炸引發的一系列事件與今天一樣，在大規模人員傷亡事件發生後，今天仍在急診室發生。在2019年北卡羅來納州達勒姆（Durham）發生天然氣爆炸後，巴克蘭（Buckland）處理了人員傷亡，儘管其規模雖然小得多，但發生在人口稠密的市中心地區。他說，第一波病人是那些身處急救站附近的人，不幸的是他們受傷了，但幸運的是能夠在救護車附近受傷。在那之後，醫院因「行人受傷」而泛濫成災，這些受傷者能自己走向醫院尋求醫療服務。巴克蘭德說，增加倖存者人數的關鍵是讓第三波病人通過醫院擁擠的大門。第三波由爆炸現場核心人員組成，他們因受傷而無法行走，緊急救援人員在醫療上對這些傷殘嚴重的人進行梳理優先處理。

在平民區發生爆炸後，緊急救援人員並不是唯一的英雄。1917年12月6日上午9點剛過，在哈利法克斯港，45歲的火車調度員文森特·科爾曼（Vincent Coleman）就知道，哈利法克斯港滿載炸藥的船隻冒出的藍煙，是一個可怕的預兆，未來情況更糟。但當其他調度員為命而跑時，科爾曼意識到隨時到達哈利法克斯的火車乘客人數，於是他停留了足夠長的時間，發出最後一封電報：「等一下火車。彈藥船著火，使碼頭6......。」科爾曼在9點05分在爆炸中喪生，但他的最後信息挽救了數千人，不僅是在進入破壞區之前能夠停車的火車上的乘客，還有已經在哈利法克斯的市民：電報信號傳到了周圍地區的每一位操作員，由於科爾曼的快速思考，每一位感受到大地隆隆聲的醫生， 在 160 公裡之外， 幾乎立即獲得關於所發生的事情的消息，他們衝來幫忙。

醫務人員儘可能快地處理第一波，第二波甚至第三波受傷的病人，其中一些人甚至在火車上建立了臨時治療中心。 貝魯特也將逐漸出現英雄主義和機智的故事，以及對生命損失的最終解釋。但是與此同時，在拍攝爆炸和物理應用的人們之間，我們可以防止陰謀論的任何升級或誤解。爆炸不是軍事級炸彈； 它肯定不是核武器。可悲的是，歷史再次悲慘地重演：炸藥具有毀滅性的致命性，我們決不能低估它們的破壞性憤怒。