Научный взгляд: Особенности взрыва в Бейруте

Трагическая новость о взрыве огромной силы в Бейруте, занявшая первые строчки новостных ресурсов, вызывает естественные вопросы: как это могло произойти, что там взорвалось, в силу каких факторов возможны подобные происшествия? Чтобы разобраться, взглянем пристальнее на свойства аммиачной селитры и связанные с ней опасные моменты.

Что произошло в Бейруте

Если говорить кратко, ситуация выглядит следующим образом: шесть лет назад в морской порт Бейрута зашло судно Rhosus для внеплановой починки. Оно принадлежало компании уроженца Хабаровска Игоря Гречушкина. Власти порта не выпустили судно из-за недостатков в системах безопасности и документах на груз. Постепенно команда покинула Rhosus, а его груз, состоявший из 2750 тонн аммиачной селитры, перегрузили в складское помещение в порту, где он и хранился последующие шесть лет. Условия хранения оказались недостаточно надежными, поэтому для  ограничения доступа к этому грузу на складе проводили сварочные работы, из-за ненадлежащей организации безопасности которых впоследствии воспламенилась пиротехника, хранившаяся в этом же складском помещении.

Начался пожар, поддерживаемый горением и срабатыванием пиротехнических средств. Через какое-то время произошла детонация хранившейся аммиачной селитры. Ударная волна от этого взрыва нанесла большое поражающее действие по окружающим районам Бейрута: на сегодня погибшими числятся более 130 человек, и их число продолжает расти в процессе обнаружения все новых тел при разборе завалов зданий и сооружений. Пострадали более пяти тысяч человек.

https://www.kramola.info/sites/default/files/insert_images/vesti/2020/08/08/01_0.jpg

Фотографии из космоса, сделанные спутником «Канопус-В». Фотография вверху датируется 4 ноября 2019 года, нижняя — на следующий день после взрыва. / ©Роскосмос.ру

Огромное количество домов получили повреждения разной степени, разрушения затронули половину зданий Бейрута, около 300 тысяч жителей остались без крова. По оценке губернатора ливанской столицы Марвана Аббуда,  ущерб от взрыва оценивают в сумму от трех до пяти миллиардов долларов.  Снимки из космоса порта Бейрута, сделанные до и после трагедии, показывают зону сплошных разрушений вокруг всей портовой части. В Ливане объявлен трехдневный траур.

Что представляет собой аммиачная селитра

Аммиачная селитра, или нитрат аммония, представляет собой аммониевую соль азотной кислоты, имеет химическую формулу NH₄NO₃ и состоит из трех химических элементов — азота, водорода и кислорода. Высокое содержание азота (около трети по массе) в легкоусвояемом растениями виде позволяет широко применять аммиачную селитру в качестве эффективного азотного удобрения в сельском хозяйстве.

В этом качестве аммиачная селитра применяется и в чистом виде, и в составе других, комплексных удобрений. Основная масса производимой в мире селитры используется именно в этом качестве. Физически аммиачная селитра представляет собой белое кристаллическое вещество, в промышленном виде имеющее вид гранул разного размера.

Она гигроскопична, то есть хорошо впитывает влагу из атмосферы; при хранении имеет тенденцию к слеживанию, образованию больших плотных масс. Поэтому ее хранят и транспортируют не в виде сплошной насыпной массы, а в плотных и прочных мешках, не позволяющих образовываться большим слежавшимся массивам, которые трудно поддаются разрыхлению.

https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2020/08/sysya.jpg

Взрывные работы на открытых горных разработках с использованием аммиачной селитры в составе промышленной взрывчатки / © Flickr.com.

Аммиачная селитра — сильный окислитель. Три атома кислорода, входящие в ее молекулу, составляют 60 процентов массы. Другими словами, аммиачная селитра — более чем наполовину кислород, который легко высвобождается из ее молекулы при нагревании. А термическое разложение селитры происходит в двух основных формах: при температуре ниже 200 градусов она разлагается на оксид азота и воду, а при температуре порядка 350 градусов и выше одновременно с водой образуется свободный азот и свободный кислород. Это выделяет аммиачную селитру в разряд сильных окислителей и предопределило ее использование в производстве различных взрывчатых веществ, в составе которых требуется окислитель.

