Megatoni, esplosivi e terremoti.

a cura di C. Della Volpe

Il megatone è una unità di misura della energia che corrisponde a quella rilasciata da una esplosione di un milione di tonnellate di tritolo, il composto inventato nel 1863 dal chimico tedesco Wilbrand; le sue capacità esplosive furono scoperte solo nel primo decennio del 900’; pensate che ad un certo punto della sua esplosiva storia fu depennato dall’elenco delle sostanze esplosive inglesi a causa della sua notevole stabilità; fra l’altro è anche molto tossico con potenti effetti sul corpo umano e sul suo metabolismo.

120px-Trinitrotoluene.svgDato che l’energia rilasciata dall’esplosione è di circa 4800 J per ogni grammo di tritolo, 1 milione di ton corrisponderebbero a 4.8 petajoules di energia (petajoule o PJ corrisponde a 1015 J). Ma per motivi convenzionali si è considerato che fosse più comodo usare un valore più basso, di 4184 J/grammo, ossia 4184 kJ/kg e quindi un megatone è  4.184 petajoules solamente.

Come si sa tale quantità, 4.184J, corrisponde a quella di una vecchia caloria e quindi abbiamo a che fare con 1000 calorie per grammo o una megacaloria per kg o una petacaloria per milione di ton. Insomma una voluta imprecisione introdotta per tener conto di una vecchia unità di misura; anche nella scienza queste cose, le abitudini,  hanno un peso, un peso tale da far accettare errori anche significativi.

Nel considerare questa unità salta agli occhi una cosa; la energia rilasciata dalla esplosione di un grammo di esplosivo TNT è notevolmente inferiore rispetto a quella rilasciata dalla combustione di 1 grammo di combustibile fossile; un kilogrammo di gasolio o di benzina o di petrolio cedono oltre 40MJ di energia durante la combustione, quindi circa 10 volte di più di quella ceduta da un kg di TNT e anche di altri esplosivi, per esempio la dinamite cede solo 7.5 MJ/kg; e gli effetti della esplosione quindi non dipendono tanto e solo dalla quantità di energia, ma dalla POTENZA dell’esplosione che si puo’ calcolare solo conoscendo il tempo, di solito molto breve, in cui la esplosione si completa, perchè come sappiamo la potenza è la energia diviso il tempo in cui viene ceduta.

Insomma si tratta di una unità di misura con un certo caos congenito; è vero che i megatoni ci dicono quanta energia è in gioco ma la medesima energia sarebbe ceduta da una quantità dieci volte minore di combustibile fossile; allora perchè non usare un combustibile fossile e scegliere invece un esplosivo?

Ovviamente si puo’ fare, le famose bottiglie “molotov” inventate dal generale russo Molotov erano delle bombe basate sulla deflagrazione di un combustibile tradizionale.

Il motivo per cui non conviene sta nel fatto che la potenza in gioco è inferiore perchè la velocità della reazione è inferiore; tale velocità di reazione si esprime in concreto nella velocità della onda esplosiva prodotta dalla combustione.

Nel caso di un fossile si ha al più una deflagrazione, ossia la onda esplosiva viaggia a velocità inferiore a quella del suono nel mezzo interessato, cioè in aria, mentre nel caso di un esplosivo come il TNT o la dinamite si ha una detonazione che produce una onda di pressione che viaggia a velocità superiore a quella del suono. Questa differenza di velocità ha una notevole conseguenza sugli effetti prodotti. E’ anche da chiarire che in realtà a voler essere precisi anche con un normale combustibile si puo’ avere una detonazione, ma occorre forgiare la camera di reazione in modo adeguato, per esempio sotto forma di sottile cilindro.

Nel caso delle normali combustioni poi si cerca di evitare assolutamente qualunque esplosione o comunque la si controlla in modo preciso cercando di massimizzare gli effetti termici più che meccanici; si mescolano i reagenti necessari (aria e combustibile), un esempio puo’ essere la esplosione del combustibile nel motore a scoppio appunto o nel motore diesel, in cui si evitano accuratamente le condizioni di “battito in testa” nel motore, le esplosioni incontrollate che danneggerebbero il dispositivo. L’ultimo grido in fatto di combustioni è in realtà la cosiddetta combustione senza fiamma o flameless. Il principio cardine di ridurre le emissioni inquinanti rimuovendo la “discontinuità” generata da qualsivoglia tipologia di fiamma o bruciatore ha avuto importanti ricadute tecnologiche, promosse in primis dalle sempre più stringenti normative ambientali in materia di emissioni inquinanti ed in misura maggiore dai benefici gestionali, funzionali ed economici conseguenti all’utilizzo delle tecnologie FTO (Flameless Thermal Oxidation)

Per comprendere come sono legate le tre cose: combustione che è comunque una reazione esplosiva, detonazione che produce una onda supersonica e deflagrazione che ne produce una subsonica, basta guardare la foto di una fiamma a cui si è appoggiata una retina metallica (che consente di guardare “dentro” la fiamma) o una fiamma in microgravità (sulla stazione spaziale) e subito dopo questo bel video ottenuto in condizioni di microgravità.

 fiamma1  fiamma2

Nella prima immagine si vede subito che la fiamma è una struttura ben precisa, il cui interno in un certo senso è “cavo”, ossia ha proprietà diverse dalla buccia luminosa, in cui si mescolano bene i reagenti aria e combustibile, mentre all’interno il mescolamento non è ancora avvenuto o in certi casi è solo parziale.

