Mokslo požiūris: sprogimas Beirute

Kas įvyko Beirute

Jei trumpai, situacija tokia: pieš šešis metus į Beiruto jūrų uostą neplaninio remonto atplaukė laivas Rhosus. Jis priklausė iš Chabarovsko kilusiam Igoriui Grečuškinui. Uosto vadovybė laivo neišleido dėl saugumo sistemos ir dokumentų trūkumų. Rhosus komanda pamažėle išsiskirstė, o laivo krovinys – 2750 tonų amonio nitrato – buvo perkrautas į uosto sandėlius, kur ir gulėjo šešis metus. Saugojimo sąlygos buvo nepakankamai patikimos, todėl, siekiant užkirsti priėjimą prie krovinio, sandėlyje buvo atliekami suvirinimo darbai, o dėl netinkamo saugumo užsidegė toje pačioje sandėlio patalpoje saugota pirotechnika

Kilo degančios pirotechnikos palaikomas gaisras. Kiek vėliau įvyko saugoto amonio nitrato detonacija. Šio sprogimo smūginė banga suniokojo aplinkinius Beiruto rajonus: dabar suskaičiuota 130 žuvusiųjų, ir apieškant pastatų ir įrenginių griuvėsius, šis skaičius didėja. Nukentėjo daugiau nei 5000 žmonių.

Nukentėjo daugybė namų – daugiau ar mažiau pažeista pusė Beiruto pastatų, ~300 tūkstančių gyventojų liko be pastogės. Libano sostinės mero Marwano Abboudo vertinimu, sprogimas padarė 3–5 milijardų dolerių žalą. Beiruto nuotraukose iš kosmoso apie uosto dalį matoma visiško sugriovimo zona. Libane paskelbtas trijų dienų gedulas.

Kas yra amonio nitratas

Amonio nitratas yra azoto rūgšties amoniako druska, jo formulė NH₄NO₃, jį sudaro trys cheminiai elementai — azotas, vandenilis ir deguonis. Kadangi šiame junginyje daug azoto (skaičiuojant pagal masę – apie trečdalį), kurį augalai iš šio junginio lengvai pasisavina, amonio nitratas plačiai naudojamas žemdirbystėje kaip efektyvios azotinės trąšos. Tam jis naudojamas ir grynas, ir kaip kompleksinių trąšų dalis. Didžioji dalis pasaulyje pagaminamo amonio nitrato būtent tam ir sunaudojama. Amonio nitratas – balta kristalinė medžiaga, pramonėje jis būna įvairaus dydžio granulių pavidalo. Amonio nitratas higroskopiškas, tai yra, gerai sugeria drėgmę iš oro; sandėliuojamas linkęs susigulėti, suformuoti didelius, tankius luitus. Todėl jis saugomas ir transportuojamas ne kaip palaida masė, o sandariuose stipriuose maišuose, kad trąšos nesuliptų į didelius masyvus, kuriuos paskui sunku sutrupinti.

Amonio nitratas — stiprus oksidatorius. Jo molekulėje esantys trys deguonies atomai sudaro 60 procentų masės. Kitaip tariant, daugiau nei pusė amonio nitrato yra lengvai iš jo molekulės išsiskiriantis deguonis. O terminis nitrato skilimas vyksta dviem pagrindinėmis kryptimis – žemesnėje nei 200 laipsnių temperatūroje jis skyla į azoto oksidą ir vandenį, o maždaug 350 laipsnių ir aukštesnėje temperatūroje kartu su vandeniu susidaro laisvas azotas ir laisvas deguonis. Todėl amonio salietra priskiriama stipriems oksidatoriams ir naudojama įvairių gaminti įvairius sprogmenis, kuriems reikia oksidatoriaus.

Amonio nitratas — pramoninių sprogmenų komponentas

Amonio nitrato yra daugybėje pramoninių sprogmenų ir jis plačiai naudojamas kalnakasybos pramonėje. Uolienų ardymui žmogus kol kas nesugalvojo nieko efektyvesnio už sprogdinimą. Todėl praktiškai bet kokie darbai su uolienomis pagrįsti sprogimais: nuo gavybos šachtose iki atviro tipo gavybos ir karjerų. Kalnakasyboje sunaudojama daugybė sprogmenų, ir kiekvienoje kalnakasybos ar angliakasybos įmonėje visada yra nuosavas sprogmenų gamybos fabrikas. Kadangi amonio nitratas santykinai pigus, jis masiškai naudojamas įvairiausiems pramoniniams sprogmenims.

