Wie schwer könnte jemand durch konzentriertes Sonnenlicht verletzt werden?

Kürzlich bin ich über eine interessante Kurzgeschichte gestolpert (über Science Fiction & Fantasy Stack Exchange ), in der ein Fußballschiedsrichter anscheinend von konzentriertem Sonnenlicht verbrannt wird.

Wo der Schiedsrichter gestanden hatte, war ein kleiner, glimmender Haufen, aus dem sich eine dünne Rauchsäule in die stille Luft kräuselte.

Dies wird in der Geschichte durch etwa 50 000 reflektierende Stanniol-Programmumschläge erreicht, die jeweils etwa die Größe eines Tabloidblatts haben.

Was mein Interesse geweckt hat (Physik ist eines meiner Randinteressen) ist die Realisierbarkeit dieser Methode in der realen Welt. Wikipedia sagt, ein Boulevardblatt ist 279 m m ⋅ 432 m m = 120528 m m 2 ≈ 0,121 m 2 , was insgesamt fünfzigtausend Menschen mit einem Programm gibt 6026.4 m 2 arbeiten mit. (Anpassung an weniger als perfektes Ziel, ich würde sagen, näher an ungefähr 5000 m 2 .) Wenn Sie so viel Sonnenlicht auf etwa die Oberfläche einer Person umlenken könnten, wie viel Energie wäre das? Welchen Schaden könnten Sie anrichten?

Er konnte nicht viel gefühlt haben; Es war, als wäre er in einen Hochofen geworfen worden ...

Könnte diese Menge an Energie tatsächlich jemanden verbrennen?

Mir fällt auf, dass die Wikipedia-Zusammenfassung der Geschichte (zitiert auf SciFi.SE) nur besagt, dass der Schiedsrichter "zusammengebrochen und gestorben" ist. Wenn eine Verbrennung nicht möglich ist, könnte die damit verbundene Energie dennoch auf andere Weise tödlich sein?

In Anbetracht der Menge an Koordination, die erforderlich ist, um ein Schiff zum Schwelen zu bringen , ist es unwahrscheinlich, dass die Fans versehentlich alle ihre Programmcover auf eine so enge Stelle richten.
Als Datenpunkt verwendete das THEMIS-Kraftwerk 11800 m^2 Spiegel und konnte etwa 2 MW Strom erzeugen. Natürlich gibt es einige Verluste ... mit 1 MW brauchen Sie 21 Sekunden, um 80 Liter Wasser von 37 ° C auf den Siedepunkt (100 ° C) zu erhitzen. Da etwa 75 % eines Menschen aus Wasser bestehen, kann man schlussfolgern, dass „Verdunstung“ eine narrative Übertreibung für dramatische Auswirkungen ist – aber ernsthafte gesundheitliche Folgen sind durchaus möglich.
Allerdings verbrennen wir Ameisen auf dem Bürgersteig nur mit einer Lupe. Es würde ihn nicht verdampfen, aber der Schiedsrichter könnte in Brand gesteckt werden.
Die Geschichte sagt, dass es "lange Sekunden" aussieht, was nicht präzise ist, sich aber wie mehr als eine Sekunde und viel weniger als eine Minute anfühlt.
@ Byte56 Es ist kein Zufall in der Geschichte - wir sprechen von fünfzigtausend Soldaten mit vorheriger Ausbildung. Sie alle versuchen aktiv, den Schiedsrichter zu verletzen.

Antworten (5)

