揭秘：如何监测秘密核爆炸（图）

揭秘：如何监测秘密核爆炸（图）   文章提供 于 2009-5-26 23:24:18 (北京时间: 2009-5-27 11:24:18)
  文章作者: 保罗·G·理查兹 金沅永   文章译者: 王昊明 阅读时出现乱码？ 解决办法
　　● 借助地震监测技术，我们能够监测地球上任意位置发生的千吨级核爆炸。在许多地方，监测的灵敏度甚至更高。
　　● 美国总统奥巴马就职后，可能会将曾经被否决的《全面禁止核试验条约》重新提交到参议院进行审议。
　　● 一些反对者认为，部分签署《全面禁止核试验条约》的国家可能会秘密进行核爆炸试验，从而让遵守条约的国家承担风险。
　　● 按照目前的技术手段，秘密进行核爆炸试验将不再是反对《全面禁止核试验条约》的可信理由。

　　就在这篇文章付印之际，伊朗或许正加紧提取浓缩铀。2008年11月发生在印度孟买的恐怖袭击事件，使人们又开始担忧印巴两国会用核武器相互攻击——这样一场“局部战争”，可能导致两国数千万无辜平民丧生，并对全球气候造成严重影响。2006年10月9日，朝鲜成功进行了第一次裂变核武器爆炸试验，正式加入世界核俱乐部。最近又有消息说，朝鲜已经分离出大量武器级铀，足够制造至少6枚原子弹。目前全世界共有8个国家公开测试过核武器，以色列也可能拥有核武器。对于大多数国家的国家安全机构来说，让恐怖分子得到这些核武器绝对是一场噩梦。

　　一些积极的信号也让人们看到缓解核紧张局势的希望。截至2008年底，共有180个国家签署了《全面禁止核试验条约》 (Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty，CTBT)。该条约于1996年9月在联合国大会上正式通过，旨在全面禁止包括核武器试验在内的任何核爆炸。中国、美国和其他国家的领导人很快在条约上签字。条约不仅限制有核国家进一步发展核武器，还阻止无核国家研发能够用于战场的核武器。

　　尽管《全面禁止核试验条约》目前尚未正式生效，但自联合国投票通过该条约以来，所有签署国家，包括美国与俄罗斯，都暂停了核武器测试(1996 年后进行过核武器测试的3个国家——印度、朝鲜和巴基斯坦均未签署该条约。若要了解条约的历史和背景，请参阅第36页的材料)。尽管美国仍未重新开始核试验，但反对《全面禁止核试验条约》的声音却不绝于耳。1999年，美国参议院否决了批准《全面禁止核试验条约》的提案；2000年，美国新当选总统小布什 (George W. Bush)公开声明，该条约无益于美国的利益和国土安全。

　　部分美国参议员之所以反对《全面禁止核试验条约》，是担心目前的技术手段能否检测出秘密进行的核武器试验。他们争论说，如果无法确定其他国家是否暗中违约，美国又何必放弃核武器试验呢？美国停滞不前，而其他国家秘密进行核试验，最终就可能威胁到美国及同盟国的利益。

　　在我们看来，对监控手段的所有担心都毫无意义。早在多年前，科技界就已经掌握了成熟的技术，能够监测世界各地进行的任何有军事意义的核试验(不论是在地表还是地下)，而且不会与矿井塌陷(mine collapse)、地震等其他无关核爆炸的自然现象混淆。2006年，朝鲜进行了一次地下核爆炸试验。尽管爆炸的TNT当量不足1,000吨(TNT当量是指核爆炸时释放的能量相当于多少吨TNT炸药爆炸所释放的能量)，世界各地的监测站还是迅速捕捉并鉴别出这次试验的信号。既然科学界的监测手段如此有效，而且技术仍在不断改进，对秘密违规核试验的担忧就不能再当作反对《全面禁止核试验条约》的理由。


核爆炸

　　寻找特定信号

　　核爆炸会产生放射性同位素、次声波等可观测信号，相应监测技术都能够监测到这些信号。

　　核爆炸监测技术是与核爆炸试验一起发展的。美国发展监测技术的根本原因，是为了收集潜在竞争对手的基本信息；另一个重要原因，是为支持各种限制核武器的国际性条约。如果参与《全面禁止核试验条约》的国家都相信，任何试图掩盖核试验的努力都是白费力气，那么迫于国际制裁的压力，它们就可能彻底放弃核试验。自二战结束以来，世界范围内总共进行过2,000多次核试验，包括地面试验、空中试验以及地下试验。通过研究这些试验留下的数据，研究人员在捕获和理解核爆炸信号方面取得了大量经验。

