Как образуется грибовидное облако при сильном пожаре или взрыве
На днях в Новосибирске сгорела газовая заправка. Горела эффектно, как в кино. Самый примечательный «спецэффект» того пожара – грибовидное облако. Также на днях в США с подобным же эффектом горел завод по производству смазочных материалов. Меня спросили, почему или как образовалось такое грибовидное облако.Отвечаю.
TL;DR : схематичное описание
Что-то объёмное горит с высокой температурой, образуется много горячих газов, плюс нагревается окружающий воздух. У нагретого газа низкая плотность, он поднимается вверх (всплывает в воздушном океане, на этом принципе сделаны монгольфьеры). Поскольку горячих газов и нагретого воздуха много, образуется мощный поток воздуха вверх (большая тяга), поднимающиеся массы воздуха и газов поднимает не только сажу и пепел, но и пыль с поверхности. Горячие газы и несомые ими твёрдые частицы поднимаются до тех пор, пока плотность газов не уравняется с плотностью окружающего воздуха (для нагретых до тысяч градусов продуктов горения это многие сотни метров, а для нагретых до миллионов градусов продуктов ядерного взрыва — десятки километров). Таким образом на некоторую высоту поступает сажа, пыль и пепел. Там им ничего не остаётся, как растекаться в стороны, ведь снизу продолжают поступать новые массы пылегазовой смеси. Таким образом на высоте, где плотность продуктов горения и воздуха уравнивается, газы с аэрозолью расходятся в стороны и образуют «шляпку гриба», а поток, поднимающий дым, пепел и пыль вверх, выглядит как «ножка гриба».
Подробно
Рассмотрим взрыв и пожар на новосибирской АГЗС. На заправку приехала автоцистерна со сжиженным газом пополнить запас топлива в баках АГЗС. Почему-то никто не сделал предусмотренное правилами техники безопасности заземление у автомобиля, или сделал его плохо. (Когда увидите газовод или бензовоз, обратите внимание — с кузова или рамы свисает и волочится по земле металлическая цепь, её задача — отвести заряд статического электричества от цистерны с топливом и кузова машины в целом, чтобы при контакте со стоящим на земле оборудованием не возникла искра, которая может поджечь пары топлива.)
При переливе сжиженного газа он испаряется, пары бутана и пропана тяжелее воздуха, к тому же они холодные – газ при испарении охлаждается. Эти горючие пары остаются в приземном слое и вместе с кислородом воздуха образуют взрывоопасную смесь (а, например, водород – улетучивается, и, хотя он сам по себе намного более взрывоопасен, благодаря своей лёгкости оказывается безопаснее бытового газа). Из-за отсутствия заземления между автомобилем и наземным оборудованием была разность потенциалов. В какой-то момент два проводящих предмета приблизились на малое расстояние, между ними проскочила искра и произошло воспламенение испарившихся газов. (Очевидцы слышали несколько хлопков воспламеняющегося топлива, значит, скорее всего, было несколько искр.)
Удельная теплота сгорания сжиженной пропан-бутановой смеси – 45,2–46,8 Мдж/кг [2]. В цистерне содержится около 20 тонн такой жидкости [3]. При химическом взрыве выделяется около 40% от максимально возможной энергии сгорания топлива [4]. При полном сгорании выделится энергия около 900 гигаджоулей, значит энергия взрыва цистерны со сжиженным газом в идеальных условиях составит около 360 Гдж. Такую энергию выделяет взрыв приблизительно 90 тонн тротила, что очень немало (для сравнения – авиабомбы редко бывают больше полутонны, а в железнодорожном вагоне помещается около 40 тонн, в Свердловске в 1988 году взорвались примерно 90 тонн взрывчатки, в Арзамасе в том же году — 120 тонн). В инциденте на заправке в первоначальной вспышке загорелась очень маленькая часть газа, поэтому не было настолько мощного взрыва, но были несколько маленьких, из-за которых цистерна получила повреждения, и топливо стало вытекать, испаряться и гореть. Горячие продукты горения и нагретый инфракрасными лучами воздух поднимался вверх, увлекая за собой как копоть (сажу) с пеплом, так и пыль из высохшей от жара пламени почвы. Топливо горело долго, что обеспечило относительно стабильный нагрев воздуха и в итоге подняло в воздух сотни килограмм пыли.
Горячий воздух с пылью поднимался на пару сотен метров, где, уже довольно остывший, и оставался – с подъёмом плотность воздуха снижается, горячие газы теряют подъёмную силу, в результате пыльный поток горячего воздуха останавливается на некоторой высоте. Поднявшуюся пылегазовую массу снизу подпирает и расталкивает новая её порция. Поэтому, поднявшись на максимальную для своей температуры высоту, она растекается в стороны.
Вертикальный поток горячей пылегазовой смеси образует «ножку гриба», а поднявшиеся на максимальную высоту её массы – «шляпку гриба». Если вы присмотритесь, через небольшое время «шляпка» по краям начинает опускаться и «гриб» взрыва становится похож на поганку.
__________________________________________
Автор: Стас Ворчун
Источники:
Взрыв на автозаправке в Новосибирске. Видео. – BBC News : [электр. ресурс] – 2021 (14 июня) – Режим доступа: https://www.bbc.com/russian/media-57477570
Сравнительная таблица теплотворности некоторых видов топлива. – Альфа-инвест. : [электр. ресурс] – Режим доступа: https://a-invest.com.ua/aktualno/tablitsa-teplotvornosti.html
LPG автоцистерна-полуприцеп 43м³ без спец. оборудования. – Ми-Текс : [электр. ресурс] – Режим доступа: https://mitex-shop.ru/avtocisterny/emkostj-polupricep-dlja-perevozki-gaza-43000litr.php
Таубкин С. И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы. – М., 1999. – 600 с. – ISBN 5-901140-02-8 – УДК 614.841.242+614.841.2.001.2