Hvilken jordskælvs videnskab kan fortælle os om Nordkoreas atomprøve

Nordkorea menes at have udført en brintbombetest. Seismiske chokbølger fra den underjordiske test blev mærket i Kina, og hurtigt opdaget af både Sydkorea og Japan - begge bekræftede uafhængigt, at det var en atomprøvesprængning. Så hvad kan seismisk videnskab fortælle os om sådanne tests?

Hvad er historien om at bruge seismiske teknikker til at overvåge nukleare forsøg?

Brugen af ​​det, der kaldes "retsmedicinsk seismologi" til at opdage og identificere atomprøvninger, stammer næsten fra fødslen af ​​atomvåben selv. I 1946, USA udførte den første undervandstest af en atombombe ved Bikini Atoll i Stillehavet. Chokbølgerne skabt af den enorme eksplosion blev opfanget af seismometre over hele verden, og videnskabsmænd indså, at seismologi kunne bruges til at overvåge denne slags tests.

I 1963, på højden af ​​den kolde krig, atomprøvning flyttet under jorden. De seismiske bølger fra underjordiske test er sværere at opdage, fordi rystefølelsen over så lange afstande er meget lille – kun omkring en milliontedel af en centimeter.

For at måle bølgerne fra underjordiske test, videnskabsmænd udviklede mere følsomme seismometerinstrumenter og begyndte at installere seismiske arrays, hvor flere seismometre er indsat inden for få kilometer fra hinanden. Et seismisk array er bedre i stand til at udvælge de små vibrationer fra en bestemt kilde end et enkelt seismometer, og kan også bruges til at regne ud med større nøjagtighed, hvor bølgerne oprindeligt kommer fra.

I 1996 traktaten om omfattende testforbud (CTBT) blev åbnet for underskrifter, sigter mod at forbyde alle nukleare eksplosioner. For at håndhæve denne traktat, den Wien-baserede CTBT-organisation er ved at etablere et internationalt overvågningssystem med over 50 seismiske overvågningsstationer til at detektere nukleare forsøg overalt på Jorden.

Dette system bruger ikke kun seismometre. Infralydinstrumenter lytter efter meget lavfrekvente lydbølger, uhørbar for det menneskelige øre, genereret af potentielle nukleare eksplosioner i atmosfæren; hydroakustiske instrumenter lytter efter lydbølger, der rejser lange afstande gennem havene, genereret af undervandseksplosioner, og radionukliddetektorer "snuser ud" radioaktive gasser frigivet fra et nuklear teststed.

Hvad leder seismiske monitorer efter?

Enhver form for jordskælv eller eksplosion, hvad enten det er naturligt eller menneskeskabt, producerer forskellige slags chokbølger, som rejser gennem Jorden og kan detekteres af seismometre, som kan måle meget små jordbevægelser. De hurtigste bølger, der ankommer, er de primære bølger (P-bølger), efterfulgt af sekundære bølger (S-bølger), som rejser dybt gennem jorden. Så kommer de langsommere overfladebølger, som forårsager de mest rystende mærker ved jordoverfladen, fordi de kun rejser tæt på overfladen.

Seismometre bruger forskellen i ankomsttiderne for de forskellige typer bølger til at finde ud af, hvor langt væk et jordskælv eller eksplosion fandt sted, og hvor dybt under jorden dens kilde var. De kan også måle, hvor kraftigt jordskælvet var (dets størrelse).

Hvordan skelner seismologer mellem en eksplosion og et jordskælv?

Der er en række måder at gøre dette på. Den ene er at måle den dybde, hvor jordskælvet fandt sted. Selv med moderne boreteknologi, det er kun muligt at placere en nuklear enhed et par kilometer under jorden; hvis et jordskælv opstår i en dybde på mere end 10 km, vi kan være sikre på, at det ikke er en atomeksplosion.

Undersøgelser af de talrige atomprøvesprængninger, der fandt sted under den kolde krig, viser, at eksplosioner genererer større P-bølger end S-bølger sammenlignet med jordskælv. Eksplosioner genererer også forholdsmæssigt mindre overfladebølger end P-bølger. Seismologer kan derfor sammenligne størrelsen af ​​de forskellige bølgetyper for at forsøge at afgøre, om bølgerne kom fra en eksplosion eller et naturligt jordskælv.

For sager som Nordkorea, som har udført en række atomprøvesprængninger siden 2006, vi kan direkte sammenligne formen af ​​bølgerne registreret fra hver test. Da testene alle blev udført på steder inden for få kilometer fra hinanden, bølgerne har en lignende form, kun forskellige i størrelse.

Hvad kan seismologi fortælle os om den seneste test?

Seismologiske data kan fortælle os, om der var en eksplosion, men ikke om den eksplosion var forårsaget af et atomsprænghoved eller konventionelle sprængstoffer. Til endelig bekræftelse af, at en eksplosion var nuklear, vi er nødt til at stole på radionuklidovervågning, eller eksperimenter på selve teststedet.

Tilsvarende vi kan ikke eksplicit skelne mellem en nuklear fissionsbombe og en termonuklear brintbombe, Vi kan heller ikke sige, om en bombe er lille nok til at blive monteret på et missil, som den nordkoreanske regering hævder.

Det, vi kan få ud af dataene, er en idé om størrelsen af ​​eksplosionen. Det er ikke enkelt, da størrelsen af ​​de seismiske bølger og hvordan de forholder sig til bombens eksplosive kraft afhænger meget af hvor præcist testen fandt sted, og hvor dybt under jorden. Men i tilfælde af denne seneste test, vi kan direkte sammenligne omfanget med tidligere nordkoreanske tests.

Denne seneste eksplosion er betydeligt kraftigere end nordens sidste test i september 2016; det norske seismiske overvågningscenter, NORSAR, anslår en eksplosion svarende til 120 kilotons TNT. Til sammenligning, bomberne, der blev kastet over Hiroshima og Nagasaki i 1945, gav henholdsvis 15 og 20 kiloton sprængninger.

Hvor pålidelig er teknologien?

På trods af ovenstående forbehold, den forbedrede følsomhed af de tilgængelige instrumenter og det øgede antal overvågningsstationer betyder, at der nu er et meget pålideligt netværk på plads til at detektere atomprøvesprængninger overalt på planeten.

Selvom traktaten om omfattende testforbud ikke er i kraft, den videnskabelige ekspertise hos dem, der undersøger sådanne begivenheder, bliver altid bedre. Det faktum, at overvågningsbureauer i Japan og Sydkorea bekræftede denne seneste test inden for få timer, viser, hvor imponerende den kan være.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.