Exploze v bejrútském přístavu z pochopitelných důvodů upoutala pozornost velké části veřejnosti. Na internetu můžete najít nepřeberné množství informací a svědectví o události, ovšem snad ještě více mýtů, senzací, chybných dedukcí až vyslovených lží.
Řadu nepravd je těžké či přímo nemožné vyvrátit. U některých to tak těžké není. A to mimo jiné i díky řadě videí, která průběh události zachycují. Ne každý na nich ovšem vidí totéž – ti, kdo mají určité znalosti z fyziky či chemie, v nich uvidí více než laik.
Nelze z nich samozřejmě zjistit vše důležité. Například přesnou příčinu exploze bude muset určit mnohem podrobnější a pracnější vyšetřování. Celou řadu zajímavých informací ovšem z videí vyčíst lze. Tak se na ně pojďme podívat.
Není výbuch jako výbuch
Text si rozhodně neklade za cíl vyšetřit příčiny havárie, to z České republiky ani není možné. Budeme vycházet jednoduše z informace, že ve skladu byl uložen dusičnan amonný a v bezprostřední blízkosti blíže nespecifikovaná pyrotechnika.
Abychom pochopili, co se na záběrech děje, musíme mít k dispozici vhodný „jazyk“. Řekněme si proto, že (velmi zhruba řečeno) existují dva typy výbuchů (explozí), které se zásadně liší tím, jak probíhají, a svými projevy na okolí:
- Deflagrace – rychlé, avšak podzvukové hoření, např. to, co se děje při výstřelu z pistole či děla v nábojové komoře. Rychlost šíření reakce je v desítkách až stovkách metrů za sekundu.
- Detonace – není hoření, jde o nadzvukový děj s výrazně větším ničivými účinky. Tlaky jsou až tisícinásobně větší než u deflagrace. Rychlost šíření detonace materiálem je v kilometrech za sekundu a probíhající detonaci je tedy nemožné zastavit.
Ze zveřejněných videí je pravděpodobné, že v Bejrútu kromě hoření nastaly oba tyto děje – jak deflagrace, tak detonace. Pokud mezi nimi budeme důsledně odlišovat, pochopení bejrútských událostí pro nás bude výrazně jednodušší.
Na začátku událostí je podle všeho rozsáhlý požár v přístavních skladech, který zachytila celá řada videí a fotografií. Na nich je patrné, že bílý dým postupně přecházel v tmavší dým. Z bílé barvy lze usuzovat, že požár má v počátku dostatek kyslíku (oxidovadla), později začíná hořet další materiál, který již tolik kyslíku nemá. V kouři se objevují saze a barva je tedy tmavší.
Požár těsně před prvním výbuchem
Řada blízkých záběrů ukazovala „blikání“ odpovídající lokálním výbuchům typicky pozorovaným při požárech zábavní pyrotechniky. Tyto záblesky jsou nejprve patrné uvnitř budovy a po první explozi i v různých místech mimo budovu. Pozorovat je lze ve stejnou chvíli i velice vzdálené jeden od druhého. Ať už ale hořelo cokoliv, požár výbuchu jednoznačně předcházel.
První exploze – deflagrace
První exploze – deflagrace
Z videí je dále patrné, že masivní detonaci předcházela i menší exploze, pravděpodobně deflagrace, ke které došlo asi 30 sekund před masivní detonací. Jak je vidět na snímcích nad i pod tímto odstavcem, deflagrace rozmetla do okolí část uskladněného materiálu. První explozi také předcházel zdokumentovaný „zvláštní“ zvuk připomínající plynový hořák či rychle unikající stlačený plyn.
Je tak možné spekulovat, že těsně před první explozí se v budově prudce zvýšil tlak, protože hořením vznikalo velké množství zplodin. Hoření přešlo k deflagraci, která má tendenci - především právě za vyššího tlaku - přejít v detonaci. Ovšem deflagrace byla zřejmě natolik bouřlivá, že se materiál rozlétl, dost možná došlo i k poškození budovy. Tím se tlak uvolnil a k detonace se oddálila.
Jaký materiál lokální nárůst rychlosti hoření způsobil, není možné z videí identifikovat. Nicméně zplodiny šířící se od požáru po tomto prvním výbuchu měly stále šedou barvu. Tož naznačuje, že v té době ještě nedocházelo ve větším měřítku k rozkladu dusičnanu amonného.
