Vetenskaplig syn: Drag av explosionen i Beirut

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Den tragiska nyheten om en enorm explosion i Beirut, som tog de första ledarna av nyhetsresurser, väcker naturliga frågor: hur kunde detta ha hänt, vad exploderade där, på grund av vilka faktorer är sådana incidenter möjliga? För att ta reda på det, låt oss ta en närmare titt på egenskaperna hos ammoniumnitrat och de faror som är förknippade med det.

Vad hände i Beirut

Kort sagt ser situationen ut så här: för sex år sedan gick fartyget Rhosus in i hamnen i Beirut för en oplanerad reparation. Det tillhörde företaget av Igor Grechushkin, en infödd i Khabarovsk. Hamnmyndigheterna släppte inte fartyget på grund av brister i säkerhetssystem och lastdokument. Gradvis lämnade teamet Rhosus och dess last, som bestod av 2 750 ton ammoniumnitrat, överfördes till ett lager i hamnen, där den lagrades under de kommande sex åren. Lagringsförhållandena visade sig vara otillräckligt tillförlitliga, därför, för att begränsa tillgången till denna last, utfördes svetsarbeten på lagret, på grund av den felaktiga säkerhetsorganisationen, vars pyroteknik som lagrades i samma lager sedan antändes.

En brand startade, understödd av förbränning och fyrverkerier. Efter en tid detonerade det lagrade ammoniumnitratet. Chockvågen från denna explosion tillfogade en stor skadlig effekt på de omgivande områdena i Beirut: i dag är det mer än 130 människor döda, och deras antal fortsätter att växa när fler och fler kroppar upptäcks samtidigt som spillrorna från byggnader och strukturer demonteras. Mer än fem tusen människor skadades.

Fotografier från rymden tagna av Kanopus-V-satelliten. Bilden ovan är daterad den 4 november 2019 och bilden nedan är dagen efter explosionen. / © Roskosmos.ru

Ett stort antal hus skadades i varierande grad, förstörelsen påverkade hälften av byggnaderna i Beirut, cirka 300 tusen invånare lämnades hemlösa. Enligt den libanesiska huvudstadens guvernör, Marwan Abboud, uppskattas skadorna från explosionen till mellan tre och fem miljarder dollar. Bilder från rymden av hamnen i Beirut, tagna före och efter tragedin, visar ett område med kontinuerlig förstörelse runt hela hamnområdet. Tre dagars sorg har utlysts i Libanon.

Vad är ammoniumnitrat

Ammoniumnitrat, eller ammoniumnitrat, är ett ammoniumsalt av salpetersyra, har den kemiska formeln NH₄NO₃ och består av tre kemiska element - kväve, väte och syre. Den höga kvävehalten (cirka en tredjedel i vikt) i en form som lätt kan assimileras av växter gör det möjligt att använda ammoniumnitrat i stor utsträckning som ett effektivt kvävegödselmedel i jordbruket.

Som sådan används ammoniumnitrat både i ren form och som en del av andra komplexa gödningsmedel. Huvuddelen av den salpeter som produceras i världen används just i denna egenskap. Fysiskt sett är ammoniumnitrat ett vitt kristallint ämne, i industriell form i form av granulat av olika storlekar.

Det är hygroskopiskt, det vill säga det absorberar fukt väl från atmosfären; under lagring har en tendens att kaka, bildandet av stora täta massor. Därför lagras och transporteras den inte i form av en fast bulkmassa, utan i täta och hållbara påsar som inte tillåter bildning av stora kakade massor som är svåra att lossa.

Sprängning i dagbrott med ammoniumnitrat som en del av industriella sprängämnen / ©Flickr.com.

Ammoniumnitrat är ett starkt oxidationsmedel. De tre syreatomerna som utgör dess molekyl utgör 60 procent av massan. Med andra ord är ammoniumnitrat mer än hälften av syre, som lätt frigörs från sin molekyl vid upphettning. Termisk nedbrytning av nitrat sker i två huvudformer: vid temperaturer under 200 grader sönderdelas det till kväveoxid och vatten, och vid temperaturer på cirka 350 grader och över bildas fritt kväve och fritt syre samtidigt med vatten. Detta separerar ammoniumnitrat i kategorin starka oxidanter och förutbestämt dess användning vid tillverkning av olika sprängämnen, som kräver ett oxidationsmedel.

