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朝鲜核武器试验"威胁太大" 地震学家开始追踪了?

subtitle 网易科学人08-12 03:30
全世界的地震学家都在继续观察和等待,看看朝鲜政府下一步可能做什么。有些专家认为,朝鲜在万塔山进行的下一次核试验将会有不同的结果,因为其地点可能选择上次核试验的更南部。如果是这样的话,这将为那些等待利用地震波研究的学者们带来新的挑战。

  出品|网易科学人栏目组

  译者|小小

  2016年9月9日上午,亚太地区的地震仪开始产生剧烈反应。从韩国到俄罗斯再到日本,当地震波震动地面时,这些地球物理仪器记录下地震波曲线,它看起来就像发生了里氏5.2级地震。但实际上,地面震动源自朝鲜的核武器试验。这是朝鲜第五次证实进行核试验,同时也揭开了长期地质勘探故事的最新篇章。

  图1:地震波曲线揭示了有关朝鲜核武器试验的线索

  就像交警在车祸中检查刹车痕迹图以便找出事故责任方那样,研究人员会分析地震波来判断它们属于自然地震还是人为爆炸所致。如果是后者,科学家需要弄清楚爆炸细节,比如其是否属于核爆炸,以及当量有多大。经过反复测试后,地震学家们正提高他们对朝鲜核武器计划的了解。

  这项工作为国际监测《全面禁止核试验条约》(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty)提供了巨大帮助,该条约自1996年签订以来就禁止核武器试验。180多个国家签署了这份条约,但是拥有核技术的44个国家必须签署和批准条约,使之具有法律效力。然而包括美国和朝鲜在内的8个国家依然没有签约。

  为了追踪潜在的违规行为,该条约要求建立分属四级的国际监测系统,目前大约有90%已经完成。其中水声监测站(Hydroacoustic)可以检测水下爆炸波的声音,次声观测站(Infrasound)监听大气中的低频声波,放射性核素观测站(Radio-nuclide)监测空气中吸收的放射性物质副产品,而地震监测站通常是确定地面震动的最快、最可靠方法。

  新的研究表明,地震波可以提供有关核爆炸的额外信息。一个研究小组正在探索地形如何在地震信号上留下印记,比如类似朝鲜测试的崎岖山区。知道了这一点,科学家们能够更好地确定山脉内爆炸的地点,从而更好地了解爆炸的深度和强度。深度爆炸更容易掩盖核武器试验的力量。

  图2:利用地震波数据,研究人员可计算出朝鲜在“万塔山”(Mount Mantap)进行第五次核试验的可能位置

  另外,物理学家们在美国的内华达州核试验场进行了前所未有的六次爆炸试验,目的是通过模拟核爆炸的物理效果来观察地震波是如何向外辐射的。这项试验就像一场微型的、无核的核武器测试。科学家们已经有了许多关键发现,比如了解深度爆炸在地震检波器上的表现等。

  研究人员了解每次爆炸引发的地震波动越多,他们发现真实核试验的可能性就越大,对朝鲜来说尤其如此。自2006年首次进行核试验以来,该国始终在加快军事试验的步伐。7月4日,朝鲜发射了首枚被确认的弹道导弹,虽然没有核载荷,但其可以到达美国阿拉斯加州。

  美国马萨诸塞州Weston Geophysical Corp物理学家德莱恩·雷特(Delaine Reiter)表示:“对核试验了解得越多,可以帮助你理解像朝鲜这样的国家的核能力。他们并不害怕展示自己的测试结果,但他们宣称西方科学家无法确定到底发生了什么。核试验的规模真的如他们声称的那样大吗?我们真的很感兴趣理解这一点。”

  自然地震VS人造地震

  地震仪能够检测出各种事件的地面震动情况。在典型的年份中,世界范围内会发生1200次到2200次5级以及5级以上地震,它们都会引发世界各地地震仪的反应。此外,还有许多引发地面振动的非自然因素,比如采石场爆破、矿井坍塌以及其他原因。

  利用地震波来区分这类事件的技术称为法医地震学。法医地震学家可以区分出秘密核试验与天然地震的差异。例如,2003年3月,地震仪检测到来自在中国西部干涸湖泊罗布泊的地面震动,地震学家们想要确认到底发生了什么。地震与核试验爆炸之间的区别可通过深度来确认,任何超过10公里深的事件几乎可以肯定是自然引发的。

  以罗布泊事件为例,地面波动的源头似乎为地下6公里处,很难通过挖掘达到这个深度,但也并非不可能。研究人员还进行了第二次测试,比较了两种不同类型地震波的振幅差异。地震与核试验爆炸可以产生几种类型的地震波,其中以P波或初级波为起点。这些地震波会首先到达遥远的观测站,其次为S波或称为次波,它需要通过剪切运动穿过地面,因此也需要更长的时间到达。最后出现的波纹会波及到整个地表,包括那些被称为瑞利波(Rayleigh waves)的地震波。

