主题：【原创】核试验监测趣谈（1）---你放炮仗，俺知道 -- 奔波儿
家园 【原创】核试验监测趣谈（1）---你放炮仗，俺知道 看到有人谈地下核试验的事儿，不由地触动了自己。按说，自己干的事儿还多多少少和这档子事儿有关系。
有人会说了，人家放炮仗，关侬甚事儿？当然有关系，因为俺干的事儿就是专门和震动相关，只要是能引起鸡飞狗跳的，就值得研究一下下，而且还有个专门的学科名词儿，那就是“地震学（Seismology）”。
观测震动，简单说就是看某点在三维空间（x,y,z）的位移，在加上时间（t）因素，就是一个u(x,y,z,t)。怎么测呢？拿尺子和手表肯定是不行的，得有个仪器，这就是地震仪（Seismometer）。大家公认的最早的地震仪是张衡发明的“候风地动仪”，实物已不可考，大家只能根据范晔所写的《后汉书·张衡传》那百来字推断其机械构造和原理，但可以肯定的一点是这东西体积不会小，不可能像背个笔记本式的您可以带着四处跑。
外链图片需谨慎，可能会被源头改第一次世界大战期间，德国科学家Ludger Mintrop（1880～1956）发明了一款便携式地震仪。记得俺一位师长说过“所有最尖端的科学技术首先都是运用于国防”，Mintrop先生的这项发明也不例外。
外链图片需谨慎，可能会被源头改大家都知道，绝大部分火炮都是是有后座力的，炮弹出膛的那一刹那，根据动量守恒定理，炮身会猛烈地后缩，一般设计上会让火炮底座来卸掉这一后座力，这就相当于给了大地狠狠的一锤子。这是多好的一个震源啊！这一锤子所产生的地震波会随即向四方传递。Mintrop布设下自己的地震仪，就能记录到这个震动到来的时间（t）。可敌人的火炮阵地在哪儿（x0, y0）呢？敌人啥时候（t0）放的炮仗？既然咱们有三个未知数，那就需要建立至少三个方程，方程式很简单嘛。
外链图片需谨慎，可能会被源头改在这个公式中，分式中的分子就是咱们的地震仪（x,y）到敌人火炮（x0,y0）的距离，而地震波在地面传播的速度（v）在局部地区变化不大，可以认为是一个常数。因此呢，有那么三个地震仪，就基本能计算出（x0,y0,t0）。接下来的事情，好办，照着（x0,y0）这个点砸炮弹就行了。就这样，德军在Mintrop先生的帮助下战果斐然。
一战结束以后，Mintrop先生带着自己的仪器跑到米国，成立了一家公司，专门卖地震仪给石油公司，那钱赚的，花花的。
家园 【原创】（5）画个十字还是圈圈 作为PTBT（“部分禁止核试验条约”）的发起国之一，英国财力有限，而且早早就没有了昔日满世界撒网的喜好，但英国人不缺点子。他们在监测地下核试验方面，走的是一条技术流的路子。
众所周知，任何观测记录都不可避免得要带入噪声，越灵敏的仪器越容易记录噪声，地震记录也一样。噪声的来源多种多样，比如地震台附近的街道驶过一辆拖拉机，或者旁边盖楼的工地上有个打桩机，这一般被称为“人工噪音”；大自然也时不时来掺和一下，比如海浪拍打沙滩，甚至包括地球自身的脉搏（“脉动”）。地震仪把所有这些震动信息一股脑全部记录下来，如果这些背景噪声过高，就会影响甚至掩盖人们所关注的真正的信号。还有一个问题，是系统噪声，来自地震仪的机械或者电子装置，也有信号处理的过程中带入的。另外，由于各个地震台所处的自然环境千差万别，对同一地震或者爆炸信号的记录差别可能很大，这都会影响到最后的数据汇总和分析。
外链图片需谨慎，可能会被源头改难道“鱼和熊掌”的兼得问题真得无法解决吗？英国人给出的法子很简单，选一个远离人烟和海滨的所在，多买几台同一款式的仪器，然后布设一个台阵，利用干涉测量法（Interferometry）的原理，就可以有效地压制噪声，提高信噪比和分辨率。举个最简单的例子，两个眼睛比一个眼睛更容易确定一个物体的位置。