Am Erdradius beträgt die Sonneneinstrahlung ca 1.412 k W / m 2 , was eine Gesamtleistung ergibt, die auf das Folienblatt trifft (unter der Annahme eines senkrechten Einfalls) von ∼ 7.06 M W . Der durchschnittliche Mensch in Amerika ist ungefähr 1.7 m groß und irgendwo herum 0,5 m breit, wodurch seine Querschnittsfläche rund wird 0,85 m 2 . Das bedeutet, dass der Mensch eine Bestrahlungsstärke von etwa hat 8.3 M W / m 2 (Wieder unter der Annahme eines normalen Einfalls wird die Erhöhung des Winkels der Folie in Bezug auf die Sonne die Gesamtkraft verringern, und wenn der Mann aus einem beliebigen Winkel getroffen wird, wird die Kraft, die er lokal spürt, erhöht). Nun, hier wird es knifflig. Das Schwarzkörperspektrum der Sonne hat seinen Höhepunkt im sichtbaren Bereich und wird von der Atmosphäre im UV stark absorbiert und zerfällt im Infrarot. Gewebeablation erfordert irgendwo in der Größenordnung von 2 M W / m 2 für einen Infrarot-Diodenlaser mit einem Spitzenwert von 1470 nm (siehe "Optical Sealing and Cutting of Blood Vessels Using Near-Infrared Laser Radiation" von Sarah Rosenbury). Nun, das ist die gesamte Leistung, die auf einen Absorptionspeak des Wasserabsorptionsspektrums gerichtet ist. Da die Absorption von menschlichem Gewebe im sichtbaren Bereich hauptsächlich auf Melanin und Blut (Hämoglobin-Hb) zurückzuführen ist, tritt daher vor der Absorption eine Streuung auf (außer in den Hämoglobin- und Melaninmolekülen), und es geht mehr Energie verloren. Nicht zu vergessen, dass die Eindringtiefe (wie tief das Licht eindringt) bestenfalls ein paar Millimeter beträgt. Obwohl Sie wahrscheinlich Verbrennungen verursachen, seine Kleidung in Brand setzen und im Allgemeinen Schmerzen haben, wäre der Schaden nur oberflächlich. Um tiefer einzudringen, müsste man Gammastrahlen verwenden (was aufgrund der atmosphärischen Absorption schwierig ist) oder etwas mit einer längeren Wellenlänge wie Mikrowellen (aber sie haben eine sehr geringe Energie pro Partikel, daher wäre VIEL VIEL mehr erforderlich). Also als letzte Antwort auf Ihre Frage, nein. Unter diesen Bedingungen ist es nicht möglich, jemanden sofort zu verdampfen,

So viele Daten, um die falsche Antwort zu finden.
Eine Solartherme kann bei ca. 2 qm Fläche Temperaturen von 150°C erreichen. Das Fokussieren des Sonnenlichts von 5000 m² auf 1 m² könnte leicht Temperaturen über 100 °C erzeugen. An einem guten sonnigen Tag würde dies ausreichen, um jemanden zu verdampfen.
Im letzten Kommentar muss sich ein Tippfehler eingeschlichen haben. Vielleicht ein leichter Sonnenbrand.
Würden das Melanin und das Hämoglobin noch existieren / die gleiche Wirkung haben, nachdem Sie die Haut verkohlt haben? Ja, der menschliche Körper hat viele Mechanismen, um mit Sonnenlicht fertig zu werden, aber ich bin mir nicht sicher, ob sie noch funktionieren, wenn Ihr Körper mit schweren Verbrennungen bedeckt ist. Und nachdem Sie genug Charend haben, um das Fett, die Haare und die Kleidung anzuzünden, können Sie der Gleichung andere Energiequellen hinzufügen.
@JonathonWisnoski Sobald die Haut verkohlt ist, nimmt die optische Eindringtiefe drastisch ab und es wird viel schwieriger, den verkohlten Bereich abzutragen, sodass Melanin und Hämoglobin tatsächlich nicht mehr wirklich zu den Absorptionseffekten beitragen, aber dennoch zu den thermischen Eigenschaften beitragen würden. Wenn es tatsächlich zu einer Verkohlung kommen würde, wäre es sehr wahrscheinlich, dass das Ziel sterben würde, aber angesichts der Tatsache, dass die Haut nicht überwiegend aus Wasser besteht (tatsächlich besteht sie hauptsächlich aus Kollagen) und Licht eine durchschnittliche Eindringtiefe von etwa 3 Mikrometern hat, bezweifle ich, dass er tödlich wäre verletzt, bevor er aus dem Weg ging.

Bei Ihren Zahlen wird es von den Bedingungen abhängen, und auch entscheidend davon, was der Schiedsrichter getragen hat; aber im Allgemeinen würde es den unglücklichen Schiedsrichter sicherlich in eine sehr gefährliche Position bringen. Es wäre wahrscheinlich nicht ganz so dramatisch wie in der Geschichte.

