Насколько сильно человек может быть ранен концентрированным солнечным светом?

Недавно я наткнулся на интересный рассказ (через Science Fiction & Fantasy Stack Exchange ), в котором футбольный судья, по-видимому, испепелен концентрированным солнечным светом.

Там, где стоял судья, была небольшая тлеющая куча, от которой в неподвижный воздух вился тонкий столбик дыма.

Это достигается за счет примерно 50 000 светоотражающих обложек программ из фольги, каждая размером с таблоид.

Что меня заинтересовало (физика — одно из моих второстепенных интересов), так это осуществимость этого метода в реальном мире. Википедия говорит , что лист таблоида 279 м м ⋅ 432 м м знак равно 120528 м м 2 ≈ 0,121 м 2 , давая пятьдесят тысяч человек с программой каждый в общей сложности 6026.4 м 2 работать с. (С поправкой на далеко не идеальное прицеливание, я бы сказал, ближе к 5000 м 2 .) Если бы вы могли перенаправить такое количество солнечного света примерно на площадь поверхности человека, какой бы была мощность? Какой ущерб вы могли бы нанести?

Он не мог много чувствовать; как будто его бросили в доменную печь...

Могло ли такое количество энергии на самом деле испепелить кого-то?

Мне приходит в голову, что в кратком изложении этой истории в Википедии (цитируемом на SciFi.SE) говорится только о том, что рефери «упал в обморок и умер». Если испепеление невозможно, может ли используемая энергия быть смертельной другими способами?

Учитывая количество координации, необходимой для того, чтобы заставить корабль тлеть , маловероятно, что фанаты могли случайно нацелить все свои программные обложки на такое узкое место.
В качестве точки данных электростанция THEMIS использовала 11800 м ^ 2 зеркал и могла производить около 2 МВт электроэнергии. Конечно, есть некоторые потери... с 1 МВт вам потребуется 21 секунда, чтобы нагреть 80 литров воды от 37ºC до точки кипения (100ºC). Поскольку примерно 75% человеческого существа состоит из воды, можно сделать вывод, что «испарение» — это повествовательное преувеличение для драматического эффекта, но вполне возможны серьезные последствия для здоровья.
Тем не менее, мы сжигаем муравьев на тротуаре с помощью увеличительного стекла. Его это не испарит, но судью можно поджечь.
В истории говорится, что это выглядит как «долгие секунды», что не совсем точно, но кажется, что это больше секунды и намного меньше минуты.
@Byte56 В истории это не случайно - речь идет о пятидесяти тысячах солдат с предварительной подготовкой. Все они активно пытаются навредить рефери.

Ответы (5)

На радиусе Земли солнечное излучение составляет примерно 1,412 к Вт / м 2 , что дает общую мощность удара по листу фольги (при нормальном падении) ∼ 7.06 М Вт . Средний человек в Америке около 1,7 м высокий и где-то рядом 0,5 м широкий, что делает его площадь поперечного сечения около 0,85 м 2 . Это означает, что человек будет иметь излучение около 8.3 М Вт / м 2 (опять же при нормальном падении увеличение угла фольги по отношению к солнцу уменьшит общую мощность, а попадание в человека под любым углом увеличит мощность, которую он ощущает локально). Теперь, вот где это становится сложно. Спектр абсолютно черного тела Солнца достигает максимума в видимой области, сильно поглощается атмосферой в УФ-диапазоне и затухает в инфракрасной области. Абляция ткани требует где-то порядка 2 М Вт / м 2 для инфракрасного диодного лазера с максимальной длиной волны 1470 нм (см. «Оптическое запечатывание и разрезание кровеносных сосудов с использованием лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона» Сары Розенбери). То есть от всей мощности, направленной на пик поглощения спектра поглощения воды .. Таким образом, поскольку поглощение видимого света человеческой тканью происходит преимущественно из-за меланина и крови (гемоглобина-Hb), рассеяние будет происходить до поглощения (за исключением молекул гемоглобина и меланина), и будет потеряно больше мощности. Не говоря уже о том, что глубина проникновения (насколько глубоко проникает свет) составляет в лучшем случае пару миллиметров. Таким образом, хотя вы, вероятно, вызовете ожоги, подожжете его одежду и в целом причините боль, повреждение будет только на коже. Чтобы проникнуть глубже, нужно использовать гамма-лучи (что сложно из-за поглощения атмосферой) или что-то с большей длиной волны, например, микроволны (но у них очень низкая энергия на частицу, поэтому потребуется НАМНОГО больше). Так что, как окончательный ответ на ваш вопрос, нет. Невозможно мгновенно испарить кого-то в таких условиях,