天文学家是最早利用这一原理的一群人，他们将射电天文望远镜组成阵，做出了一系列重大发现，比如发现了银河系中的微类星体、遥远星系的爱因斯坦环、伽玛射线暴。世界上最大的射电天文望远镜阵列位于美国新墨西哥州荒原上，如下图所示。
外链图片需谨慎，可能会被源头改1962年，英国国防部在当时还属于大英帝国的自治领的加拿大，找到了一块适合安设地震台阵的地点---西北地区（Northwest Territories）的黄刀（Yellow Knife）镇。这个小镇坐落于大奴湖畔（Great Slave Lake），靠近北极圈，人烟稀少，没有什么人类活动的干扰，从距离上也足够探测苏修在北极圈的新地岛搞的核试验，而且也照顾到美帝自己在阿留申群岛的地下核试验。当然，英国和美帝是表兄弟，在这上面不存在互相对付的问题。
英国人设计的这个台阵是一个“十”字，起初由十九个地震仪组成。该台阵一直运行至今，从最初的模拟记录，过渡到磁带记录，现而今当然已经是完全的数字记录，所有记录通过网络实时连接数据中心及其它相关单位。
外链图片需谨慎，可能会被源头改1968年，根据美国和挪威的一项协议，双方在奥斯陆以北的Kjeller布设了一个环环相扣的地震台阵，名为NORSAR。这个台阵是一个直径约100公里的大圈，圈中有22个子台阵，每个子台阵又分别由环形分布的的地震仪组成。由于挪威离新地岛更近，苏修的新地岛地下核试验有啥风吹草动，地震学家和军事专家都能准确地侦测出。之后，美帝又打着各种各样的名义，先后在挪威的北部、芬兰以及冰岛布设了环形台阵，既用于检测苏修，又用于天然地震相关研究，帮助地震学家们取得了大批丰硕的成果。
外链图片需谨慎，可能会被源头改另外，美国的地震学家还设计了其它各种形状的地震台阵，诸如三角形、六角形、八角形等。在加州这个地震簇集之地，没准您就能碰见。
值得一提的是，冷战结束之后，特别是“全面禁止核试验条约（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty）”于1996年10月签署以后，NORSAR的工作人员基本就很少参与核试验监测的工作，而是逐渐发展成为石油工业界一家有名的仪器和软件公司，这也算是“无心插柳柳成荫”吧。
几年前，申请做“后”的时候，有来自挪威的offer，与核试验监测测相关。泰山大人说，最好不要参与，因为这种研究涉及到国防军事，作为外人肯定不被对方信任，工作中会处处设防，而一旦回国，则因为这段经历，有可能会被国内敏感部门关注，也不会被信任或重用。既然如此，那就byebye了您啦。
GAME OVER!
通宝推：潮起潮落,刹那芳华,
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】（4）波儿是这么奔的 地下核爆炸发生的时候，无论设计多么精妙，这么巨量的能量产生了，总要发散出去，除了以热能的方式融化掉核装置附近的围岩，大部分能量会以机械能的形式通过地球这个媒介发散出去，这就是地震波。
学过弹性力学的都知道，有两种波是最常见的，一种是由于剪切力引起的剪切波（S）波，还有一种是由于正压力引起的压缩波（P）波，P波的速度要比S波快许多，最先被观测到，因此也被称为“首波”。
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外链图片需谨慎，可能会被源头改由于地层的速度不是一个常数，它是由不同的速度层组成的，比如浅层因为多为沉积物，速度要低，而往下就是岩层，则要逐渐变高。地震波通过这种速度层的时候，某些高角度入射的波会产生变化（有兴趣的可以自己推导公式），特点是其振幅会随着深度变大迅速衰减，因此主要是在浅表层传播，故此被称为“面波”。一般人们观测到的主要有两种面波，一种为拉夫（Love）波，以其发现者---英国数学家Augustus Edward Hough Love（1863～1940）命名；另一种为瑞雷（Rayleigh）波，以其发现者---英国物理学家Rayleigh男爵（1842～1919）命名。
