原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

蘑菇云的形状主要是由于气压对流以及爆炸烟云物质的翻腾所形成，其实并非核武器才会产生蘑菇云，较大的猛炸药爆炸、陨石撞击等也会产生蘑菇云，它与原子弹爆炸没有必然性。

上图.法国1971年在南太平洋进行的3万4千吨核弹试验瞬间

事实上，如果将核弹放到水下或者超高空、宇宙空间等条件下爆破，它根本形成不了蘑菇云，普通的核爆炸也不是次次都一定能形成完美的蘑菇云，因此核爆后对蘑菇云形状进行报告亦是重要的观测项目之一。

上图.1945年投掷在长崎的原子弹，可以看到两层尘柱结构

蘑菇云的形成与气压、空气受热情况以及热膨胀系数有关，其实是个简单的物理概念。

上图.核爆时的等离子体

核爆发生后，原子弹链式反应产生的超高温会将空气加热到极高的温度，中心区域在瞬间会形成一个“高温等离子体”，我们一般称之为“火球”。在许多原子弹的观测目击中，这个“火球”会发出太阳一样的光芒，远比事后的蘑菇云更让目击者震撼。

上图.1947年“十字路口行动”中海底爆炸的2万吨级原子弹，海水被打成水墙，可以清晰的看到空气膨胀情况

因为高温，等离子体会通过燃烧、碳化迅速扩张，过程表现为吹气球似的膨胀和湮灭，空气在这一过程中也会受到影响，从而跟随受热而膨胀，分子热运动就越激烈。或者我们可以换一种喜闻乐见的说法——温度愈高，布朗运动愈明显；温度越高，扩散就越快。

上图.美军1952年在内华达进行的原子弹试验，小型核弹的“尘爆感”会更强一些

但过度的热膨胀造成了分子密度的急速降低，大量的空气分子被分开到周围的空间之中，因此同一体积单位内，空气的重量变轻了。如此，热空气会汹涌的上升，在高压的帮助下挤开一条“甬道”。

上图.1958年“Operation Hardtack I”（硬饼干1号行动）中海底引爆的核弹，可以看到层层叠叠的上升云状气流

与此同时，核弹爆炸时，产生的冲击波会将地面、水面大量的物质震碎、燃灰、蒸发并抛洒到天空中，当高温等离子体短短的生命结束后，它们便会因为骤然的真空而被“吮吸”填充进核弹爆炸的“内部”，继而被热空气裹挟，随着“甬道”直升天际，形成长长的“蘑菇柄”。

上图.广岛的“小男孩”，可以看到顶端气流的影响，它的爆高是600米，蘑菇云高度16千米

“甬道”内的热空气毕竟能量有限，上升到一定程度后便会在冷空气的打压下达到极限，再也无法上升。但这时仍然会形成一个新的回环，遭冷空气影响降温的上升气流会被下方继续上升的气流阻击，双方僵持不下，被卷起的蒸汽、尘土、灰烬也掺和在内，便会形成膨大的蘑菇头。这样，我们看到的“蘑菇云”便形成了。

上图.我国第一颗原子弹

至于蘑菇云的颜色，这与核弹的当量以及爆炸高度、爆炸地点的地面物质有关系，一般来说，原子弹形成的烟云是灰色和深褐色、青色几种，当量越大的核弹，颜色越浅而发白，蘑菇的形状也越均匀。10万吨级以下的原子弹与几十万、上百万吨的氢弹区别非常明显。

上图.我国第一颗氢弹

此外，氢弹的氢元素也是颜色重要的来源，但最大的影响因素还是核弹的爆高，例如我国的核弹爆炸，中学课本上就有图片。第一颗原子弹是在102米的钢架上爆破的，当量两万吨，炸出的是深浓的黑蘑菇。而第一颗氢弹采用的是航空投掷，11000米投弹，3000米高空爆炸，炸出的是肥硕的杏鲍菇。假如它们在地面爆炸的话，依然会是一片灰里吧唧的土色。

怎么样？这就是蘑菇云的奥秘。

原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

作为人类有史以来制造过的破坏性最强的大杀器，原子弹这类核武器有一个最典型的外在特征，那就是爆炸后形成的巨大蘑菇云，学名叫蕈（xùn）状云。蘑菇云的产生其实涉及的知识相对简单，原子弹在爆炸瞬间会形成一个几千万摄氏度，甚至上亿度的巨大火球，同时向周围释放出高能辐射，以原子弹爆炸投影点为中心，半径数千米内的空气、土层、石头都会被气化成气体，这些高温气体因为受热膨胀，密度要小于周围空气，再加上爆炸后的向上冲击力，这些气体就会被托举上升，形成一个笔直的中心上升云柱。（蘑菇云中心云柱的上升）

