Про идентификацию подземных ядерных взрывов.

Методы, позволяющие отследить проведение испытаний ядерного оружия, стали столь эффективными и надежными, что ни одно государство не сможет в тайне произвести взрыв ядерного устройства военного назначения
Моя Великая Родина – Северная Корея присоединилась к ядерному клубу 9 октября 2006 г. после первого успешного взрыва ядерного устройства на основе реакции деления. У нас накоплено достаточно оружейного урана, чтобы изготовить полдюжины атомных бомб. Восемь стран открыто провели испытания ядерного оружия. То, что им обладает также и Израиль, почти не вызывает сомнений.
Современный сейсмический мониторинг дает возможность обнаружить ядерный взрыв мощностью от килотонны и выше в любой точке Земли. Во многих регионах планеты можно выявить и взрывы гораздо меньшей мощности.
3 июля 1970 г. Франция произвела взрыв ядерной бомбы на атолле Муруроа во Французской Полинезии. Взрывы в атмосфере теперь запрещены договором и относительно легко регистрируются. На сегодняшний день основные усилия сосредоточены на совершенствовании мониторинга подземных взрывов.
Наука о мониторинге ядерных взрывов столь же стара, как сами ядерные испытания.
После окончания Второй мировой войны было проведено более 2 тыс. испытательных ядерных взрывов - в атмосфере, под водой и под землей. В результате исследователи накопили громадный опыт интерпретации сопутствующим им событий.

Сейчас научно-техническое сообщество обладает хорошо отработанными методами регистрации подземных и надземных испытательных ядерных взрывов в любой точке мира. Установлены также признаки их отличия от неядерных явлений, таких как катастрофы в шахтах, землетрясения и др. Например, мощность взрыва в испытании, проведенном в 2006 г. у нас, в Северной Корее, была менее килотонны (эквивалент 1000 тонн ТНТ). Но он был своевременно зарегистрирован и идентифицирован.
Системы мониторинга лишают всех надежд на успех попытки скрыть проведение ядерного взрыва. Существует множество признаков, по которым его можно зарегистрировать

• Сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре
• Гидроакустические колебания, проходящие громадные расстояния в толще океана
• Инфразвуковые волны, распространяющиеся на тысячи км в воздухе
• Выбросы радиоактивных частиц и газов
• Смещения поверхности Земли, особенно при подземных испытаниях, которые можно обнаружить из космоса
• Световые вспышки, яркости которых достаточно для того, чтобы их заметить из космоса
• Рентгеновское излучение, видимое из космоса

Ядерный взрыв генерирует множество сигналов, которые могут быть зарегистрированы. Например, при атмосферном взрыве возникает световая вспышка, которая может быть зафиксирована со спутника. Гром взрыва на частотах, воспринимаемых человеческим ухом, быстро затухает, однако в инфразвуковом диапазоне, ниже 20 Гц, распространяется в воздухе на громадные расстояния. Посты прослушивания, оборудованные микробарометрами, детектируют малейшие изменения давления атмосферы и реконструируют инфразвуковой сигнал.
При ядерном взрыве образуются радиоактивные изотопы многих стабильных элементов, которые при испытаниях в атмосфере выбрасываются высоко в воздух в газообразном состоянии. По мере охлаждения некоторые из них, такие как радиоактивный ксенон, остаются в газовой фазе и служат свидетельством ядерного взрыва. Другие конденсируются на частицах пыли и распространяются по всему миру. Еще в 1948 г. военно-воздушные силы США проводили мониторинг американских атмосферных взрывов в Тихом океане, и было показано, что такие радиоактивные частицы достаточно крупные, чтобы их можно было собирать, прокачивая воздух через бумажные фильтры, подобные используемым в кофеварках.
Идентификация радиоизотопов вскоре доказала свою эффективность. Пролетавший к востоку от Камчатки бомбардировщик WB-29 3 сентября 1949 г. получил данные, доказывавшие, что четырьмя днями ранее СССР стал второй в мире державой, проведшей испытания ядерного устройства. Смесь изотопов в выбросе, в основном плутоний и уран-238, указала на то, что Советский Союз испытал бомбу, представлявшую собой почти точную копию 21-килотонного заряда, сброшенного на Нагасаки.
На ранних этапах ядерной программы США испытательные взрывы производились как в атмосфере, так и под водой. В воде звук распространяется очень хорошо, особенно, если энергия звуковых колебаний захватывается в область с немного измененными температурой и соленостью - в так называемый глубоководный звуковой канал (ГЗК). Выяснилось, что подводные взрывы мощностью всего в несколько миллионных долей килотонны могут быть зарегистрированы гидрофонами, расположенными около слоя ГЗК на глубине от 700 м до 1200 м.

