Азот и молнии. Об атмосферных ядерных реакциях и апокалипсисе на кончике пера
Несостоявшийся планетарный пожар
Ранняя история ядерного оружия, вернее, предыстория бомбардировок Хиросимы и Нагасаки — это гремучая смесь фундаментальной науки, игр спецслужб, цейтнота, политики и сделок с совестью. Первой систематической работой о научной составляющей Манхэттенского проекта была книга «Ярче тысячи солнц», написанная австрийским автором Робертом Юнгом.
И эта книга, и вышедшие в 1962 году мемуары бригадного генерала Лесли Гровса под названием «Теперь об этом можно рассказать» красочно демонстрируют, что проделанная в рамках проекта работа была в высшей степени первопроходческой, когда о последствиях следующего шага оставалось только догадываться. Так, именно в рамках Манхэттенского проекта был придуман метод Монте-Карло, а для выполнения огромного объема расчетов при отсутствии ЭВМ были мобилизованы сотрудницы-вычислительницы.
Лесли Гровс с солдатской прямотой не скрывает, что отнесся к коллективу ученых-атомщиков как к сборищу фриков, которых нужно потерпеть в условиях военного времени и для выполнения поставленной боевой задачи. Когда по итогам Ялтинской конференции стало понятно, что исход войны в Европе предрешен, а война на Тихом океане далека от завершения, когда в расчете на потенциальные потери личного состава в Японии было изготовлено полмиллиона «Пурпурных сердец» (американский орден, вручаемый за ранение или гибель в бою), вручаемых по сей день — стремление как можно быстрее поставить точку в войне представлялось единственной приоритетной целью. Личные конфликты в коллективе и даже выявление советских шпионов отходят на второй план. Последняя глава в книге Гровса называется «Нагасаки».
Но, как показало время, в 1945 году история Лос-Аламосской лаборатории только начиналась, а вместе с ней начиналась холодная война, требовавшая исследовать все более жаркие ядерные реакции. Именно к этому периоду (1946 год) относится удивительный эпизод, изложенный в докладе под редакцией Артура Комптона (1892 — 1962). Доклад (титульная страница которого вынесена в качестве иллюстрации к этой статье) резюмирует спор между Хансом Бете (1906 — 2005) и Эдвардом Теллером (1908 — 2003) по поводу апокалиптической опасности водородной бомбы.
Эдвард Теллер и его коллега, математик Станислав Улам, приступили к исследованию термоядерного синтеза и возможностей его боевого применения еще в 1941 году. Классическая конструкция водородной бомбы названа именно в честь них:
Создание атомной бомбы можно считать промежуточным этапом на пути к созданию водородной бомбы, так как инициирующим звеном в первой ступени служит именно ядерный заряд. Именно по схеме Теллера и Улама был реализован процесс имплозии, то есть «обжатия» ядерного заряда, чтобы он достигал критической массы именно в тот момент, когда бомба уже сброшена с самолета. По принципу имплозии действовала бомба «Толстяк» и большинство других атомных бомб США, в которых в качестве заряда использовался не уран, получаемый методом газовой диффузии, а плутоний, получаемый обогащением урана.
Но именно у Теллера, разбиравшегося в устройстве и потенциальном эффекте водородной бомбы лучше, чем кто бы то ни было из его современников, в 1945 году возникли серьезные сомнения в том, стоит ли вообще создавать такое оружие. Теллер предположил, что при запуске термоядерной реакции в атмосфере могут быть достигнуты настолько высокие температуры, что цепная реакция перекинется на атмосферный азот.
Теллер предположил, что в атмосфере может начаться реакция термоядерного синтеза с участием азота, а в воде — реакция с участием тяжелого водорода (дейтерия). Оппенгеймера не на шутку обеспокоил такой вариант развития событий, поэтому он оперативно связался с Артуром Комптоном, в тот момент находившимся в отпуске. Суть беседы, со слов журналиста Перла Бака, взявшего интервью у Артура Комптона, была такова:
Артур Комптон объяснил мне, что ядра водорода нестабильны, поэтому могут сливаться в ядра гелия, что сопровождается выделением огромной энергии, что и происходит на Солнце. Для запуска такой реакции необходима очень высокая температура, но не такая ли температура возникнет при взрыве атомной бомбы?
Также Оппенгеймера беспокоило, что может случиться с водородом, содержащимся в морской воде. Не взорвет ли атомная бомба океан, и что тогда будет?
«Земля испарится», — сказал я (Перл Бак — прим. авт.)
«Точно,» — сказал Комптон — «Это был бы конец света. Лучше стать рабами нацистов, чем стать палачами всего человечества».
Вот как выглядела бы физика этого процесса:
Если перед нами стоит задача поджечь атмосферу, то важнее всего учесть реакцию термоядерного синтеза с участием атомов азота. От слияния атомов азота в атмосфере должны образовываться новые ядра, и при этом выделяется энергия:
14N + 14N → 24Mg + 4He или 16O + 12C
Если всю энергию, выделяющуюся при слиянии двух атомов азота, можно было бы направить на подпитку следующей реакции, этого было бы достаточно, чтобы в атмосфере запустилась цепная реакция. Но, если температура и давление в области взрыва недостаточно высоки, то эта энергия ничтожна по сравнению с потерями энергии на другие процессы. С большой вероятностью термоядерная реакция затухла бы сама собой.