Ammoniumnitrat - en komponent i industriella sprängämnen

Ammoniumnitrat ingår i många typer av industriella sprängämnen och används flitigt i detta, främst inom gruvindustrin. Människan har ännu inte uppfunnit något mer effektivt än en explosion för att förstöra stenar. Därför är nästan allt arbete med dem baserat på en explosion: från gruvdrift i gruvor till öppna skär och stenbrott.

Gruvindustrin förbrukar en enorm mängd sprängämnen, och varje gruvföretag eller kolgruva har alltid sin egen anläggning för produktion av sprängämnen, som konsumeras i stora mängder. Den relativa billigheten av ammoniumnitrat gör det möjligt att använda det för massproduktion av olika industriella sprängämnen.

Och här kan vi notera den fantastiska bredden av bildandet av explosiva system av ammoniumnitrat. Genom att blanda nitrat med bokstavligen vilket brännbart ämne som helst kan man få ett explosivt system. Blandningar av nitrat med vanligt aluminiumpulver bildar ammonaler, som därför kallas AMMONIUMnitrat - ALUMINIUM. 80 % av ammonalmassan är ammoniumnitrat. Ammonaler är mycket effektiva, de är bra på att spränga stenar, vissa sorter kallas stenammonaler.

Massiv explosion under gruvdrift / © Flickr.com.

Om du impregnerar nitrat med dieselbränsle får du en annan klass av industriella sprängämnen - igdaniter, uppkallad efter Institute of Mining, Institute of Mining vid USSR:s vetenskapsakademi. Salpeter kan bilda explosiva blandningar när den impregneras med praktiskt taget vilken brandfarlig vätska som helst, från vegetabilisk olja till eldningsolja. Andra klasser av nitratbaserade sprängämnen använder tillsatser av olika sprängämnen: till exempel innehåller ammoniter (dessa är inte bara fossila bläckfiskar) TNT eller RDX. I sin rena form är även ammoniumnitrat explosivt och kan detonera. Men dess detonation skiljer sig från detonation av industriella eller militära sprängämnen. Vad exakt? Låt oss kort komma ihåg vad detonation är och hur det skiljer sig från vanlig förbränning.

Vad är detonation

För att förbränningsreaktioner ska börja i brännbara ämnen måste bränslets och oxidationsmedlets atomer göras fria och föras närmare varandra tills kemiska bindningar bildas mellan dem. Att frigöra dem från molekylerna i vilka de finns innebär att förstöra dessa molekyler: detta gör att molekylerna värms upp till temperaturen för deras nedbrytning. Och samma uppvärmning sammanför bränslets atomer och oxidationsmedlet till bildandet av en kemisk bindning mellan dem - till en kemisk reaktion.

Vid normal förbränning - kallad deflagrering - värms reaktanterna upp genom normal värmeöverföring från flamfronten. Lågan värmer lagren av det brännbara ämnet, och under påverkan av denna uppvärmning sönderdelas ämnena innan kemiska förbränningsreaktioner börjar. Detonationsmekanismen är annorlunda. I den värms ämnet upp före starten av kemiska reaktioner på grund av mekanisk kompression av hög grad - som du vet, under stark kompression, värms ett ämne upp.

Sådan kompression ger en stötvåg som passerar genom den detonerande delen av sprängämnet (eller helt enkelt volymen, om en vätska, gasblandning eller flerfassystem detonerar: till exempel en suspension av kol i luft). Stötvågen komprimerar och värmer ämnet, orsakar kemiska reaktioner i det med frigöring av en stor mängd värme och matas själv av denna reaktionsenergi som frigörs direkt i den.

Och här är detonationshastigheten mycket viktig - det vill säga hastigheten på stötvågen som passerar genom ämnet. Ju större den är, desto kraftfullare är den explosiva, den explosiva verkan. För industriella och militära sprängämnen är detonationshastigheten flera kilometer per sekund – från cirka 5 km/sek för ammonaler och ammoniter och 6-7 km/sek för TNT till 8 km/sek för RDX och 9 km/sek för HMX. Ju snabbare detonationen är, desto högre energitäthet i stötvågen, desto starkare är dess destruktiva effekt när den lämnar sprängämnets gränser.

Om stötvågen överstiger ljudhastigheten i materialet krossar den det i bitar - detta kallas sprängverkan. Det är det som bryter kroppen av en granat, en projektil och en bomb i fragment, krossar stenar runt ett borrhål eller borrhål fyllt med sprängämnen.

