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2025-10-21T01:12:18Z

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{{Dieser Artikel|beschreibt die Stoßwelle in der Umgebung, für die Stoßwelle im Sprengstoff siehe [[Detonation]].}}
[[Datei:Explosion-blast wave.JPG|mini|Sichtbare Detonationswelle (im Bild markiert) bei einer Explosion]]
Eine '''Detonationswelle''' ist die [[Stoßwelle]], die sich aufgrund einer [[Explosion]] nach allen Seiten ausbreitet, falls die ursprüngliche Expansionsgeschwindigkeit größer ist als die [[Schallgeschwindigkeit]] im umgebenden Medium.

Voraussetzung für die schnelle Expansion ist eine erhöhte Schallgeschwindigkeit des explodierenden Materials, typischerweise in Verbindung mit hohen [[Temperatur]]en. So führt eine Dampfkesselexplosion zu einer Detonationswelle, das Bersten eines Druckluftbehälters dagegen nur zu einem Knall.

==Allgemeines==
‘Leise’ [[Schallwelle]]n gehorchen der [[Wellengleichung|linearen Wellengleichung]]. Solche Schallwellen können sich gegenseitig ohne Wechselwirkung durchdringen. Die Kriterien für ‘leise’ (ohne Rücksicht auf das Trommelfell) sind, dass sowohl der [[Schalldruck]] als auch der [[Staudruck]] aufgrund der [[Schallschnelle]] klein sind im Vergleich zum statischen [[Druck (Physik)|Druck]]. Unmittelbar einsichtige Gründe: Der Gesamtdruck darf nicht negativ werden und mit dem Druck steigt und fällt auch die Temperatur und damit die Schallgeschwindigkeit. Anschauliche Folge: Ein kurzer Wellenzug, der auf einem langen Wellenberg reitet, läuft schneller als dieser, bis er an die vordere Flanke gelangt. Ein noch kürzerer überlagert die beiden usw., sodass sich die Steilheit aller vorderen Flanken addiert.

[[Datei:Friedlander waveform.jpg|mini|Die Friedlander-Wellenform als Prototyp einer Detonationswelle.<br />Gezeigt ist die Differenz des Drucks zum statischen Druck, der 100 kPa beträgt (1 bar).]]
Friedlander hat 1946 die nebenstehend abgebildete Wellenform vorgeschlagen. Sie passt für nicht zu große Drücke gut zu experimentell ermittelten Druckverläufen.<ref>J. M. Dewey: ''The shape of the blast wave: studies of the Friedlander equation.'' Presented at the 21st International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Israel 2010 ([https://www.blastanalysis.com/WordDocuments/MABS21/Dewey%20Presentation%20%2323.ppt Online]).</ref>
Folgende Formel gibt diese Wellenform an als zeitlichen Druckverlauf an einem festen Raumpunkt:
:<math>P(t)=P_0 + P_se^{-\frac{t}{t^*}}\left(1-\frac{t}{t^*}\right)\ </math> für ''t'' > 0, sonst <math>P(t)=P_0\ .</math>
Beschreibung: Ausgehend vom ungestörten, statischen Druck <math>P_0</math> springt der Druck instantan auf <math>P_0 + P_s</math>, um dann mit einem Unterschwingen (ab <math>t = t^*</math>) auf <math>P_0</math> einzuschwingen.

[[Datei:TNT detonation on Kaho'olawe Island during Operation Sailor Hat, shot Bravo, 1965.jpg|mini|links|Wilson-Wolke im Unterdruckbereich der Detonationswelle von 500 Tonnen [[Trinitrotoluol|TNT]] auf der Hawaii-Insel [[Kahoʻolawe]].]]
Im Bereich <math>P < P_0</math> kann die Temperatur unter den [[Taupunkt]] sinken und eine [[Wilson-Wolke]] entstehen, falls die Luftfeuchte ausreicht und der Abstand von einem ggf. nuklearen Feuerball groß genug ist.

Für höhere Drücke steigt die Temperatur so hoch, dass die Luft in Atome dissoziiert und ionisiert wird. Dadurch ändert sich erstens die [[Zustandsgleichung]], zweitens entsteht viel [[Wärmestrahlung]], die zusätzlich zur [[Wärmeleitung]] über die steile Stoßfront zur [[Dissipation]] der Energie in der Welle beiträgt. Bei Kernexplosionen liegt die thermische Strahlung im UV- und Röntgenbereich, wird also von Luft absorbiert, was die Berechnung der Detonationswelle verkompliziert.

Mit der Ausbreitung verteilt sich jedoch die Energie auf eine immer größere Oberfläche der Schockfront, bis die Welle in eine normale Schallwelle übergeht, die sich nur noch mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet.

[[Datei:Mach effect sequence.png|mini|Abb. 2: Nichtlineare Reflexion der Druckwelle einer atomaren Luftexplosion]]
Ein wesentlich komplexeres Problem ist das Verhalten der Druckwelle unter [[Reflexion (Physik)|Reflexion]]. Eine Explosion in der Nähe einer ebenen harten Fläche (z. B. Erdboden bei einer Luftexplosion, Abb. 2) führt zu einer Verstärkung der Druckwelle, die für unterschiedliche Abstände (Detonationshöhen) von der reflektierenden Fläche bei verschiedenen Druckwerten maximal wird. Das Verhältnis zwischen reflektierter Druckwelle und einfallender Druckwelle wird als [[Reflexionsfaktor]] bezeichnet. Das für Stoßwellen typische nichtlineare Verhalten bei Reflexionen wurde in den 1950er Jahren von den [[USA]] und der [[Sowjetunion]] in oberirdischen [[Atomtest|Kernwaffenversuchen]] ausführlich untersucht.