Sagen wir an einem typischen Tag, die Sonne liefert 750 W m − 2 Intensität, wenn gerade über Kopf. Skalieren Sie es um cos ⁡ ( π / 3 ) = 1 / 2 für einen typischen Breitengrad. Skalieren Sie es erneut durch 1 / 2 um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Folien ungefähr um 45 Grad geneigt werden müssen, um das Licht auszurichten. Und fügen Sie einen weiteren Faktor für zufällige Verluste hinzu, sodass wir davon ausgehen, dass ein Zehntel des Sonnenlichts sein Ziel erreicht. Sie haben immer noch 500 × 750 W den unglücklichen Gefährten erreichen: das ist 350 k W . Nehmen wir an, ein Körper besteht hauptsächlich aus Wasser: Ein 70 kg schwerer Körper hat also eine Wärmekapazität von 280 k W K − 1 . Diese Wärmebelastung würde also, wenn sie vollständig vom Körper des Kerls absorbiert würde, zu einem Temperaturanstieg von ein paar Grad Celsius pro Sekunde führen. Das ist nicht gut. Wie Sie sehen können, könnten wir, wenn einige meiner Skalierungsfaktoren für "günstigere" (für die Killer) Werte erhöht würden, ein Drittel des Lichts auf seinen Körper lenken: sechs Grad Celsius Anstieg pro Sekunde. Das wäre sehr schnell tödlich.

Jetzt kommen wir zu dem, was der Bursche trug. Und auch seine Hautfarbe. sein wird kritisch sein. Wenn er in einen stark reflektierenden Raumanzug gekleidet wäre, könnte er ziemlich gut abschneiden. Wenn er weiß trüge und schlagfertig wäre, hätte er vielleicht die Zeit, sich zu ducken und davonzukriechen. Wenn das, was er trug, aus Wolle oder feuerhemmend war, noch besser.

Für eine dramatische "Verdampfung" bräuchte man etwas mehr Licht als das, was sich aus den Bedingungen in der Geschichte ergibt, aber das wäre nicht gut für den Schiedsrichter.

Es ist interessant, meine Antwort und die von Chris zu vergleichen, da ich mir gerade die Wärmebelastung angesehen habe, während Chris spezifischere Sicherheitsgrenzen für die optische Intensität für die Haut betrachtet. Die beiden Antworten stimmen in ihren Schlussfolgerungen ungefähr überein, obwohl ich denken sollte, dass "hauttiefe Schäden" an einem großen Teil des Körpers durchaus tödlich sein könnten, wie Ihnen jeder Kliniker oder jede Krankenschwester in einer Verbrennungsabteilung sagen wird.

Wikipedia sagt nur, dass der Schiedsrichter "zusammengebrochen und gestorben" ist (jetzt in die Frage bearbeitet). Angesichts der offensichtlichen Tödlichkeit vieler schwerer Verbrennungen scheint es plausibel, dass er aus dieser tödlichen Hülle hätte gerissen werden können - wenn auch nicht ganz so dramatisch wie in der Geschichte.
Vermissen Sie nicht einen Faktor, in dem die Geschichte 50.000 Folien sagt?
@annav Die Berechnungen in der Frage stellen die gesamte Nutzfläche dar als 5000 m 2 . Teilen Sie durch zehn, wie in der Antwort angegeben, und Sie haben einen Faktor von 500.
@annav Ich glaube nicht: Ich skaliere die gesamte Folienoberfläche, berechnet zu sein 5000 m 2 vom OP für die 50 000 Folien. Dies endet mit allen Verlusten zu sein 500 m 2 effektiv, was ich mit der Bestrahlungsstärke der Sonne multipliziere. 5000 m 2 und 50 000 Menschen ist ein Zufall, der durch die Oberfläche jeder Folie entsteht
OK, meine Schätzung des Objektivschadens entspricht Ihrer Schätzung mit Verlusten. Ein Faktor von zwei könnte in alle meine Schätzungen eingehen. (Ich kenne die Brennpunktabmessungen nicht, die für eine Verbrennung benötigt werden, müssen natürlich von der Stärke des Objektivs abhängen.)
Wie what-if.xkcd oft fragt: "Was wäre, wenn wir mehr Leistung versuchen würden ?" Das Drehen des Einstellrads auf 11 könnte zu einer Multiphotonen-(Raman-)Absorption führen, einer Emission hochenergetischer Photonen – denken Sie daran, die Haut des Schiedsrichters als Röntgenquelle zu verwenden :-), die dann das Innere des Körpers erhitzen würde. Mir ist klar, dass wir uns hier mit NIF-Energiedichten (National Ignition Facility) befassen :-)
Während man davon ausgehen kann, dass der Körper hauptsächlich aus Wasser besteht, müssen die Hautabsorption und die Wärmediffusion berücksichtigt werden, um den tatsächlichen Temperaturanstieg zu bestimmen. Einschließlich der Diffusion des Wärmegradienten über den Absorptionsbereich ist es unwahrscheinlich, dass der Temperaturanstieg aufgrund der Oberflächenabsorption mehr als einen Sonnenbrand der Klasse 2 verursacht, bevor sich das Ziel aus dem Weg bewegen kann (vorausgesetzt, dass es weit ist, sich aus dem Fokusbereich herauszubewegen einfacher als einen riesigen Spiegel aus Folien zu bewegen).