由于高度每上升100米，温度下降0.6℃，这些上升的气体混合物在到达数千米的高空后会逐渐冷却并且上升速度变慢，在被上层固有云团阻挡后，这些气体受阻后无法上升，因此只能被迫向四周扩散，导致云柱顶端越来越大，逐渐形成一个底部小，上头大的蘑菇状雏形。（蘑菇云的不断壮大过程）

在这个雏形形成过程中，另一个因素则加剧了蘑菇云雏形的成长！在原子弹爆炸中心，由于爆炸冲击和强烈燃烧作用，这里短时间内会形成一个近似真空的状态，这个真空由于压力远远小于周围的大气压，因此会产生强大的抽离作用，将周围的空气和各种杂物源源不断的往天空输送，最终促使上方核爆云层不断变大，变粗，最终形成范围几十乃至于几百公里的庞大蘑菇云！（蘑菇云的真空抽离作用和台风形成的原理是差不多的）

蘑菇云虽然好看，但是却杀机四伏！因为不管是爆炸初期上升的气体混合物还是后期周围抽离补给的气团，其中大量的物质都遭受了严重的核辐射，而所谓的蘑菇云其实就是一个聚集了海量辐射尘埃的移动定时炸弹。这些云团一旦遭遇冷空气，就会冷凝成水滴，最后以降雨的方式重新回到地面，被辐射雨洗刷过的地面就将遭受二次核污染，最后变成辐射重灾区！由于云团随风飘动，进入大气环流后，移动距离可达上千公里，因此即使核爆炸在人烟稀少地区，最后也可能会导致距离遥远的人口密集区遭受不同程度的核污染！（普里皮亚季地区可怕的辐射云）

1986年，前苏联加盟国乌克兰普里皮亚季地区的切尔诺贝利核电厂发生剧烈爆炸，大量辐射物质被喷射至高空云层，这些云层随着大气环流四处游走，最后以降雨的形式落回地面，这不仅污染了邻近的乌克兰、俄罗斯、白俄罗斯广大地区，甚至连几千公里之外的希腊、法国、瑞典甚至是英吉利海峡对岸的英国南部地区都遭受了严重核污染！所以说蘑菇云虽美，但却是绽放的死亡之花！（切尔诺贝利核污染地区，几乎遍及整个欧洲）

除了核爆炸之外，威力强大的常规爆炸、火山喷发、陨石撞击，乃至于星体之间的互怼都可能会产生蘑菇云，原理基本都是大量热气流短时间内高速上升所致。人类目前观察到的最大的蘑菇云来自于1994年7月17日的太空，当时直径达到5公里以上的苏梅克-列维九号彗星被木星引力捕捉，最终以每小时21万公里的速度撞击木星大气层，产生的能量超过6万亿吨TNT爆炸（人类现有核武器总量的一千倍以上）！当时形成的蘑菇云高达500公里，直径达到数千公里，而前苏联威力最大的沙皇炸弹（500万吨TNT当量）爆炸时，蘑菇云也不过64公里高，40公里宽而已！（苏梅克-列维九号撞击木星示意图）

原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

原子核暴是具大能量瞬间裂变释放出来，周围环境骤变而产生蘑菇云。

原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

蘑菇云的产生跟爆炸当量和爆炸方式有关，只要爆炸当量达到了一定的程度，以及满足了起爆条件（重力环境，非高空或者地下爆炸），即使是一些非核武器，在爆炸瞬间也是可以产生蘑菇云的，比如大家听的比较多的温压弹。蘑菇云除了可以通过人造之外，大自然中的一些剧烈能量释放同样可以产生巨大的天然蘑菇状烟云，比如猛烈的撞击（小行星）和火山爆发，下图就是位于美国阿拉斯加州南部的里道特火山(Mount Redoubt)在1990年爆发时产生的巨大蘑菇云：▲火山爆发产生的蘑菇云

