¿Por qué las explosiones nucleares hacen nubes de hongos?

La nube de hongo es el producto de dos o tres factores. La inmensa cantidad de energía liberada en una columna muy pequeña en un período de tiempo muy corto crea una “bola” sobrecalentada de gas muy, muy caliente, rodeada por el polvo o vapor de lo que sea que haya aterrizado, o al menos cerca. Como todos sabemos, los gases calientes aumentan ya que son de menor densidad que el gas circundante. A medida que el núcleo de gases calientes se eleva, absorbe los materiales más fríos junto con él en forma de toro o anillo. Esta es la “parte superior” del hongo. Los productos de la explosión y las cosas que no quedaron atrapadas en el toro siguen a la zaga. Este es el “tallo” del hongo.

Las matemáticas y la física involucradas están mucho más allá de lo que es una discusión razonable aquí. Puede notar que, aunque habitualmente asociamos una explosión de hongo con una bomba atómica, incluso una gran explosión no nuclear creará una. Este es el hundimiento de Yamato cuando explotaron sus revistas:

La formación de nubes en forma de hongo está relacionada con la liberación repentina de una gran cantidad de energía a la atmósfera. Cualquier tipo de explosión que libera una gran cantidad de energía calienta el aire en las proximidades del radio de explosión, el aire caliente (que tiene humo, escombros, etc.) se eleva con una forma esférica de nube inicialmente. A medida que la nube se eleva, el aire en la superficie de la nube se enfría y comienza a curvarse hacia abajo, lo que a su vez destruye la forma esférica. Cuanto más se eleva, más se dispersa y lo que vemos es un hongo como una nube.

Entonces, esencialmente la forma se debe al aumento de aire caliente a la atmósfera que inicialmente tiene una alta energía en forma de calor. Cualquier tipo de explosión que tenga una liberación de energía enorme formará un hongo como una nube.

El 16 de julio de 1945 se formó un nuevo tipo ominoso de nubes sobre el desierto cerca de Socorro, Nuevo México. Fue creado por la primera prueba atómica, y más que la brillante bola de fuego y la tremenda explosión, fue esta nube de hongo la que se convirtió en el símbolo de la era atómica.

Sin embargo, las nubes de hongo no son exclusivas de las explosiones atómicas. Cualquier fuente de calor suficientemente potente, como un volcán o un incendio forestal, puede producir uno. El calor crea una fuerte corriente ascendente, canalizando el polvo y el humo desde el suelo hacia una chimenea estrecha, formando el tallo del hongo. Esta chimenea continúa elevándose hasta que encuentra una obstrucción en forma de una capa límite en la atmósfera. La columna ascendente luego se extiende y forma la tapa del hongo.

La capa límite, la tropopausa, generalmente ocurre a 30,000 a 50,000 pies, donde el aire deja de enfriarse con la altura y comienza a calentarse. La tropopausa es también el techo del cumulonimbo de superficie plana, las nubes en forma de yunque a menudo asociadas con tormentas. Los incendios forestales pueden producir nubes de vapor de agua real, conocido como pirocúmulos, pero las nubes de hongos atómicos se componen principalmente de humo y polvo.

Muchos testigos describieron la nube Trinity como en forma de hongo, pero también se usaron otros términos. Cuentas como una en la revista Time de 1960 las llamaron nubes de “coliflor”, debido al humo irregular y ondulante.

Desde mi columna Guardian – Weatherwatch: nubes en forma de hongo y sus causas

La respuesta corta es: ¡convección!

Aquí hay una explicación un poco más larga:
Las nubes de hongos son simbólicas de explosiones atómicas, pero realmente no se necesitan armas nucleares, solo una formación repentina de un globo grande y caliente (que producirán armas nucleares o cualquier explosión lo suficientemente grande).

Después de una explosión, se produce una bola de fuego que es esencialmente ese gran globo de cosas realmente calientes. Es más caliente y, por lo tanto, menos denso que el aire que lo rodea, lo que hace que se eleve. Esta bola de fuego calentará el aire que la rodea (con un gradiente, donde el aire más cercano al centro será el más caliente). El centro se elevará más rápido que su entorno, creando así el aspecto de la gorra de hongo.