== Ein Rechenmodell für atmosphärische Detonationswellen ==
[[Datei:Blast wave standard curve.png|mini|Entfernungsabhängige Abnahme des Überdrucks (rot) und des dynamischen Drucks (gelb) einer Nuklearexplosion. Im steileren Bereich ist das Gas hoch ionisiert. Der Übergang der Stoßwelle zu einer normalen Schallwelle liegt außerhalb des Diagramms.]]
Die frühere US-Behörde ''Defense Nuclear Agency'' (DNA) hat um 1984 ein Modell zur rechnerischen Abschätzung von Explosionsdruckwellen entwickelt, welches die Abhängigkeit der Überdruckspitze als Funktion der Distanz sowie der Detonationshöhe und der Sprengenergie liefert. Obgleich das Modell ursprünglich für [[Atombombenexplosion|Nuklearexplosionen]] entwickelt wurde, kann es über Skalierungsregeln auch auf nahezu beliebige andere Explosionstypen angewendet werden, sofern die Explosion von einer Punktquelle ausgeht und Inhomogenitäten im umgebenden Medium oder der reflektierenden Oberfläche vernachlässigbar sind. Das Modell, das in Gestalt eines [[Disk Operating System|DOS]]-Programms ''BLAST'' vorliegt, unterliegt keiner Geheimhaltung. Es baut im Wesentlichen auf der [[Rankine-Hugoniot-Gleichung]] sowie empirischer [[Ausgleichungsrechnung]]en auf der Basis von [[Kernwaffentest]]-Daten auf.

== Wirkungen ==

{| class="wikitable"
!Druckdifferenz in [[Bar (Einheit)|mbar]]
!Zerstörungswirkung<ref>[https://www.nrc.gov/docs/ML0432/ML043290075.pdf PDF bei www.nrc.gov].</ref>
|----
|2
|Glasbruch weniger Fenster, die bereits unter Spannung stehen
|----
|3
|Glasbruch durch Schalldruck von mehr als 140 dB
|----
|30
|Leichte Schäden an Dächern; Glasbruch an 10 % der Fenster
|----
|30–100
|Zerstörung von Fenstern; erste Schäden an Fensterrahmen
|----
|50
|Kleine Schäden an Häusern
|----
|70
|Teilweise Zerstörung von Häusern
|----
|70–140
|Zerstörung von Wellblech und Holzwänden
|----
|70
|Verletzungen durch umherfliegende Splitter
|----
|90–500
|Schäden an Stahlkonstruktionen
|----
|140
|Massive Schäden an Häusern und Dächern
|----
|140–200
|Einsturz von Mauerwerk
|----
|160
|Trommelfellruptur
|----
|170
|Zerstörung von 50 % der Ziegelhäuser
|----
|200–280
|Zerstörung von Stahlgerüsten
|----
|350–500
|Nahezu vollständige Zerstörung von Gebäuden
|----
|480
|Umwerfen von Autos
|----
|480–550
|Versagen von 20 bis 30 cm dicken Ziegelwänden
|----
|620
|Zerstörung von Autos
|----
|700
|Vollständige Zerstörung von Gebäuden
|----
|}

Die [[Zar-Bombe]] verursachte die größte künstliche Druckwelle.

== Siehe auch ==
*[[Machwelle]]

== Literatur ==
* G. F. Kinney, K. J. Graham: ''Explosive shocks in air.'' Springer, Berlin/New York 1985, ISBN 3-540-15147-8.
* Arnold Berliner, Karl Scheel (Hrsg.): ''Physikalisches Handwörterbuch.'' Zweite Auflage, Verlag von Julius Springer, Berlin 1932.
* Wilhelm Jost: Explosions- und Verbrennungsvorgänge in Gasen. Verlag von Julius Springer, Berlin 1939.

== Weblinks ==
{{Wikibooks|Formelsammlung Physik/ Kernwaffenexplosion|Formelsammlung Kernwaffenexplosion}}
*[https://nuclearweaponarchive.org/Library/Nukesims.html Programm BLAST und andere]
* [https://d-nb.info/987064681/34 Detonationswellen in engen Spalten] (abgerufen am 13. Februar 2020)
* [https://eldorado.tu-dortmund.de/bitstream/2003/2798/1/kuehl.pdf Wärmetransformationsprozesse ohne Phasenumwandlung] (abgerufen am 14. Februar 2020)
* [https://mediatum.ub.tum.de/doc/1116658/file.pdf Effiziente numerische Simulation des Deflagrations–Detonations–Übergangs] (abgerufen am 14. Februar 2020)
* [http://zfn.mpdl.mpg.de/data/Reihe_A/8/ZNA-1953-8a-0204.pdf Zur Detonationsphysik fester und flüssiger Sprengstoffe] (abgerufen am 14. Februar 2020)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Sprengtechnik]]
[[Kategorie:Explosionsschutz]]

Detonationswelle - Versionsgeschichte

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