地震還是秘密核爆炸？一種新工具以 99% 的準確率揭露真相

自1945年首次引爆原子彈以來，美國、蘇聯(lián)、英國、法國、中國、印度、巴基斯坦和朝鮮這八個國家已經(jīng)進行了2000多次核武器試驗。

諸如全面禁止核試驗條約組織一直在尋找新的測試。

然而，出于安全和保密的原因，現(xiàn)代核試驗是在地下進行的，這使得它們難以被發(fā)現(xiàn)。通常，它們發(fā)生的唯一跡象是它們產(chǎn)生的地震波。

在一個論文發(fā)表于國際地球物理雜志，我和我的同事們已經(jīng)開發(fā)出一種區(qū)分地下核試驗和自然地震的方法，準確率約為99%。

原子塵

核武器的發(fā)明引發(fā)了一場國際軍備競賽，蘇聯(lián)、英國和法國開發(fā)并測試了越來越大、越來越復雜的裝置，試圖跟上美國的步伐。

許多早期測試造成了嚴重的環(huán)境和社會破壞。例如，美國 1954 年在馬紹爾群島比基尼環(huán)礁秘密進行的 Castle Bravo 測試實現(xiàn)了大量放射性沉降物附近的幾個島嶼及其居民。

1952 年至 1957 年間，英國在澳大利亞進行了幾次試驗，將長壽命放射性物質散布在南澳大利亞叢林的大片地區(qū)，并毀滅性的后果為當?shù)卦∶裆鐓^(qū)服務。

1963年，美國、英國和蘇聯(lián)同意在未來進行地下試驗，以限制沉降物。盡管如此，在接下來的幾十年里，隨著中國、印度、巴基斯坦和朝鮮也加入這場爭奪戰(zhàn)，測試有增無減。

如何發(fā)現(xiàn)原子彈

在此期間，國際社會為弄清楚如何監(jiān)測核試驗作出了大量努力。武器開發(fā)的競爭性質意味著許多研究和測試都是秘密進行的。

今天，全面禁止核試驗條約組織（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization）等組織運行著全球文書網(wǎng)絡，這些文書專門用于確定任何潛在的測試.這些包括：

• 空氣測試站，用于檢測大氣中微量的放射性元素
• 用于收聽水下測試的水上監(jiān)聽柱
• 次聲探測器，用于捕捉大氣中低頻爆炸的轟鳴聲和隆隆聲
• 地震儀，用于記錄地下測試引起的地球震動。

大海撈針

地震儀設計用于測量地震波：當大量能量突然釋放到地下時，例如在地震或核爆炸期間，地表產(chǎn)生的微小振動。

地震波主要有兩種。首先是體波，它們在返回地表之前向各個方向向外傳播，包括向下進入地球深處。其次是表面波，它們沿著地球表面?zhèn)鞑?，就像在池塘上散布的漣漪一樣。

使用地震波監(jiān)測地下核試驗的困難在于區(qū)分爆炸和自然發(fā)生的地震。監(jiān)測的核心目標是永遠不要錯過爆炸，但世界各地每天都有成千上萬的大型自然地震。

因此，監(jiān)控地下測試就像在大海撈針中尋找一根可能不存在的針，大小相當于一顆行星。

核武器與地震

在過去的 60 年里，已經(jīng)開發(fā)了許多不同的方法來輔助這種搜索。

一些最簡單的方法包括分析源的位置或深度。如果一個事件發(fā)生在遠離火山和板塊構造邊界的地方，它可能被認為更可疑?；蛘撸绻l(fā)生在超過三公里的深度，則不太可能是核試驗。

然而，這些簡單的方法并不是萬無一失的。例如，可以在地震多發(fā)地區(qū)進行偽裝測試，也可以進行淺層地震。

一種更復雜的監(jiān)測方法涉及計算體波中傳輸?shù)哪芰颗c表面波中攜帶的能量之比。與爆炸相比，地震往往在表面波中消耗更多的能量。

這種方法已被證明對識別地下核試驗非常有效，但它也不完美。它未能有效地對2017年朝鮮核試驗進行分類，該試驗產(chǎn)生了大量的表面波，因為它是進行的在山上的隧道里.

這一結果強調(diào)了在監(jiān)測過程中使用多種獨立鑒別技術的重要性——沒有一種方法可能被證明對所有事件都是可靠的。

另一種方法

2023年，我和來自澳大利亞國立大學和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的同事們聚在一起，重新審視了確定地震波源的問題。

我們使用一種最近開發(fā)的方法來表示地震事件源頭的巖石如何位移，并將其與更先進的統(tǒng)計模型相結合來描述不同類型的事件。因此，我們能夠利用爆炸和地震源之間的根本差異來開發(fā)改進了對這些事件進行分類的方法.

我們在美國西部已知的爆炸和地震目錄上測試了我們的方法，發(fā)現(xiàn)該方法在99%的時間內(nèi)是正確的。這使它成為監(jiān)測地下核試驗的有用新工具。

識別核試驗的可靠技術將繼續(xù)成為全球監(jiān)測計劃的關鍵組成部分。它們對于確保政府對核武器試驗的環(huán)境和社會影響負責至關重要。

馬克·霍加德，DECRA研究員，澳大利亞國立大學

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