Столько данных, чтобы прийти к неверному ответу.
Солнечные лучи могут достигать температуры 150°С на площади около 2 кв.м. Если сфокусировать солнечный свет с площади 5000 кв. м на площади 1 кв. м, температура может легко превысить 100°С. В хороший солнечный день этого было бы достаточно, чтобы кого-то испарить.
Должно быть, в последнем комментарии опечатка. Возможно легкий солнечный ожог.
Будут ли меланин и гемоглобин существовать/оказывать тот же эффект после того, как вы обожжете кожу? Да, в человеческом теле есть много механизмов для борьбы с солнечным светом, но я не уверен, что они все еще работают, когда ваше тело покрыто сильными ожогами. И после того, как у вас будет достаточно энергии, чтобы поджечь жир, волосы и одежду, вы можете добавить к уравнению другие источники энергии.
@JonathonWisnoski Как только кожа обугливается, глубина оптического проникновения резко уменьшается, и становится намного сложнее удалить обугленный участок, поэтому меланин и гемоглобин на самом деле больше не способствуют абсорбционным эффектам, но все же будут способствовать тепловым свойствам. Если бы обугливание было действительно получено, весьма вероятно, что цель погибла бы, но, учитывая тот факт, что кожа не состоит преимущественно из воды (на самом деле это в основном коллаген) и свет имеет среднюю глубину проникновения около 3 микрон, я сомневаюсь, что он был бы фатальным. ранен, прежде чем он сошел с дороги.

Судя по вашим цифрам, это будет зависеть от условий, а также от того, во что был одет рефери; но вообще это наверняка поставило бы незадачливого арбитра в очень опасное положение. Вероятно, это было бы не так драматично, как в сказке.

В обычный день, скажем, солнце доставляет 750 Вт м − 2 интенсивность при движении прямо над головой. Масштабируйте его на потому что ⁡ ( π / 3 ) знак равно 1 / 2 для типичной широты. Масштабируйте его снова на 1 / 2 чтобы учесть тот факт, что фольга должна быть наклонена примерно на 45 градусов, чтобы направить свет. И добавим еще один фактор для случайных потерь, поэтому мы предполагаем, что десятая часть солнечного света достигает своей цели. У тебя все еще есть 500 × 750 Вт добраться до несчастного: это 350 к Вт . Предположим, что тело состоит в основном из воды: следовательно, тело массой 70 кг имеет теплоемкость 280 к Вт К − 1 . Так что тепловая нагрузка, если вся поглотится телом парня, приведет к повышению температуры на пару градусов по Цельсию в секунду. Это не хорошо. Как видите, если бы некоторые из моих коэффициентов масштабирования были увеличены до более «благоприятных» (для убийц) значений, мы могли бы получить треть света, направленного на его тело: повышение температуры на шесть градусов по Цельсию в секунду. Это очень быстро привело бы к летальному исходу.

Теперь мы подошли к тому, что парень был одет. А также его цвет кожи. он будет критическим. Если бы он был одет в скафандр с высокой отражающей способностью, он мог бы неплохо себя чувствовать. Если бы он был одет в белое и был сообразителен, у него могло бы быть время, чтобы пригнуться и уползти прочь. Если бы то, что он носил, было шерстяным или огнезащитным, было бы еще лучше.

Вам потребуется немного больше света, чем тот, который вытекает из условий сказки, чтобы получить драматическое «испарение», но это не пойдет на пользу рефери.

Интересно сравнить мой ответ и ответ Криса, поскольку я только что рассмотрел тепловую нагрузку, тогда как Крис рассматривает более конкретные пределы безопасности оптической интенсивности для кожи. Два ответа примерно совпадают в своих выводах, хотя я должен думать, что «глубокое повреждение кожи» на значительной части тела вполне может быть смертельным, как скажет вам любой клиницист или медсестра в ожоговом отделении.

