出品:科普中国
制作:中国科学院物理研究所
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8月12日晚23时30分左右，天津滨海新区开发区发生剧烈爆炸，爆炸火光冲天。国家地震台网清晰记录到了12日晚间天津发生的爆炸事故，共有两次爆炸，间隔约30秒，第二次震级更高，通过分析波形记录测算出，爆炸威力相当于21吨TNT。爆炸引起的冲击波造成了周边地区建筑物不同程度的损毁，现场腾起巨大的蘑菇云。各媒体新闻中如TNT当量、冲击波等物理名词该如何理解?
8月13日航拍天津滨海新区爆炸现场
TNT当量
很多人好奇TNT当量的概念，TNT当量是指核爆炸时所释放的能量相当于多少吨TNT炸药爆炸所释放的能量。TNT炸药的数量又被使用作为能量单位，每公斤可产生420万焦耳的能量，1吨TNT相等于4.2千兆焦耳，一百万吨相等于4200兆兆焦耳，通常也作为核武器爆炸当量的单位来使用。
从波形记录结果看，第一次爆炸相当于3吨TNT，第二次爆炸在30秒种后，相当于21吨TNT。
等值换算，战斧式巡航导弹的TNT当量约为454千克，即第一次爆炸相当于近7个战斧式巡航导弹的能量，第二次爆炸的能量则接近于46个战斧式巡航导弹落地爆炸。
如果以依阿华战列舰16寸炮炮弹(54公斤高爆炸药)约127千克TNT当量进行换算，第二次爆炸的威力相当于超过了165枚美国二战最大的依阿华级战列舰的406毫米主炮炮弹的威力。
美国海军依阿华级BB-61“依阿华”Iowa号战列舰406mm(16英寸)炮弹的输弹机构 蓝色的为训练弹
要想更形象地了解TNT当量，威力对照表如下:
标准TNT取的是，1克TNT释放4184焦耳
* 1.3 x 10^05 J: 反人员地雷(31克TNT装药)
* 2.1 x 10^05 J: A-10攻击机的GAU-8机炮射出一发贫铀穿甲弹= 50克TNT当量
* 9.5 x 10^05 J: 手榴弹(226克TNT装药)
* 6.1 x 10^06 J: 120mm坦克炮弹(KEW-A1) = 1.4千克TNT当量
* 2.1 x 10^07 J: 反坦克地雷(5公斤TNT装药)
* 3.9 x 10^07 J: 美国海军64兆焦电磁轨道炮弹头动能
* 1.2 x 10^08 J: 1加仑汽油= 28千克TNT当量
* 1.8 x 10^08 J: 1微克反物质+1微克正物质= 43千克TNT当量
* 5.3 x 10^08 J: 依阿华战列舰16寸炮炮弹(54公斤高爆炸药)= 127千克TNT当量
* 1.9 x 10^09 J: 战斧式巡航导弹(TLAM-C) = 454 千克TNT当量
* 4.184 x 10^09 J: 1吨TNT当量
* 2.0 x 10^10 J: 平均水平闪电= 4.8吨TNT当量
* 3.6 x 10^10 J: 平均水平龙卷风= 8.6吨TNT当量
* 4.2 x 10^10 J: 戴维小型战术核武器= 0.01千吨= 10吨TNT当量
* 5.0 x 10^10 J: MOAB巨型燃料空气炸弹，最强大的非核常规武器= 12吨TNT
* 3.6 x 10^13 J: 平均雷暴天气= 0.9万吨
* 6.3 x 10^13 J: 广岛原子弹“小男孩”= 1.5 万吨
* 8.8 x 10^13 J: 长崎原子弹“胖子”= 2.1 万吨
* 1.8 x 10^14 J: 1克反物质+1克正物质= 4.3 万吨
* 2.0 x 10^15 J: 里氏7.0 级地震= 47.7 万吨
* 1.5 x 10^16 J: 1颗巴林杰陨石(直径可能100米，美国巴林杰陨石坑直径1.2km)= 3.5 百万吨
* 6.3 x 10^16 J: 通古斯大爆炸= 15 百万吨= 4.3颗巴林杰陨石