Международная система мониторинга (МСМ), разработанная Организацией Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), включает детекторы четырех видов характеристических сигналов от подземного ядерного взрыва:

• Детекторы гамма-излучения (Определяют смесь радиоактивных изотопов в частицах, выделенных фильтрацией из воздуха. Также выделяется и определяется радиоактивный ксенон).
• Микробарометры (Регистрируют небольшие изменения давления, вызванные низкочастотными = инфразвуковыми волнами давления в атмосфере)
• Гидрофоны (Подводные микрофоны, опущенные в океан на глубины от 600 до 1200 м, регистрируют взрывы, произведённые под водой или вблизи береговой линии)
• Сейсмографы (Анализируют широкий спектр колебаний Земли)

Сейсмический мониторинг

В 1963 г. США, Советский Союз и Великобритания (первые три члена "ядерного клуба") после интенсивных переговоров подписали договор об ограниченном запрете испытаний (ДОЗИ). Согласно этому договору запрещались ядерные испытания в трех средах: в космическом пространстве, в атмосфере и под водой. Однако участники договора имели право проводить подземные испытания. Внимание организаций, ведущих мониторинг, быстро переключилось на информацию, доставляемую сейсмическими волнами - упругими колебаниями, распространяющимися сквозь толщу Земли в результате землетрясений, катастроф, взрывов, и др. Оказалось, что сенсоры, регистрирующие землетрясения, могут сослужить двойную службу. Однако потребовалось несколько лет для того, чтобы научиться различать сигналы от землетрясений и от взрывов бомб, и методы регистрации продолжают совершенствоваться.
Основные трудности связаны с большим числом и разнообразием землетрясений, химических взрывов и других неядерных событий, ежедневно генерирующих сейсмические сигналы. Самая совершенная система наблюдений не может избежать регистрации таких сигналов. Например, в международный итоговый отчет ежедневно попадают более 600 землетрясений; в ходе подземных работ в индустриально развитых странах производятся взрывы миллионов тонн взрывчатки. В целом ежедневно регистрируются около 25 сейсмических событий с магнитудой выше четырех, и это число возрастает на порядок при понижении магнитуды на единицу (например, с 25 до 250 событий в день при уменьшении магнитуды с четырех до трех).

В большинстве мест на Земле магнитуда 4 соответствует мощности взрыва менее килотонны, если взрывное устройство размещено в небольшой полости в твёрдом скальном грунте, в котором сейсмический сигнал распространяется наиболее эффективно. В местах, где грунт мягче, значительная доля энергии взрыва поглощается, что приводит к снижению регистрируемой магнитуды.
Можно ли ослабить сейсмический сигнал за счёт изменения свойств среды, к которой производится испытание ? Например, очень большая полость в скальном грунте может частично ослабить сейсмическую волну. Однако для проведения испытания устройства, применимого в военных целях, полость должна быть столь большой, что она обрушится после взрыва, или испытание привлечёт внимание по другим признакам, например, извлечённый материал может быть замечен со спутника. Таким образом, риск обнаружения будет очень велик.
На практике за счёт анализа от 50 до 100 сейсмических событий в день могут быть зарегистрированы с вероятностью 90% все ядерные взрывы мощностью в одну килотонну. Для регистрации взрывов меньшей мощности потребуется проанализировать большее число сейсмических событий. Однако согласно отчёту Национальной академии наук США за 2002 г., информации, полученной в результате испытательного взрыва мощностью в одну килотонну, будет недостаточно для создания оружия большей мощности, особенно если ранее в данной стране не проводили ядерных испытаний.

