Czy bomba atomowa mogła podpalić atmosferę

Raport LA-602, czyli jak przestałem się martwić zapłonem atmosfery i pokochałem bombę

W przeddzień pierwszego w historii testu bomby jądrowej Enrico Fermi podpuszczał kolegów, przyjmując zakłady na to, czy eksplozja doprowadzi do podpalenia atmosfery. A jeśli tak, to czy unicestwiony zostanie cały glob, czy tylko Nowy Meksyk. Dowcipniś.

Zapłon atmosfery nie jest kwestią prawdopodobieństwa. Jest po prostu niemożliwy.

Hans Bethe

Jeżeli oglądaliście Oppenheimera lub choćby widzieliście zwiastun hollywoodzkiej produkcji, na pewno kojarzycie scenę rozmowy między tytułowym bohaterem a pułkownikiem Leslie Grovesem. Mam na myśli krótką wymianę zdań tuż przed finałem testu Trinity, kiedy wojskowy usłyszał o czymś, co odrobinę go zaniepokoiło. Szło to jakoś tak:

– Czyli może się zdarzyć, że kiedy wciśniemy ten guzik zniszczymy świat?
– Takie zagrożenie jest bliskie zeru.
– Bliskie zeru?
– A czego pan oczekuje po samej teorii?
– Zera. Byłoby miło.

W rzeczywistości ten dialog mógł wyglądać zupełnie inaczej, ale sam temat rozmowy jak najbardziej ma oparcie w historii. W Los Alamos naprawdę dało się znaleźć przynajmniej paru naukowców rozważających scenariusz, w którym próba jądrowa wymyka się spod kontroli i prowadzi do globalnej apokalipsy. Sprawy nie traktowano na tyle poważnie, aby wyhamować pracę nad nową bronią, ale wystarczająco, żeby w końcu doszło do sporządzenia oficjalnego raportu badającego tę ponurą ewentualność.

Najprawdopodobniej to Edward Teller i Hans Bethe jako pierwsi przyszli do Oppenheimera przedstawiając mu pewne obawy. Według nich istniała mała szansa – choć w tamtym momencie nie potrafili określić, jak mała – że olbrzymia energia wyzwolona podczas wybuchu jądrowego wystarczy do zdestabilizowania atomów atmosfery, prowadząc do jej zapłonu. Nie chodziło jednak o spalanie w sensie chemicznym, lecz o zainicjowanie fuzji termojądrowej: syntezy jąder azotu, tlenu lub wodoru (w tym ostatnim przypadku wyparowanie groziłoby również oceanom). Mówiąc obrazowo, gdyby do tego doszło, Ziemia zabłysłaby jak mała gwiazda.

Reakcja fuzji termojądrowej
Reakcja fuzji izotopów wodoru łączących się w jądro helu.

Wizja rodem z wyjątkowo niesubtelnego i niezbyt realistycznego filmu katastroficznego. Dziś wiemy, że przełamanie sił elektrostatycznych odpychających od siebie jądra atomów to piekielnie trudne zadanie. Przekonali się o tym choćby pracownicy kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory, którzy do odtworzenia fuzji w kontrolowanych warunkach skupili wiązki 192 arcypotężnych laserów na próbce o rozmiarach grochu. Paliwem w takich eksperymentach są izotopy wodoru – deuter i tryt – o wiele łatwiejsze do zsyntezowania od składników powietrza. Ale nawet gdyby było inaczej, a w miejscu eksplozji lokalnie doszło do fuzji jąder azotu czy tlenu – nie powinna ona roznieść się po atmosferze, jak pożar po suchym lesie.

W odróżnieniu od reakcji łańcuchowej, charakterystycznej dla rozszczepienia atomu – gdzie każde rozbite jądro przyczynia się do rozbijania kolejnych – podtrzymanie syntezy wymaga niesamowicie wyśrubowanych warunków (np. miażdżącego ciśnienia wnętrza gwiazdy). Gdyby było inaczej, zapewne od dawna cieszylibyśmy się z niższych rachunków za prąd.

Reakcja rozszczepienia
Reakcja rozszczepienia atomu wyzwala neutrony, które mogą rozbić kolejne jądra.

Dlaczego zatem którykolwiek z poważnych uczonych w ogóle zawracał sobie głowę tak nieprawdopodobnym scenariuszem? Pamiętajmy, że jesteśmy w połowie lat 40. XX wieku – zaledwie dekadę po odkryciu neutronu i dwie dekady po zaproponowaniu hipotezy, wiążącej metabolizm gwiazd ze zjawiskiem fuzji. Był to moment, kiedy oczywiste, z perspektywy współczesnej fizyki fakty, dopiero nabierały kształtów.

