硬核解析：用爆炸物理學帶你了解，黎巴嫩貝魯特大爆炸的"真面目"

爆炸衝擊波傷專家探討了化學和歷史中捕獲的視頻，席捲世界。

2020年8月4日，一場巨大的爆炸在黎巴嫩首都——貝魯特市中心掀起了&34;：這一大規模爆炸，造成了數千人員傷亡。隨後，這一&34;爆炸的視頻幾乎以同樣快的速度波及到了全世界。現在，在貝魯特港口盡頭的一座存放2750噸硝酸銨的儲存區中的爆炸細節陸續傳來，全世界都在等待最終的死亡、受傷和損失統計數字。不過，從某種程度上來說，我們對此已經有所預料，因為全球各地以前也發生過類似的爆炸事件。

從15年的&34;天津濱海新區爆炸事故，再到19年的&34;響水化工企業爆炸事故，這一些大大小小的化工廠爆炸事件，讓我們可以較容易地收集到這些意外爆炸事故的案例分析信息。雖然相較於更普通的爆炸事故，很少有這麼大的規模，但同樣的物理和化學（化工）原理也適用。通過&34;+&34;，讓我們可通過一些初步的計算來解開這次爆炸的謎底。

1917年，600萬磅重（約2722噸）的烈性炸藥在加拿大新斯科舍省哈利法克斯港意外爆炸，留下了一大片殘骸，至少截止至上周二之前，這是人類有史以來最大規模的非核爆炸。隨著我們對貝魯特爆炸事件的了解越來越多，貝魯特有可能挑戰這一記錄，哈利法克斯港事故的故事告訴我們，我們應該從這些化工爆炸事故中學到些什麼。而實拍的手機視頻，以及科學家們在這近一個世紀的時間中收集的爆炸物理學模型和化工事故分析經驗，可以告訴我們為什麼這些事故會以如此慘烈的方式發生。

解讀一|該事件的主謀：硝酸銨——擁有活潑的化學性質

每一場火災都是分子的重新排列，而爆炸基本上就是一場被渦輪增壓成超能量燃燒的火焰&34;。不穩定的結構可以看作一個&34;的過程，彼此交換原子——直到所有的原子都對&34;感到滿意後，它們才幸福地進入更放鬆、更低能量的較穩定狀態，就像巖石滾落到達山腳一樣（轉化了勢能）。但它們多餘的能量必須要流向其他某個地方。在篝火中，化學反應僅靠空氣中的氧氣就能輕鬆地進行，能量以熱和光的形式慢慢釋放出來。然而，在爆炸中，氧氣——這個魔鬼般的小煽動者，卻將這個過程推進到了超速狀態。

早期的爆炸報告顯示，引發爆炸的建築可能儲存了大量（約2750噸）的硝酸銨。這是一種易燃化學品，其作為肥料有著相對無害的表現，但也曾被實驗過作為火箭燃料。氧氣是導致硝酸銨爆炸致死的關鍵因素，鑑於上個世紀已經發生了47起已知的重大意外硝酸銨爆炸事件，不可否認，這是一個重要特徵。

簡單科普：什麼是硝酸銨？它是如何爆炸的？

&34;是一個帶有四個氫（H）的氮(N)原子，寫成NH4+，而 &34;的部分是一個帶有三個氧（O）的氮原子，NO3-。在一般的日常條件下，&34;和&34;的&34;與&34;將這兩個分子簇擁成一個無害的狀態，但當你加入火星或煙火時，這些分子就會意識到它們自身的原子可以變得更加活潑，並轉化成全新的東西。

當硝酸銨被製成肥料時，它會與其他化學物質混合，這些化學物質通常會阻止這種反應的發生。不過，正如2013年韋斯特化工廠（West Fertilizer Company）的爆炸事件所證明的那樣，這些化學品並不總是成功的。來自貝魯特的第一份報告顯示，化肥可能再次成為罪魁禍首。然而，在各大媒體上分享的照片顯示開看，標有 &34;（硝普裡爾）的袋子據稱存放在貝魯特碼頭，一些人猜測，如果這些照片準確真實的話，Nitroprill（硝普裡爾）可能是有名的澳大利亞化工公司的爆破劑Nitropril（硝普利）的仿製品。Nitropril（硝普利）是專為煤礦使用而設計的（常用於與TNT匹配製作），所以這種特殊品種的硝酸銨不會像化肥那樣與為了穩定化學性質的化學品混合使用，而是混合後進行增加爆破性。

