Pogląd naukowy: Cechy wybuchu w Bejrucie

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Tragiczna wiadomość o ogromnej eksplozji w Bejrucie, która zajęła pierwsze linie zasobów informacyjnych, rodzi naturalne pytania: jak to się mogło stać, co tam eksplodowało, z jakich powodów takie incydenty są możliwe? Aby to zrozumieć, przyjrzyjmy się bliżej właściwościom azotanu amonu i związanym z nim zagrożeniom.

Co wydarzyło się w Bejrucie?

Krótko mówiąc, sytuacja wygląda tak: sześć lat temu statek Rhosus wpłynął do portu w Bejrucie na nieplanowaną naprawę. Należał do firmy Igora Grechushkina, pochodzącego z Chabarowska. Władze portowe nie zwolniły statku ze względu na braki w systemach bezpieczeństwa i dokumentach ładunkowych. Stopniowo zespół opuszczał Rhosus, a jego ładunek, który składał się z 2750 ton saletry amonowej, został przeniesiony do magazynu w porcie, gdzie był przechowywany przez kolejne sześć lat. Warunki przechowywania okazały się niewystarczająco niezawodne, dlatego w celu ograniczenia dostępu do tego ładunku w magazynie prowadzono prace spawalnicze, ze względu na niewłaściwą organizację bezpieczeństwa, których pirotechnika składowana w tym samym magazynie następnie ulegała zapłonowi.

Rozpoczął się pożar, wspomagany spalaniem i fajerwerkami. Po pewnym czasie zmagazynowana saletra amonowa eksplodowała. Fala uderzeniowa wywołana tą eksplozją wywarła ogromny niszczący wpływ na okoliczne obszary Bejrutu: dziś zginęło ponad 130 osób, a ich liczba stale rośnie, ponieważ coraz więcej ciał odkrywanych jest podczas rozbiórki gruzów budynków i konstrukcji. Rannych zostało ponad pięć tysięcy osób.

Zdjęcia z kosmosu wykonane przez satelitę Kanopus-V. Powyższe zdjęcie pochodzi z 4 listopada 2019 r., a zdjęcie poniżej to dzień po wybuchu. / © Roskosmos.ru

Ogromna liczba domów została zniszczona w różnym stopniu, zniszczenia dotknęły połowę budynków w Bejrucie, około 300 tysięcy mieszkańców zostało bez dachu nad głową. Według gubernatora stolicy Libanu, Marwana Abbouda, szkody spowodowane eksplozją szacuje się na od trzech do pięciu miliardów dolarów. Zdjęcia z kosmosu portu w Bejrucie, wykonane przed i po tragedii, pokazują obszar nieustannego zniszczenia wokół całego obszaru portu. W Libanie ogłoszono trzydniową żałobę.

Co to jest azotan amonu

Azotan amonu, inaczej azotan amonu, jest solą amonową kwasu azotowego, ma wzór chemiczny NH₄NO₃ i składa się z trzech pierwiastków chemicznych – azotu, wodoru i tlenu. Wysoka zawartość azotu (około 1/3 masy) w formie łatwo przyswajalnej przez rośliny pozwala na szerokie zastosowanie saletry amonowej jako efektywnego nawozu azotowego w rolnictwie.

W związku z tym azotan amonu jest stosowany zarówno w czystej postaci, jak i jako składnik innych złożonych nawozów. Większość saletry produkowanej na świecie jest wykorzystywana właśnie w tym charakterze. Fizycznie azotan amonu jest białą substancją krystaliczną, w postaci przemysłowej w postaci granulek o różnej wielkości.

Jest higroskopijny, to znaczy dobrze wchłania wilgoć z atmosfery; podczas przechowywania ma tendencję do zbrylania się, tworzenia dużych gęstych mas. Dlatego przechowuje się ją i transportuje nie w postaci stałej masy sypkiej, ale w gęstych i trwałych workach, które nie pozwalają na tworzenie się dużych zbrylonych mas, które są trudne do poluzowania.

