从当前世界局势看，发生全球层面大规模核战争的可能性较小。但是中小型拥核/潜在拥核国家由于地缘政治或宗教矛盾等原因，对周边国家或全球主要大国发动单一核武器攻击的可能性不能排除[1-2]。此外，恐怖分子可能利用非法取得的核材料制造简陋核爆装置，对主要大国发动单点核攻击[1, 3]。通常，这些攻击使用的核武器当量较小，破坏范围仅限于单个城市及其郊区[1, 4-6]。利用核武器爆炸参数及大气扩散等模型，可以计算特定场景的核爆伤亡情况[4-6]。这些伤亡分析结果可作为评估现有卫生应急体系应对此类巨灾事件能力的依据。
1 核武器发展和全球核扩散情况迄今为止，已知有9个国家拥有大约16 350枚核武器[1]。其中，中、法、俄、英、美是被“不扩散核武器条约”正式承认的核武器拥有国；印、巴、以、朝四个事实上的核拥有国未加入或已经退出“不扩散核武器条约”。日本、伊朗等国拥有先进核材料，具备制造核武器的潜力。2014年美国科学家联合会的报告显示，至少有40个国家拥有能转用于核武器生产的核动力堆或研究堆，其中几个国家能在数月内制造核武器[1]。
从全球层面来看，美俄之间具备“相互保证毁灭(mutually assured destruction)”的能力，它们各自拥有约7 000枚大当量热核武器(大于10万吨当量)。中、英、法、以也拥有大当量热核武器，但数量相比美俄要少得多，大约各拥有200~300枚[1]。其他国家如印、巴、朝不具备生产大当量热核武器的能力，且核武器装备数量较少。
2 核武器的主要杀伤因素核武器爆炸通过四种方式释放能量，即冲击波(占总释放能量的40%~60%)、热辐射(占总释放能量的30%~50%)、瞬时电离辐射(占总释放能量的5%)和烟羽落下灰辐射(占总释放能量的5%~10%)[1]。其能量分布取决于核武器设计及爆炸环境。核武器攻击对人体造成的健康后果主要分为3类，即冲击伤、烧伤和放射伤。
日本是目前唯一遭受过核武器攻击的国家。在日本发生的两次原爆均为小当量(1.6万~2.1万吨)核武器袭击，造成的伤亡人数为十余万人，其中急性死亡分别为9万~12万人(广岛)、6万~8万人(长崎)[7]，见表 1。在广岛原爆中，冲击波造成的伤亡约占伤亡总数的50%，热辐射造成的伤亡约占伤亡总数的35%，瞬时电离辐射造成的伤亡约占伤亡总数的15%。长崎原爆当量超过广岛，但死亡人数小于广岛原爆。这主要是因为在长崎投放的原子弹显著偏离预定落点，在山坡上空爆炸，由于山势阻挡，减弱了冲击波强度，且屏蔽了一定角度的热辐射和瞬时电离辐射，使市中心遭受的影响较小[7]。同时，从表 1还可以看出，广岛原爆造成当地医生和护士伤亡率均超过90%，当地医学应急救治能力面临极大挑战。
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表 1 日本两次原爆杀伤情况 |
核爆冲击波伴随压强剧烈变化可导致原发冲击伤，冲击波造成的建筑物倒塌和大量碎片的剧烈移动会导致大量二次冲击伤。据估算，大当量核武器(大于10万吨当量)在人口密集的市中心爆炸可导致数十万冲击伤患者[1]。
核爆释放的大量热辐射能直接照射在人身体上或照射在易燃物上产生的火灾将导致大量热烧伤患者。当核爆产生的火球位于云层下方或地面有积雪时，由于反射效应，热杀伤效应可能增加1~5倍。对大当量核武器而言，热辐射是主要杀伤因素，因烧伤伤亡的人员占全部伤亡人员的一半以上。
核爆导致的放射伤可由瞬时和延迟电离辐射照射造成。爆炸瞬时释放的强γ辐射主要影响爆心附近人群，但照射剂量随半径的增加而迅速衰减。核爆产生的裂变产物可随空气扩散并凝结返回地面(即“落下灰”)，导致大范围区域(几十至几百千米)发生延迟的辐射照射。
3 单点核武器袭击杀伤效应的计算方法 3.1 冲击波杀伤效应的计算冲击波的杀伤效应主要是通过计算核爆后产生的超出正常大气压强值的过压(overpressure)分布来估算。3~4 Lb/in2(约0.20~0.27 atm)的过压通常可导致大部分建筑物损坏，大量人群会因建筑物坍塌、被冲击波吹起拋落或被飞起的碎片撞击而死亡或受伤。用过压值推算死亡率和受伤率可按以下关系：8.1 Lb/in2(约0.55 atm)的过压可造成50%人员死亡；7.1 Lb/in2(约0.48 atm)的过压可造成10%人员死亡；4.9 Lb/in2(约0.33 atm)的过压可造成5%人员死亡，存活者中35%人员严重损伤；3.8 Lb/in2(约0.26 atm)的过压可造成2.5%人员死亡，存活者约25%人员严重损伤；1~2 Lb/in2(约0.07~0.14 atm)的过压通常不会造成人员死亡，但可造成5%~7%的人员受伤(被玻璃或其他碎片击中)，详见表 2。