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外链图片需谨慎，可能会被源头改因为地下核试验的爆炸时，在腔室中，产生的是压力，因此在地震记录上我们观测到的主要是P波，剪切波能量很少；相对而言，天然地震的产生一般和断层的剪切滑动相关，会产生明显的S波。
另一方面，地下核试验深度（至多不过几百米）要远远浅于天然地震（一般在几公里到几十公里深度），因此会产生强烈的面波。但面波衰减要比P波和S波要快得多，如果台站远离震中（或者爆炸点）时，观测就不很明显，容易引起误差。
根据这两个重要的动力学特征，地震学家就能很轻易地将地下核试验与天然地震区分出来。
而地下核试验的能量（E），可以用地震仪所记录到的最高振幅（Amp）估算出来，其公式为
log (E) = a + b * Amp
这个振幅可以是P波的，或者是S波的，也可以是面波的，a和b是常数，老美在内华达试验场所进行的多次核试验已经足够能计算出这两个常数了。但请注意，a和b是与距离相关的，因为远近不同的地震台所观测到的最大振幅会有差异，因此它们所采用的常数值也略有区别。
为了更加准确地监测地下核试验，老美打着研究地球的名义搞了一个“世界标准地震台网”（World Wide Standard Seismic Network），后来又出头搞了一个“全球地震台网”（Global Seismographic Network），主动出钱出力在世界各地架设地震仪，从一定程度上来说大力促进了地震学的发展，为地震学家研究地球内部结构创造了很好的条件。这两个台网都由美国地质调查局（USGS）进行协调，全球的地震学家可以在其网站上免费共享地震观测数据。俺做RA的时候，曾编写过一段小程序，让工作站定时自动去其服务器上下载最新观测数据。
[IMGA]https://blu1.storage.live.com/items/952AC173C682578D!3067:Scaled1024/GSN.jpg[/IMGA]
中国大陆境内设有10个GSN的台站，包括内蒙古呼伦贝尔、黑龙江牡丹江、北京、上海、陕西西安、湖北恩施、云南昆明、西藏拉萨、新疆乌鲁木齐、海南三亚。请注意，这些个台站都除乌鲁木齐台外都全部远离咱们国家的核试验场，且由中国自己独立管理。
另外，GSN也是“全面禁止核试验条约组织（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization，简称CNTBTO）”的合作单位，其中有30个台站是与该组织的数据中心保持实时数据传输的。
2006年10月9日上午9点35分33秒，朝鲜在咸镜北道吉州郡舞水端里一座360米高的山的地下水平坑道进行了一次地下核爆。根据地震记录，其能量为800吨TNT当量，相当于一次3.6级地震。GSN的台站准确记录下这次地下核试验，如下图所示，其中红色为此次核试验的地震记录，而蓝色是用来做对比的，是发生在该地区的一次天然地震记录。从图上可以看出，核试验的S波相对于天然记录而言非常弱。
外链图片需谨慎，可能会被源头改通宝推：潮起潮落,旧时月色,类反词典,
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 “置顶”宣传一下，谢了 楼主，你的“图文并茂”很见功夫，在这个版块里不多见。借光来“置顶”宣传一下，谢了。
也借此提个建议：
能不能有空时把续篇也都联结在主帖里，那样的话读者只要点击主帖就可以续读全文了，免得花时间去一页一页地翻了。
家园 DONE 可如果过了修改时限，俺就无能为力了。
