Eksperimenter hjælper med at skelne mellem atomprøvesprængninger og naturlige begivenheder

Sandia National Laboratories forskere, som en del af en gruppe af National Nuclear Security Administration-videnskabsmænd, har afsluttet mange års felteksperimenter for at forbedre USA's evne til at skelne jordskælv fra underjordiske eksplosioner, nøgleviden, der er nødvendig for at fremme nationens overvågnings- og verifikationskapacitet til at detektere underjordiske nukleare eksplosioner.

Det ni-årige projekt, kildefysikeksperimenterne, var en række underjordiske kemiske højeksplosive detonationer i forskellige udbytter og forskellige dybder for at forbedre forståelsen af ​​seismisk aktivitet rundt om på kloden. Disse NNSA-sponsorerede eksperimenter blev udført af Sandia, Los Alamos National Laboratory og Lawrence Livermore National Laboratory og Mission Support and Test Services LLC, som administrerer operationer på Nevada National Security Site. Defense Threat Reduction Agency, University of Nevada, Reno, og flere andre laboratorier og forskningsorganisationer deltog i forskellige aspekter af programmet.

Forskere mener, at registrerede data og computermodellering fra eksperimenterne kan gøre verden sikrere, fordi underjordiske sprængstoftestning ikke vil blive forvekslet med jordskælv. Resultaterne vil blive analyseret og stillet til rådighed for mange institutioner, sagde Sandias hovedefterforsker og geofysiker Rob Abbott.

Datasættet er massivt. "Det er blevet kaldt det fineste eksplosionsdatasæt af denne type i verden, " sagde Abbott. "Vi har lagt en stor indsats i at gøre dette korrekt."

Den sidste underjordiske eksplosion i serien fandt sted 22. juni.

Eksperimenter undersøgte forskelle mellem eksplosioner i hårde, blød klippe

Fase 1 af SPE bestod af seks underjordiske test i granit mellem 2010 og 2016. Fase 2 bestod af fire underjordiske test i tør alluvium geologi, eller blød rock, i 2018 og 2019. Resultaterne fra begge faser vil blive analyseret for at hjælpe med at bestemme, hvordan underjordiske detonationer i tør alluvium sammenlignes med dem i hård bjergart. Derudover SPE-dataene kan måles mod data indsamlet fra historiske underjordiske atomprøvesprængninger, der blev udført på det tidligere Nevada-teststed.

Afhængig af eksperimentet, op til 1, 500 sensorer blev sat op til at tage målinger. Disse diagnostik omfatter infralyd, seismisk, forskellige borehulsinstrumenter, højhastigheds video, geologisk kortlægning, dronemonteret fotografering, distribueret fiberoptisk sensing, elektromagnetiske signaturer, gasfortrængningsoptagelser, jordoverfladeændringer fra radar med syntetisk blænde og lidar (som måler afstand ved hjælp af lasere), og andre. Accelerometre blev sat op flere steder omkring eksplosionen, sammen med temperatursensorer og elektromagnetiske sensorer.

"Dataene er designet til at være frit tilgængelige for enhver, så enhver anden forsker fra ethvert land kan bruge dataene til at forstå disse begivenheder, " sagde Abbott.

Projektet tjener også som træningsplads for den næste generation af ikke-spredningsforskere og ingeniører, med studerende praktikanter fra 14 forskellige universiteter og gymnasier, der kommer til Sandia for at arbejde med dataene, han sagde.

Forståelse af seismiske aflæsninger er nøglen til at differentiere underjordiske begivenheder

Satellitter eliminerer i det væsentlige muligheden for, at overfladeatomprøvesprængninger går ubemærket hen overalt i verden, men underjordiske test er sværere at opdage og karakterisere på grund af begrænset adgang og synlige karakteristika, og vanskeligheder med at skelne nukleare eksplosioner fra andre typer seismiske hændelser, sagde Zack Cashion, chefingeniør for projektets fase 2.

Når videnskabsmænd studerer jordskælv, de ser på kompressionsbølger (primære eller P-bølger) og forskydningsbølger (sekundære eller S-bølger). Abbott sagde, at eksplosioner typisk producerer flere P-bølger i forhold til S-bølger sammenlignet med jordskælv.

Før SPE, videnskabsmænd bemærkede, at nogle udenlandske underjordiske atomprøvesprængninger så mere jordskælvslignende ud sammenlignet med tidligere atomeksplosioner rundt om i verden, hvilket viste, at der var behov for mere eksperimentel viden for at forbedre modellering og evnen til at spore globale tests, sagde Abbott.