Operacje strzałowe w kopalniach odkrywkowych z użyciem saletry amonowej jako elementu przemysłowych materiałów wybuchowych / ©Flickr.com.

Azotan amonu jest silnym środkiem utleniającym. Trzy atomy tlenu, które tworzą jego cząsteczkę, stanowią 60 procent masy. Innymi słowy, azotan amonu to więcej niż połowa tlenu, który po podgrzaniu jest łatwo uwalniany z jego cząsteczki. Rozkład termiczny azotanów zachodzi w dwóch głównych postaciach: w temperaturze poniżej 200 stopni rozkłada się na tlenek azotu i wodę, a przy temperaturze około 350 stopni i powyżej jednocześnie z wodą powstaje wolny azot i wolny tlen. To dzieli azotan amonu na kategorię silnych utleniaczy i z góry określa jego zastosowanie w produkcji różnych materiałów wybuchowych, które wymagają środka utleniającego.

Saletra amonowa – składnik przemysłowych materiałów wybuchowych

Saletra amonowa wchodzi w skład wielu rodzajów przemysłowych materiałów wybuchowych i ma w tym szerokie zastosowanie, głównie w górnictwie. Człowiek nie wynalazł jeszcze niczego bardziej skutecznego niż eksplozja do niszczenia skał. Dlatego prawie każda praca z nimi opiera się na wybuchu: od wydobycia w kopalniach po odkrywki i kamieniołomy.

Przemysł wydobywczy zużywa ogromne ilości materiałów wybuchowych, a każde przedsiębiorstwo górnicze czy kopalnia węgla zawsze ma własną fabrykę do produkcji materiałów wybuchowych, które są zużywane w dużych ilościach. Względna taniość saletry amonowej umożliwia wykorzystanie jej do masowej produkcji różnych przemysłowych materiałów wybuchowych.

I tutaj możemy zauważyć niesamowitą rozpiętość powstawania systemów wybuchowych przez azotan amonu. Mieszając azotan z dosłownie dowolną palną substancją, można uzyskać system wybuchowy. Mieszaniny azotanu ze zwykłym proszkiem aluminiowym tworzą amonale, które dlatego nazywane są saletrą amonową – ALUMINIUM. 80% masy amonalu to azotan amonu. Amonale są bardzo skuteczne, dobrze wysadzają skały, niektóre odmiany nazywane są amonalami skalnymi.

Potężny wybuch podczas operacji górniczych / © Flickr.com.

Jeśli zaimpregnujesz azotan olejem napędowym, otrzymasz kolejną klasę przemysłowych materiałów wybuchowych - igdanity, nazwane na cześć Instytutu Górnictwa Instytutu Górnictwa Akademii Nauk ZSRR. Saletra jest zdolna do tworzenia mieszanin wybuchowych, gdy zostanie zaimpregnowana praktycznie każdą łatwopalną cieczą, od oleju roślinnego po olej opałowy. Inne klasy materiałów wybuchowych na bazie azotanów wykorzystują dodatki do różnych materiałów wybuchowych: na przykład amonity (nie są to tylko kopalne głowonogi) zawierają TNT lub RDX. W czystej postaci azotan amonu jest również wybuchowy i może detonować. Ale jego detonacja różni się od detonacji przemysłowych lub wojskowych materiałów wybuchowych. Co dokładnie? Przypomnijmy pokrótce, czym jest detonacja i czym różni się od zwykłego spalania.

Co to jest detonacja

Aby w substancjach palnych rozpoczęły się reakcje spalania, atomy paliwa i utleniacza muszą zostać uwolnione i zbliżone do siebie, aż do utworzenia między nimi wiązań chemicznych. Uwolnienie ich z cząsteczek, w których są zawarte, oznacza zniszczenie tych cząsteczek: powoduje to podgrzanie cząsteczek do temperatury ich rozkładu. I to samo ogrzewanie łączy atomy paliwa i utleniacza, tworząc między nimi wiązanie chemiczne - w reakcję chemiczną.