Požár těsně před druhou explozí
Rozlet materiálu, pravděpodobné výbuchy pyrotechniky
Z reakcí lidí natáčejících požár je patrné, že už první výbuch byl slyšet a vyvolal i tlakovou vlnu. Projevy ovšem nebyly příliš silné. Řada lidí rychle pokračovala v natáčení, a to i ti, kteří byli požáru dosti blízko.
Přibližně půl minuty po prvním výbuchu došlo k masivní explozi. Můžeme ji srovnat s výškou vedle stojícího obilného sila, jehož výška je zhruba 60 metrů. Následující obrázek ukazuje ohnivou kouli o průměru minimálně 80 metrů.
Rychlost rozpínání ohnivé koule, doba trvání její existence, tvar a následné tlakové projevy na okolí, stejně jako barva zplodin po explozi identifikují zcela jednoznačně, že v danou chvíli došlo k detonaci.
Okamžik detonace skladu
V prvních chvílích se objevily spekulace, že šlo o výbuch velkého skladu zábavní pyrotechniky, ovšem na základě vzniklého mraku detonačních zplodin bylo prakticky okamžitě možné tuto spekulaci vyvrátit. Už pouze na základě červeno-hnědé barvy oblaku lze spolehlivě určit hlavní složku, kterou jsou oxidy dusíku (NOx, typicky oxid dusičitý NO2).
Oblak na následujícím snímku těžko mohl vzniknout jinak než z látek bohatých zároveň na dusík a kyslík. Většina látek schopných detonace je tvořena uhlíkem, vodíkem, kyslíkem a dusíkem. Jsou-li tyto prvky ve vhodném poměru, vzniká při detonaci voda, oxid uhličitý a dusík. Je-li však kyslíku příliš mnoho, jako je tomu u dusičnanu amonného, vznikají při detonaci oxidy dusíku tvořené převážně oxidem dusičitým.
Na detonaci dusičnanu amonného je možné usuzovat právě podle červeno-hnědých zplodin. Tyto zplodiny, které jsou mimo jiné poměrně toxické, byly v okolí Bejrútu pozorovatelné i dlouho po výbuchu.
Tvorba oblaku oxidů dusíku – typicky NO2
Tvorba oblaku oxidů dusíku – typicky NO2
Po velmi krátké chvíli rezavohnědý oblak zahalil oblak bílý. Jeho vznik je vidět na dalším obrázku, na kterém si rovněž můžete všimnout vln na vodní hladině v přístavu. Co přesně obrázek zachycuje, nám pomůže objasnit představení výrazu vzdušná rázová vlna.
Šíření vzdušné rázové vlny viditelné na vodní hladině a formování oblaku
Vzdušná rázová vlna se společně se zvukem výbuchu často nazývá souhrnně jako tlaková vlna. Nicméně se jedná o dva blízké, a přesto poněkud rozdílné jevy.
Klasický zvuk šířící se do okolí lze chápat jako vlnění (tzv. podélné vlnění, abychom byli přesnější), které má v daném prostředí a za daných podmínek jasně definovanou rychlost. V případě vzduchu u hladiny moře je tato rychlost zhruba 340 m/s (tedy cca 1 220 km/h).
Změny tlaku u zvukové vlny nastávají pozvolna (kontinuálně). Právě tyto drobné změny tlaku rozvibrují ušní bubínek, pak vnímáme zvuk.
Rázová vlna je odlišná. A to především díky tomu, že změna tlaku nastává skokově (diskontinuálně) a rychlost jejího pohybu je vždy vyšší než rychlost zvuku v daném prostředí.
„Sílu“ vzdušné rázové vlny lze popsat několika parametry. Tím, který si lze představit asi nejsnadněji, je přetlak v jejím čele. Jde o změnu tlaku vůči tlaku atmosférickému a bývá vyjadřována v kilopascalech (kPa). Čím vyšší je přetlak v čele rázové vlny, tím rychleji se do okolí vlna šíří. S rostoucí vzdáleností od místa detonace klesá přetlak v jejím čele, a můžeme říct, že rázová vlna slábne.
Příklad průběhu přetlaku v čase změřeného tlakovým senzorem (nikoliv pro výbuch v Bejrútu) ukazuje následující graf. Přetlak odpovídající nule je roven atmosférickému tlaku (žádná změna vůči němu). Následuje již zmíněný skokový nárůst tlaku následovaný pozvolným poklesem až pod úroveň tlaku atmosférického.
