핵폭발 이후② 다양한 파괴 현상
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핵폭발 이후② 다양한 파괴 현상

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입력 : 2013-04-04 14:07:00 | 수정 : 2013-04-09 10:03:43

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핵탄이 폭발하면 충격파(폭풍), 열선, 방사선, 전자기파펄스(EMP)electromagnetic pulse 등이 발생하는데 그 효과는 지표면과 폭발점의 상대적 위치에 따라 달라진다. 그러나 전형적인 공중폭발에서 폭풍과 열이 전체에너지의 약 85%를 차지한다. 그리고 초기 방사능이 5%, 잔류 방사능이 10%를 점한다. 또한 핵폭발에서는 전자기기에 심대한 영향을 끼치는 에너지인 EMP가 방출된다.

● 전자기파 펄스
핵폭발에 의해 생기는 방사선은 대기와의 상호작용에 의해 수kHz나 수백MHz에 이르는 광역대의 주파수 성분을 가진 순간적인 EMP를 발생시킨다. 이 EMP는 핵폭발과 거의 동시에 최대값에 달했다가 그후 천천히 감소한다.
일반적으로 핵폭발로 인한 전자장의 변화로는 도체 내에 유도전류를 일으켜 도체 내에는 과도전류가 흐르게 되는 것이다. 특히 전자회로에 순간적으로 과대한 전류가 흐르게 되어 전자장치가 손상되는데 이 효과는 폭풍과 열선이 미치지 않는 원격지까지도 순간적으로 미칠 수 있다. 예를 들면 1962년 존스턴 섬에서 미국의 고고도 핵폭발실험이 실행되는 순간 1,300㎞ 떨어져 있는 하와이 오하우 섬의 가로등 30개가 일제히 꺼져 호놀룰루 시내에 준비된 수백 개의 도난경보기가 일제히 울리기 시작했고 전선의 전류차단기가 가동되는 사고가 발생했던 일이 있다.
EMP의 발생은 핵반응에 의한 초기 방사선에서 기인하는 것이다. 초기 방사선과 그 전리電離작용이 폭발 주변의 공기를 이온화시켜 전리영역을 형성한다. 그러나 만일 이것이 완전한 공 모양의 대칭형으로 형성된다면 EMP는 생기지 않는다. 그러나 지표폭발 때 전리영역은 거의 반구형으로 형성되어 전체적으로 전자류가 위를 향하게 되는데 이 전자류에 대항하여 강한 좌회전의 자장이 발생한다. 이 때문에 폭발지점 가까운 곳에는 강한 EMP(수백~수천kV/m)가 발생한다. 중간고도의 폭발 때는 고도에 의한 공기밀도의 차이와 핵폭발 방향 등에 따라 일정하지 않지만 공기 중에 포함되어 있는 수분의 분포 차이 때문에 전리영역은 구형으로 형성되지 않는다. 따라서 EMP가 발생하기는 하지만 지상에는 아주 약한 전자 펄스밖에 도달하지 않는다.
EMP의 영향이 아주 큰 것은 고고도 폭발의 경우다. 이 경우 하강하는 최초방사선은 지구를 감싸고 있는 공기층의 밀도가 두터워지는 고도에 이르면, 볼록 렌즈형의 넓은 전리영역을 형성한다. 따라서 Mt급의 핵탄이 폭발하면 지(수)평선의 범위까지 EMP의 효과가 미치게 된다. EMP 중 주파수대가 낮은 것에는 지(수)평선을 넘어서 번져나가는 것도 있다. 만약 미국 상공 320㎞ 지점에서 Mt 급의 핵폭발이 일어난다면 미국 전역과 캐나다 및 멕시코 일부 지역까지 강한 EMP의 충격이 미치게 될 것이다. 탄도 미사일 시스템, 위성 시스템, 항공기 시스템 등 많은 종류의 무기가 전자기기를 이용하기 때문에 EMP는 큰 위협이 된다. EMP에 대한 대비책으로는 각종 무기 시스템에 EMP의 전장이 미치기 않도록 전기적으로 차단하는 것이 제일이다. 광섬유는 EMP의 영향을 거의 받지 않는다.

