地震还是秘密核爆炸?一种新工具以 99% 的准确率揭露真相

自1945年首次引爆原子弹以来,美国、苏联、英国、法国、中国、印度、巴基斯坦和朝鲜这八个国家已经进行了2000多次核武器试验。

诸如全面禁止核试验条约组织一直在寻找新的测试。

然而,出于安全和保密的原因,现代核试验是在地下进行的,这使得它们难以被发现。通常,它们发生的唯一迹象是它们产生的地震波。

在一个论文发表于国际地球物理杂志,我和我的同事们已经开发出一种区分地下核试验和自然地震的方法,准确率约为99%。

原子尘

核武器的发明引发了一场国际军备竞赛,苏联、英国和法国开发并测试了越来越大、越来越复杂的装置,试图跟上美国的步伐。

许多早期测试造成了严重的环境和社会破坏。例如,美国 1954 年在马绍尔群岛比基尼环礁秘密进行的 Castle Bravo 测试实现了大量放射性沉降物附近的几个岛屿及其居民。

1952 年至 1957 年间,英国在澳大利亚进行了几次试验,将长寿命放射性物质散布在南澳大利亚丛林的大片地区,并毁灭性的后果为当地原住民社区服务。

1963年,美国、英国和苏联同意在未来进行地下试验,以限制沉降物。尽管如此,在接下来的几十年里,随着中国、印度、巴基斯坦和朝鲜也加入这场争夺战,测试有增无减。

如何发现原子弹

在此期间,国际社会为弄清楚如何监测核试验作出了大量努力。武器开发的竞争性质意味着许多研究和测试都是秘密进行的。

今天,全面禁止核试验条约组织(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization)等组织运行着全球文书网络,这些文书专门用于确定任何潜在的测试.这些包括:

  • 空气测试站,用于检测大气中微量的放射性元素
  • 用于收听水下测试的水上监听柱
  • 次声探测器,用于捕捉大气中低频爆炸的轰鸣声和隆隆声
  • 地震仪,用于记录地下测试引起的地球震动。

大海捞针

地震仪设计用于测量地震波:当大量能量突然释放到地下时,例如在地震或核爆炸期间,地表产生的微小振动。

地震波主要有两种。首先是体波,它们在返回地表之前向各个方向向外传播,包括向下进入地球深处。其次是表面波,它们沿着地球表面传播,就像在池塘上散布的涟漪一样。

使用地震波监测地下核试验的困难在于区分爆炸和自然发生的地震。监测的核心目标是永远不要错过爆炸,但世界各地每天都有成千上万的大型自然地震。

因此,监控地下测试就像在大海捞针中寻找一根可能不存在的针,大小相当于一颗行星。

核武器与地震

在过去的 60 年里,已经开发了许多不同的方法来辅助这种搜索。

一些最简单的方法包括分析源的位置或深度。如果一个事件发生在远离火山和板块构造边界的地方,它可能被认为更可疑。或者,如果它发生在超过三公里的深度,则不太可能是核试验。

然而,这些简单的方法并不是万无一失的。例如,可以在地震多发地区进行伪装测试,也可以进行浅层地震。

一种更复杂的监测方法涉及计算体波中传输的能量与表面波中携带的能量之比。与爆炸相比,地震往往在表面波中消耗更多的能量。

这种方法已被证明对识别地下核试验非常有效,但它也不完美。它未能有效地对2017年朝鲜核试验进行分类,该试验产生了大量的表面波,因为它是进行的在山上的隧道里.

这一结果强调了在监测过程中使用多种独立鉴别技术的重要性——没有一种方法可能被证明对所有事件都是可靠的。

另一种方法

2023年,我和来自澳大利亚国立大学和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的同事们聚在一起,重新审视了确定地震波源的问题。

我们使用一种最近开发的方法来表示地震事件源头的岩石如何位移,并将其与更先进的统计模型相结合来描述不同类型的事件。因此,我们能够利用爆炸和地震源之间的根本差异来开发改进了对这些事件进行分类的方法.

我们在美国西部已知的爆炸和地震目录上测试了我们的方法,发现该方法在99%的时间内是正确的。这使它成为监测地下核试验的有用新工具。

识别核试验的可靠技术将继续成为全球监测计划的关键组成部分。它们对于确保政府对核武器试验的环境和社会影响负责至关重要。

马克·霍加德,DECRA研究员,澳大利亚国立大学

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