W normalnym spalaniu - zwanym deflagracją - reagenty są ogrzewane przez normalne przenoszenie ciepła z czoła płomienia. Płomień nagrzewa warstwy substancji palnej, a pod wpływem tego nagrzewania substancje rozkładają się przed rozpoczęciem reakcji spalania chemicznego. Mechanizm detonacji jest inny. W nim substancja jest podgrzewana przed rozpoczęciem reakcji chemicznych na skutek ściskania mechanicznego w dużym stopniu - jak wiadomo, przy silnym ściskaniu substancja nagrzewa się.

Takie sprężenie daje falę uderzeniową przechodzącą przez detonujący materiał wybuchowy (lub po prostu objętość, jeśli detonuje ciecz, mieszanina gazów lub układ wielofazowy: na przykład zawiesina węgla w powietrzu). Fala uderzeniowa ściska i nagrzewa substancję, wywołuje w niej reakcje chemiczne z wydzieleniem dużej ilości ciepła i sama jest zasilana przez tę reakcję uwalnianą bezpośrednio do niej.

I tutaj bardzo ważna jest prędkość detonacji - czyli prędkość fali uderzeniowej przechodzącej przez substancję. Im jest większy, tym silniejszy materiał wybuchowy, wybuchowa akcja. W przypadku przemysłowych i wojskowych materiałów wybuchowych prędkość detonacji wynosi kilka kilometrów na sekundę - od około 5 km/s dla amonitów i amonitów i 6-7 km/s dla TNT do 8 km/s dla RDX i 9 km/s dla HMX. Im szybsza detonacja, tym większa gęstość energii w fali uderzeniowej, tym silniejszy jest jej efekt destrukcyjny, gdy opuszcza ona granice materiału wybuchowego.

Jeśli fala uderzeniowa przekroczy prędkość dźwięku w materiale, rozdrabnia go na kawałki – nazywamy to wybuchem. To ona rozbija na kawałki korpus granatu, pocisku i bomby, kruszy skały wokół odwiertu lub odwiertu wypełnionego materiałami wybuchowymi.

Wraz z odległością od materiału wybuchowego siła i prędkość fali uderzeniowej maleją, a z pewnej niewielkiej odległości nie może ona już zgniatać otaczającej substancji, ale może oddziaływać na nią swoim naciskiem, pchać, zgniatać, rozpraszać, rzucać, rzucić. Taka akcja ściskania, miażdżenia i rzucania nazywana jest wybuchową.

Cechy detonacji azotanów

Przemysłowy azotan amonu bez żadnych dodatków tworzących materiały wybuchowe, jak wspomnieliśmy powyżej, może również detonować. Jego prędkość detonacji, w przeciwieństwie do przemysłowych materiałów wybuchowych, jest stosunkowo niska: około 1,5-2,5 km/sek. Rozprzestrzenianie się prędkości detonacji zależy od wielu czynników: w jakiej formie jest saletra w postaci granulek, jak mocno są one sprasowane, jaka jest aktualna wilgotność saletry i wielu innych.

Dlatego saletra nie działa piaskowanie - nie kruszy otaczających materiałów. Ale silnie wybuchowy efekt detonacji azotanu daje dość namacalne. A moc konkretnej detonacji zależy od jej ilości. Przy dużych masach wybuchowych silnie wybuchowy efekt eksplozji może osiągnąć destrukcyjność na dowolnym poziomie.

Następstwa eksplozji w Bejrucie / © „Lenta.ru”

Mówiąc o detonacji, zwracamy uwagę na jeszcze jeden ważny punkt – jak to się zaczyna. Rzeczywiście, aby fala uderzeniowa kompresji przeszła przez materiał wybuchowy, musi zostać jakoś wystrzelona, stworzona z czegoś. Samo podpalenie materiału wybuchowego nie zapewnia kompresji mechanicznej wymaganej do zainicjowania detonacji.