Med avstånd från ett stycke sprängämne minskar stötvågens kraft och hastighet, och från ett visst kort avstånd kan den inte längre krossa det omgivande ämnet, utan kan verka på det med sitt tryck, trycka, skrynkla, skingra, kasta, kasta. Sådana press-, kross- och kaståtgärder kallas högexplosiva.

Funktioner av detonation av nitrat

Industriellt ammoniumnitrat utan några tillsatser som bildar sprängämnen, som vi noterade ovan, kan också detonera. Dess detonationshastighet, till skillnad från industriella sprängämnen, är relativt låg: cirka 1,5-2,5 km/sek. Spridningen av detonationshastigheten beror på många faktorer: i form av vilka granuler salpetern är, hur tätt de är komprimerade, vad är den aktuella fukthalten i salpetern och många andra.

Därför bildar salpeter ingen sprängverkan - den krossar inte omgivande material. Men den högexplosiva effekten av detonationen av nitrat producerar ganska påtaglig. Och kraften hos en viss detonation beror på dess kvantitet. Med stora explosiva massor kan explosionens högexplosiva effekt nå destruktivitet på vilken nivå som helst.

Efterdyningarna av explosionen i Beirut / © "Lenta.ru"

På tal om detonation, noterar vi ytterligare en viktig punkt - hur den börjar. För att en chockvåg av kompression ska kunna gå genom sprängämnet måste den faktiskt lanseras på något sätt, skapad med något. Att bara antända en sprängämne ger inte den mekaniska kompression som krävs för att initiera detonation.

Så, på små bitar av TNT, tända med en tändsticka, är det fullt möjligt att koka te i en mugg - de brinner med ett karakteristiskt väsande, ibland röker, men brinner tyst och utan explosion. (Beskrivningen är inte en rekommendation för att göra te! Det är fortfarande farligt om bitarna är stora eller förorenade.) För att utlösa detonationen behöver du en detonator - en liten enhet med en speciell sprängladdning införd i huvuddelen av sprängämnen. Explosionen av en detonator, tätt införd i huvudladdningen, startar en stötvåg och detonation i den.

Vad kan ha orsakat detonationen

Kan detonation uppstå spontant? Kanske: vanlig förbränning kan övergå till detonation när den accelereras, med en ökning av intensiteten av denna förbränning. Om du antänder en blandning av syre med väte - en explosiv gas - kommer den att börja brinna tyst, men när flamfronten accelererar övergår förbränningen till detonation.

Förbränning av flerfasiga gassystem, såsom alla typer av suspensioner och aerosoler, som används i ammunition för en volymetrisk explosion, förvandlas snabbt till detonation. Förbränning av drivmedel kan också övergå i detonation om trycket i motorn börjar stiga snabbt, på ett off-design sätt. En ökning av trycket, acceleration av förbränning - detta är förutsättningarna för övergången från vanlig förbränning till detonation.

Förbränningskatalysatorer kan också vara olika tillsatser, föroreningar, föroreningar - mer exakt, de eller deras komponenter, vilket kommer att bidra till den lokala övergången till detonation. Oxiderad, rostig ammunition är mer benägen att detonera om sprängämnet är intill den oxiderade delen av skrovet. Det finns många nyanser och punkter i initieringen av detonation som vi kommer att utelämna, så låt oss återgå till frågan: hur kunde salpetern detonera i lagret?

Och här är det uppenbart att pyroteknik perfekt skulle kunna spela rollen som en sprängkapsel. Nej, bara en väsande puderracket orsakade knappast detonationen av salpeter med dess rökkraft med gnistor. Men videon fångar många massiva utbrott som gnistrar i röken från elden innan salpeterexplosionen. Dessa är små explosioner av en spridning av fyrverkerier pyrotekniska komponenter. De fungerade som en självklar detonerande start. Nej, de var inte industriella sprängkapslar.

Men under brandförhållanden, uppvärmning av stora ytor av salpeter med en låga och massiviteten av tusentals pyrotekniska operationer som inträffade, introducerades dessa pyrotekniska raketer förmodligen i den uppvärmda ytan av salpeter med ytterligare explosioner i het salpeter. Vid någon tidpunkt inträffade dess detonation under en sådan påverkan - och spred sig till hela samlingen av lagrad salpeter.