Eine Linse kann im Brennpunkt schlecht brennen, man kann leicht ein Feuer machen und einen schlechten Brand bekommen, wenn man dumm genug ist, lange auf die Haut zu fokussieren.

EIN 5   c m Durchmesser Linse konzentriert die Leistung von etwa 2 × 10 − 3 Quadratmeter. Nehmen Sie das Konservative 750   W / m 2 (es kann sein 1200 in meiner Gegend) eine Macht von 750 × ( 2 × 10 − 3 ) an 2 m m 2 , oder 1.5   W an 2   m m 2 aus Haut, Papier oder Holz, entzündet sich und entzündet brennbare Stoffe.

Wenn die Querschnittsfläche eines Mannes ist 0,85   m 2 wie chris schätzt, um mit der leistung ähnlich einer linse eine solche fläche zu brennen, sollte man sie schicken ∼ 4.3 × 10 5 Watt auf diesem Bereich ( 0,85 / 2 × 10 − 6 ).

Wenn also Megawatt auf den Mann konzentriert würden, würde je nach Zeit zuerst seine Kleidung brennen, dann würde die Haut austrocknen und brennen. Die Lösung von Chris gibt Megawatt (8,3) an, um diese Schätzung abzudecken, und ich vermute, die Autoren haben das Linsenbeispiel verwendet, um realistische Zahlen zu erhalten, und 50.000 Menschen auf der Sonnenseite des Stadions benötigt.

Über Archimedes, der Schiffe in Brand setzt:

Ein Test des Archimedes-Wärmestrahls wurde 1973 vom griechischen Wissenschaftler Ioannis Sakkas durchgeführt. Das Experiment fand auf dem Marinestützpunkt Skaramagas außerhalb von Athen statt. Bei dieser Gelegenheit wurden 70 Spiegel verwendet, jeder mit einer Kupferbeschichtung und einer Größe von etwa fünf mal drei Fuß (1,5 mal 1 m). Die Spiegel waren auf ein Sperrholzmodell eines römischen Kriegsschiffs in einer Entfernung von etwa 50 m gerichtet. Als die Spiegel genau eingestellt waren, ging das Schiff innerhalb weniger Sekunden in Flammen auf. Das Sperrholzschiff hatte eine Beschichtung aus Teerfarbe, die möglicherweise die Verbrennung unterstützt hat. Eine Teerbeschichtung wäre in der klassischen Ära auf Schiffen üblich gewesen.

Haben Mythenbrecher mit Teer beschichtete Schiffe benutzt? Teer war das einzige wasserfeste Material, das den Menschen des Altertums bekannt war, um Boote und Schiffe abzudichten. Darüber hinaus hat das Mittelmeer den größten Teil des Sommers sehr trockene Sonnentage, die Watt/Quadratmeter können 1200 erreichen (gut für Sonnenkollektoren).

Moral: Glauben Sie nicht, was Mythenbrecher unkritisch sagen.