　　核爆炸会同时产生许多潜在的可观测信号。空中核爆炸会产生强烈闪光，能够被卫星捕捉到；爆炸还能产生巨大的声音，人类听力范围内的声波(频率在 20Hz~20,000Hz内)会随声音的传播迅速衰减，但频率低于20Hz的次声波能够在大气中传播相当远的距离，装备着测微气压计 (microbarometer)的次声波观测站能够监测大气压力的微小变化，进而找到次声波信号。

　　核爆炸会产生稳定的放射性同位素(radioactive isotope)，在进行空中核爆炸试验时，它们会被气流吹到高空。当它们冷却时，一些元素(例如放射性氙)就会以气态存在于大气中，揭示曾经发生过一次空中核试验；另一些元素会同灰尘结合，形成放射性尘埃，随风在全球漂流。早在1948年，美国空军在太平洋监测本土空中核爆炸试验时就发现，这些放射性尘埃的颗粒较大，将空气抽吸通过磨咖啡用的普通滤纸就能够截留它们。

　　放射性同位素探测技术很快就显示了自身的价值。1949年9月3日，一架WB-29轰炸机在堪察加半岛东部飞行时收集的数据证明，四天前苏联已成为世界上第二个进行核武器试验的国家。对放射性尘埃中同位素(大部分是钚和铀238)的比例所作的分析显示，苏联在核武器试验中引爆了一颗21,000 吨TNT当量的原子弹，同4年前美国在长崎投下的原子弹几乎一模一样。

　　除了空中核试验，美国在早期核计划中还进行了水下核试验。声波在水中的传播效率很高，特别是海水中由于温度及含盐量的细微差别而形成所谓的声学定位测距声道(sound fixing and ranging channel，SOFAR)，并将声波能量束缚在其中时，传播效率就更高。在水下600米到1,200米之间的SOFAR声道附近放置水听器 (hydrophone，即水下麦克风)，当量仅为数千克的水下爆炸也会无所循形。

　　震波探测核爆炸

　　监测地震的传感器能够检测到爆炸产生的震波信号，因此被用于监测有军事意义的地下核爆炸。

　　在经历漫长的谈判与磋商之后，1963年美国、苏联和英国(最早掌握核弹技术的三个国家)联合签署了《部分禁止核试验条约》(Limited Test Ban Treaty，LTBT)，禁止在外太空、大气层中及水下进行核爆炸试验。然而，条约签署国仍然能够进行地下核试验。因此，通过寻找震波，即撞击、坍塌、滑坡、爆炸或其他力量触发的弹性波，来监测地下核爆炸的手段，迅速受到各界的关注。幸运的是，用于监测地震的传感器，用来监测爆炸也能够胜任。但如何区分地震波和爆炸产生的冲击波，花费了研究人员许多年的时间，时至今日，研究人员还在进一步细化这项研究工作。

　　最主要的困难在于，每天都有种类繁多、数量庞大的地震和化学物质爆炸等非核爆炸现象产生的地震波信号。任何合格的监测网络都不会放过这些信号，但这恰恰是产生大量无用数据的原因。在世界范围内，平均每天能够产生600次地震记录；工业化国家每年用于采矿的爆炸物数量可达数百万吨。总体上，平均每天会发生25次震级超过4级的地震；震级每下降一级，数量大约变为原来的10倍(也就是说，每天3级以上的地震大约有250次)。

　　在地球绝大多数地方，一次典型的核爆炸试验(当量略低于1,000吨，且置于地下坚硬的岩层之中)产生的震动，大约与一次4级地震相当。坚硬的岩层能够有效地向外传递能量，如果岩层较软，岩石就会吸收更多的能量，使探测到的震级下降。一些决策者因此担心，某些国家可以通过调整试验地点的地理条件，大大减弱产生地震信号的强度。例如，在岩层中挖一个足够大的洞，并将试验地点选在洞中，就能在很大程度上抑制产生的地震波。但对于任何有军事意义的核爆炸试验，如果用这种方法掩饰自身的存在，这个洞穴的体积就必须足够巨大。也许在能够进行试验之前，洞穴就会因为经受不住地表的重量而坍塌。在其他方面，这个洞穴也会露出马脚，比方说挖出来的碎石必须仔细隐藏，否则会被卫星发现。总之，有军事意义的核爆炸试验被发现的可能性很高。