Det är svårt att analysera ytterligare händelser i detalj utan detaljerad information och studie av explosionsplatsen. Det är inte känt hur fullt alla 2750 ton detonerades. Detonation är inte någon absolut början som alltid sker när den är skriven på papper. Det händer att TNT-briketterna som är staplade tillsammans detonerar inte alla: några av dem sprids helt enkelt åt sidorna, om tillförlitliga åtgärder inte vidtas för att överföra detonationen mellan dem.

Efter massiva explosioner av stenar, när hundratals och tusentals brunnar fyllda med sprängämnen sprängs (de kan utrustas med sprängämnen i en hel månad), efter att ett moln av damm har lagt sig, kommer endast specialister först alltid in i explosionszonen och inspekterar vad som exploderade och det som inte exploderade. De samlar också in oexploderade sprängämnen. Så är det med salpeter i ett lager i hamnen i Beirut: fullständigheten av detonationen av explosionen av hela massan av nitrat är svår att fastställa, men det är tydligt att det var ganska stort.

Drag av explosionen i Beirut

Själva bilden av explosionen överensstämmer väl med detonationen av nitrat. En stor kolonn av rödbrun rök efter explosionen är en typisk färg på molnet med röda kväveoxider, som frigörs i stora mängder vid nedbrytningen av nitrat i explosionen. På grund av den låga detonationshastigheten för nitrat inträffade ingen massiv krossning.

Därför bildades inte en stor krater på platsen för explosionen: materialen i pirerna och betongmarktäcket på lagren var inte detaljerade, därför kastades de inte bort. På grund av detta fanns det inget bombardement av staden med bitar som flög från explosionsområdet, och den höga sultanen av flygande bitar och fragment som bildades av explosionen steg inte över platsen för explosionen.

En rökpelare, färgad av utsläpp av kväveoxider under nedbrytningen av ammoniumnitrat / © dnpr.com.ua.

Samtidigt gav det rikliga utsläppet av gasformiga förbränningsprodukter - vattenånga, kväveoxider - bilden av explosionen egenskaperna hos en volumetrisk explosion. Förutom en snabbt passerande chockvåg, tillräckligt kraftfull och synlig som en snabbt dimmig vägg, visar skjutningen en annalkande vägg av expanderande explosionsgaser, blandad med damm och som böljar upp från jordytan i snabb takt. Detta är typiskt för explosioner av stora volymer med låg detonationshastighet.

Arten av skadorna på byggnader med hög sannolikhet kommer att visa att de påverkades inte bara av själva stötvågen - kraftfull, men kortvarig - utan också en längre exponering för den expanderande gas-luftströmmen som spreds från explosionsområdet.

Nitratexplosioner till Beirut

Explosioner av gödningsmedel baserade på salpetersyrasalter har förekommit tidigare, de är välkända, det finns många sådana fall i historien. Så den 1 september 2001, i Toulouse, vid Grande Paroisses gödselfabrik, exploderade en hangar, där 300 ton ammoniumnitrat detonerades. Omkring 30 människor dog, tusentals skadades. Många byggnader i Toulouse skadades.

Tidigare, den 16 april 1947, inträffade en explosion av 2 100 ton ammoniumnitrat ombord på fartyget "Grancan" i hamnen i Texas City, USA. Det föregicks av en brand på fartyget - en liknande situation och händelseförlopp. Explosionen orsakade bränder och explosioner på fartyg och oljelager i närheten. Omkring 600 människor dödades, hundratals saknades, mer än fem tusen skadades.

Den 21 september 1921 exploderade 12 tusen ton av en blandning av ammoniumsulfat och ammoniumnitrat vid BASF:s kemiska fabrik nära staden Oppau i Bayern. En explosion av sådan kraft bildade en enorm krater, två närmaste byar utplånades från jordens yta och staden Oppau förstördes.

Katastrofala explosioner av ammoniumnitrat med stor förstörelse och många offer inträffade 2004 i den nordkoreanska staden Ryongcheon; 2013 i staden West i Texas, USA; år 2015 i hamnstaden Tianjin i Kina. Och listan fortsätter.

Tyvärr förblir ammoniumnitrat, med alla de enorma fördelar som det ger en person, ett farligt föremål som kräver överensstämmelse med ett antal säkerhetskrav vid hantering. Och slarv eller slarv kan orsaka nya tragedier, vars förebyggande kräver både skärpta regler för hantering av nitrat och ökat ansvar för att de efterlevs och genomförs.