核武器爆炸时，溅起的白色烟雾是什么？

谢邀。

简单说，题主图片中“溅起的白色烟雾”就是发烟火箭留下的烟迹，而烟迹的用途则是辅助观测核爆冲击波。

顺便，“探空火箭 / 采样火箭”是不严谨且不准确的表述。

目录

1. 现象——白色烟迹

1.1 关于题主图片的三个视频

1.2 Operation Jungle 核试验

1.3 Operation Tumbler 核试验以及 Operation Snapper

1.4 Operation Upshot-Knothole 核试验

2. 原因——观测冲击波的刚性需求

2.1 三位一体核试验中的阻拦气球绳索

2.2 50 年代初核试验中的发烟火箭（未完，正在填坑）

2.3 其他手段

3. 发烟火箭还是探空火箭？

3.1 文献中对火箭的描述——发烟火箭

3.2 探空火箭在核试验中的角色——采样（未完，正在填坑）

关于核爆炸白色烟迹（鬼佬称 smoke trails）的科普其实很多，知乎上也不少，不过答主还是结合我以前写过的科普再回答一下这个问题，也再强调一下烟迹的作用以及关于烟迹的误区。

1. 现象——白色烟迹

1.1 关于题主图片的三个视频

题主所贴图片是 1953 年 Operation Upshot-Knothole 系列核试验中最著名的 Grable 试爆，先放三个几十秒的短视频。视频从多个角度展示了 Grable 试爆初期的场景，大家可以仔细观察一下位于火球及蘑菇云右侧发烟火箭所留下的白色烟迹。

1953 年 Grable 试爆与白色烟迹 https://www.zhihu.com/video/1059249568373325824 1953 年 Grable 试爆广角镜头 https://www.zhihu.com/video/1059249617295712256

下面这个视频则对探空火箭所留下的白色烟迹作了特写：

核爆冲击波与白色烟迹的互动 https://www.zhihu.com/video/1059254031834193920

1.2 Operation Jungle 核试验

当然，出现多条垂直烟迹的核试验肯定不止 Grable 这一次，实际上在整个 50 年代中前期，特别是 1952 年到 1953 年的核试验，美帝核试验中这种白色烟迹的出镜率一直很高。

下面视频中是 1951 年 11 月 19 日 Operation Jungle 的 Sugar 试爆，可以看到核爆前发烟火箭在核爆炸前升空并留下了烟迹。核试验地点是内华达核试验场 Nevada Test Site (NTS)，试爆当量 1.2 千吨，爆高 1 米，触地核爆炸 surface，而 sugar 这个代号就是 surface 的变音。视频中的解说其实已经对烟迹的作用作出了解释，答主这里就先卖个关子，继续展示其他视频和图片。

1951 年 Jangle Sugar 试爆 https://www.zhihu.com/video/1059394444188495872

下面的视频则则是 10 天以后，11 月 29 日 Operation Jungle 的 Uncle 试爆，同样可以看到发烟火箭所留下的烟迹。试爆当量仍为 1.2 千吨，但爆高是地下 5.2 米，性质是地下核爆炸，而 uncle 这个代号就是 underground 的变音。

1951 年 Jangle Uncle 试爆 https://www.zhihu.com/video/1059400937562656768

1.3 Operation Tumbler 核试验以及 Operation Snapper

在 1952 年于内华达核试验场进行的 Operation Tumbler 和 Operation Snapper 中，白色烟迹也大量出现。

1.4 Operation Upshot-Knothole 核试验

谈到白色烟迹，那肯定得提到结果 - 节孔行动 (Operation Upshot-Knothole)，该系列核试验中，大多数试爆都伴随有发烟火箭的痕迹。

2. 原因——观测冲击波的刚性需求

2.1 三位一体核试验中的阻拦气球绳索

看完这么多白色烟迹的核试验照片，下面就讲一下白色烟迹的用途。一切的根源在于技术水平不够发达，而观测核爆炸冲击波的刚需就迫使人们需要借助发烟火箭尾迹这样的辅助手段。

首先简要解释一下为什么观测冲击波是刚性需求。在核武器研发初期，实际试爆当量是通过冲击波来测定的，冲击波外缘震波锋 (show front) 的移动速度是测定核爆炸当量的重要指标。但问题在于，冲击波是很难用肉眼观测的。冲击波 shock wave 和火球 fireball 在核爆最初的几十毫秒内互为一体，此时火球表面即震波锋，因此震波锋明亮且易于观察。但当火球温度下降到 30 万摄氏度时，火球膨胀速度减慢，此时火球外缘已经远远落后于冲击波震波锋，这种现象被称作分离 breakaway。空气因加热而变得明亮，那么失去了来自火球的热量之后，冲击波震波锋的亮度自然也随之减弱。最终，冲击波变得完全不可见，难以观测。关于火球与冲击波的详细关系可以看我另外一个答案：