家园 营养贴，楼主继续 家园 【原创】（3）坑王之王 以前河内说起挖坑，老萨那是不折不扣的坑王之王，不过老萨的坑品比较好，一般挖了坑甭管多忙都记着要填。
但美帝和苏修这两位，坑品却不怎么样。自打签了《部分中止核试验条约》（PTBT），这两家就磨头窝在地下挖洞，刨好之后，埋一颗蛋蛋，然后颠得老远，捂着耳朵，缩着脖子，听个响儿，看能否炸个坑儿。噢，怎么说得像亮亮坨儿放炮仗。
其实这个坑不是那么容易刨的。要想刨得好，刨得妙，还是得动一番脑筋的。
1951年的冬天，美帝在内华达试验场进行一系列核试验，代号“巴斯特噪音行动（Operation Buster-Jangle）”，其中前六次都是在地上爆破的，而最末一次即第七次于当年11月29日进行，代号“大叔（Uncle）”。这一次，美帝是将一颗当量为1200吨的核弹埋在了地下5.2米（17英尺）深处，算是史上第一次地下核试验。不过，因为埋得实在太浅，爆炸所产生的烟尘还是冲上了三千多米的天空。尘埃落地以后，一口圆形大坑出现了，拿尺子量了一下，直径约80米（260英尺），深度为16米（53英尺）。
外链图片需谨慎，可能会被源头改很一般嘛，一般盖楼做基建的时候，就能刨这种规模的坑嘛。的确，但刨这个坑的时间那是用毫秒来计算的。核爆炸反应时间约为几个毫秒，接下来的几个毫秒时间，爆炸装置及其围岩在高温（百万度）高压（百万大气压）迅速汽化，高压高温的气团形成并扩散，带动周边的岩石汽化或者液化，一个巨大的空洞随即形成，直到压力释放到和围岩压强一致为止。
如果核弹埋藏较浅或者周边为松散岩石，则地下核空洞会导致地表岩土塌陷，形成一个大坑。如今，在美国的内华达核试验场上，这种圆形大坑随处可见。有兴趣的可以自己瞅瞅这个坐标---37°07′N 116°03′W。
外链图片需谨慎，可能会被源头改如果核弹埋藏较深而且周边岩石密度较大，则爆炸发生后会形成一个隆起的土丘。
1957年9月19日，美帝在内华达试验场越300米的地下挖了一个钩状水平巷道，在里面引爆了一颗1代号为“雨人（Rainer）”的1700吨TNT当量的核弹。正如事先所设计的那样，爆炸产生的能量大部分在巷道中耗散掉，地表的塌陷非常轻微。这一次成功的试验成为美帝日后进行更大规模地下核试验的标准样本。另外，这次试验的时间特意事先公布，因此地震学家准确记录到这次核试验所产生的地震波形。
至今为止，规模最大的一次地下核试验是美帝于1971年11月6日在阿留申群岛中的Amchitka岛上进行的，爆炸当量为500万吨。放段录像，大家来感受一下，请注意地表物体的震动模式。
[FLASH]http://www.youtube.com/v/qp6aZIhHiRE[/FLASH]
美帝在地下核试验方面做了很多开创性的工作，其技术一直处于领先地位。
相对而言，苏修在地下核试验方面起步要晚很多。其第一次地下核试验于1961年11月10日在哈萨克斯坦的Semipalatinsk试验场（下图额尔齐斯河（Irtysh River）南部之橘红色区域）进行。这儿离中国的阿勒泰不是很远，还有一处重要的地下核试验场就是北极圈的新地岛。
外链图片需谨慎，可能会被源头改法国人的地下核试验场起初是在阿尔及利亚的In Ecker。由于出现设计上的疏漏，1962年5月1日所进行的Béry地下核试验出了大事故，核爆炸抛起的尘土随风落在了观察所，包括法国国防部长和科技部长在内的几百人受到了核辐射的洗礼，导致多人随后死于放射性疾病，其中有科技部长Gaston Palewski。1962年7月5日，阿尔及利亚获得独立。但根据双方签署的《依云协定（vian Accords）》（就是出矿泉水的那地儿），法国人又在那儿待了五年，进行了几十次核试验，后于1967年撤出，移师到太平洋中的法属波利尼西亚群岛，在这些美丽的岛礁上进行了包括空中、水下和地下在内的上百次核试验。