而硝酸鹽，當混合攪拌時，就會把這些小O拋棄。它在化學性質上是不穩定的，這意味著N和O之間的鍵會以一種&34;的物理張力狀態下振動。由於過載的3個氧原子，NO3-迫不及待地想把它們推到周圍的鄰居（物體）身上，再加上一點點的熱量，就能讓物體移動，其會心甘情願地這麼做。同時，NH4+也非常樂意接受。

視頻解讀：在爆炸視頻中，究竟是發生了怎樣的化學反應？

硝酸銨的化學重排回答了許多公眾對視頻的疑問，包括令人吃驚的紅色煙霧的來源。其為NO3- 的副產品之一——NO2（二氧化氮），二氧化氮具有明顯的化學結構，並呈深血紅色。許多爆炸性物質在爆炸過程中都會釋放出與其化學成分相對應的特有顏色——早在20世紀20年代之前，用於給煙霧和爆炸著色的化學添加劑中就已經出現了，這也是我們可以從不同顏色煙花和信號彈得知其中不同化學元素的原因——而正是二氧化氮給硝酸銨爆炸帶來了其標誌性的、不祥的血色色調。在一些小規模的硝酸銨爆炸看起來很微妙，其呈橙色，但在貝魯特這樣的大規模爆炸中，在陽光的作用下會加深其顏色。

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據美國菸酒槍械和爆炸物局的特種炸彈技術員和認證爆炸專家布拉德·沃伊蒂拉克（Brad Wojtylak）稱，當煙霧足夠大時，它們就會開始捕捉陽光，經過折射會使任何爆炸產生的正常顏色變暗。沃伊蒂拉克（Wojtylak）雖並沒有直接參與貝魯特爆炸事件的調查，但他有16年調查爆炸事故的經驗。他表示，當陽光在汙染物煙霧中反射時，其他不太確定的波長就會向不同方向折射。當煙霧在如此大的範圍內發生時，只有波長最長的紅色會一直持續到另一邊的觀察者。所以，自然而然，該爆炸視頻中所顯示的紅色會變得比小規模的爆炸更深、更暗。

像軍用級武器中使用的任何炸藥一樣，純燃燒的炸藥會產生同樣純正的煙霧：雪白的、濃煙滾滾的白色，有時還會產生一些淡灰色。但是，像這類意外化工爆炸就沒有那麼整潔了，它們的粗放式燃燒也會產生灰燼、微粒和嚴重的黑色燒焦的汙染物質。這些黑色的粘稠物和其他副產物一起湧向天空，是爆炸時的煙霧染上顏色，就像篝火木材燃燒後留下的木炭殘渣一樣。在一位爆炸專家看來，這些視頻中黑色和紅色的滾滾雲團盤旋在貝魯特的碼頭上——這些顏色信息，不斷告訴我們其實 &34;。

解讀二|誤區：視頻中爆炸後，遭到強烈的撞擊的——並不是衝擊波

另外，視頻還顯示，從爆炸現場快速向外擴散出一個令人不寒而慄的&34;，這個由恐怖的&34;，最終衝向每一個拍攝者，並在音頻中以一段極為混亂的撞擊聲宣告其到來。這個半球，就是爆炸產生的壓力波。

衝擊波&壓力波，有很大的差別——會大大影響到預估傷亡人數

我們需要區分的是——不，這不是衝擊波。它是壓力波，這一關鍵的區別，會影響到預期的傷亡人數。衝擊波從零壓力到絕對最大壓力只需零秒。

直觀的區別：

壓力波的衝擊力就像物體從陡峭的懸崖上滾下來後撞到地面。

衝擊波的力道就像物體從空中落下達到極限速度後，撞擊地面。

不同波在日常中的應用：

烈性炸藥會產生衝擊波；低爆炸藥，如硝酸銨，會產生壓力波，壓力波的形狀有一點坡度，一段時間內，壓力會逐漸增加。

令人欣慰的是：此次爆炸事件產生的是壓力波

由於其迷人而複雜的物理特性，衝擊波的傳播速度比聲速還要快，造成的傷害遠比壓力波大得多。值得慶幸的是，我們知道這次爆炸沒有產生衝擊，因為這個充滿水蒸氣的白色穹頂狀物的速度是可以測量的。