Ir čia reikėtų pažymėti amonio nitrato gebėjimą sudaryti ypač daug sprogstamųjų sistemų. Sumaišius nitratą praktiškai su bet kokia degia medžiaga, gaunama sprogi sistema. Nitratą sumaišius su paprasčiausiais aliuminio milteliais, gaunami amonalai — AMONio nitratas ALiuminis. 80 % amonalo masės sudaro amonio nitratas. Amonalai labai efektyvūs, jais patogu sprogdinti uolienas, tam tikra jų rūšis ir vadinama uoliniais amonalais.

Amonio nitratą išmirkius dyzelinu, gaunama kita pramoninių sprogmenų rūšis — igdanitai. Amonio nitratas gali sudaryti sprogius mišinius praktiškai su bet kokiais degiais skysčiais, nuo augalinio aliejaus iki mazuto. Kitose amonio nitrato pagrindo sprogmenų klasėse dar pridedama įvairių kitų sprogių medžiagų: pavyzdžiui, amonituose (nepainioti su galvakojų fosilijomis) yra trotilo arba heksogeno. Grynas amonio nitratas irgi sprogus ir gali detonuoti. Tačiau jo detonacija skiriasi nuo pramoninių ar kovinių sprogmenų detonavimo. Pirmiausia trumpai prisiminkime, kas yra detonacija ir kuo ji skiriasi nuo įprasto degimo.

Kas yra detonacija

Kad degioje medžiagoje prasidėtų degimas, degios medžiagos ir oksidatoriaus atomus reikia išlaisvinti ir suartinti tiek, kad tarp jų susidarytų cheminiai ryšiai. Norint išlaisvinti juos iš molekulių, reikia molekules, kuriose jie yra, suardyti: tai vyksta, pavyzdžiui, pakaitinus molekulę iki skilimo temperatūros. Tas pats kaitinimas suartina degios medžiagos ir oksidatoriaus atomus – susidaro cheminis ryšys, tai yra, įvyksta cheminė reakcija.

Vykstant įprastam degimui — jis vadinasi deflagracija — reaguojančios medžiagos įkaista dėl paprasto šiluminio laidumo – liepsna kaitina degios medžiagos sluoksnius, o šie kaitinami skyla ir prasideda cheminė degimo reakcija. Detonacijos mechanizmas kitoks. Jame medžiaga iki cheminės reakcijos vykimo temperatūros įkaista dėl mechaninio suspaudimo — kaip žinia, spaudžiama medžiaga kaista. Tokį suspaudimą sukelia per detonuojančią medžiagą arba, jei detonuoja skystis, dujų mišinys ar daugiafazė sistema, tarkime, anglies dulkės ore – tiesiog per tūrį, kurioje tos medžiagos yrai, sklindanti smūginė banga. Ji suspaudžia ir įkaitina medžiagą, sukeldama joje daug šilumos išskiriančias chemines reakcijas ir taip sustiprėdama pati.

Itin svarbu detonacijos greitis — tai yra, smūginės bangos sklidimo per medžiagą greitis. Kuo jis didesnis, tuo sprogmuo galingesnis. Pramoninių ir karinių sprogmenų detonacijos greitis yra keli kilometrai per sekundę — amonalų ir amonitų jis ~5 km/s, trotilo 6-7 km/s, heksogeno iki 8 km/s, oktogeno – 9 km/s. Kuo greitesnė detonacija, tuo didesnis smūginės bangos energijos tankis, tuo stipresnis griaunamasis poveikis. Jeigu smūginė banga sklinda greičiau už garso greitį medžiagoje, medžiaga sutrupinama — tai vadinama brizantiniu veikimu. Būtent jis į gabalėlius suplėšo granatos, sviedinio ar bombos korpusą, smulkina uolienas. Tolstant nuo sprogstamos medžiagos, smūginės bangos galia ir greitis mąžta, ir jau gan netoli nebepajėgia medžiagos sutrupinti, tačiau gali paveikti slėgiu, stumti, suspausti, išsvaidyti. Toks spaudžiantis, gniuždantis ir svaidantis poveikis vadinamas fugasiniu.