Аммиачная селитра — компонент промышленной взрывчатки

Аммиачная селитра входит во множество видов промышленных взрывчаток и широко используется в этом, в основном в горнодобывающей промышленности. Человек для разрушения горных пород пока не придумал ничего эффективнее взрыва. Поэтому практически любые работы с ними строятся на основе взрыва: от добычи в шахтах до открытых разрезов и карьерных разработок.

Горная промышленность потребляет огромное количество взрывчатки, и на каждом добывающем горнорудном предприятии или угольном разрезе всегда есть свой завод по производству взрывчатых веществ, которые расходуются в больших количествах. Относительная дешевизна аммиачной селитры позволяет использовать ее для массового производства различной промышленной взрывчатки.

И здесь можно отметить удивительную широту образования аммиачной селитрой взрывчатых систем. Смешав селитру буквально с любым горючим веществом, можно получить взрывчатую систему. Смеси селитры с обыкновенным алюминиевым порошком образуют аммоналы, которые потому так и называются — АММОНия нитрат — АЛюминий.  80% массы аммонала составляет аммиачная селитра. Аммоналы очень эффективны, ими хорошо взрывать скальные породы, определенные разновидности так и называются скальными аммоналами.

https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2020/08/yyy.jpg

Массовый взрыв при производстве горных работ / © Flickr.com.

Если пропитать селитру дизельным топливом, получится другой класс промышленных взрывчаток — игданиты, названные так в честь ИГД, Института горного дела АН СССР. Селитра способна образовывать взрывчатые смеси при пропитке практически любыми горючими жидкостями, от растительного масла до мазута. Другие классы взрывчаток на основе селитры используют добавки различных взрывчатых веществ: например, аммониты (это не только ископаемые головоногие) содержат тротил или гексоген. В чистом виде аммиачная селитра тоже взрывоопасна и может детонировать. Но ее детонация отличается от детонации промышленных или боевых взрывчаток. Чем именно? Кратко вспомним, что такое детонация и чем она отличается от обычного горения.

Что такое детонация

Для того, чтобы в горючих веществах начались реакции горения, атомы горючего и окислителя надо сделать свободными и сблизить до образования между ними химических связей. Освободить их из молекул, в которых они содержатся, — значит, разрушить эти молекулы: это делает нагревание молекул до температуры их разложения. И то же нагревание сближает атомы горючего и окислителя до образования между ними химической связи — до химической реакции.

При обычном горении — оно называется дефлаграцией — реагирующие вещества нагреваются за счет обычной теплопередачи от фронта пламени. Пламя нагревает слои горючего вещества, и под действием этого нагрева вещества разлагаются до начала химических реакций горения. Детонационный механизм другой. В нем вещество нагревается до начала химических реакций за счет механического сжатия высокой степени — как известно, при сильном сжатии вещество нагревается.

Такое сжатие дает ударная волна, проходящая по детонирующему куску взрывчатки (или просто объему, если детонирует жидкость, газовая смесь или многофазная система: например, взвесь угля в воздухе). Ударная волна сжимает и нагревает вещество, вызывает в нем химические реакции с выделением большого количества тепла и сама же подпитывается этой выделяющейся прямо в нее энергией реагирования.

И здесь очень важна скорость детонации — то есть скорость прохождения ударной волны по веществу.  Чем она больше, тем мощнее взрывчатка, взрывчатое действие. У промышленных и боевых взрывчатых веществ скорость детонации составляет несколько километров в секунду — от порядка 5 км/сек у аммоналов и аммонитов и  6-7 км/сек у тротила до 8 км/сек у гексогена и 9 км/сек у октогена. Чем быстрее детонация, тем больше плотность энергии в ударной волне, тем сильнее ее разрушающее воздействие при выходе за пределы куска взрывчатки.

Если ударная волна превосходит скорость звука в материале, она дробит его на куски — это называется бризантным действием. Именно оно разрывает на осколки корпус гранаты, снаряда и бомбы,  дробит скальные породы вокруг начиненного взрывчаткой шпура или скважины.