  核爆炸规模越来越大

  朝鲜核试验引发的地震波动显示,其爆炸释放能量接近千吨级,而1945年广岛原子弹的当量约为15吨。与地震相比,核爆炸中的瑞利波振幅比P波的振幅更小。通过观察这两种波,科学家确定了罗布泊事件属于自然地震,而不是秘密爆炸的结果。

  对朝鲜来说,问题不在于该国政府是否准备进行核试验,而在于那些爆炸可能产生多大的破坏力。2003年,朝鲜宣布退出《不扩散核武器条约》(Treaty on the Nonproliferation of Nuclear Weapons),这是禁止核武器及相关技术扩散的国际协定。3年后,朝鲜宣布在丰溪里进行了地下核试验。这是印度和巴基斯坦1998年进行核武器试验后,首次有其他国家进行核试验。

  通过分析亚太周边地区观测站的地震波数据,地震学家认为朝鲜的核试验深度较浅,在深山中只有数千米深。这与朝鲜政府宣称进行蓄意试验的说法相吻合。2周后,加拿大耶洛奈夫(Yellowknife)的放射性核素监测站发现放射性氙浓度增加,它们可能是从朝鲜地下试验场泄漏出来并向东漂移过来的。显然,这起实验的确属于核爆炸。

  但2006年的测试为地震学家提出了新的问题。瑞利波和P波的振幅之比并不像爆炸时那样显著,而其他方面的地震信号也不像科学家预期的那么清晰。但是随着朝鲜继续核试验,研究人员找到了部分答案。2009年、2013年以及2016年,朝鲜政府在丰溪里展开更多地下核爆炸。每次,国外的研究人员都会将地震数据与过去的核爆炸记录进行比较。挪威监测组织NORSAR的地震学家史蒂芬·吉本斯(Steven Gibbons)表示,自动化的计算机程序能够比较你在屏幕上看到的晃动波纹。当模式匹配时,科学家知道这是另一次核试验,爆炸产生的地震信号就像是那个地区的指纹。

  每一次核试验,研究人员都能更多了解到朝鲜的核能力。通过分析地面震动幅度,专家们可以粗略地计算每次核试验的规模。2016年朝鲜核试验估摸相对较小,释放出的能量相当于1000吨TNT的威力,远低于美国于1945年向日本广岛投下的15000吨当量原子弹。但朝鲜核核试验的当量每次都在上升,2016年9月份进行的最新测试可能已经超过了广岛核弹的规模。

  图3:1953年4月,美国内华达州进行大气层核试验。毫不奇怪,朝鲜的地下核试验显然更难被发现

  挖掘到地下更深处

  对于特定震级的事件,爆炸的深度越深,爆炸产生的能量就越大,而深度较浅的低能量实验看起来更像深埋地下的强大爆炸事件。科学家需要弄清楚每次爆炸发生的具体位置。万塔山属于坚固的花岗岩地质,这让地震波传播变得更为复杂。在核试验进行前,西方专家根本不知道核弹是如何安放在里面的。但是卫星图像显示,山腰处有隧道正被挖掘中。

  位于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的核不扩散专家弗兰克·帕比安(Frank Pabian)4月份在丹佛举行的美国地震学会会议上称,隧道挖掘有两种方式:直接钻入花岗岩,或以鱼钩模式盘旋挖掘。研究人员始终在试图找出这5次核试验中每次爆炸的相对位置。通过比较P波、S波以及瑞利波的振幅,并计算每种波穿过地面的时间,研究人员可以绘制出5次爆炸的可能地点。这使得他们能够更好地将爆炸与表面的基础设施结合起来,比如卫星影像中的隧道。

  2009年核试验后出现了一个大难题。分析地震波到达不同测量站的时间,有人发现核试验发生在首次爆炸西部2.2公里处。其他科学家发现它们相距只有1.8公里远。吉本斯说,这种差别听起来并不多,但如果你想把这些相对位置放在实际地形中,那差别会非常大。他说:“向东或向西移动几百米,爆炸可能发生在山谷下面,而不是山脊处。这对深度以及爆炸威力的估计也会显得天差地别。”

  吉本斯和他的同事们认为,他们可能能够调和这些不同位置的估计,答案在于地震数据来自哪个检测站。与欧洲和其他地方监测站提供的数据相比,依赖于距离丰溪里1500公里的监测站提供的数据,朝鲜5次核试验场地相距更远。地震波离开试验场地的方式肯定要比科学家们想象的更为复杂,否则所有的测量结果都该保持一致。

  确认核武器试验的四种方法

  地震:世界各地有170个个监测站检测地面震动情况,以确定地震事件的位置、强度以及性质。

  海洋水声:11个监测站倾听海洋水声,因为声波可以传播很远。

  次声:全球有60个监测站检测人类听不见的低频声波。

  放射性核素:全球有80个站在检测核试验后释放到风中的放射性粒子。

  当吉本斯的团队对不同距离的地震数据进行校正时,科学家们确认2006年和2009年之间的核爆炸相距1.9公里。研究小组还也发现了其他爆炸的相对位置。2016年9月的核试验几乎是在万塔山2205米高峰之下进行的,这意味着爆炸确实是在地下深度进行的,因此可能至少与广岛原子弹的威力同样强大,足以引发5.2级地震。

