隧道內的爆破震波

生活科學趣談

影片一開始可以看見導爆索(Detonating cord)發出火光而傳遞至前方

在第一則影片中,施工人員首先敲擊起爆器來點燃導爆索,然後以每秒 6.4 公里的 爆速 傳遞到隧道遠處的火雷管來引爆炸藥。這則影片在2秒處襲來第一道最濃密的凝結雲,隨後在第4秒、6秒、7秒也有出現凝結雲。後來的這3次爆炸可能是為了防止震波重疊而導致大幅度的震動,因此採用了起爆延時機制(e.g.延時雷管)來分散爆炸。另外,由於在影片12秒處的凝結雲是從背後襲來並向前方推進,因此這應該是爆破所產生的第一道震波經由背後隧道盡頭反射而來,然後14秒、16秒、18秒也都有出現。

在下則影片中僅出現一道明顯的凝結雲

下列這則影片則沒有出現凝結雲

因此震波未必會伴隨出現凝結雲,這得依空氣中的絕對濕度而定。貝魯特港口的爆炸案由於是發生在海邊,空氣中的濕度較高,所以凝結雲很明顯

但在乾燥的沙漠中或是炸藥的威力不夠時,震波就無法形成凝結雲

高速衝擊之下的空氣可被視為是處於絕熱過程,因此壓力變化會引發空氣溫度的改變。在潮濕的空氣裡,衝擊波中空氣最稀薄的部分(e.g. 馬赫錐 mach cone 後方的低壓區),其溫度若是降至露點以下,空氣中的水份會因過飽和而快速凝結,看來就像是雲霧般的狀態

這種凝結雲的產生,只要空氣中的絕對濕度夠高,可以不須達到超音速就能形成,比如在機翼上方、襟翼和翼尖後方

因此凝結雲的形成僅表示空氣具有可壓縮性,在絕對濕度夠高或是氣壓下降量夠多(即炸藥的威力夠強而產生夠大的震波振幅),就能形成凝結雲

依中文維基條目”震波“的敘述:「震波(Shock Wave),又譯作衝擊波…,聲學震波其速度一般高於音速」。衝擊波比音速傳播得更快的前提是「存在著超過音速的波源」,比如超音速飛行的戰鬥機或是塑料導爆管的管內藉由持續的燃燒所產生之超音速爆轟(Detonation)等。以貝魯特港口的爆炸案為例,硝酸銨爆炸的威力來自於從固體到氣體體積瞬間膨脹幾百倍所產生的爆速和爆壓。也就是說,在硝酸銨爆炸的那一團紅棕色火焰中與鄰近的周圍是高於音速的衝擊波,但是隨後產生的那一團白色凝結雲由於已遠離該次爆炸的可燃範圍,因此並不存在著超過音速的持續波源。另外,根據  Chapman–Jouguet condition高爆藥的反應停止時,爆炸所產生的氣體剛好達到音速的速度傳播,其外圍的凝結雲之傳遞速率就不會高於音速。所以這種震波僅是振幅很大的壓力波,而不是高於音速的聲學震波。

下則影片顯示凝結雲隨著傳遞距離的增加而消散得很快

回來看隧道內爆炸所產生的震波,由於隧道的封閉效應和隧道圍護結構的反射,原本三維傳遞的震波前沿之振幅經反射後會同相疊加(註:密波反射還是密波),逐漸變成一維方向的傳遞,將許多波前累積在一起,因此振幅就會增大(亦即壓力增大)。超壓峰值高於開放空間中發生的爆炸(註:可視為外圍受到束縛的爆炸),震波的持續時間也變得更長,這就有利於凝結雲的長距離傳輸而消散得慢。至於來到隧道盡頭的震波會產生反射, 由於振幅透過空氣與牆壁的摩擦以及空氣層本身之間的紊流摩擦而逐漸變小,凝結雲於是逐漸消散。

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同場加映

馬赫環