Amonio nitrato detonacijos ypatumai

Kaip jau minėta, pramoninis amonio nitratas be jokių priedų irgi gali detonuoti. Jo detonacijos greitis, palyginus su pramoniniais sprogmenimis, nedidelis: ~1,5-2,5 km/s. Tokį detonavimo greičio spektrą lemia daug faktorių: kokios amonio nitrato granulės, kaip tankiai jos supresuotos, koks drėgnumas ir t.t. ir pan. Todėl amonio nitratas neveikia brizantiškai — supančių medžiagų netrupina. Tačiau fugasinis amonio nitrato detonacijos poveikis nemenkas. Ir konkretaus sprogimo galingumas priklauso nuo jos kiekio. Sprogstant didelėms masėms, fugasinis sprogimo poveikis gali būti bet kokio lygio.

Kalbant apie detonaciją, svarbu pažymėti vieną momentą — kaip ji prasideda. Juk tam, kad per sprogmenį pereitų smūginė suspaudimo banga, ją reikia kažkaip sukurti, pradėti. Paprastas sprogstamos medžiagos padegimas nesukelia būtino detonavimui mechaninio suspaudimo. Degtuku padegus nedidelį trotilo gabalėlį, galima puodelyje išsivirti arbatos — trotilas dega, charakteringai šnypšdamas, kartais lieka suodžių, tačiau sudega ramiai, nesprogdamas. (Šis aprašymas nėra arbatos ruošimo rekomendacija! Tai visgi yra pavojinga, gabalėlis gali būti per didelis arba užterštas.) Norint pradėti detonaciją, būtinas detonatorius — į pagrindinę sprogmens masę įstatomas nedidelis įrenginys su specialia sprogia medžiaga. Į pagrindinę sprogią medžiagą tampriai įstatytas detonatorius sukelia jame sprogimo bangą ir detonacija.

Kas galėjo sukelti detonaciją

Ar gali įvykti savaiminė detonacija? Gali: paprastas degimas gali pereiti į detonaciją, jeigu jis spartėja, intensyvėja. Padegtas deguonies ir vandenilio mišinys pradeda degti ramiai, tačiau plintant liepsnos frontui, degimas pereina į detonaciją. Iš degimo į detonaciją greitai pereina tokios daugiafazės dujų sistemos, kaip aerozoliai ar pakibusios dalelės ir tai naudojama tūrinio tipo koviniuose sprogmenyse. Į detonaciją gali pereiti ir degantis raketinis kuras, variklyje pradėjus greitai ir nenumatytai augti slėgiui. Slėgio didėjimas, degimo spartėjimas — paprasto degimo perėjimo į detonaciją prielaidos.

Degimo katalizatoriumi gali tapti įvairūs priedai, tarša, priemaišos — tiksliau, jie, arba jų komponentai, skatinantys vietiniam perėjimui į detonaciją. Didelė tikimybė detonuoti sprogmenims, jei sprogi medžiaga liečiasi su oksidavusiu korpusu. Detonacijos sukėlimas turi daug įvairių niuansų, kurių nesiimsime aptarinėti, o grįšime prie klausimo: kaip galėjo detonuoti sandėlyje saugomas amonio nitratas?

Akivaizdu, kad detonatoriaus vaidmenį puikiausiai galėjo atlikti pirotechnika. Aišku, paprasta šnypščianti parakinė raketėlė savo dūmais ir žiežirbomis vargu ar sukeltų detonaciją. Tačiau video matoma iki amonio nitrato sprogimo vykusio gaisro dūmuose daug blyksnių. Šie maži sprogimai išbarstė pirotechninius saliutų komponentus, kurie ir tapo akivaizdžiais detonatoriais. Aišku, jie nebuvo pramoninio lygio detonatoriais, tačiau gaisre įkaitus dideliam salietros plotui ir vykstant tūkstančiams pirotechninių sprogimų, dalis užtaisų tikriausiai patekdavo į įkaitusią salietrą ir joje sprogdavo. Ir dėl tokio poveikio galiausiai prasidėjo detonacija — ir išplito po visą amonio nitrato masę.