在空氣中的聲速是343米/秒。根據後面一些畫面中拍攝的視角和獨特的紅色椅子照片，筆者將《衛報》發布的貝魯特視頻中的一個段畫面，追蹤到La Mezcaleria屋頂酒吧的屋頂露臺上的拍攝地點，測得它距離爆炸中心有885米。從這個有利位置，可以看到壓力波先整齊地從爆炸中心移動到橋墩末端和長而巨大灰色糧倉建築邊緣的中間點，距離為151米，然後到碼頭末端262米，最後到La Mezcaleria屋頂酒吧。

通過測量視頻上壓力波到達這些地標的時間，我們知道，當壓力波衝向碼頭時，其所飛馳的速度只有312米/秒。這對炸彈來說太慢了。當爆炸聲和撞擊聲傳到這個昔日寧靜、風景如畫的室外酒吧時，它的速度已經降至了289米/米。該壓力波比343米/秒的聲速要慢的多，由於耳朵受到快速壓力波動的影響，會使圍觀者迷失方向，並造成破壞、恐怖、混亂、玻璃碎裂、平面撕裂等一系列現象。但是，如果是衝擊波——可能會使他們在觀看時，因肺部創傷而當場死亡。

在1917年重達600萬磅（約2722噸）的加拿大哈利法克斯爆炸中，衝擊波在市中心的傳播造成大量傷亡，距離爆炸中心1.5英裡，估計造成1950人死亡，另有8000人受到嚴重受傷。(據悉，在港口爆炸的船隻攜帶的是高爆炸藥，而高爆炸藥的性質總是會產生衝擊波)。在貝魯特，值得慶幸的是，雖然據報導稱建築物的損壞已經達到了5.6英裡遠，但由於低爆炸性的硝酸銨製造的是壓力波而不是衝擊波。所以到目前為止，死亡人數估計仍在數百人，儘管炸彈的規模可能比哈利法克斯的炸彈還要大。

通過爆炸坑的大小：粗略預估其爆炸當量大小

對虧了現代科技技術的快速發展，即使在等待更完整的信息慢慢流出同時，也可以通過洩漏出的爆炸坑大小信息，科學地計算出該爆炸當量的大小。對該碼頭航拍照片的分析顯示，爆炸坑的直徑在120至140米之間；爆炸物理學與歷史的結合告訴我們，要從地球側面切割出這麼大的一塊，需要相當於170萬到540萬公斤TNT炸藥的爆炸當量。作為參考，1995年俄克拉荷馬市穆拉大樓爆炸相當於使用了1.8萬公斤的TNT炸藥。所以，貝魯特事故比俄克拉荷馬城事故至少要轟動1000倍。

順便說一句，值得注意的是：核武器是在離地面幾百英尺高的地方引爆的，因此不會直接在土壤上施加足夠的力量來製造彈坑。廣島上空的第一枚原子武器的引爆發生在距今正好整整75年前，儘管其對建築物和民眾造成了歷史上前所未有的創傷，但卻沒有留下任何彈坑。

德國也深知儲存不當的硝酸銨的破壞力，該國的一次事故更強化了爆炸當量的計算。1921年，德國奧帕烏的一次化肥爆炸，就造成了了一個與此次事故極為相似的爆炸坑。在410萬公斤硝酸銨爆炸後，德國奧帕烏事件爆炸坑的直徑為120米，它的大小支持了貝魯特碼頭可能還有數百萬公斤炸藥當量的觀點。早期報導說，貝魯特碼頭僅能容納2750噸(275萬公斤)炸藥當量。然而，即使只使用這2750噸，特別探員沃伊提拉克（Wojtylak）表示，他的初步計算顯示，那些免於這一大爆炸風險的人至少需要距離貝魯特碼頭15公裡。