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表 2 核爆冲击波产生的过压与伤亡率对应关系[4] |
热辐射(或称光辐射)的杀伤效应主要是通过计算核爆后产生的热通量(thermal fluence)分布来估算。核爆后热辐射能量从火球处向外沿直线传播，也可经地面、云层反射或空气分子散射传播。不同当量的核武器，热杀伤效应对应的热通量值不同：对1.5万吨当量的核武器，热通量大于10 Cal/cm2的区域可引发大规模火灾；对50万吨当量，则为15 Cal/cm2(见表 3)。表 3中“非常可能”发生火灾是指核爆后有90%可能性发生火灾，“很可能”发生火灾是指核爆后有50%可能性发生火灾，“可能”发生火灾是指核爆后有10%~50%可能性发生火灾。当有云层反射时会增加发生大规模火灾的概率，“可能”发生火灾的地区可上升为“很可能”发生，而“很可能”发生火灾的地区可上升为“非常可能”发生。表 3中还给出分度烧伤患者分布区域对应的热通量值，可以看出这些区域对应的热通量值小于发生大规模火灾对应的热通量值，即分度烧伤(但存活)的患者通常分布于大规模火灾区域外围。
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表 3 核爆热辐射(光辐射)杀伤效应与热通量对应关系[4] |
核爆各种热杀伤效应对应的伤亡情况见表 4。可以看出，对“非常可能”(90%可能性)发生火灾的区域，其死亡率达到90%，而存活者也100%遭受严重损伤，如果没有及时获得有效治疗，这部分人将很快死亡。对“可能”(10%可能性)发生火灾的区域，其死亡率为10%，存活者严重损伤率为10%。对火灾区域外由直接热辐射照射而导致的3度烧伤，死亡率为10%，存活者中有约10%其损伤可能危及生命(即严重损伤)。
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表 4 核爆热杀伤效应对应的伤亡率[4] |
同时，表 3还给出热辐射杀伤计算的热通量值对应冲击波杀伤计算的过压值，这样可以比较热辐射杀伤区域与冲击波杀伤区域的分布关系。结合表 2、表 3、表 4可以看出，对1.5万吨当量的核武器，其"非常可能"发生火灾的区域(烧伤死亡率为90%)对应冲击波过压为4.6 Lb/in2(冲击伤死亡率约为5%)，因此热辐射烧伤的影响比冲击波造成外伤的影响要大得多。这是因为热辐射效应随参考点与爆心距离的平方呈反比，而冲击波效应随参考点与爆心距离的三次方呈反比，即冲击波效应随距离衰减更快，也就是说热辐射效应能影响更远的区域。同时这一物理规律还导致热辐射效应随核爆当量增大的幅度比冲击波增大的幅度更大。对50万吨当量的核武器，出现3度烧伤的区域半径可达7 km以上，而出现相同死亡率冲击伤的区域半径只有约3.9 km。
3.3 电离辐射杀伤效应的计算电离辐射造成的伤亡情况评估主要是通过计算核爆后瞬时电离辐射或落下灰衰变辐射产生的自由空气辐射剂量分布，结合各辐射剂量区间的伤亡率得到。对瞬时辐射照射，辐射剂量的区域分布根据假想核武器的特征参数计算确定。落下灰的区域分布由中小尺度大气扩散模型给出，计算中需要输入被袭击城市上层大气的典型气象条件。包括0~9 000 m的大气压强、温度、风速、风向和湿度等参数。注意是典型气象条件而不是平均气象条件，因为把北风和南风平均可能相互抵消。再根据核武器参数估算落下灰中衰变产物的比浓度，结合落下灰区域分布的计算结果给出落下灰产生的辐射照射剂量分布。但是以上计算得到的是自由空气辐射剂量，实际人群受到的辐射照射受到一系列因素的影响，如建筑物的屏蔽效应。需要根据假想被袭击城市建筑物的特点和假想核爆发生的时间(影响处于户外的人群比例)来估算人群整体的屏蔽因子。一般来讲，白天处于户外的人口比例可设定为15%。计算得出某一地点人群的辐射剂量后根据表 5估算该地点的伤亡情况。注意表 5给出的是接受特定剂量辐射照射后未接受任何救治情况下的伤亡情况。