人在原子弹爆炸的中心点，先被炸死还是先听到爆炸声音？

再贴一张图，直观得展示一下为什么肉眼观测冲击波难度较大。下图冲击波震波锋距离明亮的火球外缘很近，因此仍然依稀可见。而在火球靠近地表处，能看到震波锋触地“反弹”后所呈现出的一个拱形。拱形顶端距离火球外缘近，更加明亮；拱形底端靠近地表，距离火球外缘较远，则亮度很低，几乎不可见。这个拱形就说明了，距离火球越远，震波锋就越透明，越难以被观测。

50 年代的计算机性能有限，不足以进行核爆冲击波运行轨迹的完整建模，所以倘若要观测远离火球外缘且亮度有限几乎不可见的冲击波，这时候就得借助一些辅助手段。1945 年正要进行人类史上第一次核试验即将踹开地狱之门的美帝科学家也面临着同样的问题，观测冲击波的刚需与落后生产力之间的矛盾。他们想出了个办法——放阻拦气球上天（二战很多见的防空气球），即用连接气球的绳索通过光学折射现象帮助研究人员观测冲击波。

1945 年 7 月 16 日，三位一体 Trinity 核试验，在这全人类盗得天火的日子，在新墨西哥州一望无垠的沙漠里——美帝科学家们放了个气球。气球及其钢索位于预订核爆地点后侧的安全地点，防止受到核爆炸的影响。当核爆冲击波过境时，震波锋前后密度不一的空气会造成光学折射现象，震波锋前的空气密度低，震波锋后的空气密度高，钢索因此呈现出仿佛被“折断”的光学现象。下图中的第二和第三章照片分别显示了三位一体核试验当天 90 毫秒和 109 毫秒之间冲击波锋面的移动轨迹，注意图中右侧箭头所指的阻拦气球绳索以及非常明显的折射现象。

2.2 50 年代初核试验中的发烟火箭

到了 50 年代初的 Operation Tumbler 等核试验中，美帝把阻拦气球换成发烟火箭 / 探空火箭。在核试验前几秒，研究者事先在核爆拟定地点，施放多枚火箭，在核试验空域留下“又粗又长”的白色烟雾尾迹。而当核装置爆炸时，研究者就能像当年三位一体核试验那样，利用光学折射原理记录冲击波了。

可以在下图右侧烟迹特写中看到一个“钩”，这就是白色烟迹所呈现的光学折射现象，性质与阻拦气球绳索的“折断”现象一致。图中发烟火箭是呈 85 度角发射升空，因此其留下的烟迹并不是完全垂直于地表的。

仍然没看懂的知友可以参考下图，下图更加直观得展示了烟迹因冲击波而呈现出的光学折射现象。

这里需要特别强调一下，上面展示的 Climax 试爆彩图与上文提到的三位一体核试验一样，在照片拍摄时，冲击波都没有直接触及用以辅助观测的烟迹或绳索。烟迹与绳索在照片中呈现出的扭曲，完全是冲击波阵波锋前后密度不一致所导致的光学现象。很多人在看核爆视频时，都会注意到冲击波与烟迹的物理接触，都会注意到烟迹在冲击波推动下所产生的位移。然后不少人就错将这种物理接触当做烟迹能够辅助观测冲击波的原因。比如下面这位 Quora 高赞答主的回答中，光学现象就被他忽视了，只字未提：

没错，物理接触当然能辅助观测，但在物理接触发生之前，相较原爆点而言距离摄像机更远的白色烟迹就已经因不可见的冲击波产生了光学折射现象，一段时间之后（比如 1 秒以后），冲击波才与烟迹发生物理接触。换言之，真正解决研究人员观测刚需的是光学折射现象，而不是光学折射现象发生之后才出现的物理接触。

下面贴一个 15 秒的视频，这个视频完美得说明了“光学折射在先，物理接触在后”的事实。视频中的白色烟迹在原爆点后侧，即核爆炸位置距离摄像机更近，而白色烟迹距离摄像机位置更远。正是因为距离上的前后设置，因此当核爆冲击波膨胀时，先与白色烟迹进行“光学接触”，一段时间后再发生物理接触。知友们在看视频时可以特别注意一下，视频中的白色烟迹首先发生了类似上文三位一体核试验中绳索的“折断”光学现象，然后才因冲击波的物理接触而发生位移。

https://www.zhihu.com/video/1059439445329117184

贴一段原文：

My attention was drawn to the role and functions of the Naval Ordnance Laboratory's rocket generated smoke trails that formed a vertical grid behind the burst point. Everett explained to me that Greg Hartmann's NOL staff, in conjunction with the EG&G photography team, used the smoke trails to record the shock front as a function of space and time, from which they could calculate the shock velocity, which in turn, with the Rankine-Hugoniot conditions, gave the shock over-pressure versus space around the burst.
"Aren't the smoke trails way in back of the detonation?" I queried. "And they didn't appear to have been hit by the blast until quite late?"
"That's right," Cox elaborated, "the high density air immediately behind the shock front causes a refraction break in the apparent position of the smoke trails."
"I see, that's neat." "If you want to define the shock front conditions, however," I continued, "couldn't you also define the shock conditions on the interior of the blast wave by observing the compression of the smoke and also measuring the particle velocity?"
"I guess so," responded Everett, "but it sounds pretty complicated to me."