● 불덩어리
핵폭발은 폭약과 비교해 볼 때 소량의 핵분열물질 또는 핵융합물질이 매우 짧은 시간에 막대한 에너지를 방출하면서 일어나는 것이기 때문에 대단히 높은 온도에서 에너지가 방출된다. 통상 폭약의 경우는 최고온도가 5,000K(켈빈) 정도로 알려져 있으나 핵폭발 시에는 수천 만K에 이르는 것으로 추정된다.
핵폭발 후 1ns(나노초, 1/109초) 이내에 초고온화된 핵무기 잔재물은 주로 X선의 형태로 대량의 에너지를 방출한다. 공중폭발 시 이 X선은 1m 이내의 공기에 흡수되어 극도로 뜨거운 공기와 기화된 잔재가 밝게 빛나는 공 모양의 불덩어리를 형성한다. 불덩어리는 방사선과 열선을 계속 방출하고 급속히 팽창한 뒤 서서히 냉각되면서 상승하는데 이때 공기의 저항을 받아 도넛형으로 변형되어 버섯 형태의 방사성 구름을 형성한다. 불덩어리 내부에서는 고온에 의해 생긴 기체의 급팽창으로부터 충격파가 발생하여 바깥쪽으로 진행한다. 이어 불덩어리는 충격파면의 진행과 같은 방향, 같은 속도로 팽창하지만 불덩어리의 온도가 3,000℃까지 떨어지면 충격파면은 불덩어리로부터 이탈하여 강력한 폭풍이 되면서 바깥쪽으로 확대되어 나간다. 20㏏ 핵폭발 시 이 같은 이탈은 핵폭발 후 약 0.011초 뒤에 일어난다. 충격파는 이탈 직전 주위의 공기에 충격적 가열을 주면서 8,000℃ 이상의 고온이 된다. 고온의 공기층은 가시광선을 투과하지 않기 때문에 불덩어리는 일시적으로 외부에서 보이지 않는다.

● 열선
불덩어리는 자외선·가시광선·적외선의 파장영역을 갖는 전자파를 방출한다. 이것을 열선이라고 하는데 광범위한 지역에 소이燒夷효과를 일으킨다. 특히 위력이 큰 핵폭발의 경우 이 열선에 의한 피해범위는 그 어떤 것보다 크다. 열선으로 방출되는 핵 에너지는 핵폭발 전 에너지의 약 35%에 해당한다. 지상에 도달하는 열선 에너지의 비율은 폭발점부터 지상까지의 거리 및 대기의 상태에 따라 달라진다. 공중폭발의 경우 불덩어리가 일시적으로 외부에서 관찰되지 않을 때 열선에는 2개의 펄스가 생긴다.
제1열선 펄스는 1Mt 폭발 시 1/10초 동안 짧게 파동치는데 이때 열선의 대부분은 자외선 영역에 들어가게 된다. 이 펄스는 전全열선의 1% 정도에 해당하는 에너지를 차지하고 있다. 따라서 화상火傷의 측면에서 본다면 방출 에너지는 공기층에 흡수되기 쉬운 자외선 성분이기 때문에 안구眼球에 피해를 입히는 정도며 피부에 화상을 일으키는 경우는 적다.
제2열선 펄스는 수초 간 계속되는데 1Mt일 경우는 10초, 10Mt일 때는 20초 이상이다. 이때 전열선 에너지의 99%가 방출된다. 지표에 도달하는 열선의 파장은 적외선 영역에 있기 때문에 육안으로 보인다. 이 제2열선 펄스는 생체의 피부에 화상을 일으키고 목재·섬유제품·종이 등의 가연성 유기물을 태워 탄화시키며 때로는 발화시키기도 한다. 1Mt의 폭발시 19㎞ 떨어진 지점에서 열선에 노출되어도 피부는 섬광화상을 입는다.