Википедия просто говорит, что рефери «рухнул и умер» (теперь отредактировано в вопросе). Учитывая очевидную смертоносность множества сильных ожогов, кажется правдоподобным, что он мог быть выбит из этого бренного мира, если не так драматично, как в истории.
Разве ты не упускаешь из виду фактор, в котором говорится о 50 000 рапир.
@annav Расчеты в вопросе представляют общую полезную площадь как 5000 м 2 . Разделите на десять, как указано в ответе, и вы получите коэффициент 500.
@annav Я так не думаю: я масштабирую общую площадь поверхности фольги, рассчитанную как 5000 м 2 по ОП за 50 000 фольг. Это заканчивается тем, что все потери 500 м 2 эффективным, что я умножаю на солнечное излучение. 5000 м 2 и 50 000 человек - это совпадение, вызванное площадью поверхности каждой фольги
Хорошо, моя оценка по повреждению объектива совпадает с вашей оценкой с потерями. Ко всем моим оценкам можно добавить коэффициент два. (Я не знаю размеры фокальной точки, необходимые для ожога, конечно, должно зависеть от силы объектива)
Как часто спрашивает what-if.xkcd: «А что, если мы попытаемся увеличить мощность ?» Поворот шкалы до 11 может привести к многофотонному (Рамановскому) поглощению, излучению фотонов высокой энергии - подумайте об использовании кожи рефери в качестве источника рентгеновского излучения :-), что затем поджарит внутреннюю часть тела. Я понимаю, что мы здесь в плотностях энергии NIF (National Ignition Facility) :-)
Хотя можно предположить, что тело в основном состоит из воды, необходимо учитывать поглощение кожей и тепловую диффузию, чтобы определить фактическое повышение температуры. Включая диффузию теплового градиента через область поглощения, повышение температуры из-за поверхностного поглощения вряд ли вызовет больше, чем солнечный ожог класса 2, прежде чем цель сможет уйти с пути (учитывая, что перемещение из фокальной области далеко легче, чем двигать гигантское зеркало из листов фольги).

Объектив может сильно сгореть в фокусе, можно легко загореться и получить сильный ожог, если человек достаточно глуп, чтобы долго фокусироваться на коже.

А 5   с м диаметр объектива концентрирует мощность примерно от 2 × 10 − 3 метр квадратный. Принимая консервативный 750   Вт / м 2 (может быть 1200 в моем районе) сила 750 × ( 2 × 10 − 3 ) на 2 м м 2 , или же 1,5   Вт на 2   м м 2 из кожи, бумаги или дерева, поджигает и сжигает легковоспламеняющиеся вещества.

Если площадь поперечного сечения человека 0,85   м 2 по оценке Криса, чтобы прожечь с силой, похожей на линзу, такую ​​площадь, нужно послать ∼ 4.3 × 10 5 ватт на эту площадь ( 0,85 / 2 × 10 − 6 ).

Так что если бы мегаватты были сосредоточены на человеке, то в зависимости от времени сначала сгорала бы его одежда, потом высыхала бы и сгорала кожа. Решение Криса дает мегаватт (8,3), чтобы покрыть эту оценку, и я подозреваю, что авторы использовали пример с линзой, чтобы получить реалистичные цифры, и им требовалось 50 000 человек на солнечной стороне стадиона.

Об Архимеде, поджигающем корабли:

Испытание теплового луча Архимеда было проведено в 1973 году греческим ученым Иоаннисом Саккасом. Эксперимент проходил на военно-морской базе Скарамагас под Афинами. В этом случае было использовано 70 зеркал, каждое с медным покрытием и размером примерно пять на три фута (1,5 на 1 м). Зеркала были направлены на фанерный макет римского военного корабля на расстоянии около 160 футов (50 м). Когда зеркала были точно сфокусированы, корабль загорелся за несколько секунд. Фанерный корабль был покрыт дегтярной краской, которая могла способствовать возгоранию. Дегтярное покрытие было обычным явлением на кораблях в классическую эпоху.

Использовали ли разрушители мифов корабли, покрытые смолой? Деготь был единственным водостойким материалом, известным древним для гидроизоляции лодок и кораблей. Кроме того, большую часть лета в Средиземноморье очень сухие солнечные дни, ватт на квадратный метр может достигать 1200 (хорошо для солнечных батарей).

Мораль: не верьте тому, что некритически говорят разрушители мифов.

