thumb|230px|right|Az alaszkai Mount Redoubt tűzhányó 1990-es kitörése során keletkezett gomba alakú felhő thumb|230px|right|A Castle Romeo kísérleti robbantás gombafelhője (11 Mt)
A gombafelhő olyan egyedi, gomba alakú, kicsapódott vízpárából vagy törmelékből álló pirokumulusz felhő, amelyet rendszerint egy nagyon nagy robbanás hoz létre. Leggyakrabban nukleáris robbantásokkal hozhatók összefüggésbe, azonban bármilyen megfelelő nagyságú robbanás előidézheti. Így például a nagy teljesítményű GBU–43/B MOAB (Massive Ordnance Air Blast) hagyományos bomba felrobbantása is gombafelhő kialakulásával járhat. Természetes úton is létrejöhetnek gombafelhők, vulkánkitörések és meteoritbecsapódások által.
A gombafelhők nagy mennyiségű, forró, alacsony nyomású gázok gyors, talajközeli képződése során jönnek létre, úgynevezett Rayleigh–Taylor instabilitást alakítva ki. A gázok tömege gyorsan emelkedve turbulens örvényeket kelt, amelyek a szélüknél lefelé csavarodnak, ezáltal egy örvénygyűrűt hoznak létre, valamint további füstöt és törmeléket emelnek a magasba a középpontban, kialakítva a gombafelhő „szárát”. A gáztömeg egy idő után eléri azt a magasságot, ahol a sűrűsége megegyezik a környező légkör sűrűségével. Ekkor a felhő szétoszlik és a magával emelt törmelék szétszóródva visszahull a földre.
Kialakulásuk A gombafelhők nagy méretű robbanások hatására jönnek létre a Föld gravitációs vonzásának közrejátszásával. Gravitáció hiányában (például a világűrben) nem jönne létre a jellegzetes gombaalakzat, a robbanás gömbszerű lenne. Legismertebbek a nukleáris robbantások nyomán kialakuló gombafelhők. A robbanás során keletkező tűzgömb és lökéshullám hatásainak maximalizálása érdekében a nukleáris bombákat szokás szerint a talaj fölött robbantják fel, és nem a becsapódás alkalmával, mert a talaj a keletkező energia nagy részét elnyelné. Közvetlenül a detonáció után a tűzgömb emelkedni kezd, ugyanazon elv szerint, mint egy hőlégballon. Ahogyan emelkedik, alulról levegő szívódik be a felhőbe (hasonlóan egy kéményhez), ami erős légáramlatokat, úgynevezett utószeleket kelt, miközben a felhő fejében a forró gázok tórusz alakban forognak. Ha a robbanás a földfelszínhez viszonyítva elég alacsonyan történt, az utószelek törmeléket és különböző szennyeződéseket szippanthatnak fel a talajról, kialakítva a gombafelhő „szárát”.
Nukleáris eredetű gombafelhők thumb|230px|right|A 21 kilotonnás Crossroads Baker sekély vízi robbantás kondenzációs felhője
A földfelszín fölött magasan felrobbantott nukleáris bombák nem okoznak gombafelhőt. A felhő erősen radioaktív részecskéket tartalmaz, elsősorban hasadási termékeket, amelyeket általában a légmozgások szétszórnak, a különböző időjárási jelenségek pedig (elsősorban az esők) a nukleáris hulladékot, gyakran nagy területeken, visszajuttatják a földre.
A mélyen talajszint vagy vízszint alatt történő nukleáris robbantások szintén nem idéznek elő gombafelhőt. Ezekben az esetekben a robbanás óriási mennyiségű talaj vagy víz elpárolgását eredményezi. A sekély vízben történő robbantások hatására egy vízoszlop keletkezik, amely visszaesése közben karfiol alakot vesz fel, amit gyakran összekevernek a „klasszikus” gombafelhő alakkal (például a Crossroads Baker kísérleti robbantás felhője). Kis mélységű talajszint alatti robbantások a gombafelhő mellett egy másik, talajközeli felhőt is létrehoznak. A légkörbe jutó radioaktív anyagok mennyisége csökken a növekvő detonációs mélységgel.
Talajfelszíni és légköri robbantások esetén az atmoszférába juttatott felszíni törmelék mennyisége gyorsan csökken a robbantás magasságának növekedésével. Körülbelül 7 méter/kilotonna robbantási magasságokban nem képződik kráter és ennek megfelelően kevesebb por és törmelék jön létre.
