爆炸衝擊波與爆炸聲音，哪個更快？
2020-08-06 老粥科普隨著貝魯特港口的一聲巨響，許多人知道了原來化肥也能發生如此劇烈的爆炸。由於事發在白天，並且在大爆炸之前那座堆放了數千噸硝酸銨的倉庫已經起火併發生了低烈度的爆轟，因此有許多人無意中拍下了緊隨而來的大爆炸畫面。
貝魯特港口爆炸畫面
從新聞畫面我們可以清晰地看到隨著橙紅色火光騰空而起，緊接著一團白色霧狀物極速擴張，摧毀了周圍的一切、掀翻汽車、擊碎牆壁門窗、造成數以千計的人員傷亡。
衝擊波是如何產生的？當爆炸發生時，我們到底是先聽到聲音還是先感受到衝擊波？我們今天就來討論這些問題。
水波與聲波
向平靜的水面扔一塊石頭，它會激起層層漣漪，水波以石塊濺落點為圓心，一圈一圈地向四周擴散開來，越到遠處越平緩，直到消失無蹤。
水面的漣漪
水波是我們最常見波的形式，它是一種由水分子受到力的影響而進行橫向與縱向運動結合的表面波。
水波是縱波與橫波的結合波
與水波不同，聲波是一種立體壓縮波，它是由振動源所產生的機械振動，推動空氣中的分子使其縱向運動，同時通過分子間的碰撞向外傳遞的一種機械波。當這種機械波傳到我們的耳朵裡，引發鼓膜和聽骨的振動，我們就聽到了聲音。
聲波是縱向壓縮波
由於受到水表面張力的影響，水波傳遞的速度不快。相比之下，聲波的速度就快得多，通常在20℃時，海平面的速度大約在340米/秒，這是由空氣密度決定的。
衝擊波的產生
爆炸衝擊波是由爆炸引發的爆震波。
爆炸物質在劇烈燃燒時會產生強大的熱能，炙熱的爆炸氣體體積急劇膨脹，從而壓縮周圍的空氣並推動空氣向四周擴散開來。
軍迷們對原子彈爆轟的畫面並不陌生，在蘑菇雲騰起的瞬間，一團薄霧狀的東西向四周擴散，緊接著又消失的無影無蹤，這就是核爆炸衝擊波。
核爆瞬間的衝擊波以及音爆雲
衝擊波總是一團薄霧嗎？並不是。事實上在乾燥的空氣裡，衝擊波是透明的。它是由極高壓力的空氣分子構成的壓縮波，由於與波前方空氣存在明顯的密度差，因此可以通過波界面空氣的折射現象觀察到擴散的衝擊波。
衝擊波改變空氣密度形成光線折射現象
我們所看到的薄霧其實是強大的壓力波在空氣中傳遞時，會在波的後方造成局部氣壓與溫度下降，此時空氣中的水汽會凝結起來形成雲，而當壓力恢復正常之後，雲會迅速消散。戰鬥機在高速飛行（不一定達到超音速）的過程中，其後部也會出現類似的氣錐。
貝魯特港口大爆炸瞬間騰起的那團白色雲霧，就是由爆炸衝擊波引起、緊跟在其後方的冷凝雲。
貝魯特大爆炸衝擊波後方的音爆雲
衝擊波有多快？
衝擊波沒有固定的速度，不同物質的爆轟速度決定了衝擊波的初始速度，隨著距離的增加，衝擊波的速度會迅速衰減。
以貝魯特港口爆炸為例。新聞媒體廣泛引用的一段視頻是一個居住在附近的人從陽臺拍攝的。我們從視頻拍攝的畫面中找到幾個識別點:1、一個紅色圓形屋頂；2、一棟安裝了藍色頂棚的房屋；3、街邊一棟樓的拐角。穿過這幾個點，拍攝者可以看到港區爆炸的倉庫。
為了確定觀察者的位置，我們先找到三個點
打開衛星地圖，我們找到並標記出上述三個點，進而找到拍攝者居住的大樓。利用距離測量工具計算出拍攝位置與爆炸點的距離約1385米。
在視頻中，從爆炸火光亮起的瞬間到聽見呼嘯的風聲，時間只有一秒鐘；而衝擊波伴隨著巨大爆炸聲到達拍攝者的大樓引起劇烈震動也僅僅三秒。
通過參照點確定觀察者與炸點的距離
由此，我們可以得出結論：在距離爆心1千米範圍，貝魯特大爆炸衝擊波波前的速度超過1300米/秒，而爆炸聲音的傳播速度也達到461米/秒。
為什麼會這樣？
我們知道硝酸銨在一定條件下可以劇烈爆炸，儘管與絕大多數烈性炸藥相比較弱，但其爆轟的速度也達到2700米/秒（TNT爆速為6900米/秒）。也就是說，在硝酸銨爆炸的瞬間，炸點周圍的空氣被以2700米/秒的速度向外推，從而形成超音速激波。又由於空氣屬於可壓縮流體，隨著傳輸距離的增加，爆炸能量逐漸削弱。因此衝擊波走過1385米的距離花了1秒鐘。
為什麼聲音的速度超過了1馬赫？
這是因為爆炸激波的空氣密度大傳播速度快，因此聲音疊加在其上的速度比正常大氣壓力下要快很多。但它不能比衝擊波更快。
如果一顆炸彈在水下爆炸，情況會變得不同。與空氣相比，水幾乎不可壓縮，因此爆炸波能得到更快的傳遞，而聲音也幾乎與激波同時到達。
深水炸彈爆炸波的速度要快得多
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