解讀三|此次事故中，大多人因何傷亡？我們可以從中吸取哪些教訓

在這一半徑範圍內，在市中心位置發生如此巨大的爆炸所造成的傷害可能和經歷這些傷害的受害者一樣多種多樣，但其中有不少可能是來自玻璃和其他不明飛行物體。對於那些扁平的、精緻的、易碎的、安裝在高樓或街邊的玻璃，即使是極微小量級的衝擊波，其也是完美目標；它比其他任何物質都更容易破碎和擊飛。

在加拿大哈利法克斯事故中，最終引發主要爆炸的熊熊烈火與濃煙——意味著在爆炸時，市民們已經站在窗戶前開始饒有趣味的觀看。然而，這是傷亡中最直接、最主要因素。因此，在1917年早晨受傷的人群中，玻璃碎片擊中圍觀者眼睛的傷勢——在報導中以描述為 &34;。而此次事故中，儲存區所產生的那驚人滾滾濃煙和那奇特的深紅色，同樣吸引了貝魯特事故周邊有大量的圍觀者。如果沒有煙霧吸引這些目擊者，我們也就不會有如此充足的手機下事故畫面，但是，同樣的是，這也可能會減少受傷人數。

爆炸之後，傷員是如何被救治的呢？

據杜克大學醫院急診室醫生丹-巴克蘭（Dan Buckland）介紹，哈利法克斯爆炸導致的一系列事件，在發生大規模傷亡事件後，今天仍在急診室發生。巴克蘭曾治療過2019年北卡羅來納州達勒姆天然氣爆炸造成的傷員，雖然爆炸發生在人口密集的市中心，但爆炸規模要小得多。他說，第一波病人是那些地理位置上離急救中心很近的人，這些人雖然十分不幸地受傷了，但也足夠幸運地在救護車附近受傷。在那之後，醫院就會被 &34;所淹沒，這些傷員的傷勢足以自行尋求醫療服務。巴克蘭表示，增加倖存者人數的關鍵是讓第三波病人通過這扇門，穿過這第二波的人群。第三波是由現場核心地帶的傷者組成，他們傷勢極為嚴重，已經無法行走，梳理殘骸的急救人員接下來會將他們作為醫療優先對象。

在平民區發生爆炸後，應急救援人員並不是唯一的英雄。1917年12月6日上午9點多，在加拿大哈利法克斯，45歲的鬍子拉碴的火車調度員文森特·科爾曼(Vincent Coleman)知道，哈利法克斯港裝滿炸藥的輪船冒出的滾滾濃煙是一個可怕的預兆，預示著更糟糕的情況即將到來。但當其他調度員紛紛逃命時，科爾曼（Coleman）意識到隨時會有多少乘客到達哈利法克斯，所以他留了足夠的時間發了最後一封電報:&34; 科爾曼在9點05分的爆炸中喪生，但他的最後一封電報拯救了成千上萬的人，不僅是火車上的乘客在進入已被爆炸破壞的區域前得以停靠，還有已經在哈利法克斯的市民：電報信號傳到了周邊地區的每一個接線員手中，因為科爾曼思維敏捷，每一個在160公裡外感到大地隆隆作響的醫生，幾乎都能立即獲得關於發生了什麼事故。他們都迅速趕到一線進行救援。

醫務人員以最快的速度處理了儘可能多的第一波、第二波、甚至第三波傷員，有的甚至在火車上建立了臨時治療中心。我們可以相信的是，在貝魯特事故中，也將逐漸出現那些感人、鼓舞人心的故事（無論在哪，大家都是心繫一方——畢竟生命是如此的難能可貴），以及對傷亡損失人數的最終統計。但與此同時，在拍攝爆炸的人和物理學的應用之間，我們可以防止任何陰謀論或誤解的升級。不過我們慶幸的是這次爆炸不是軍用級別的炸彈，也肯定不是核彈。可悲而又不幸的是，這只是歷史再次重演的悲劇：爆炸物具有毀滅性的殺傷力，我們永遠不應該低估它們的破壞力。

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撰寫：GolevkaTech

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