* 1.1 x 10^17 J: 圣海伦火山喷发= 25 百万吨= 1.6个通古斯大爆炸
* 2.0 x 10^18 J: 里氏9.0 级地震= 477 百万吨
* 3.2 x 10^26 J: 轰掉地球大气层= 77 千万亿吨
* 3.9 x 10^26 J: 太阳每秒散发的能量= 92 千万亿吨每秒
* 6.6 x 10^26 J: 加热烧沸地球的海洋= 158 千万亿吨
* 4.5 x 10^27 J: 加热蒸发地球的海洋= 1 百亿亿吨
* 7.0 x 10^27 J: 加热蒸发地球的海洋和烤干所有地面= 2 百亿亿吨
* 1.0 x 10^29 J: 炸飞地球海洋= 24 百亿亿吨
* 2.1 x 10^29 J: 地球转动能量= 50 百亿亿吨
* 1.5 x 10^30 J: 炸飞全球表面= 359 百亿亿吨
* 2.9 x 10^31 J: 轰掉地球(残骸留在原轨道上)= 7 十万亿亿吨
* 3.3 x 10^31 J: 太阳每天散发的能量= 8 十万亿亿吨/day
* 5.9 x 10^31 J: 轰掉地球(残骸飞出轨道)= 14 十万亿亿吨
* 2.9 x 10^32 J: 轰掉地球(残骸飞出太阳系)= 69 十万亿亿吨
* 6.0 x 10^37 J: 英仙座超新星爆发= 1.4 x 10^28吨
强大的冲击波
从该监控视频可见，一名男子站在大厅门前时，突然发生爆炸。爆炸冲击波瞬间将大门冲倒击碎，男子被掀翻并压在倒塌的大门下。离现场较远的网友拍摄的手机视频中也可见在看到爆炸后，房间也开始剧烈地摇晃震动，打开的窗户窗帘猛烈向屋内冲。附近建筑物玻璃几乎全碎。这便是冲击波的威力
任何波源，当运动速度超过了其波的传播速度时，这种波动形式都可以称为冲击波，爆炸产生的冲击波称为爆炸波。其特点是波前的跳跃式变化，即产生一个锋面。锋面处介质的物理性质发生跃变，造成强烈的破坏作用。
地面爆炸时冲击波影响范围示意图
冲击波效应主要以超压的挤压和动压的撞击，使人员受挤压、摔掷而损伤内脏或造成外伤、骨折、脑震荡等。冲击波的杀伤作用主要是由冲击波超压和冲击波作用时间来决定的。冲击波超压就是冲击波压强与空气静止时的气压(l个大气压)的压强差;冲击波作用时间就是冲击波超压所维持的时间。对于普通炸药在空中爆炸，当冲击波超压为0.1大气压时，就会引致门窗损坏、玻璃破碎;超压为0.5大气压时，能使屋顶掀盖;超压为1大气压时，会造成房屋倒塌。
对于人体而言，冲击波超压为0.5大气压时，人的耳膜破裂，内脏受伤;超压为1大气压时，作用在人体整个躯干的力可达4-5千公斤，在这么大的冲击力挤压下。人体内脏器官严重损伤，尤其会造成肺、肝、脾破裂，以至导致人员死亡。
所以很多人在不能预知当时爆炸实际威力的情况下拍摄视频，是十分危险的，要及时迅速找到安全的地方躲避好，谨防冲击波带来的房屋倒塌、玻璃碎裂或高空坠物。
蘑菇云的产生
天津爆炸现场腾起了数十米高的蘑菇云，那么爆炸为什么会产生蘑菇云呢?
爆炸现场网友拍摄
蘑菇云，指的是由于爆炸而产生的强大的爆炸云，形状类似于蘑菇，上头大，下面小，由此而得名。云里面可能有浓烟，火焰和杂物，现代一般特指原子弹或者氢弹等核武器爆炸后形成的云。火山爆发或天体撞击也可能生成天然蘑菇云。蘑菇云高温高压迅速地影响着其周围的空气，大约极短的时间内就能使它周围的空气升温膨胀而又快速上升，并且依靠那上冲时的巨大能量将地面的石头、碎片、粉尘等各种物质粒上高空而形成蘑菇茎。而在上升 的过程中由于同周围低湿空气的接触，这就使得热气团的温度逐渐降到同周围气体的温度相同了，于是便向水平方向散开而形成蘑菇顶，这样一个完整的蘑菇云便形成了。 随着上升高度的增加，地面压力的逐渐减小，蘑菇茎部分的组成物便纷纷落下，最终一切恢复正常。
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