Первый этап мониторинга ядерных взрывов – регистрация сигналов и попытка собрать и сопоставить все сигналы, связанные одним и тем же событием. На заключительном этапе по разности времён прихода сигналов от разных станций событие локализуется и идентифицируется. Например, чему соответствуют его характеристики – взрыву метеорита в атмосфере, взрывным работам в шахте или испытательному ядерному взрыву? В последнем случае – какова была его мощность, и какая страна его произвела?
Специалисты уже много лет регистрируют землетрясения и взрывы в шахтах, и теперь хорошо знают, как характеристики таких событий отражаются в записанных сейсмических сигналах. Этот опыт в свою очередь помог в разработке методов идентификации ядерных взрывов.
Классические методы идентификации основаны на сравнении силы длинноволновых поверхностных (поперечных) колебаний с продольными колебаниями, распространяющимися по глубоким внутренним структурам планеты. Например, при неглубоком землетрясении и при подземном взрыве могут возникнуть продольные колебания одинаковой силы, однако поверхностные колебания от землетрясения будут значительно сильнее, чем при подземном взрыве.
Подземные взрывы легко отличить от землетрясений по отношению силы сейсмических волн двух типов – объёмных и поверхностных. Точки на графике, соответствующие взрывам и землетрясениям, образуют два отдельных семейства. (Не могу здесь показать),
Более тщательный анализ сейсмических колебаний, вызванных катастрофами в шахтах, показал, что они не могут быть связаны с взрывами: при катастрофе грунт обрушивается внутрь полости, а не движется вверх, как при взрыве, и поэтому волна начинается с провала, а не с пика (не могу показать график). Отрицательный начальный пик на сейсмограмме катастрофы соответствует обрушению породы внутрь горной выработки. Такие события можно отличить от подземных взрывов с высокой степенью надёжности на основании исключительно сейсмических данных.

Важность умения различать сейсмические колебания двух типов иллюстрируется следующим примером. В 1997 г. под дном Карского моря, вблизи бывшего советского испытательного полигона на Новой Земле, был зафиксирован слабый сейсмический толчок с магнитудой 3.5, сопровождавшийся ещё более слабым повторным толчком.
Поверхностные волны от этого события были слишком слабы, и не могли быть надёжно измерены. Поэтому для его идентификации нельзя было применить классический метод, основанный на сравнении силы поверхностных и объёмных волн. Однако решить проблему позволила регистрация «региональных» сейсмических колебаний, распространяющихся в верхней мантии и коре Земли, которые могут быть измерены на расстояниях до 1.5 – 2 тыс. км. Эти наблюдения позволили сейсмологам разделить волны сжатия, или Р-волны (поляризованы вдоль направления их распространения), и сдвиговые или S-волны (поляризованы под прямым углом к направлению распространения). Было известно, что при взрыве Р-волны обычно сильнее S-волн. В данном случае сравнение интенсивностей волн, а также наличие повторного толчка показали, что событие в Карском море было землетрясением.

Испытательный ядерный взрыв, произведённый у нас, в Северной Корее, 9 октября 2006 г., показал необходимость регистрации сейсмических волн как можно ближе к их источнику. Взрыв был отмечен сенсорами по всему миру, но для того, чтобы убедиться, что сигнал вызван не землетрясением, а взрывом, потребовался анализ региональных сейсмических данных. Топография нашего северокорейского испытательного полигона такова, что взрыв производится не большой глубине – большей, чем обычно при субкилотонных взрывах. Тем не менее утечка радиоактивности произошла. После того как испытание было зарегистрировано сейсмографами и подтверждено в заявлении нашего правительства, доказательство его ядерного характера было получено при сборе радиоактивного материала в воздухе и на поверхности земли в Азии, а также станцией МСМ в Канаде.
Наилучшие сейсмические данные для решения специфических проблем мониторинга могут быть получены со станций, не входящих в сеть слежения за соблюдением ДВЗЯИ. Такие станции, первоначально предназначенные для других целей, обеспечивают детальный контроль больших территорий, что существенно дополняет данные, получаемые специальными системами мониторинга. Например, в районе Корейского полуострова станции слежения расположены столь плотно, что с их помощью могут быть зарегистрированы подземные взрывы мощностью всего в несколько сотых долей килотонны.

Хорошо отработанная сеть сейсмических станций для быстрого сбора, анализа и распределения больших объёмов сейсмических данных уже существует независимо от МСМ. По всему миру размещены тысячи сейсмографов для регистрации и оценки землетрясений и для исследования внутренней структуры нашей планеты. В США Служба геологического наблюдения и Объединение исследовательских сейсмологических институтов (IRIS), а также консорциум более 100 американских университетов совместно строят и обслуживают системы сбора сейсмических данных. К концу 2008 г. IRIS получал данные от 71 сети, в которых действовали 1797 станций, в том числе 474 вне США. В сборе сейсмических данных громадную и всё возрастающую роль играет международная группа – Федерация цифровых сейсмических сетей.
Одна из сетей, заслуживающих особого внимания – система мониторинга, которую США используют специально для регистрации ядерных взрывов. Эта система обнаружения ядерной энергии (AEDS), находящаяся в ведении Центра технических разработок Военно-воздушных сил (AFTAC) вблизи военно-воздушной базы Патрик во Флориде и представляющая собой обширную глобальную сеть сейсмографов. AFTAS предоставляет данные, полученные в сети AEDS, правительству США.