● 폭풍
공중과 지표에서 폭발이 일어날 때 입는 물리적 피해는 대부분 폭풍에 기인하는 것이다. 불덩어리의 표면으로부터 이탈한 충격파는 급속히 바깥쪽으로 넓어지면서 고도로 압축된 공기의 벽과 같이 작용한다. 350㎏f/㎥ 과압過壓 이상의 폭풍에는 지상의 구조물이 엄청난 피해를 입게 된다. 폭풍파가 지표면에 부딪치는 순간 반사파가 발생하여 직접파와 반사파가 중합重合해 마하 효과가 발생한다.
일반적으로 직접파의 2배에 해당하는 과압을 나타내는 마하 축을 형성한다. 마하 축의 통과와 더불어 지상의 건물은 지면과 평행한 폭풍의 충격을 받게 된다. 그 후 불덩어리의 급속한 상승에 따라 강한 상승기류가 생기기 때문에 폭풍과 역방향으로 부는 지상풍地上風이 일어나게 된다. 이 지상풍의 속도는 폭심爆心 지점이 100㎧ 정도 되기 때문에 대단히 큰 피해를 가져온다. 수중폭발의 경우는 바다의 깊이에 따라 효과가 달라지는데 일반적으로 물 속에서의 폭압爆壓 전파는 양호하여 잠수함 등에 대한 파괴효과가 매우 높다.

● 방사선
핵폭발은 방사선을 수반하는 것이 커다란 특징이다. 통상의 핵폭탄에서는 폭발 에너지의 약 15%가 방사선의 형태로 방출된다. 이중 5%가 폭발 후 1분 이내에 발생하는 초기방사선이고 나머지 10%는 잔류방사선이다. 중성자폭탄의 경우에는 폭발 에너지의 약 35%가 방사선으로 방출되며, 이중 30%가 초기 방사선이다.
초기 방사선은 중성자와 알파선·베타선·감마선으로 되어 있는데 알파선과 베타선은 투과력이 약하기 때문에 공중폭발의 경우 지상에 도달하지 않는다. 따라서 중성자와 감마선 만이 고려의 대상이 된다. 이들 방사선이 생체에 흡수되면 방사선 장애를 일으킨다. 잔류방사선은 불덩어리의 급속한 상승에 의해 형성된 방사능 구름이 지표에 내려 뿌리는 방사능낙진이나 죽음의 재에 의해 방사된다.
방사능 낙진을 형성하는 것은 핵분열 생성물, 미반응의 핵분열 물질 및 핵폭발 시 중성자 등이 일으키는 유도방사능을 포함하는 물질이다. 미반응의 핵분열물질로부터 나오는 알파선을 빼면 베타선과 감마선이 잔류방사선이 된다. 방사능 낙진은 폭발 후 1일 이내에 강하하는 초기 방사능 낙진과 그 이후에 강하하는 후기 강하물로 나누어진다. 지상폭발의 경우는 초기 방사능 낙진이 커다란 영향을 미치고 고공폭발의 경우에는 후기 방사성 강하물이 더 큰 파급효과를 미친다. 핵분열 생성물은 36종의 원소에 300종 이상의 동위원소를 포함하는 1㏏의 폭발당 약 3×1010Ci(퀴리)의 방사능이 된다. 이 방사능 중 수명이 긴 세슘-137(137Ce : 반감기 약 30년)이나 스트론튬-90(90Sr : 반감기 약 28년) 등은 상당히 오랜 기간 지표에 남아 있다. 방사성 잔류물이 갖고 있는 외부조사外部照射의 효과보다는 오히려 방사성 물질이 소화기, 호흡기, 피부의 상처 등을 통해 체내에 들어가 체내의 기관에 침착하여 방사하는 내부조사內部照射의 영향이 중대한 위험이 되고 있다.

● 기타 영향요소
핵폭발에 의해 발생한 방사선이 대기를 전리시켜 전자밀도를 증가시키기 때문에 고공폭발의 경우 지자기地磁氣의 영향으로 인공 오로라가 발생한다. 또 공기 중의 분자·원자 등에 자극을 가해 대기의 형광螢光현상을 일으키기도 한다.
통신이나 레이더에 사용되는 파장 1㎜ 이상의 전자파는 대기의 전리상태에 좌우되는 경우가 많다. 따라서 대기 중의 핵폭발은 전자파의 전파에 여러 가지 교란현상을 일으킨다. 단파통신의 경우 65㎞의 고도에서 핵폭발이 일어나면 여러 시간에 걸쳐 통신이 완전히 단절되는 블랙아웃blackout이 일어난다.


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