A medida que la bola de fuego se eleva, deja una columna de aire caliente, lo que provoca una corriente ascendente que no es diferente de cómo funcionan las chimeneas. Esto atrae el aire circundante (junto con la suciedad y los escombros) y formará el tallo del hongo.
Todo dejará de subir cuando ya no sea menos denso que el aire que lo rodea.

EDITAR: Lo que le da a la nube de hongo de la explosión nuclear esa forma distintiva de hongo de capa plana es que estas explosiones pueden ser lo suficientemente grandes como para alcanzar la tropopausa (el límite entre la estratosfera y la troposfera). La nube no siempre puede romper eso, y su parte superior se aplanará.

No lo hace. Las armas probadas bajo tierra no producen nubes en absoluto.

Los detonados arriba o en el suelo actúan exactamente de la misma manera que cualquier otra cosa que explota y produce una enorme cantidad de calor al instante: el aumento del calor (y cualquier resto) forma la columna; el aire se precipita IN, y luego UP, luego OUT; algo así como un tornado horizontal, envuelto alrededor de la columna. A medida que el material en la parte superior del penacho se enfría, se extiende y forma la tapa del hongo. Cualquier gran explosión hará lo mismo.

Gravedad y turbulencia. Principalmente turbulencia.

Seriamente. Es por la gravedad y la turbulencia que hace que esa forma. Si una bomba nuclear se detona en el espacio, parece una estrella muy pequeña, será perfectamente esférica y tendrá un comienzo idéntico porque eso es exactamente lo que es una estrella a gran escala.

Pero en la tierra, hay aire y tierra y casas y rascacielos que cambiarán la forma en que la energía y la radiación se expanden a partir de la explosión. Si miras los videos de las bombas de hidrógeno, lo primero que ves es una esfera que se expande desde la zona cero. Después de eso ves la nube. La nube de hongo es la ruina de todos los objetos que fueron vaporizados. Se lanza en todas las direcciones, pero las cosas que se mueven hacia afuera golpean muchas turbulencias y terminan cayendo cerca de la zona cero. Los escombros que se mueven hacia arriba golpean menos turbulencias hasta una cierta altura en cuyo punto golpeará las turbulencias y se extenderá en forma de hongo. A esta altura, se encuentra en una parte de la atmósfera que hace que viaje más lejos rápidamente. Las corrientes climáticas crearán zonas específicas de zonas de caída que se verán afectadas por la radiación, mientras que algunas áreas más cercanas a la zona cero serán mucho más seguras.

Las nubes de hongos también se ven en explosiones convencionales. Los únicos requisitos son una temperatura del aire bastante fría en la zona objetivo (en comparación con la explosión), una columna de aire muy muy caliente creada por la explosión que se origina en el centro de la columna, finalmente una razón para que el aire se nivele rápidamente, y listo, tienes una nube de hongo.

La explosión inicial conduce a una región casi sin aire. Justo antes de eso, el poder explosivo se dirige desproporcionadamente hacia arriba debido a la presencia del suelo en el lado descendente. El aire debe entonces correr de regreso en todas las direcciones hacia la fuente de la explosión debido a ese vacío inicial creado. Con ese apuro, se recogen muchos escombros. Cuando los vientos se encuentran desde todas las direcciones, la única forma de ir es hacia arriba.

Creo que la clave para completar el efecto hongo es el retorno del aire después del vacío.

Es una combinación de gravedad y convección.

Si la bomba explotara en un gas uniforme y no actuara una gravitación asimétrica, el patrón de explosión sería esférico El calor y la presión serían los mismos en todas las direcciones y no habría una dirección preferida para la convección.

Ganesh Subramaniam dio una excelente respuesta. Estoy seguro de que él sabe más sobre eso que yo.
El viento violento que se muestra en el video de una casa a cierta distancia de la explosión y la bola de fuego no juega un papel importante en la forma de la nube de hongo. Puede ser más como una onda de sonido extremadamente fuerte a aproximadamente 1/10 Hertz. Aunque el video hace que parezca que solo actúa horizontalmente, debe ser una onda tridimensional, complicada por la reflexión desde el suelo.
Si miras los muchos videos e imágenes fijas de las pruebas de armas nucleares, creo que llegarás a la misma conclusión.

Como hace mucho calor, se expande a una densidad inferior al aire, lo que hace que se eleve. Al llegar a la atmósfera superior menos densa, se extiende horizontalmente.