那么，为什么发生大当量爆炸的时候就会产生蘑菇状的烟云呢？这个跟不同密度的流体（空气也是一种流体）之间出现瑞利－泰勒不稳定性有关，至于什么是流体间的瑞利－泰勒不稳定性？它指的是：在重力环境中，当低密度的流体支撑（或者加速）高密度的流体时，在流体界面出现的扰动不稳定现象，使得流体界面无法保持稳定，两种密度的流体间互相侵入，从而出现湍流混合的一种过程，这就是流体间的瑞利-泰勒不稳定性。

▲核爆产生的蘑菇云

所以，当原子弹爆炸（或者其他的大当量常规武器爆炸）的时候，会出现以下这个过程：

1、爆心附近的空气被瞬间加热，体积膨胀，密度变小；

2、热空气（低密度流体）上升，与上面的冷空气（高密度流体）相遇后出现瑞利－泰勒不稳定性现象；

3、热空气上升受阻，冷空气下降受阻，两者间互相侵入混合，出现湍流，冷空气像四周扩散并下降；

4、爆心附近出现真空，导致附近低空冷空气回流，被加热上升，从而产生气流拖住上方的云团，也就是蘑菇云的“茎”；

5、顶端的冷、热空气交汇形成涡环，当之间达到一个平衡状态时则会停止上升，最终形成蘑菇的顶盖形状。

▲蘑菇云内部解析图

因此，蘑菇云的产生的主要原因就是在重力环境下，密度不同的冷、热空气之间交汇时出现瑞利-泰勒不稳定性。在地球的重力环境下，大部分的大型爆炸都会出现蘑菇装烟云（如果没有重力，爆炸后的产物将会呈现球型），近地或者是地面爆炸时，气体回流会吸入地面的泥土等其他碎屑，从而出现大量的烟尘，产生一个支撑蘑菇顶部的“茎”；而如果是高空爆炸，比如核爆的时候，那么一般情况下不会出现带“茎”的蘑菇云，其头部主要由放射性粒子以及一些高温等离子状态的物质（被高温“气化”武器其他部件）组成。

原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

核爆炸产生磨菇云是大威力爆炸在大气底层开始产生的。只要是足夠大威力的爆炸，加热了空气水汽地面固态物质，形成比空气轻的球形混合物，不透明的烟尘，球形轻而迅速上升变成柱状是磨菇柄，接近地面水平扩散成为根，上升到平流层就是到了大气顶层，空气稀薄不能继续上升，而向四周扩散开来，大气顶层是圆顶伞形的，扩散后就成磨菇菌盖。一朵磨菇菌就形成了，不单纯是核爆炸，只要爆炸比较靠近地面，威力足夠大，能使烟尘上升到平流层就会形成磨菇云。在实验室里用黑火药加一个圆顶锅盖在上面，点燃可形成短时的小磨菇云。

原子弹爆炸为什么是蘑菇形状？

不仅仅原子弹爆炸会产生蘑菇云，所有炸弹爆炸后都会产生蘑菇云，只不过原子弹爆炸产生的蘑菇云巨大，震撼力极强。

不同蘑菇云的尺寸原子弹和氢弹爆炸原理与一般炸弹有天壤之别，基本原理就是爱因斯坦相对论公式E=MC²。由质量直接转化为能量，爆炸前的体积极小，瞬间释放的能力极大。爆炸瞬间形成一个温度高达1亿摄氏度、压强超过万亿帕，密度接近于零的膨胀“空腔”。

核弹：小男孩

随着爆炸释放的大量热量把周围空气加热，使得“空腔”周围空气体积密度变小。冷空气浮力成为主要的向上推动力量，热球裹胁着水汽、尘埃、压缩气体快速上升，形成“蘑菇柱”（也称为“蘑菇梗”）。

随着能量的释放，热球体积迅速增大，与周围的冷空气逐步混合。当上升到一定高度后，热球重力与空气浮力相近时，热球不再继续上升。此时，热球仍然比周边空中温度高很多，热量向四周释放。受到横向膨胀力与纵向重力的牵扯，下降气流又会撞上后面的上升气流，导致热球在翻滚中进一步扩散，形成了“蘑菇顶”。

核武器在太空爆炸不会形成蘑菇云，而是一个四处均匀扩散的球体。137亿年前的宇宙诞生之时，质量无限大，体积无限小的“奇点”发生爆炸。宇宙大爆炸类似于核爆炸，这个爆炸现在还在持续，宇宙中所有的一切不过都是“奇点”爆炸的尘埃。可以这么说，我们的一切来自于一次“核爆炸”。