A sugárzás eloszlása a gombafelhőben függ a robbantás hozamától, a bomba típusától, a fúzió/fisszió aránytól, a robbantás magasságától, a domborzattól és az időjárástól. Általában elmondható, hogy a kisebb hozamú robbantások gombafelhőjének „fejében” található a radioaktivitás 90%-a, a „szárban” pedig 10%-a. A megatonna nagyságú robbantások (hidrogénbombák) esetében a radioaktivitás nagy része a gombafelhő alsó harmadára koncentrálódik.Nuclear survival manual : BOSDEC-the concrete curtain
A robbanás pillanatában kialakul az úgynevezett tűzgömb. Az emelkedő, nagyjából gömb alakú, forró és izzó gázok a légköri súrlódás hatásaára megváltoztatják alakjukat, felszínük lehűl az energia kisugárzás miatt és gömb alakból forgó, gyűrű alakú örvénnyé módosulnak. Az örvény levegőt szív a középpontjába, ezáltal szeleket kelt és lehűti magát. A forgás sebessége a lehűlés közben csökken és a későbbi fázisok során teljesen leállhat. A bomba elgőzölgött darabjai es más anyagok látható por formájában csapódnak ki, létrehozva a tulajdonképpeni felhőt. A fehéren izzó örvény sárga színű lesz, majd vörös, míg végül elveszti látható izzását. Tovább hűlve a felhő tömege megnő, ahogyan a légköri pára kicsapódik. A felhő emelkedésével és hűlésével csökken a lendülete és a további emelkedése lelassul. A tropopauza elérése után a felhő elkezd szétoszlani. Ha elegendő energiát tartalmaz, egy része elérheti a sztratoszférát.The Mushroom Cloud|Effects of Nuclear Weapons
A robbanás következtében nagy mennyiségű, vízpárával telített levegő emelkedik fel alacsonyabb magasságokból. Miközben a levegő egyre feljebb emelkedik, a hőmérséklete csökken, a vízpára cseppek formájában kicsapódik, amelyek később jégkristályokká fagynak. Ez a fázisátalakulás rejtett (latens) hőt generál, ami felmelegíti a felhőt és emiatt az még tovább emelkedik.
thumb|250px|left|A 225 kilotonnás Greenhouse George kísérleti robbantás tűzgömbjénak kialakulása. thumb|250px|left|A Greenhouse George robbantás gombafelhője.
A gombafelhő a következő átalakulási fázisokon megy keresztül:Effects of nuclear earth-penetrator and other weapons korai szakasz: nagyjából az első 20 másodperc; a tűzgömb kialakulásakor a hasadási termékek összekeverednek a talajról felszívott vagy a kráterből kirepült anyagokkal. Az elpárolgott talajrészecskék kicsapódása az első másodpercek során végbemegy, legintenzívebben a 3500-4100 K közötti hőmérsékleteken. emelkedési és stabilizációs szakasz: mintegy 10 másodperc és 10 perc között; a forró gázok felemelkednek és a korai lehullási termékek lerakódnak. késői szakasz: az első két fázist követően mintegy 2 napig tart, amikor a lebegő részecskéket a szél szétszórja, a gravitáció leülepíti, a csapadék pedig elmossa.
Egyes radioaktív felhők kezdeti színe vörös vagy vörösesbarna, a nitrogén-dioxid és salétromsav jelenléte miatt. A robbanás magas hőmérsékletű és erős sugárzású környezetében ózon is keletkezik. Becslések szerint a megatonnánként keletkezett nitrogén-oxidok mennyisége mintegy 5000 tonna.Effects of Nuclear Explosions Sárga és narancssárga színárnyalatokat egyaránt leírtak. A vöröses árnyalatot később elhomályosítja a vízpára fehér színe, valamint a füst és törmelék fekete színezete. Az ózon miatt a robbanásnak jellegzetes koronakisülés szaga van.
thumb|300px|right|Az első termonukleáris bomba, az Ivy Mike (>10 Mt) által létrehozott gombafelhő.
A kicsapódott vízcseppek fokozatosan elpárolognak, ami a felhő látszólagos eltűnéséhez vezet. A radioaktív részecskék azonban a levegőben maradnak és az immáron láthatatlan felhőben tovább mozognak.
Talajszinti robbantásoknál a felhő „szára” barna és szürke árnyalatú, amit a felszívott por, szemét és talaj okoz. Magasabban történt robbantások esetén a szár fehér és gőzölgő. Földszinti robbantások sötét gombafelhői a bomba burkolatának maradványai mellett talajból származó besugárzott anyagokat is tartalmaznak, aminek következtében helyileg több és nagyobb részecskeméretű radioaktív hulladék rakódik le.