Oczywiście nawet wtedy zdecydowana większość naukowego personelu Los Alamos przyjmowała groźbę zapłonu atmosfery z dużą rezerwą. Była to raczej sprawa wymagająca sprawdzenia dla świętego spokoju, niż coś, co nie dawałoby Oppenheimerowi spać po nocach. Uczonym, który potraktował katastroficzny scenariusz najpoważniej był Arthur Compton – profesor Uniwersytetu w Chicago oraz laureat Nagrody Nobla w roku 1927 (jeśli mnie pamięć nie myli, pominięty w filmie Nolana). Fizyk po latach zrelacjonował całą sprawę w wywiadzie, jakiego udzielił znanej pisarce Pearl Buck (swoją drogą, również noblistce, tyle że w dziedzinie literatury).

Arthur Compton
Arthur Compton, najbardziej znany dzięki opisowi rozpraszania promieniowania elektromagnetycznego w interakcjach z naładowanymi cząstkami (co nazywamy obecnie efektem Comptona). Był też znaczącą figurą Projektu Manhattan.

Compton wspominał, że najpierw otrzymał telefon od Oppenheimera, który poprosił go o jak najszybsze stawienie się w Nowym Meksyku, aby rzucił okiem na coś “bardzo niepokojącego”. Naukowiec wspierał budowę bomby na odległość, nadzorując produkcję paliwa w chicagowskich reaktorach. Czekała go więc długa podróż koleją, ponieważ wojsko upierało się, aby ze względów bezpieczeństwa najzdolniejsi uczeni nie latali samolotami. Kiedy po nieprzespanej nocy trafił na miejsce, kierownik Projektu Manhattan od razu zabrał go na spacer, przedstawiając Tellerowskie spekulacje dotyczące możliwej fuzji atomów w atmosferze i oceanach. Compton natychmiast zrozumiał konsekwencje, kwitując je krótkim zdaniem:

“Ziemia wyparowałaby”.

Dyskusja wielkich fizyków trwała jeszcze wiele godzin. Compton nie był pewny, czy stawka jest warta igrania z wizją zagłady całej planety, sugerując wręcz, że chyba “lepiej zaakceptować niewolę nazistów, niż ryzykować zaciągnięcie ostatecznej kurtyny nad ludzkością”. Oppenheimer nie podzielał aż tak skrajnego stanowiska, jednak przyznał, że przed dniem pierwszej eksplozji należy koniecznie przeprowadzić stosowne obliczenia. Compton zgodził się, zastrzegając, że jeżeli modele teoretyczne wykażą, że szansa na podpalenie atmosfery wynosi więcej niż trzy na milion, prace nad bombą powinny zostać natychmiast przerwane.

Co ciekawe, po drugiej stronie oceanu z podobnymi rozterkami zmagali się fizycy III Rzeszy. W notatkach nazistowskiego ministra uzbrojenia, Alberta Speera, znajdziemy opis jego spotkania z Führerem oraz Wernerem Heisenbergiem, gdzie wypłynął temat możliwej katastrofy. Jak wspominał: “Heisenberg nie udzielił ostatecznej odpowiedzi na moje pytanie, czy udane rozszczepienie pozostaje utrzymane pod kontrolą, czy też może trwać dalej. Hitler wyraźnie nie był zachwycony możliwością przekształcenia Ziemi pod jego władzą w rozgrzaną gwiazdę”.

Zapłon atmosfery
Meteoryt, który wybił dinozaury, to przy tym pestka.

Zgodnie z obietnicą złożoną Comptonowi, Oppenheimer zlecił sporządzenie odpowiedniej analizy. Zadanie to przypadło trzyosobowemu zespołowi, w skład którego weszli Cloyd Marvin, Edward Teller oraz Emil Konopiński. (Swojskie brzmienie ostatniego nazwiska nieprzypadkowe, bowiem rodzice Konopińskiego istotnie przybyli do Ameryki z polskich ziem zaboru rosyjskiego). Ich obliczenia szybko wykluczyły niebezpieczeństwo, a konkluzje trafiły do oficjalnego raportu LA-602 sporządzonego zaraz po wojnie. Dwudziestostronicowy dokument został odtajniony w roku 1979, dzięki czemu obecnie każdy może zapoznać się z jego treścią.

Wykazano, że niezależnie od temperatury, do jakiej można ogrzać część atmosfery, prawdopodobnie nie zostanie zainicjowany żaden samonapędzający się łańcuch reakcji jądrowych. Straty energii na promieniowanie w każdym przypadku równoważą zyski wynikające z reakcji. Dzieje się tak nawet przy dość ekstrawaganckich założeniach dotyczących reaktywności jąder azotu w powietrzu. Jedyną niepokojącą cechą jest to, że „współczynnik bezpieczeństwa”, czyli stosunek strat do zysków energii, gwałtownie spada wraz z temperaturą początkową i schodzi do wartości zaledwie ok. 1,6 tuż powyżej temperatury 10 MeV. Niemożliwe jest osiągnięcie takiej temperatury, chyba że zostaną użyte bomby jądrowe lub bomby termojądrowe, które znacznie przewyższają bomby obecnie rozważane. Jednak nawet jeśli zostaną użyte bomby o wymaganej wielkości, transfer energii z elektronów do kwantów światła przez rozpraszanie Comptona zapewni dodatkowy współczynnik bezpieczeństwa i sprawi, że reakcja łańcuchowa w powietrzu będzie niemożliwa.