（未完，正在填坑）

2.3 其他手段

除了比较常见的发烟火箭以外，还有其他类似的烟雾发射装置，用以辅助观测冲击波，比如烟雾发射器 smoke mortars。下图是 1964 年 7 月 17 日的 Operation Snowball，是一次常规炸药试验，当量 454 吨 tnt。试验中用以辅助观测冲击波的是比发烟火箭成本更加低廉的烟雾发射器，原理类似于迫击炮，多用于主战坦克。

再比如下面这张 GIF 图中的烟幕发生器，下图是前文提到的 Snapper Dog 核试验，可以看到，在核爆炸前 5 秒，距离摄像机较远的发烟火箭升空，而距离摄像机较近的那一排低矮烟雾就是烟幕发生器的成果了。烟雾发生器所“吐”出的烟雾相较发烟火箭尾迹而言，更加厚实，且高度很低。这些团状烟幕并不是通过光学折射现象来帮助观测冲击波，而是直接通过物理接触（位移）来帮助研究人员观测冲击波跨音速时的地表湍流。

前面答主已经提到，“一切的根源在于技术水平不够发达”，那么倘若技术发达了会怎么样呢？——就可以直接在照片上看到原本肉眼看不到的冲击波阵波锋了。下图出自 2015 年 7 月的洛斯阿拉莫斯国家实验室的 National Security Ccience 期刊，展示了经由图像处理后，由不可见变为可见的冲击波。看，科技发达之后，就不用浪费钱去放小火箭挂小气球了。

3 探空火箭还是发烟火箭？

3.1 文献中对火箭的描述——发烟火箭

这里需要纠正一个误区。很多关于核爆炸白色烟迹的解释中都会提到探空火箭（sounding rockets），这其实是不准确的。但实际上，最准确的表述其实是一点也不高深的发烟火箭 smoke rockets。

既然题主所贴照片来自 1953 年的 Upshot-Knothole Grable 试爆，那么答主就援引美帝国防部关于 Operation Upshot-Knothole 的官方文献。下文是 1982 年由美帝国防部下属的国防部原子能机构 defense nuclear aggency 所撰写的Operation Upshot-Knothole 1953，文中提到：

“在 Annie, Dixie, Encore, Grable 以及 Climax 试爆时，1.2 项目组的人员将火箭发射器以及高速摄像机分别置于核爆炸相对的两侧，以记录发烟火箭尾迹的扭曲现象，由此判定冲击波的特性。”

注意 smoke rocket trails 这个词组，发烟火箭的尾迹，很显然，在描述产生白色烟迹的火箭时，美帝国防部用的是 smoke rocket 发烟火箭一词，而不是 sounding rocket 探空火箭一词。事实上，在整篇报告中都没有出现 sounding rocket 的字样。

我们再来看美帝国防部的另一篇报告，在本答案第一部分我已经提到除了 1953 年的 Upshot-Knothole 中大量出现发烟火箭的白色烟迹外，在 1952 年的 Operation Tumbler 与 Snapper 中白色烟迹出镜率同样很高。下面援引同为美帝国防部原子能机构撰写的Operation Tumbler-Snapper 1952 一文，文中表示：

“…而 1.5 项目参与者则通过拍摄发烟火箭的尾迹来测定冲击波超压。”

显然，在描述 1952 年核试验的报告中，美帝国防部使用的仍然是 smoke rocket 一词。

如果说美帝国防部用的 smoke rocket 一词是嵌套在 smoke rocket trails 词组中还不够有说服力，那么洛斯阿拉莫斯国家实验 (LANL) 期刊上的表述则是清晰无疑的了。下图截取自 LANL 2015 年 7 月 National Security Science 期刊的第 5 页，注意 trails of smoke rockets 这个词组，很显然，这个词组是完全没有任何歧义的，唯一理解就是 smoke rockets 发烟火箭的轨迹 / 尾迹。而在 LANL 的期刊中，依然没有出现 sounding rockets 的字眼。

同样第 5 页，在对 1953 年 Upshot-Knothole Climax 试爆作图片说明时，又一次出现了 trails of smoke rockets 这个词组。

看到这里其实已经很明确了，在文献中，不管是美帝国防部的解密文献也好，还是洛斯阿拉莫斯的期刊也好，在描述 50 年代早期核试验，特别是描述题主题图来源的 1953 年 Operation Upshot-Knothole 系列核试验时，用词始终是 smoke rockets 发烟火箭，并未出现 sounding rockets 探空火箭的身影。既然权威文献用的是发烟火箭一词，那么就用词一致性上，答主认为我们不应该将发烟火箭与探空火箭混淆，我们应该用更加准确更被权威文献所认可的发言火箭一词。就算抛开这些期刊以及政府报告不谈，即使在网络环境中，smoke rocket 也是出镜率最高的词汇，不管是在 nuclear weapon archive 这个核武器信息汇总网站，还是在 atom central 这个核爆视频集散地，出现在军迷眼前的只有 smoke rocket 一词。

3.2 探空火箭在核试验中的角色——采样

（未完，正在填坑）

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