In Griechenland werden oft zerbrochene Flaschenböden für sommerliche Waldbrände verantwortlich gemacht, die als Linsen auf trockenes Unkraut wirken und die Brände auslösen. Ich habe es nicht ausprobiert :) aber wenn ich diesen Sommer einen gebrochenen Flaschenboden finde, könnte ich .
+1, insbesondere für den Archimedes-Test. Mythenbrecher (was ich nur wenig gesehen habe) scheinen sehr wenig Geschichtsforschung zu betreiben: Wie Sie sagen, war Teer zu dieser Zeit eines der wenigen Imprägniermaterialien. Ich bin kein großer Fan, hauptsächlich wegen ihrer Besessenheit von Sprengstoff und mehrere meiner Familienmitglieder starben, als sie damit herumspielten (Bauern, die hier in vergangenen Jahren freizügig Sprengstoff benutzten, um Baumstümpfe und dergleichen zu entfernen). Ich erinnere mich auch, dass ich vor vielen Jahren eine Berechnung von Theodore Stephanides gelesen habe, die auf Annahmen von Teer und Spiegeln der Ära beruhte: Er kam zu demselben Schluss wie Ioannis Sakkas.
@WetSavannaAnimalakaRodVance . Teer war in Griechenland noch weit verbreitet, als ich aufwuchs. An Stränden, an denen Fischerboote lagen, musste man sich davor hüten, auf Teer zu treten, der vom Flicken der Fischerboote übrig geblieben war. Jetzt verwenden sie eine Art Glasfaser.
Ja, und obwohl ich die Idee mag, dass Mythbusters die Wissenschaft breiter zugänglich macht (auch wenn ich es persönlich nicht mag), glaube ich, dass ich eher jemandem glauben würde, der so sorgfältig und weit gelehrt ist wie Stephanides. Es gibt noch einen anderen Faktor, den Mythbusters nicht berücksichtigt hat, und das ist die Motivation, die durch die Todesdrohung entsteht. Wie Sie wahrscheinlich wissen, wurde Archimedes tatsächlich am Ende der Belagerung von Syrakus getötet.
Ich würde es viel plausibler finden, dass Spiegel verwendet wurden, um die Sicht von Menschen auf angreifenden Booten zu beeinträchtigen, und dass jemand, der vom Licht geblendet wurde, versehentlich sein eigenes Boot in Brand setzte, als dass die Spiegel in der Lage waren, einen ausreichenden Fokus zu erreichen, um sich zu entzünden Boote direkt. Wenn ein sonnengeblendeter Seemann sein eigenes Boot in Brand setzte (z. B. während er sich darauf vorbereitete, eine Brandbombe am Ufer abzufeuern), konnten Beobachter in anderen Booten, die sahen, wie die Sonne auf das Boot gerichtet war und dann das brennende Boot sahen, durchaus glauben, dass das Sonnenlicht selbst die Zündquelle war, ob es eine war oder nicht.
@supercat Tatsache ist, dass es ihnen gelungen ist, ein simuliertes römisches Boot mit 70 vernünftigen Schilden in Brand zu setzen. Das Verbrennen der Boote ist eine historische Aufzeichnung. In der Römerzeit hatten die Menschen keine Streichhölzer. niemand rauchte. Wenn sie in die Schlacht ziehen würden, wäre es seltsam, wenn sie Suppe kochen würden. etc

In Frankreich gibt es einen Sonnenofen, der Stahl schmelzen kann . Ich kenne das Sammelgebiet davon nicht, aber es ist wahrscheinlich größer als 5000 m 2 . Zinnfolientabletten ... Ich weiß es nicht. Aber es klingt, als wäre die Science-Fiction-Geschichte nicht abwegig.

Die alten Griechen erwogen eine ähnliche Waffe und dachten, sie zum Zünden von Schiffen zu verwenden, aber es erwies sich als zu schwierig zu bauen (und würde nicht effektiv funktionieren, da es erforderlich wäre, sich auf eine Stelle auf einem Schiff zu konzentrieren, was für ein sich bewegendes Schiff schwierig ist ). Mythbusters hat ein paar Tests damit und ähnlichen Prinzipien durchgeführt und gezeigt, dass es kaputt ist. Außerdem verwendet der Ofen einen Parabolspiegel, der das Licht auf einen Punkt lenkt, der diese Temperaturen erreicht.
@Chris das Amphitheater ist ungefähr parabolisch. Dieser Mythos ist wahrscheinlich der Grund, wie die Geschichte begann :).
@Chris: Siehe die Antwort von Anna v. Besagtes Busting wurde durch den (korrekten!) Einschluss von Teer gesprengt.
Auf der Website heißt es, der Mega-Watt-Solarofen sei „ein 1830 m2 großer facettierter parabolischer Konzentratorstumpf, Brennweite 18 m, beleuchtet von 63 Heliostaten, Gesamtfläche 2835 m2“.
Aha. Nun, diese praktische Demonstration hat neben einer theoretischen Berechnung der Rückseite des Umschlags viel Gewicht.

Lesen Sie über ein Solarkrematorium, das zeigt, was mit 4 qm geballtem Sonnenlicht möglich ist.

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

Ausgezeichnete Quelle. Was es eigentlich über den 4m^2-Reflektor sagt, ist "Das vollständige Verbrennen von 4kg Ziegenfleisch hat mit 50 min etwas länger gedauert" [sic]. Ich glaube, sie meinen, es dauerte 50 Minuten. Es sind also weitere Untersuchungen erforderlich, ob das mit mehr Fläche sofort auf 80 kg erhöht werden kann.
Wie schwer könnte jemand durch konzentriertes Sonnenlicht verletzt werden?
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