Nel filmato si vede con chiarezza che la reazione di combustione si sviluppa solo al confine in cui si mescolano il combustibile e il comburente, l’aria o l’ossigeno. Dunque nelle condizioni di microgravità, in assenza di convezione la fiamma che tutti noi conosciamo come un oggetto oblungo ed asimmetrico si trasforma in una superficie sferica che si espande; durante la sua espansione essa brucia letteralmente il suo corpo e consumando i suoi reagenti si spegne spontaneamente.

La deflagrazione è caratterizzata da una grande diminuzione della densità del gas a valle dell’onda d’urto e da una leggera caduta di pressione. La maggior parte del “fuoco” nella vita di tutti i giorni, dalle fiamme alle esplosioni, è tecnicamente una deflagrazione.

La detonazione è costituita da un’esplosione a velocità supersonica che genera un’onda d’urto, dove il materiale gassoso è in espansione ad alta temperatura, altissima pressione e densità pressoché costante. Nella detonazione, infatti, la densità dei gas combusti aumenta rispetto a quella della miscela fresca, mentre si verifica un rallentamento di questi ultimi rispetto alla velocità di fiamma, che è fortemente supersonica. I gas combusti seguono dunque l’onda di detonazione ma la vedono allontanarsi.

Nella gran parte degli esplosivi che detonano o alti esplosivi non si ha una combustione ma una reazione di autodistruzione di alcune molecole estremamente instabili che si dividono in molecole più piccole e gassose. La velocità di una tale reazione espressa in m/sec supera di solito di parecchio la velocità del suono nella miscela gassosa. Nelle condizioni più favorevoli il pentano per esempio detona, in una combustione che raggiunge al più i 1700m/sec,                                C5H12 + 😯2 —à 5CO2 + 6H2O

mentre la detonazione del TNT raggiunge quasi i 7000 m/sec

fiamma3

Quindi un alto esplosivo non ha il limite di doversi mescolare con il comburente in genere, è già tutto lì, oggi si direbbe che non ci sono i “lacciuoli” della combustione e la reazione procede molto velocemente, mentre anche nelle condizioni piu’ favorevoli un materiale fossile che è messo in condizione di detonare non riesce a fare molto meglio di quando deflagra. Consideriamo comunque che quando il normale gasolio si incendia lo fa ad una velocità inferiore ad 1 m/sec.

In una bomba atomica la velocità della detonazione raggiunge inizialmente i 30km/sec e surriscalda l’aria talmente da trasformarla in plasma, cosa che un normale esplosivo non potrebbe fare.

In conclusione allora un esplosivo cede una enorme quantità di energia ma sarebbe meglio considerare che i suoi effetti sono dovuti anche alla rapidità con la quale tale energia viene ceduta, cioè alla sua potenza,.

Tuttavia il modo di misurare gli esplosivi , almeno più comunemente si limita a considerare la loro energia e non la loro potenza.

Il megatone però ha ancora qualcosa da dirci; già perchè in realtà viene usato anche nella misura di altri fenomeni veloci, come per esempio i terremoti.

La scala più famosa per la misura dell’importanza dei terremoti è la cosiddetta scala  Richter. La magnitudine Richter di un terremoto è determinata dal logaritmo dell’ampiezza delle onde registrate dai sismografi. La formula originale è

formularichter

dove A è la massima escursione del sismografo di riferimento usato, A0 una funzione empirica che dipende dalla distanza dall’epicentro . A causa della scala logaritmica ciascun aumento unitario  nella magnitudine rappresenta un aumento di 10 volte nell’ampiezza misurata; in termini di energia pero’ ciascun aumento di  una unità  di magnitudine corrisponde ad un aumento di 31.62 volte e ciascun aumento di 0.2 unità al raddoppio dell’energia, perchè l’energia del terremoto varia con 103/2 dell’ampiezza dell’onda sismica.

La scala Richter si può allora trasformare in una scala direttamente energetica e l’energia si puo’ misurare in megatoni, in ton di TNT; in questo caso succede che un terremoto di magnitudine 0 corrisponda all’esplosione di 15g di TNT, ossia 63kJ, mentre un terremoto di magnitudine 2 a 63 MJ, 15 chili di TNT, 31.62×31.62 =1000 volte maggiore.

Ogni due gradi di aumento della magnitudine si ha un aumento di 1000 volte nell’energia del terremoto e quindi di un elemento nella scala dei prefissi:

mag. 4 -> 63 GJ, 15 ton,

mag. 6-> 63 TJ, 15 kilotoni,

mag. 8-> 63 PJ, 15 megatoni,

fino ad arrivare a 10 cioè 63 ettajoules e quindi 15 Gigatoni, mai registrato finora.

Anche qui tuttavia la sola energia non basta perchè occorre capire su quale ampiezza e qualità di zona geologica si scateni tanta energia e in quanto tempo eserciti i suoi effetti.

Tutto sommato le scale basate solo sull’energia non sono sufficienti a descrivere la ricchezza dei fenomeni naturali pur fornendocene una descrizione basilare.

Per fare una scaletta ricordiamo che comunque le bombe nucleari finora costruite accumulano una energia totale di 50 Gigatoni, corrispondente a tre volte più del piu’ potente terremoto che abbiamo indicato, una riprova che l’umanità rivaleggia con le forze della Natura quanto ad energia distruttiva, ma, ahimè,  non certamente quanto ad equilibrio.

2 thoughts on “Megatoni, esplosivi e terremoti.

  1. Caro Luca non solo hai ragione su Molotov ma sembra che in realtà la bomba non sia stata inventata da lui ma da altri non ben individuati e che gli abbiano dato tale nome in modo sprezzante verso Molotov; la cosa non è del tutto chiara.

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