Nagyobb méretű robbantások a keletkező nitrogén-oxidokat olyan magasságokig is a légkörbe juttahatják, ahol azok az ózonréteget károsítják.
Bizonyos körülmények között kétszintű gombafelhő is kialakulhat.Például a Buster-Jangle Sugar robbantás első szintjét maga a robbanás hozta létre, a másodikat pedig az újonnan kialakult kráterből kisugárzódó hő.
A radioaktív hulladék lehet száraz, hamuszerű pelyhek tömege, vagy olyan részecskék, amelyek szabad szemmel nem láthatók. Bőrfelületre lerakódó, erősen radioaktív részecskék úgynevezett béta-égéseket okoznak, amelyek elszíneződött foltok és sebek formájában jelentkeznek. A Castle Bravo teszt során fehér színű, hópelyhekre hasonlító, felületekhez tapadó és sós ízű hulladék keletkezett, ami a „Bikini hó” nevet kapta. A Wigwam vízi robbantás hulladékanyagának 41,4%-át szabálytalan alakú, átlátszatlan részecskék tették ki, valamivel több, mint 25%-uk áttetsző és átlátszatlan részekből állt, 20%-át mikroszkopikus tengeri szervezetek alkották, 2%-a pedig ismeretlen eredetű volt.Under the cloud: the decades of nuclear testing
A felhő összetétele
A felhő három fő anyagi összetevőből áll: a bomba maradványai és a hasadási termékek, a földről származó anyagok, valamint vízpára. A felhő sugárzási tömegét elsősorban a nukleáris hasadási termékek, a bomba maradványaiból származó neutron aktivációs izotópok, levegő és kis mennyiségben talajtörmelékek adják.
A sugárzás nagy részét a hasadási termékek adják. A termonukleáris fegyverek hozamának szignifikáns hányadát a magfúzió biztosítja. A fúzió termékei jellemzően nem radioaktívak. Ezért egy bomba sugárzási hulladék termelésének mértékét hasadási kilotonnában mérik. A Cár-bomba 50 megatonnás hozamának 97%-át a fúzió eredményezte, emiatt viszonylag „tiszta” fegyver volt.
Kezdetben a tűzgömb erősen ionizált plazmát tartalmaz, ami a bomba atomjaiból, hasadási termékekből és légköri gázokból áll. A plazma hűlésével az atomok reakcióba lépnek egymással, apró cseppeket hoznak létre, majd szilárd oxid részecskéket. A részecskék nagyobb részecskékkel egyesülnek, illetve mások felületén tapadnak le. A nagyobb méretű részecskék rendszerint kívülről szívódnak be a felhőbe. Amikor a felhő hőmérséklete megfelelően magas, a bekerült részecskék megolvadnak és összekeverednek a hasadási termékekkel. A nagyobb méretű részecskék felületére radioaktív anyagok tapadnak. A felhőbe később bekerülő részecskék (amikor a felhő hőmérséklete már elég alacsony) nem szennyeződnek jelentősen. A nukleáris fegyverből származó részecskék elég aprók ahhoz, hogy sok ideig a levegőben maradjanak, ezáltal szétszéledjenek és koncentrációjuk a veszélyes szint alá csökkenjen. A nagy magasságban történt robbantások, amelyek a földről nem szívnak fel törmeléket, vagy csak azután vesznek fel port, miután eléggé lehűltek és ennek következtében a radioaktív részecskék frakciója kicsi, lényegesen kisebb helyi szennyezést okoznak, mint a talajközeli robbantások. A nagy magasságban történő robbantások elsődleges részecskegeneráló folyamatai a kondenzáció és az azt követő koaguláció. A kis magasságban végrehajtott és talajszinti robbantásoknál az elsődleges folyamat a más részecskékre való lerakódás.
Egy alacsony magasságú robbanás megatonnánként 100 tonna port tartalmazó felhőt generál. Egy talajszintű robbanás ennél akár háromszor is több port tartalmazó gombafelhőt hozhat létre. Egy ilyen robbanás alkalmával kilotonnánként megközelítőleg 200 tonna talaj olvad meg és szennyeződik radioaktivitással. A tűzgömb térfogata azonos a légköri és talajszinti robbantásoknál. Ez utóbbi esetben alakja gömb helyett félgömb, és ennek megfelelően nagyobb sugárral rendelkezik.