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表 5 核爆电离辐射剂量对应的效应[4] |
根据全球街区级人口数据(如利用美国橡树岭国家实验室的LandScanTM_2007全球人口数据库)计算核爆后人员伤亡情况。在计算人群伤亡情况时应注意考虑冲击伤、烧伤和放射损伤等各种伤型的叠加效应，某一地点的人员存活率等于各种伤型存活率的乘积。对某一街区(或某一网格区域)，其伤亡人员数量为该街区(或网格区域)人口乘以该点的伤亡率。计算伤亡人数时还要考虑特定城市日间人口与夜间人口数量的差别。例如对华盛顿哥伦比亚特区(Washington DC)，橡树岭实验室估算其日间人口为106.6666万人，而夜间人口仅为57.1476万人，这主要是由于白天在该城市工作的人群晚上可能居住在邻近的弗吉尼亚等州。类似情况在世界其他大城市也很常见，所以计算一个城市在不同时段遭受核爆攻击要考虑使用相应时段的人口数，以减少误差。
4 单点核爆场景及伤亡模拟结果示例最有可能发生单一核武器袭击的地点包括地缘政治冲突热点地区(例如中东地区和朝鲜半岛)以及可能遭受恐怖袭击的地区(如美国本土)。针对这些潜在袭击目标进行基于场景的核爆模拟，可以量化分析伤亡情况，有效评估应对能力的缺失。
4.1 伊朗遭受核武器攻击后果分析以色列和伊朗是未来潜在的冲突热点地区，有可能发生核武器攻击。以下以典型情况示例这一地区核爆攻击的模拟结果。例如以色列使用1枚25万吨当量核武器攻击伊朗阿拉克市(见图 1)。图中除紫色圆圈外的3个同心圆表示冲击波(过压)造成的冲击伤分布范围，紫色圆圈表示出现2度以上烧伤的区域，彩色区域表示放射性烟羽沉降造成的放射损伤分布区域。从图 3可以看出，冲击伤、烧伤分布是以爆心为中心、各向同性分布，而放射损伤主要分布在爆心下风向区域，且影响地域范围(与爆心的距离)远大于冲击伤和烧伤的分布范围。例如5.3 Sv受照剂量分布区域远远超出2度烧伤的分布区域，甚至超出极少出现外伤的区域(即过压0.6 Lb/in2的区域)。
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图 1 伊朗阿拉克市受到一枚25万吨当量核武器攻击后伤员分布[4] |
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图 3 首尔及周边地区不同地点受到10万吨当量核弹袭击后果分布 |
在遭受这一规模核爆袭击后，伊朗阿拉克市将有38.7万人死亡(占该市42.4万总人口的93%)。另外还将有3.2万人受伤。其中冲击伤19 640人，烧伤28 920人(3度烧伤27 580人，2度烧伤1 340人)，3 Sv以上放射损伤6 160人(受伤者中存在复合伤患者)。可以看出，烧伤患者超过冲击伤患者，而放射损伤患者则相对较少。这一伤亡情况与该地区(中东地区)的城市特点有关。伊朗大部分地区比较干旱，城市外围多为戈壁，人口较少分布。而高放射性落下灰分布区域非常广泛，远超城市边界，但落下灰分布区域大多为戈壁地区，人口分布较少或没有人口分布，所以落下灰造成的放射损伤人数较少。
伤亡情况比较严重的极端情形例如使用多枚核武器攻击伊朗首都德黑兰。使用5枚50万吨当量核武器袭击德黑兰的伤亡区域分布见图 2，不同当量核武器袭击的伤亡人数对比见表 6。可以看出，5枚10万吨、25万吨、50万吨核武器攻击德黑兰死亡率分别为44%、67%、86%，死亡人数随爆炸当量增加而逐步上升。受伤人数随当量变化情况则不同，德黑兰市遭受5枚10万吨和5枚25万吨当量核武器袭击后，受伤人数占总人口的比例都约为20%，而5枚50万吨当量核武器袭击后受伤人数反而比较小当量时下降了一半。这主要是因为多枚核武器袭击同一城市时出现饱和效应，即全部人员都死亡或受伤，在城市总人口不变的情况下，死亡人数上升，受伤人数反而下降。
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图 2 伊朗首都德黑兰受到5枚50万吨当量核武器攻击后伤员分布[4] |