外链图片需谨慎，可能会被源头改咱们国家进行地下核试验的场所相对固定，就是罗布泊。
通宝推：潮起潮落,浣花岛主,wxmang的书童甲,李根,
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 您写得很好啊，但是偶有点小疑惑 您文中提及的 Uncle 跟 Rainer 两颗核弹的当量是不是漏了一个零啊？俺不是学核的，但是印象中要达到千吨级的当量似乎只能是小型化后的热核武器，裂变弹的当量做不到一千吨左右。考虑到两次核试验的时间分别是1951年跟1957年，而美国第一次氢弹原理实验是在1952年11月1日进行的，所以至少 Uncle 肯定只是裂变弹。至于 Rainer，我感觉短短五年左右时间恐怕热核武器的小型化方面不会有大的突破，况且结合您贴出来的各国历年核试验数量，1957年之前的核试验总数有限，所以可能是颗裂变弹。
家园 那么一个小岛，怎么做地下核试验呢· 中间还有老大一个泻湖？这洞在哪里掏啊，如果当量大了，不会把小岛一起炸没了吧
家园 环礁是有根的 图上的那个环礁（atoll）是法属波利尼西亚的土阿莫土群岛中的Fangataufa岛。
环礁的形成与火山岛有关，在海底火山喷发形成火山岛以后，因为其环境适合珊瑚生长，于是大批珊瑚就附着在岛的周边浅水区生长，逐渐形成裙礁。其后，岛屿下沉或者海平面上升，珊瑚礁会继续生长。由于岛屿外侧海浪汹涌，而内测则相对平静，有利于珊瑚生长，于是又慢慢形成堡礁。当火山岛完全沉没在海水中以后，海面上就剩下了环状的珊瑚礁岛屿。
外链图片需谨慎，可能会被源头改因此呢，环礁是有根的，那就是海水之下的火山岛礁。在火山岛礁上钻个孔，放个蛋蛋，炸一炸，应该没啥事儿，否则法国人也不会在Fangataufa岛上面搞过200余次地下核试验。
家园 请注意地表物体的震动模式。 送花成功。有效送花赞扬。恭喜：你意外获得 8 铢钱。
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先送花，后得钱。
先上下运动，后左右运动。
家园 谢了! 把很专业的东西写得这么通俗和有趣，应该大力推广和发扬光大。
有幸能借此来管理宝推。
谢了!
家园 【原创】（2）二踢脚的不行，钻地鼠的可以 说起“二踢脚”，那可是俺的挚爱。记得小时候，村子里给一位病故的老教师办丧事，村人都来送行。俺舅舅揣了一大兜子二踢脚，走在送葬队伍的最前列，每走上几步，就点一个。以前的炮仗药给的足，但听得“砰......啪.....”一声，那是响彻云霄，随即，空气中弥散开一股火药味儿，纸屑儿飘飘洒洒落在后面的人群中。俺舅舅那神气劲儿，至今仍让俺记忆犹新。放二踢脚，得胆大心细，稍不留神，伤人害己，甚至炸掉手指的事儿都常有耳闻。
外链图片需谨慎，可能会被源头改1945年，米国鬼子就在日本鬼子头上扔了两个“二踢脚”，哦，错了，是“小男孩”和“胖子”这两颗原子弹，瞬间就抹平了两座城市，无数男女老幼，管你是美女帅哥还是歪瓜劣枣，通通灰飞烟灭。自此后，米国鬼子以地球上唯一的核大国自居，动不动就威胁要往人家屋里扔“二踢脚”。
1946年7月，米国在马绍尔群岛的比基尼环礁（Bikini Atoll），又放了一颗二踢脚，不过这次是在27米的水下引爆的。引爆的那一刻，一颗硕大的蘑菇云自大海中冉冉升起，若干参加过太平洋海战的米国和日本舰船作为试验品被撕成了碎片。这次爆炸催生了一个副产品，那就是大名鼎鼎的比基尼泳衣。这件由两片布组成的泳衣，对当时的人们衣着观念的冲击，不亚于这次核爆。
外链图片需谨慎，可能会被源头改看着米国鬼子时不时在内华达沙漠和马绍尔群岛扔炮仗玩，做为地球上所谓“红色”势力的老大，苏联自然不甘落后。1949年8月29日，苏联人在哈萨克斯坦的塞米巴拉金斯克（Semipalatinsk）试验场也试爆了自己第一颗原子弹RDS-1，虽然威力只有区区2.2万吨TNT，但已经足以和“胖子”一样摧毁长崎这样的城市。