  其他地震学家以不同的方式从地震数据中寻找信息,他们不关注地震信号传播到试验点之外的距离,而是在被发现之前传播的路径。雷特和Weston Geophysical的物理学家Seung Hoon Yoo最近分析了两个地震监测站的数据,一个位于北部中国370公里处,另一个位于南部韩国306公里处。

  当地震波到达这两个监测站时,科学家们曾仔细观察当时的情况。雷特在丹佛会议上表示,初始P波到来时,中国和韩国的波形记录存在轻微差异。在第一秒中,北方波形表现出更多的能量脉冲,而南部地震记录则没有。雷特等人认为,这种模式代表了万塔山地形的印记。

  雷特解释称:“山的一侧更为陡峭。中国监测站采样的信号经过陡峭的一侧,而韩国监测站采样的信号则没有遇到类似情况。“这种差异可能也有助于解释为什么日本各地地震监测站的数据同样存在南北细微差别。这些差异可能反映出,地震波离开万塔山时随着地形产生变化。

  从模拟中学习

  但是由于无法接近核试验场地,科学家们的理解依然有限,为此他们在内华达州进行模拟测试。这些测试是“源物理实验”(Source Physics Experiment)项目第一阶段的一部分,该项目是由美国能源部下属国家核安全管理局支持的项目,预算达到4000万美元。

  这个项目的目标是在相同的凿洞中进行不同当量、不同深度的一系列化学爆炸,然后在各种仪器上记录地震信号。这个位置接近内华达州南部的核试验基地,在1951年至1992年间,美国政府在此启动了828次地下核试验和100次大气层核试验,其蘑菇云能够从100公里外的拉斯维加斯看到。

  在源物理实验中,在2011年到2016年间,共发生了六次化学爆炸,最大规模相当于5000公斤TNT当量,深度最多达87米。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室工程师贝斯·丹尼蒂斯(Beth Dzenitis)负责这些测试的现场部分,她称最大的高能量密度要求将炸药包装成近1米宽、6.7米长的巨大桶装物。然而,这类爆炸几乎未被地面上任何仪器所发现。丹尼蒂斯表示:“我希望能告诉你们,地下发生了巨大的烟花爆竹,但你甚至不知道它发生过。”

  利弗莫尔地球物理监测主管威廉·沃特(William Walter)说,这场爆炸被设置在花岗岩附近,这种材料与万塔山的花岗岩非常接近。因此,地震波向外冲击的模式应该与朝鲜核试验非常相似。对于化学爆炸和与爆炸来说,描述地震能量在地面上传播的基本物理原理实际上是相同的。

  图4:技术人员正将巨大的炸药罐放在内华达州南部的地面上,以便进行化学爆炸实验。这是源物理实验系列的一部分,主要是模拟核爆炸的物理学原理

  结果揭示了研究人员用以描述地震波如何从爆炸中心向外传播的模型中存在的缺陷,尽管这种模型已经被使用了数十年。这些模型被用来描述P波是如何从大型核爆炸中通过岩石传播的,就像20世纪50年代美国和苏联进行的那些大规模核爆炸实验。沃特表示:“由于当时的测试规模很大,因此使用这类模型效果很好。但对于规模更小的核试验,比如朝鲜核试验,这些模型根本不起作用。”

  沃特和他的同事肖恩·福特(Sean Ford)已经开始开发新的模型,以更好地捕捉小规模核爆炸所涉及的物理迹象。沃特在丹佛会议上称,这些模型应该能够更精确地描述类似朝鲜核试验场地的深度以及能量释放情况。

  源物理实验的第二阶段将于明年开始,在更为碎裂的冲积层岩型中进行。科学家将使用这一系列的测试,看看地震波在穿过碎裂的岩石而不是更连贯的花岗岩时会受到怎样的影响。如果朝鲜开始在其他地方进行核试验,或者另其他国家的原子弹在碎石中爆炸,这些信息可能会有用。

  现在,全世界的地震学家都在继续观察和等待,看看朝鲜政府下一步可能做什么。有些专家认为,朝鲜在万塔山进行的下一次核试验将会有不同的结果,因为其地点可能选择上次核试验的更南部。如果是这样的话,这将为那些等待利用地震波研究的学者们带来新的挑战。

  雷特承认:“这让人产生一种毛骨悚然的感觉。我们等待这些爆炸发生,然后我们争相寻找爆炸位置,看看它的规模到底有多大。但这些实验真的让我们对朝鲜核计划的进展有了更好的了解。在世界各国考虑如何对付朝鲜的核试验时,我们的测试能够提供有用的信息。”

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