Vėlesnius įvykius detaliai išanalizuoti be išsamios informacijos ir vietos tyrimo – sunku. Iki kokio lygio detonavo visos 2750 tonų, nėra žinoma. Detonacija nėra kažkoks absoliutus dydis, visada vykstantis taip, kaip parašyta žinyne. Būna, kad ir drauge sukrauti trotilo briketai detonuoja ne visi: jei neužtikrinamas patikimas detonacijos perdavimas, dalis gali paprasčiausiai išsibarstyti į šalis. Po plataus uolienų sprogdinimo, kai sprogdinama šimtai ir tūkstančiai sprogmenimis pripildytų gręžinių, (užpildymas gali trukti visą mėnesį), — nusėdus dulkėms, į sprogdinimo zoną pirmiausiai eina tik specialistai, kurie apžiūri, kas sprogo, o kas ne. Jie surenka nesureagavusius sprogmenis. Tas pats pasakytina ir apie Beiruto uoste saugotą amonio nitratą: sunku įvertinti, kiek jo detonavo, tačiau aišku, kad nemažai.

Sprogimo Beirute ypatybės

Pats sprogimo vaizdas gerai atitinka salietros sprogimą. Didelis raudonai rudų dūmų stulpas po sprogimo — tipiškas azoto oksidų, susidarančių sprogimo metu skylant amonio nitratui. Kadangi jo detonacijos greitis nedidelis, stipraus trupinimo poveikio nebuvo. Todėl didelė duobė sprogimo vietoje nesusidarė: pirsų ir sandėlių betono dangos nebuvo sutrupintos, todėl nebuvo išbarstytos. Dėl to paties miestas nebuvo bombarduojamas sprogimo išmestomis nuolaužomis, ir virš sprogimo vietos neiškilo aukštas sprogimo suardytų nuolaužų ir fragmentų stulpas.

Drauge, gausiai išsiskyrę dujiniai degimo produktai — vandens garai, azoto oksidai — sprogimo vaizdui suteikė tūrinio sprogimo vaizdą. Be greitai praėjusios smūginės bangos, kuri matoma kaip galinga rūko siena, video matoma plintančios sprogimo dujos, susimaišiusios su nuo žemės kylančiomis dulkėmis. Tai būdinga didelių apimčių, bet nedidelio detonacijos greičio sprogimams. Labai tikėtina, kad pastatus pažeidė ne tik pati smūginė banga — galinga, bet trumpa, — bet ir ilgesnis iš sprogimo zonos besiplečiančių dujų ir oro srauto poveikis.

Salietros sprogimai iki Beiruto

Azoto rūgšties druskų pagrindo trąšų sprogimai vyko ir anksčiau, jie gerai žinomi, tokių nutikimų gan daug. 2001 metų rugsėjo 1 dieną Tulūzoje, kompanijos Grande Paroisse trąšų fabrike sprogo angaras, kuriame detonavo 300 tonų amonio nitrato. Žuvo apie 30 žmonių, tūkstančiai nukentėjo. Pažeista daugelis Tulūzos pastatų.

1947 metų balandžio 16 dieną Teksas Sičio miesto uoste, sprogo 2100 tonų amonio nitrato laive „Grandcamp“. Prieš tai laive įvyko gaisras — situacija ir įvykių seka panaši. Sprogimą sukėlė netoliese įvykę gaisrai ir sprogimai pirotechniką ir naftos produktus gabenusiuose laivuose. Žuvo apie 600 žmonių, šimtai dingo be žinios, dar daugiau nei 5000 nukentėjo.

1921 metų rugsėjo 21 dieną sprogo 12 000 amonio sulfato ir amonio nitrato mišinio kompanijos BASF chemijos įmonėje netoli Oppau miestelio Bavarijoje. Tokio masto sprogimas išrausė didžiulę duobę, nuo žemės paviršiaus buvo nušluoti aplinkiniai kaimai, o Oppau miestas – sugriautas.

Didelės griaunamosios galios ir daug aukų nusinešę amonio nitrato sprogimai 2004 metais įvyko Š. Korėjos mieste Ryongchŏn; 2013 metais West mieste Teksase; 2015 metais Tianjin uoste Kinijoje. Ir tai toli gražu ne visas sąrašas. Deja, amonio nitratas, nepaisant visų jo didžiulių žmogui naudą nešančių teigiamų savybių, yra pavojinga medžiaga, su kuria reikia elgtis saugiai. Neatidumas ir/ar aplaidumas gali tapti naujų tragedijų priežastimi. Kad jos neįvyktų, būtina ne tik ir ne tiek griežtinti elgesio su ja taisykles, kiek didinti atsakomybę už jų laikymąsi ir vykdymą.