Abstrakt raportu LA-602

Autorzy raportu doszli do wniosku, że nawet przy niedokładności niektórych szacunków i bardzo ekstrawaganckich założeniach, żaden ze znanych nauce mechanizmów nie może doprowadzić do samopodtrzymującego spalania atmosfery. Tym bardziej wykluczono opcję nieograniczonej fuzji atomów atmosferycznego azotu. Warto jednak zwrócić uwagę, że choć test Trinity otrzymał zielone światło, w publikacji znalazło się kilka niepewności dotyczących dalszego rozwoju superbroni. Poczynione obliczenia odnosiły się do energii pierwszych ładunków jądrowych, ale nie gwarantowały, że Ziemia nie ulegnie zniszczeniu przy okazji detonacji znacznie silniejszego ładunku w bliżej nieokreślonej przyszłości. Ostatnie zdanie raportu wyraźnie zastrzegało, że “złożoność argumentacji i brak zadowalających podstaw eksperymentalnych sprawia, że dalsze prace nad tym tematem są wysoce pożądane”.

Emil Konopiński i Edward Teller
Po lewej Emil Konopiński, po prawej Edward Teller – przyszły ojciec bomby wodorowej. Fotografii Marvina nie znalazłem.

To o tyle istotne, że już po zrzuceniu bomb na Japonię temat zapłonu atmosfery wracał jeszcze kilkukrotnie, już w erze testów termojądrowych. Prawdopodobnie ostatnia medialna debata na ten temat miała miejsce w roku 1975, za sprawą listu Horace’a Dudley’a, opatrzonego dramatycznym tytułem Ostateczna katastrofa. Mimo przeprowadzenia setek najróżniejszych prób, profesor Uniwersytetu Illinois wciąż uważał, że istnieje niezerowa szansa na niekontrolowaną reakcję azotu w powietrzu lub wodoru w oceanach. Na te wątpliwości odpowiadał ze zniecierpliwieniem Hans Bethe, który odrobił pracę domową i po opuszczeniu Los Alamos stał się największym autorytetem w dziedzinie fuzji oraz funkcjonowania gwiazd. Po latach badań Amerykanin niemieckiego pochodzenia nie miał wątpliwości, że:

Nigdy nie było możliwości wywołania reakcji łańcuchowej termojądrowej w atmosferze. Nigdy nie było “prawdopodobieństwa nieco mniejszego niż trzy części na milion” [szpileczka wbita Comptonowi – przyp.]. Zapłon atmosfery nie jest kwestią prawdopodobieństwa; jest po prostu niemożliwy.

Hans Bethe

W ten sposób wątek termonuklearnej apokalipsy obumarł, przeobrażając się z czasem w historyczną anegdotkę ledwie wspominaną na marginesach książek o Projekcie Manhattan. Jednak warto wiedzieć, że raport LA-602 rzeczywiście powstał i prawdopodobnie był pierwszym w dziejach dokumentem, który formalnie rozważał kwestię samounicestwienia ludzkości.

Prognozy teoretyków nie zawsze były równie trafne. Jeśli chcecie poczytać o przypadku, kiedy teoria bardzo mocno nie doszacowała skutków eksplozji, zajrzyjcie do starszego artykułu o feralnej próbie bomby wodorowej Castle Bravo.
Literatura uzupełniająca:
Raport LA-602, [online: www.sciencemadness.org/lanl1_a/lib-www/la-pubs/00329010.pdf];
R. Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 2000;
P. Buck, The bomb – the end of the world?, [online: www.large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung1/docs/buck.pdf];
D. Chung, (The Impossibility of) Lighting Atmospheric Fire, [online: wwww.large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung1/];
R. Pomeroy, The Fear That a Nuclear Bomb Could Ignite the Atmosphere, [online: www.realclearscience.com/blog/2019/09/12/the_fear_that_a_nuclear_bomb_could_ignite_the_atmosphere.html];
H. Dudley, Ultimate catastrophe, “Bulletin of the Atomic Scientists”, vol. 31, 1975;
H. Bethe, Ultimate catastrophe?, “Bulletin of the Atomic Scientists”, vol. 32, 1976.
Total
0
Shares
Zobacz też
Ganimedes, największy księżyc Jowisza
Czytaj dalej

Ganimedes – księżyc, który zawstydza planety

W cieniu widowiskowych projektów NASA i SpaceX, europejska sonda JUICE wyruszyła w ośmioletnią wędrówkę z zamiarem zgłębienia tajemnic trzech skutych lodem satelitów Jowisza. W tym oczywiście największego księżyca w całym Układzie Słonecznym – Ganimedesa.
Czytaj dalej

ASASSN-15lh – Ależ to był wybuch!

Takich fajerwerków nie widzi się codziennie, nawet w kosmosie. Obiekt ASASSN-15lh, którego błysk zarejestrowano w ubiegłym roku, szybko okrzyknięto rekordową supernową. Rzecz w tym, że źródłem tej porażającej światłości, wcale nie była supernowa...