Даже при сильно завышенной температуре в 11 миллиардов градусов Кельвина, которая использовалась в расчетах 1946 года, энергия, генерируемая при таких ядерных реакций, была бы в тысячу раз ниже энергетических потерь. В реальности при взрыве атомной бомбы на очень краткие периоды могут возникать температуры в миллионы градусов, но этого и близко не хватит, чтобы термоядерный синтез азота достиг заметных масштабов.
Еще сложнее при ядерном взрыве поджечь океан. В таком сценарии важнее всего учесть реакцию со слиянием двух атомов дейтерия:
2D + 2D → 3H + 1H или 3He + нейтрон
В данном случае важно, что на 6500 атомов водорода-протия в воде содержится всего один атом водорода-дейтерия. Но, если бы в воде кроме кислорода содержался один только дейтерий, а не обычный водород, термоядерная реакция все равно не поддерживалась бы, так как давление было бы слишком низким. Для ядерного синтеза с участием дейтерия нужно такое давление, как в ядре Солнца, то есть в сотни миллионов раз выше, чем на дне океана.
Разумеется, ни в 1945, ни в 1946 году невозможно было с точностью рассчитать температуру и давление, возникающие при ядерном или термоядерном взрыве. Артур Комптон полагал, что испытание атомной бомбы можно произвести, если вероятность возникновения термоядерной реакции в азоте составит менее трех на миллион. Теоретически она действительно оказалась немного меньше, и сначала состоялось испытание бомбы модели «Толстяк» на полигоне «Аламогордо», а затем были атомные бомбардировки Японии.
Ханс Бете. Брифинг на траве
Уже в 1970-е Хансу Бете пришлось вновь заверять журналистов в том, что термоядерные реакции, а именно:
16O + 1H → 17F + гамма-излучение
2D + 2D → 3H + 1H
2D + 2D → 3He + нейтрон
2D + 1H → 3He + гамма-излучение
не могут произойти и при подрыве водородной бомбы. В 1976 году он даже написал специальное опровержение к статье некого Дадли, вышедшей годом ранее и озаглавленной «The Ultimate Catastrophe».
Ядерные реакции в атмосфере
Тем не менее, в атмосфере действительно происходят не только ядерные реакции, но и реакции аннигиляции (во втором случае — между электронами и позитронами). Эти явления были открыты японскими учеными в 2017 году. Оказалось, что инициирующим зарядом для ядерных реакций с участием азота и кислорода является молния.
Еще в 1970-е годы индийские ученые обнаружили, что в Гималаях при грозах происходят заметные всплески количества нейтронов в атмосфере, а сам процесс высвобождения нейтронов при грозовых разрядах был зафиксирован в 1991 году с космической станции «Мир».
Толчком к исследованиям, проделанным японскими учеными в 2017–2018 годах, стали вспышки гамма-излучения, зарегистрированные во время грозы 6 февраля 2017 года. В статье, опубликованной в журнале »Nature», авторы исследования сообщают:
«Молнии и грозовые облака являются естественными ускорителями частиц. В электрическом поле внутри грозового облака развиваются лавинообразные потоки убегающих электронов, которые испускают тормозное гамма-излучение. Энергии этих гамма-лучей достаточно для запуска атмосферных фотоядерных реакций, при которых образуются нейтроны, а в конечном итоге — и позитроны. Источником последних является β+ распад нестабильных изотопов, в особенности 13N, вероятно, возникающего при реакции 14N+γ→13N+n, где γ — фотон, а n — нейтрон. Во время грозы 6 февраля 2017 года в Японии вспышка гамма-излучения длительностью менее одной миллисекунды была зафиксирована детекторами, расположенными на расстоянии 0,5 — 1,7 км от места вспышки. Послесвечение, вызванное гамма-излучением, быстро прошло, но за ним последовало длительное излучение (продолжительностью около минуты) с энергией около 0,511 МэВ. Предположительно, эта последняя стадия излучения связана именно с аннигиляцией между позитронами и электронами».
В 2019 году появились соображения о том, что грозовые разряды являются не единственным источником гамма-излучения в атмосфере. Более того, одной лишь электрофизикой грозового облака невозможно объяснить возникновение земных гамма-вспышек (terrestrial gamma-flashes, TGF), впервые зафиксированных все в том же 1991 году американским космическим аппаратом BATSE, выведенным на орбиту в составе американской обсерватории «Комптон» для исследования гамма-излучения. TGF значительно продолжительнее, чем разряд молнии, причем процесс образования нейтронов в атмосфере может даже предшествовать грозовому разряду и, соответственно, использоваться для обнаружения еще не возникших молний.
Итак, в атмосфере Земли обычны не только ядерные реакции, но и гамма-всплески, и реакции аннигиляции. Пока остается лишь догадываться, каков их точный вклад в изотопный состав земной атмосферы, а также какова специфика таких реакций в атмосферах других планет, в особенности на водородном Юпитере, чьи грозы также подкидывают ученым немало вопросов.
С учетом вышеизложенного мне думается, а решились бы Комптон и Оппенгеймер на применение атомной бомбы, если бы знали о существовании фотоядерных реакций? Решились бы они испытать атомную бомбу в грозу, либо испугались бы спровоцировать над японскими островами не только термоядерную, но и аннигиляционную реакцию? История не терпит сослагательного наклонения, но было бы по-настоящему интересно увидеть, как Артур Комптон отреагировал бы на данные, добытые космической обсерваторией его имени, а также на саму концепцию фотоядерных реакций, до появления которой он не дожил.
Но дожили Бете и Теллер.