　　实际上，单独使用地震波监测技术，每天分析50～100条记录，就能监测到90%当量不低于1,000吨的核爆炸试验。如果要监测规模更小的爆炸，就须加大每天分析的数据量。然而，对于核试验来说，即使是1,000吨TNT当量也是很小规模，美国科学院2002年的报告指出，这种级别的核试验对那些想制造大型核武器的国家(尤其是对那些初次进行核试验的国家)没有任何帮助。


地下核爆示意图

　　关注哪里、忽略哪里？

　　爆炸会产生各种震波，世界各地的监测站将收集并分类这些信号，分析比较它们与典型地震、矿井坍塌等事件产生的震波的异同，就能够鉴别出核爆炸。

　　监测核爆炸首先要探测到爆炸发出的信号，并尽量将世界各地监测站收集的同一爆炸事件产生的信号关联在一起，依据信号到达各地监测站的先后计算出爆炸发生的位置，并鉴别爆炸类型——是流星撞击、矿井爆炸，还是核爆炸？如果是最后一种情况，当量多少？是由哪个国家进行的？

　　绝大部分地震记录能被电脑程序自动分类，只有软件难以识别的记录需要人力介入。研究人员对地震和采矿爆破进行了多年监测，已经熟悉了这些现象的特征反映在地震波记录中的多种方式。反过来，这些经验和信息又有助于监测核爆炸试验。在制定地震波检测核爆炸的鉴别标准的过程中，某几种地震波事件已经成为了“试金石”。

　　其中一种事件是矿井的连续塌陷——1989年在德国，1995年在美国与俄罗斯，都发生过这类塌陷事件。世界各地的监测站都探测到了这三次坍塌，这些数据引起了关注，因为用传统方法对远程采集的地震波信号所作的分析，错误地暗示这些事件是地下爆炸。在传统方法中，地震学家比较的是沿地球表面传播的长波与从地球内部穿过的体波(body wave)之间的强度差异。浅层地震和地下爆炸均会产生强度相近的体波，但是地震产生表面波强度明显大于地下爆炸。

　　对这些矿井塌陷产生的地震波进行的进一步分析显示，这三条记录不可能由爆炸产生。从波形图上看，监测器在震动开始的时候记录到一个波谷 (trough)，而不是波峰(peak)，说明岩层最初是向内运动而非向外扩散，这正是矿井坍塌应该会产生的现象。这个“小插曲”意义重大，因为由此可以证明，仅依靠地震波记录，就能准确区分地下爆炸与矿井坍塌。

　　第二个例子可以看出，地震波两种体波之间的差异对于监测核爆炸是不可或缺的。1997年，在俄罗斯新地岛核试验场附近的喀拉海(Kara Sea)海底，监测到一次震级约为3.5级的地震信号，随后又捕捉到一次更小的余震。难道是俄罗斯违背《全面禁止核试验条约》又在秘密进行核试验？

　　这次记录的表面波太弱，无法提供多少有用的信息。因此，比较长波表面波和体波的传统方法又一次失去了用武之地。但对“局域性”震波的检测解决了这一问题——这种震波在地壳与上地幔中传播，只能够在距震源大约3,000千米的范围内探测到。通过分析这种地震波数据，地震学家能够区分纵波 (compressiona wave)和横波(shear wave)：前者又叫P波，由岩石交替挤压、拉张而产生，振动方向和传播方向一致；后者又叫S波，因岩层剪切而产生，振动方向与传播方向垂直。

　　一般来讲，爆炸产生的纵波强度大于横波，但只有频率高于5赫兹时，这个差别才会实际显现出来。在1997年的那次可疑地震中，测量到的高频纵波和横波的强度非常接近，说明喀拉海的震动由海底地震引起：这其实是一次主震和一次余震(aftershock)。
来源: 《环球科学》