地震還是秘密核爆炸？一種新工具以 99% 的準(zhǔn)確率揭露真相

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

諸如全面禁止核試驗(yàn)條約組織一直在尋找新的測(cè)試。

然而，出于安全和保密的原因，現(xiàn)代核試驗(yàn)是在地下進(jìn)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(gè)論文發(fā)表于國(guó)際地球物理雜志，我和我的同事們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種區(qū)分地下核試驗(yàn)和自然地震的方法，準(zhǔn)確率約為99%。

原子塵

核武器的發(fā)明引發(fā)了一場(chǎng)國(guó)際軍備競(jìng)賽，蘇聯(lián)、英國(guó)和法國(guó)開(kāi)發(fā)并測(cè)試了越來(lái)越大、越來(lái)越復(fù)雜的裝置，試圖跟上美國(guó)的步伐。

許多早期測(cè)試造成了嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)破壞。例如，美國(guó) 1954 年在馬紹爾群島比基尼環(huán)礁秘密進(jìn)行的 Castle Bravo 測(cè)試實(shí)現(xiàn)了大量放射性沉降物附近的幾個(gè)島嶼及其居民。

1952 年至 1957 年間，英國(guó)在澳大利亞進(jìn)行了幾次試驗(yàn)，將長(zhǎng)壽命放射性物質(zhì)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(dāng)?shù)卦∶裆鐓^(qū)服務(wù)。

1963年，美國(guó)、英國(guó)和蘇聯(lián)同意在未來(lái)進(jìn)行地下試驗(yàn)，以限制沉降物。盡管如此，在接下來(lái)的幾十年里，隨著中國(guó)、印度、巴基斯坦和朝鮮也加入這場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)，測(cè)試有增無(wú)減。

如何發(fā)現(xiàn)原子彈

在此期間，國(guó)際社會(huì)為弄清楚如何監(jiān)測(cè)核試驗(yàn)作出了大量努力。武器開(kāi)發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)意味著許多研究和測(cè)試都是秘密進(jìn)行的。

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

• 空氣測(cè)試站，用于檢測(cè)大氣中微量的放射性元素
• 用于收聽(tīng)水下測(cè)試的水上監(jiān)聽(tīng)柱
• 次聲探測(cè)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(cè)試引起的地球震動(dòng)。

大海撈針

地震儀設(shè)計(jì)用于測(cè)量地震波：當(dāng)大量能量突然釋放到地下時(shí)，例如在地震或核爆炸期間，地表產(chǎn)生的微小振動(dòng)。

地震波主要有兩種。首先是體波，它們?cè)诜祷氐乇碇跋蚋鱾€(gè)方向向外傳播，包括向下進(jìn)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(cè)地下核試驗(yàn)的困難在于區(qū)分爆炸和自然發(fā)生的地震。監(jiān)測(cè)的核心目標(biāo)是永遠(yuǎn)不要錯(cuò)過(guò)爆炸，但世界各地每天都有成千上萬(wàn)的大型自然地震。

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

核武器與地震

在過(guò)去的 60 年里，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多不同的方法來(lái)輔助這種搜索。

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

然而，這些簡(jiǎn)單的方法并不是萬(wàn)無(wú)一失的。例如，可以在地震多發(fā)地區(qū)進(jìn)行偽裝測(cè)試，也可以進(jìn)行淺層地震。

一種更復(fù)雜的監(jiān)測(cè)方法涉及計(jì)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(duì)識(shí)別地下核試驗(yàn)非常有效，但它也不完美。它未能有效地對(duì)2017年朝鮮核試驗(yàn)進(jìn)行分類，該試驗(yàn)產(chǎn)生了大量的表面波，因?yàn)樗沁M(jìn)行的在山上的隧道里.

這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用多種獨(dú)立鑒別技術(shù)的重要性——沒(méi)有一種方法可能被證明對(duì)所有事件都是可靠的。

另一種方法

2023年，我和來(lái)自澳大利亞國(guó)立大學(xué)和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事們聚在一起，重新審視了確定地震波源的問(wèn)題。

我們使用一種最近開(kāi)發(fā)的方法來(lái)表示地震事件源頭的巖石如何位移，并將其與更先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合來(lái)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(lái)開(kāi)發(fā)改進(jìn)了對(duì)這些事件進(jìn)行分類的方法.

我們?cè)诿绹?guó)西部已知的爆炸和地震目錄上測(cè)試了我們的方法，發(fā)現(xiàn)該方法在99%的時(shí)間內(nèi)是正確的。這使它成為監(jiān)測(cè)地下核試驗(yàn)的有用新工具。

識(shí)別核試驗(yàn)的可靠技術(shù)將繼續(xù)成為全球監(jiān)測(cè)計(jì)劃的關(guān)鍵組成部分。它們對(duì)于確保政府對(duì)核武器試驗(yàn)的環(huán)境和社會(huì)影響負(fù)責(zé)至關(guān)重要。

馬克·霍加德，DECRA研究員，澳大利亞國(guó)立大學(xué)

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