撰文 保罗·G·理查兹(Paul G. Richards)

    金沅永(Won-Young Kim)

    翻译 王昊明

　　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。

    地震波探测核爆炸

　　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。

　　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（见第33页图框）。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）。