"Den eneste måde at forstå det bedre på, efter vores mening, var at lave egentlige fysiske eksperimenter, " sagde Abbott. "Vi kunne ikke bare have nye modelleringskoder uden noget at teste de nye modelleringskoder imod."

I begge SPE-faser, et hul blev brugt til at holde flere eksplosive enheder med forskelligt udbytte. I fase 2, hullet var 8 fod i diameter og oprindeligt 1, 263 fod dyb. Til det første fase 2-eksperiment, der fandt sted sidste sommer, en eksplosiv beholder indeholdende omkring 1-metrisk ton TNT-ækvivalent nitromethan blev sænket ned i hullet og dækket med et omhyggeligt design af grus, sand og cement. Konsekutive eksperimenter brugte det samme hul og sprængstoffer i mængder af 50 tons, 1-metrisk ton, og 10-metriske tons TNT-ækvivalens blev sænket, hvor gruset og sandet slap fra det forrige eksperiment.

Cashion ledede designet af instrumenteringen og borehulsaccelerometre, der fangede data til anden fase af eksperimenterne. Tolv instrumenteringsboringer blev boret på 120-graders azimuth på fire radiale ringe, der var 33, 66, 131 og 262 fod fra testhullet. Instrumenteringshullerne blev fyldt med 58 instrumenteringsmoduler, hver indeholder et sæt accelerometre, magnetometre, gyroskoper og temperatursensorer.

Målet for hvert eksperiment var at indsamle data af høj kvalitet fra så mange sensorer som muligt. På testdagen, hvor alle er på plads, Cashion sagde, at stemningen bliver intens.

"Det er tid til at eksekvere på planer, der har været diskuteret i måneder eller år, som krævede en stor gruppeindsats og koordinering at implementere, og det hele kommer ned til et øjeblik, " sagde han. "Du sidder der og ser på din skærm, og det er "Tre, to, en, ild, " og så føler du måske ikke noget. Afhængigt af systemet, du kan ikke engang se noget ændre sig på din skærm, før efter varigheden af ​​optagelsen er fuldført. Du venter der på, det kan være fire sekunder, men det føles som en evighed, og så går du og ser på dataene og tørrer din pande af, at hændelsen skete som planlagt, og at den faktisk blev optaget."

Forskere arbejder på at bestemme eksplosionsdybden, størrelse

Sandia National Laboratories videnskabsmand Danny Bowman målte SPE-lydbølger ved hjælp af jord- og luftbårne mikrofoner. Han sagde, når begivenheder finder sted under jorden og får jordoverfladen til at bevæge sig, jorden fungerer som en kæmpe højttaler og kan transmittere lyd.

"Vi ved, at jordskælv gør dette, " sagde Bowman. "I denne testserie, vi forsøgte at forstå, hvordan dette foregår, hvordan vi kan bruge lydens egenskaber til at bestemme, hvor stor eksplosionen var, og hvor dyb den var."

De fleste infralyddata blev indsamlet fra jordsensorer opsætning til eksperimenterne, og Bowman sagde, at der var nogle overraskelser i hele SPE. Da test fandt sted i granit, videnskabsmænd lærte, at de kunne bruge lyd til at bestemme størrelsen og dybden af ​​eksplosionen, han sagde, men tør alluviumgeologi gav ingen forudsigelseskraft. Og selvom eksplosioner var større i fase 2, de leverede ikke altid infralyd.

"Vores opgave i de næste par år, når alle data er indsamlet, og vi har en chance for at analysere det, er at tage dette enestående datasæt og udlede en forudsigelig kraft fra det, " sagde Bowman. "Jeg tror, ​​det er muligt, men vi er i skyttegravene lige nu. Vi har ikke fugleperspektiv af det."

Arbejdet har været tilfredsstillende, sagde Abbott, der har arbejdet på SPE siden begyndelsen af ​​fase 1. Cashion aftalt, siger, at resultaterne kommer fra en stor, kollektiv holdindsats.

"Jeg kan huske, at jeg var barn og så film om rumopsendelse og ville være en af ​​de mennesker i rummet, der kiggede på en skærm og bekymrede mig om din lille detalje i dette enorme projekt og ville se, at det virkede, " sagde Cashion. "Det er virkelig sådan en oplevelse. Når det er spilletid, alle ønsker at vinde. Vi er der alle sammen som et hold, og alle vil gerne se, at det går godt."