Tak więc na małych kawałkach TNT, podpalonych zapałką, całkiem możliwe jest zagotowanie herbaty w kubku - palą się z charakterystycznym sykiem, czasem palą, ale palą się cicho i bez wybuchu. (Opis nie jest rekomendacją do robienia herbaty! Nadal jest niebezpiecznie, jeśli kawałki są duże lub zanieczyszczone.) Aby wywołać detonację, potrzebujesz detonatora - niewielkiego urządzenia ze specjalnym ładunkiem wybuchowym włożonym do głównego korpusu materiałów wybuchowych. Eksplozja detonatora, ciasno włożonego w główny ładunek, uruchamia w nim falę uderzeniową i detonację.

Co mogło spowodować detonację

Czy detonacja może nastąpić spontanicznie? Być może: zwykłe spalanie może przekształcić się w detonację, gdy jest przyspieszane, wraz ze wzrostem intensywności tego spalania. Jeśli zapalisz mieszankę tlenu z wodorem - gaz wybuchowy - zacznie się cicho palić, ale wraz ze wzrostem frontu płomienia spalanie zamieni się w detonację.

Spalanie wielofazowych układów gazowych, takich jak wszelkiego rodzaju zawiesiny i aerozole, które wykorzystuje się w amunicji do wybuchu objętościowego, szybko zamienia się w detonację. Spalanie paliwa może również przekształcić się w detonację, jeśli ciśnienie w silniku zacznie gwałtownie rosnąć, w sposób niezgodny z projektem. Wzrost ciśnienia, przyspieszenie spalania - to są warunki przejścia od zwykłego spalania do detonacji.

Również katalizatorami spalania mogą być różne dodatki, zanieczyszczenia, zanieczyszczenia - a dokładniej one lub ich składniki, które przyczynią się do lokalnego przejścia w detonację. Utleniona, zardzewiała amunicja jest bardziej podatna na detonację, jeśli materiał wybuchowy sąsiaduje z utlenioną częścią kadłuba. Jest wiele niuansów i punktów w inicjacji detonacji, które pominiemy, więc wróćmy do pytania: jak saletra mogła wybuchnąć w magazynie?

I tu jest oczywiste, że pirotechnika mogłaby doskonale pełnić rolę detonatora. Nie, tylko syczący rakieta z prochu nie spowodowała detonacji saletry swoją siłą dymu z iskrami. Ale wideo uchwyciło liczne masowe wybuchy iskrzące się w dymie ognia przed wybuchem saletry. Są to małe wybuchy rozrzuconych elementów pirotechnicznych fajerwerków. Służyły jako oczywisty początek detonacji. Nie, to nie były zapalniki przemysłowe.

Jednak w warunkach pożaru, nagrzewania się płomieniem dużych powierzchni saletry i masywności tysięcy operacji pirotechnicznych, rakiety te prawdopodobnie zostały wprowadzone w rozgrzaną powierzchnię saletry wraz z kolejnymi eksplozjami w gorącej saletrze. W pewnym momencie nastąpiła jego detonacja pod takim uderzeniem - i rozprzestrzeniła się na cały szereg przechowywanej saletry.

Trudno szczegółowo analizować dalsze wydarzenia bez szczegółowych informacji i badania miejsca wybuchu. Nie wiadomo, w jakim stopniu zdetonowano wszystkie 2750 ton. Detonacja nie jest jakimś absolutnym początkiem, który zawsze ma miejsce tak, jak jest napisany na papierze. Zdarza się, że ułożone razem brykiety TNT detonują nie wszystkie: niektóre z nich po prostu rozpraszają się na boki, jeśli nie zostaną podjęte niezawodne środki w celu przeniesienia detonacji między nimi.

Po potężnych eksplozjach skał, kiedy wysadzane są setki tysięcy studni wypełnionych materiałami wybuchowymi (w materiał wybuchowy można je wyposażyć przez cały miesiąc), po opadnięciu tumany pyłu do strefy wybuchu zawsze najpierw wchodzą tylko specjaliści i sprawdzają, co eksplodowało i co nie wybuchło. Zbierają również niewybuchy. Tak jest z saletrą w magazynie w porcie w Bejrucie: kompletność detonacji wybuchu całej masy azotanu jest trudna do ustalenia, ale jasne jest, że była dość duża.