Doba, po kterou je tlak vyšší než atmosférický, se nazývá pozitivní přetlakovou fází (žlutě), zatímco doba, kde je tlak pod úrovní atmosférického tlaku, negativní tlakovou fází vzdušné rázové vlny (zeleně).
Průběh přetlaku v čase pro vzdušnou rázovou vlnu (modelový příklad)
Právě negativní fáze vzdušné rázové vlny je příčinou vzniku bílého oblaku, který jsme zmiňovali výše a který můžete vidět na další fotografii. Tvoří ho kondenzovaná vzdušná vlhkost, a jde tedy o tzv. kondenzační (či Wilsonův) oblak.
Šíření vzdušné rázové vlny a kondenzačního oblaku od místa detonace
Jednoduše řečeno ho tvoří mlha, která vzniká poté, co daným místem projde vzdušná rázová vlna. Pro průchodu čela postupně klesne pod úroveň atmosférického tlaku. Což znamená, že po prvotním stlačení je vzduch obsahující vodní páry donucen expandovat, čímž dochází k poklesu teploty pod úroveň rosného bodu. Vzduch je tak přesycen vodními parami, což vede ke kondenzaci obsažené vody na mikroskopické kapičky, které tvoří zmíněný oblak.
Vzhledem k tomu, že vzdušná tlaková vlna se vzdáleností výrazně slábne, oblak lze pozorovat jen do určité vzdálenosti. Od té tlak neklesne dostatečně hluboko pod úroveň atmosférického tlaku a nedojde tedy ani ke kondenzaci vodní páry
Na dalším snímku můžete zhruba vidět onu „hranici“, za kterou už se mlžný oblak netvoří. Je vidět, že oblak se začíná rozpadat.
Zánik kondenzačního oblaku
Šíření kondenzačního oblaku
Další vybraný záběr ukazuje následný rozptyl kondenzačního oblaku. Drobné kapky vody opět mění skupenství na vodní páry.
Zánik kondenzačního oblaku
Ničitelka
Účinky rázové vlny na okolí si můžeme ukázat na dalším snímku. Je na něm vidět, jak vlna spěchá směrem ke kameře a postupně působí škody na budovách, přes které postupuje.
Podle míry poškození budov lze usuzovat na parametry vlny. Aby bylo dosaženo úrovně poškození budov patrné z obrázku, musí být přetlak v čele stále v nižších desítkách kPa.
V principu je stejně dobře možné se z údajů pokusit zjistit i další informace. Protože známe množství skladovaného dusičnanu amonného (2 750 tun), bylo by možné určit vzdálenost kamery od místa výbuchu. Z rozsahu škod je možné pokusit se zjistit, jak velká část uskladněného dusičnanu skutečně detonovala. Nicméně vždy půjde o přibližné výsledky vzhledem k faktu, že záleží na mnohých parametrech – od statiky budov, pevnosti a velikosti oken, úhlu postavení budovy vůči šíření vlny a mnoha dalších faktorech.
Poškození budov účinky vzdušné rázové vlny
Zajímavý efekt bylo možné pozorovat na videích umístěných uvnitř domů. Následující tři snímky jsou z videa, na kterém je vidět vylomení původně zavřených dveří směrem ven z místnosti.
Průběh vytržení dveří směrem ven z místnosti. Úvodní snímek, kdy jsou dveře zavřené.
Průběh vytržení dveří směrem ven z místnosti. Na tomto snímku rázová vlna otevřela dveře směrem do místnosti.
Průběh vytržení dveří směrem ven z místnosti. Poslední snímek, který zachycuje vytržení celé nejen dveří, ale i okolní stěny.
Logika zdánlivě velí, že dveře zatížené tlakovým působením vzdušné rázové vlny by měly být vylomeny směrem do místnosti. Ve skutečnosti ovšem relativně často dochází naopak k vylomení směrem ven.
Dveře se totiž nejprve prudce otevřou vlivem přetlaku (to je vidět na prostředním snímku). Následuje pozvolný přechod přetlaku až do negativní tlakové fáze, kdy se dveře naopak prudce zavírají podtlakem za nimi. Vlivem kombinace původního zatížení a hned následujícího zatažení podtlakem dojde k překročení pevnosti. Dveře jsou vytaženy i s celou stěnou směrem ven z místnosti, jak ukazuje obrázek napravo.
Otázky na konec
Vzhledem k tomu, kolik nepravdivých, polopravdivých či zavádějících informací kolem bejrútské tragédie koluje, jsem na závěr připravil odpovědi na některé otázky, které mohou v souvislosti přijít laikovi na mysl.