1952年10月3日，英国在西澳大利亚外海的蒙特贝罗群岛（Montebello Islands）爆破了自己的原子弹，成为第三个加入核俱乐部的国家。
1960年2月13日，法国在忙着和阿尔及利亚的民族解放阵线(National Liberation Front:NLF)作战之际，在撒哈拉大漠中爆了一颗名为“蓝色跳鼠（Gerboise Bleue）”的核弹，成为第四个拥有核武器的国家。
当然，玩大头的主要还是苏修和美帝这两家。在冷战的大背景下，这两家在核武器研制上面展开了你追我敢的竞赛，咱们这颗蓝色的星球上时不时就冒出一朵蘑菇云。
外链图片需谨慎，可能会被源头改1958年8月1日，米国用火箭，将一颗名为“硬柚木（Hardtack Teak）”的原子弹送上了76.8公里高度的外大气圈。爆炸产生的高频电磁脉冲引起大范围的通讯联系全部中断。这一爆炸，不但说明老米有能力击毁苏修的卫星，更标志着人类所弄出来的核怪兽迈向大空的第一步。
1961年，时任苏共中央总书记的赫鲁晓夫决定玩一把大的。苏联造了颗绰号为“沙皇(Tsar)”的RDS-22型氢弹，最初的设计当量为1亿吨TNT，后来怕控制不好核辐射尘埃会引起外交风波，将当量减为一半，即五千万吨TNT，足够轰平近三千个日本广岛。爆炸地点设在北极圈的新地岛，时间是10月31日。
外链图片需谨慎，可能会被源头改爆炸当时所产生的火球直径就长达4.6公里，接着硕大的火球很快就席卷了大地，数百公里内的木造房屋全毁，残存的砖石房屋都没有门窗与屋顶。爆炸所产生的大蘑菇宽度达将近40公里，高达60公里，比珠穆朗玛峰还高7倍多，爆炸产生的热风甚至可以让远在170公里以外的人受到3级灼伤，爆炸的闪光还能造成220公里以外的眼睛剧痛与灼伤，甚至造成白内障以及失明。米国地质调查局的地震仪测得这次核爆炸的能量相当于一次里氏五级地震（忒小了吧！没法子，人类跟大自然一比基本上嘛也不是）。
[FLASH]http://www.youtube.com/v/WwlNPhn64TA[/FLASH]
1962年，古巴导弹危机发生，咱们这个星球几乎到了核大战的边缘。美苏两家自己也害了怕，一想，既然咱们谁也不愿意完蛋，干脆和了，那就坐下来谈吧。谈判的结果是搞出一个“部分禁止核试验（Partial Nuclear Test Ban Treaty，简称PTBT）”，规定所有签约国不得从事任何（除地下以外）的核试验，即常规核试验中的水下、大气层和外大气层核试验，以后不准再搞了。二踢脚是不能放的，但钻地鼠没人管，因为大佬们自己还没玩够呢。
外链图片需谨慎，可能会被源头改该条约于1963年10月10日正式生效，初始签约国包括美苏英这三个核大哥，和一帮还只会舞蹈弄枪的小弟。
外链图片需谨慎，可能会被源头改要禁干脆全面就禁嘛，干嘛搞个“部分”，还特别声明不包括“地下”？这不明明告诉大家伙儿，这个条约主要就是为美苏量身打造的。作为安理会常任理事国之一的法国就不理这套，拒不参加。而中国，当时在联合国还没有正式席位，自然也视之若无物。也不全是，其实早在1963年，俺们就发表了一项声明---《中国政府主张全面、彻底、干净、坚决地禁止和销毁核武器、倡议召开世界各国政府首脑会议的声明》。1964年10月16日，中国为“庆祝”该条约签署一周年，特意在新疆罗布泊种下了俺们中国人自己的第一颗大蘑菇。
外链图片需谨慎，可能会被源头改不过，该条约施行以后，美苏英三国基本算是严格遵守了规定，人们所监测到的大气层中的放射性尘埃量迅速下降，这也算一件好事吧。
外链图片需谨慎，可能会被源头改通宝推：河区分,潮起潮落,浣花岛主,在跋涉,千岭,爱莲,
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