Cechy wybuchu w Bejrucie

Sam obraz eksplozji dobrze koresponduje z detonacją azotanu. Duża kolumna czerwonawo-brązowego dymu po wybuchu to typowy kolor chmury z czerwonymi tlenkami azotu, które są uwalniane w dużych ilościach podczas rozkładu azotanów w wybuchu. Ze względu na małą prędkość detonacji azotanu nie doszło do masowego kruszenia.

Dlatego w miejscu eksplozji nie uformował się duży krater: materiały pirsów i betonowe pokrycie gruntu magazynów nie były szczegółowo opisane, dlatego nie zostały wyrzucone. Dzięki temu nie doszło do bombardowania miasta odłamkami lecącymi z obszaru wybuchu, a wysoki sułtan odłamków latających i odłamków powstałych w wyniku wybuchu nie uniósł się ponad miejsce wybuchu.

Słup dymu zabarwiony emisją tlenków azotu podczas rozkładu azotanu amonu / © dnpr.com.ua.

Jednocześnie obfite wydzielanie gazowych produktów spalania - pary wodnej, tlenków azotu - nadało obrazowi wybuchu cechy wybuchu wolumetrycznego. Oprócz szybko przechodzącej fali uderzeniowej, wystarczająco silnej i widocznej jako szybka mglista ściana, na zdjęciu widać zbliżającą się ścianę rozprężających się gazów wybuchowych, zmieszanych z pyłem i unoszących się z powierzchni ziemi przy szybkim zbliżeniu. Jest to typowe dla wybuchów o dużej objętości i niskiej prędkości detonacji.

Charakter uszkodzeń budynków z dużym prawdopodobieństwem pokaże, że dotknęła ich nie tylko sama fala uderzeniowa – potężna, ale krótkotrwała – ale także dłuższa ekspozycja na rozprężający się strumień gazowo-powietrzny rozproszony z obszaru wybuchu.

Eksplozje azotanów do Bejrutu

Eksplozje nawozów na bazie soli kwasu azotowego zdarzały się już wcześniej, są one dobrze znane, takich przypadków w historii jest wiele. Tak więc 1 września 2001 roku w Tuluzie w fabryce nawozów firmy Grande Paroisse eksplodował hangar, w którym zdetonowano 300 ton saletry amonowej. Zginęło około 30 osób, tysiące zostało rannych. Wiele budynków w Tuluzie zostało uszkodzonych.

Wcześniej, 16 kwietnia 1947 roku, na pokładzie statku „Grancan” w porcie Texas City w USA doszło do wybuchu 2100 ton azotanu amonu. Poprzedził ją pożar na statku – podobna sytuacja i sekwencja wydarzeń. Wybuch spowodował pożary i wybuchy na pobliskich statkach i magazynach ropy. Zginęło około 600 osób, setki zaginęły, ponad pięć tysięcy zostało rannych.

21 września 1921 r. w zakładach chemicznych BASF w pobliżu miasta Oppau w Bawarii wybuchło 12 tysięcy ton mieszaniny siarczanu amonu i saletry amonowej. Eksplozja takiej mocy utworzyła ogromny krater, dwie najbliższe wioski zostały zmiecione z powierzchni ziemi, a miasto Oppau zostało zniszczone.

W 2004 roku w północnokoreańskim mieście Ryongcheon miały miejsce katastrofalne eksplozje azotanu amonu, które spowodowały wielkie zniszczenia i liczne ofiary; w 2013 roku w mieście West w Teksasie, USA; w 2015 roku w portowym mieście Tianjin w Chinach. A lista jest długa.

Niestety saletra amonowa, ze wszystkimi ogromnymi zaletami, jakie niesie ze sobą dla człowieka, pozostaje niebezpiecznym przedmiotem, wymagającym przestrzegania szeregu wymogów bezpieczeństwa podczas obchodzenia się. A niedbalstwo czy zaniedbanie może spowodować nowe tragedie, którym zapobieganie wymaga zarówno zaostrzenia zasad postępowania z azotanami, jak i zwiększenia odpowiedzialności za ich przestrzeganie i wdrażanie.