- Mohla být tlaková vlna slyšet i na Kypru vzdáleném přes 200 km?
Asi ano, nicméně již nešlo o vlnu rázovou, která s rostoucí vzdáleností od výbuchu slábne. V momentě, kdy zeslábne a zpomalí na rychlost odpovídající rychlosti zvuku za daných podmínek, dojde k její transformaci na vlnu zvukovou již bez ničivých účinků. Slyšet tedy byl pouze neškodný zvuk.
- Mohla vzdušná rázová vlna ničit okna kilometry daleko?
Ano, nicméně ve vzdálenostech více kilometrů pouze slabá okna o velké ploše, jakými jsou například výlohy. Vždy záleží na ploše okna, tloušťce skla, úhlu dopadu na okno a dalších parametrech specifických vždy pro konkrétní okno.
- Mohlo blízké obilné silo ochránit budovy stojící za ním?
Ne. Vzdušná rázová vlna překážku obteče a v těsné blízkosti za ní dokonce lokálně dochází ke skládání obtékajících vln, což může vést k lokálnímu nárůstu tlaku a dalších parametrů. Ničivý účinek proto může být místně i větší, než kdyby v cestě překážka nebyla. Při určitých geometriích může být ovšem účinek i lehce snížen a vždy závisí na konkrétní situaci. O ochraně budov před tlakovým účinkem nelze mluvit. Ochranu přineslo maximálně proti letícím fragmentům z místa exploze.
- Mohli se pozorovatelé požáru v okamžiku výbuchu nějak chránit?
Prakticky ne. Ti blízko měli čas pouze zlomky sekundy a ti vzdálenější maximálně jednotky sekund. Navíc by museli výbuch přímo pozorovat, neboť blížící se vlna není kvůli nadzvukové rychlosti šíření slyšet.
- Je potřeba mít z dusičnanu amonného obavy?
Není. Jedná se o látku používanou přes 100 let v obrovských množstvích převážně jako hnojivo. I přesto, že za tuto dobu došlo k řadě nehod, z nichž některé skončily výbuchem, není třeba mít z dusičnanu amonného strach. Situaci lze přirovnat k používání benzínu či zemnímu plynu, které také mohou vybuchnout a také byly příčinou řady nehod. Přesto nejspíš nikdo netrpí úzkostí při tankování nebo vaření doma na plynovém sporáku.
- Proč tedy může požár dusičnanu amonného explodovat?
Mechanismy, kterými může požár dusičnanu přejít do výbuchu, mohou být různé. Vždy je ovšem potřeba, aby se sešlo několik podmínek. Řadě z nich se dá předejít dodržováním bezpečnosti při manipulaci i skladování.
- Co se děje s dusičnanem amonným při zahřívání?
Za standardních podmínek dochází při zahřívání čistého dusičnanu amonného při 160 °C k jeho tání. Při teplotě mezi 230 a 280 °C k jeho rozkladu na produkty (převážně oxidy dusíku a voda). Tento rozklad je pozvolný a k výbuchu má daleko. Pouze za určitých podmínek se mohou produkty rozkladu uvolňovat tak rychle, že skutečně dojde k detonaci. Samotné zahřátí nestačí.
- Má smysl havárii srovnávat s výbuchem jaderné bomby?
Maximálně z hlediska množství uvolněné energie, a i tak jde o nešťastné srovnání. Exploze byla v takovém kontextu relativně slabá, zhruba kolem 1 000 tun TNT, tedy jedné kilotuny TNT.
Jaderné pumy mívají o několik řádů větší explozivní sílu. Ostatně si můžete srovnání udělat sami v jednom z několika simulátorů jaderného výbuchu, které jsou na internetu k dispozici. Více nejen o nich najdete v našem článku.
- Proč bylo tolik lidí zraněno?
Velmi jednoduše řečeno proto, že ve městě je tolik „věcí“. Za většinu zranění mohlo poletující sklo z roztříštěných oken a jiné podobné letící úlomky. Něco podobného se stalo například i při výbuchu meteoru nad Čejlabinskem. Řada přihlížejících měla řezné rány v obličeji a na rukou, jak se kryli, když tlaková vlna vyrazila skla oken, přes která událost sledovali.
Nyní se zkuste podívat na video z tragické bejrútské události novýma očima.
Autor je doktorandem na Ústavu energetických materiálů Univerzity Pardubice. jeho specializací je fyzika výbuchu od detonace až po její projevy na okolí.