С удалением от куска взрывчатки мощность и скорость ударной волны падают, и с некоторого короткого расстояния она уже не может дробить окружающее вещество, но может на него воздействовать своим давлением, толкать, сминать, разгонять, бросать, метать. Такое давящее, сминающее и метательное действие называется фугасным.

Особенности детонации селитры

Промышленная аммиачная селитра безо всяких добавок, образующих взрывчатку, как мы уже отметили выше, тоже может детонировать. Ее скорость детонации, в отличие от промышленных взрывчатых веществ,  относительно невелика: порядка 1,5-2,5 км/сек. Разброс скорости детонации зависит от многих факторов: в виде каких гранул находится селитра, как плотно они спрессованы, какая текущая влажность селитры и многих других.

Поэтому селитра не образует бризантного действия — она не дробит окружающие материалы. Но фугасное действие детонация селитры производит вполне ощутимое. И мощность конкретного подрыва зависит от ее количества. При больших взрывающихся массах фугасное действие взрыва может достигать разрушительности любых уровней.

https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2020/08/1111.jpg

Последствия взрыва в Бейруте / © «Лента.ру»

Говоря о детонации, отметим еще один важный момент — как она начинается. Ведь для того, чтобы по взрывчатке пошла ударная волна сжатия, ее нужно как-то запустить, чем-то создать. Простое поджигание куска взрывчатки не дает механического сжатия, необходимого для запуска детонации.

Так, на небольших кусочках тротила, подожженных спичкой, вполне можно вскипятить чай в кружке — они горят с характерным шипением, иногда коптят, но сгорают спокойно и без взрыва. (Описание не является рекомендацией к приготовлению чая! Это все же опасно, если куски окажутся большими или загрязненными.) Для запуска детонации необходим детонатор — небольшое устройство с зарядом специального взрывчатого вещества, вставляемое в основной массив взрывчатки. Взрыв детонатора, плотно вставленного в основной заряд,  запускает в нем ударную волну и детонацию.

Что могло вызвать детонацию

Может ли детонация произойти самопроизвольно? Может: обычное горение способно переходить в детонацию при его ускорении, при росте интенсивности этого горения. Если поджечь смесь кислорода с водородом — гремучий газ, — то он начнет гореть спокойно, но по мере разгона фронта пламени горение перейдет в детонацию.

В детонацию быстро переходит горение многофазных газовых систем вроде всяких взвесей и аэрозолей, что используется в боеприпасах объемного взрыва. В детонацию может перейти и горение ракетного топлива, если давление в двигателе начнет быстро, нерасчетным образом расти. Рост давления, ускорение горения — вот предпосылки перехода обычного горения в детонацию.

Также катализаторами горения могут выступать различные добавки, загрязнения, примеси — точнее, они или их компоненты, которые поспособствуют местному переходу к детонированию. Окисленные, ржавые боеприпасы могут с большей вероятностью сдетонировать, если взрывчатое вещество примыкает к окисленному участку корпуса. В инициации детонирования есть много всяких нюансов и моментов, которые мы опустим, так что вернемся к вопросу: как могла сдетонировать селитра на складе? 

И здесь очевидно, что роль детонатора могла прекрасно сыграть пиротехника. Нет, просто шипящая пороховая ракетка вряд ли вызвала детонацию селитры своим форсом дыма с искрами. Но на видео запечатлены многочисленные массовые вспышки, сверкающие в дыму пожара до взрыва селитры. Это маленькие взрывы разброса салютных пиротехнических компонентов. Они и послужили очевидным детонирующим началом. Нет, они не были промышленными детонаторами.

Но в условиях пожара, нагрева больших поверхностей селитры пламенем и массовостью тысяч происходящих пиротехнических срабатываний наверняка имели место внедрения этих пиротехнических ракет в нагретую поверхность селитры с дальнейшими подрывами в горячей селитре. В какой-то момент ее детонация под таким воздействием произошла — и распространилась на весь массив хранящейся селитры.

Проанализировать дальнейшие события в деталях трудно без подробной информации и изучения места взрыва. Насколько полно сдетонировали все 2750 тонн, не известно. Детонация не есть некое абсолютное начало, всегда происходящее так, как написано на бумаге. Бывает, и сложенные вместе брикеты тротила детонируют не все: часть их просто разбрасывает в стороны, если не предприняты надежные меры по передаче детонации между ними.