В Греции часто обвиняют в летних лесных пожарах разбитые донышки бутылок, которые действуют как линзы на сухие сорняки и вызывают пожары. Я не пробовал :) но если я найду этим летом разбитое дно бутылки, я могу.
+1, особенно за тест Архимеда. Разрушители мифов (то немногое, что я видел), кажется, очень мало исследуют историю: как вы говорите, деготь был одним из немногих гидроизоляционных материалов в то время. Я не большой фанат, в основном из-за их одержимости взрывчаткой, и несколько членов моей семьи погибли, возясь с ними (фермеры, которые в былые годы свободно использовали здесь взрывчатку для удаления пней и тому подобного). Я также помню, как много лет назад читал расчет Теодора Стефанидеса, основанный на предположениях о смоле и зеркалах эпохи: он пришел к тому же выводу, что и Иоаннис Саккас.
@WetSavannaAnimalakaRodVance . Деготь все еще широко использовался в Греции, когда я рос. На пляжах, где стояли рыбацкие лодки, нужно было опасаться наступить на смолу, оставшуюся после латания рыбацких лодок. Теперь они используют разновидность стекловолокна.
Да, и хотя мне нравится идея, что «Разрушители легенд» делают науку более доступной (хотя лично мне это не нравится), я думаю, что склонен больше верить кому-то столь внимательному и образованному, как Стефанидис. Есть еще один фактор, который Разрушители мифов не учли, и это мотивация, порожденная угрозой смерти. Архимед действительно был убит, как вы, вероятно, знаете, в конце осады Сиракуз.
Я бы счел гораздо более правдоподобным то, что зеркала использовались для ухудшения зрения людей на атакующих лодках, и что кто-то, ослепленный светом, случайно поджег свою лодку, чем то, что зеркала смогли достичь адекватного фокуса, чтобы зажечь лодки напрямую. Если ослепленный солнцем моряк поджег свою лодку (например, готовясь бросить зажигательную бомбу на берег), наблюдатели на других лодках, которые видели, как солнце сфокусировалось на лодке, а затем увидели лодку в огне, могли вполне правдоподобно предположить, что солнечный свет сам был источником возгорания, независимо от того, был он им или нет.
@supercat Дело в том, что им удалось поджечь имитацию римской лодки с 70 разумными щитами. Сожжение лодок является историческим рекордом. В римские времена у людей не было спичек. никто не курил. Идя в бой, было бы странно, если бы они варили суп. так далее

Во Франции есть солнечная печь, в которой можно плавить сталь . Я не знаю площадь его сбора, но, вероятно, он больше 5000 м. 2 . Таблетки из фольги... не знаю. Но похоже, что научно-фантастическая история не диковинна.

Древние греки рассматривали подобное оружие и думали использовать его для поджога кораблей, но его оказалось слишком сложно построить (и оно не работало бы эффективно, так как требовало бы сосредоточения внимания на одном месте на корабле, что трудно для движущегося корабля). ). Разрушители мифов провели несколько тестов на нем и подобных принципах и показали, что он не работает. Кроме того, в печи используется параболическое зеркало, направляющее свет в точку, достигающую этих температур.
@ Крис, амфитеатр примерно параболический. Вот почему, вероятно, история началась с этого мифа :).
@Chris: см. ответ Анны В. Указанный перебор был устранен (правильным!) включением смолы.
На веб- сайте говорится, что мегаваттная солнечная печь представляет собой «граненый усеченный параболический концентратор площадью 1830 м2, фокусное расстояние 18 м, освещенный 63 гелиостатами, общей площадью 2835 м2».
Ага. Ну, эта практическая демонстрация имеет большой вес по сравнению с теоретическими расчетами.

Читайте о солнечном крематории, который показывает, на что способны 4 кв. м концентрированного солнечного света.

http://www.solare-bruecke.org/infoartikel/Papers_%20from_SCI_Conference_2006/22_wolfgang_scheffler.pdf

Отличный источник. Что на самом деле говорит об отражателе 4 м ^ 2: «Полное сжигание 4 кг козьего мяса заняло 50 минут, немного больше» [так в оригинале]. Я думаю, они имеют в виду, что это заняло 50 минут. Поэтому необходимы дополнительные исследования того, можно ли мгновенно увеличить вес до 80 кг, используя большую площадь.
Насколько сильно человек может быть ранен концентрированным солнечным светом?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v