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表 6 德黑兰遭受不同当量核武攻击后伤亡情况[4] |
朝韩虽然近年来关系有所缓和，但未来仍不排除发生冲突的可能性。现以首尔及其周边地区遭受核武器攻击为例，模拟的伤亡区域分布见图 3，不同当量核武器造成的各类损伤的人数见表 7。可以看出，随核武器当量增加，各类损伤人数都明显上升，但上升幅度不同。以47.5万吨当量相比2.5万吨当量核爆造成的损伤人数为例，冲击伤和烧伤人数都上升了10倍左右，而放射伤人数只上升3倍左右。这主要是由于冲击伤和烧伤出现的区域主要在市区范围内，但放射损伤分布范围由于落下灰分布范围较大而远超出市区范围，市区外人口密度较小，所以放射伤人数随核爆当量增加而增长的幅度也相对较小。
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表 7 首尔遭受不同当量核武器攻击的各类损伤人数 |
美国洛杉矶遭遇2万吨和55万吨当量核武器攻击后的伤亡分布见图 4。现以美国本土遭遇2万吨当量核武器袭击(这是恐怖分子和美国主要敌对国家如朝鲜最可能使用的核武器当量)为例，详细描述核爆后各种伤亡类型区域分布的典型情况。在伤亡的内圈(半径约1 100米处)，热通量13 Cal/cm2(很可能发生大规模火灾)的区域延伸到冲击波过压7 Lb/in2的区域，而7 Lb/in2过压会造成至少10%的人因冲击伤死亡，其余人几乎全部会被建筑物倒塌或飞来碎片击中而受伤。再向爆心靠近仅80 m，冲击波过压会达到8 Lb/in2，死亡率会大幅上升到约50%。同时，这一区域会遭受10 Sv以上辐射照射，如果没有很好的屏蔽防护(如在地下室或地铁内)，很难逃脱严重的急性照射。
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图 4 美国洛杉矶遭受2万吨和55万吨当量核弹袭击后果分布[5] |
距爆心约1 500 m处为热通量可造成Ⅲ度烧伤的区域，同时此处冲击波过压约为4 Lb/in2，可造成框架结构房屋主体受损。大量人员由于房屋内部墙壁或物体移位/撞击而受伤，同时处于户外的人员会因强辐射(剂量大于10 Sv)而死亡。此区域内伤亡情况估算如下：15%的人因在户外或窗户附近，受到Ⅱ度或以上烧伤而死亡；40%的人由于建筑物整体或内部墙壁倒塌而死亡、被困或遭受严重创伤；至少15%的人接受了达到致死剂量的核爆瞬时辐射照射；10%的人由于高剂量烟羽落下灰照射而死亡；其余20%的人中，三分之一受到5 Sv以上辐射照射(在此巨灾场景中很难得到有效救治)而最终死亡，三分之一的人受到约3 Sv辐射照射，60天内死亡率约为5%~10%，只有最后三分之一可能没有受伤或伤情较轻。
与爆心距离从1 500 m上升到2 000 m后，人员存活情况会大幅改善。冲击波过压从4 Lb/in2下降到2.5 Lb/in2，仅会造成约5%~10%的人出现冲击伤，同时热通量也下降到只能造成Ⅰ度烧伤的范围。核爆瞬时辐射在距爆心1 600 m处为10 Sv，距爆心1 700 m处为4 Sv，距爆心2 000 m处为0.8 Sv。处于户外场所的人员仍可能受到大剂量的核爆瞬时辐射照射，但是有一定合理防护(如处于室内)的人员将是安全的。在落下灰经过的区域(图6中的楔形区域)由于高剂量辐射仍会出现较高的放射损伤发病率和死亡率，且可能合并热烧伤或冲击伤。
在距爆心6 000 m处，人员可能由于飞溅的碎玻璃而受伤，同时在部分区域烟羽落下灰的辐射剂量仍可能高达18 Sv。在距爆心2 000 m外出现的伤员大多数是由于烟羽落下灰照射而受伤。对于落下灰照射，人员即使有一定防护措施，其剂量仍可能致命。
5 结论当前全球面对的核威胁有上升迹象，特别是发生单一核武器攻击的可能性不能排除。通过基于场景模拟的核爆伤亡情况分析可以看出，巨大的伤亡人数以及伤情之复杂，使任何国家在面对核爆袭击这一巨灾场景时，其卫生应急能力都面临巨大挑战。通过对单一核武器袭击进行模拟计算得出尽可能精确的人员伤亡情况，可以为评估现有核事件卫生应急体系提供情景输入，为不断改进和提高核辐射卫生应急能力提供科学依据。
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