После массовых взрывов горных пород, когда взрывают сотни и тысячи скважин, набитых взрывчаткой (их могут снаряжать взрывчаткой целый месяц), — после оседания облака пыли в зону взрыва сначала всегда входят только специалисты и осматривают, что взорвалось, а что не взорвалось. Они же собирают невзорвавшуюся взрывчатку. Так и с селитрой на складе в порту Бейрута: полноту детонации взрыва всей массы селитры определить сложно, но понятно, что она была достаточно большой.

Особенности взрыва в Бейруте

Сама картина взрыва хорошо соответствует подрыву селитры. Большой столб дыма красно-бурого цвета после взрыва — типичная окраска облака окислами азота, имеющими красный цвет и выделяющимися в больших количествах при разложении селитры во взрыве. Из-за низкой скорости детонации селитры не произошло массового дробящего действия.

Поэтому на месте взрыва не образовалась большая воронка: материалы пирсов и бетонные грунтовые покрытия складов не были подроблены, поэтому не были выброшены. В силу этого же не было бомбардировки города кусками, разлетающимися из области взрыва, и над местом взрыва не поднялось высокого султана разлетающихся кусков и  фрагментов, образованных взрывом.

https://naked-science.ru/wp-content/uploads/2020/08/vvv.jpg

Столб дыма, окрашенный выделениями окислов азота при разложении аммиачной селитры / © dnpr.com.ua.

Вместе с тем обильное выделение газообразных продуктов сгорания — водяного пара, окислов азота — придало картине взрыва черты объемного взрыва. Помимо быстро прошедшей ударной волны, достаточно мощной и видимой как быстрая туманная стена, на съемке видно надвигающуюся стену расширяющихся газов взрыва, смешанных с пылью и вздымающихся вверх от поверхности земли при стремительном приближении. Это характерно для взрывов больших объемов с невысокой скоростью детонации.

Характер повреждений зданий с высокой вероятностью покажет, что к ним было приложено  воздействие не только самой по себе ударной волны — мощное, но краткосрочное, — но и более длительное воздействие расширяющегося газо-воздушного потока, разлетавшегося из области взрыва.

Взрывы селитры до Бейрута

Взрывы удобрений на основе солей азотной кислоты происходили и раньше, они хорошо известны, таких случаев в истории достаточно много. Так, 1 сентября 2001 года в Тулузе, на заводе удобрений  компании Grande Paroisse, взорвался ангар, в котором сдетонировали 300 тонн аммиачной селитры. Погибли около 30 человек, пострадавших тысячи. Многие здания Тулузы были повреждены.

Ранее, 16 апреля 1947 года, произошел взрыв 2100 тонн аммиачной селитры на борту судна «Гранкан» в порту города Тексас-Сити, США. Ему предшествовал пожар на судне — схожие ситуация и последовательность событий. Взрыв вызвал пожары и подрывы на кораблях и нефтехранилищах поблизости. Погибли около 600 человек, сотни пропали без вести, более пяти тысяч пострадали.

21 сентября 1921 года взорвались 12 тысяч тонн смеси сульфата аммония и аммиачной селитры на химическом предприятии компании BASF возле городка Оппау в Баварии. Взрыв такой мощности образовал огромную воронку, с лица земли были стерты две ближайших деревни, а город Оппау — разрушен.

Катастрофические взрывы аммиачной селитры с большими разрушениями и многочисленными жертвами случались в 2004 году в северокорейском городе Рёнчхон; в 2013 году в городе Уэст  в Техасе, США; в 2015 году в портовом городе Тяньцзинь в Китае. И этот список можно продолжать.

К сожалению, аммиачная селитра при всех огромных плюсах, которые она приносит человеку, остается опасным объектом, требующим соблюдения ряда требований безопасности в обращении. И невнимательность или небрежность может стать причиной новых трагедий, предотвращение которых требует как ужесточения правил обращения с селитрой, так и повышения ответственности за их соблюдение и выполнение.