撰文 保羅·G·理查茲(Paul G. Richards)
金沅永(Won-Young Kim)
翻譯 王昊明
尋找特定信號
核爆炸會產生放射性同位素、次聲波等可觀測信號，相應監測技術都能夠監測到這些信號。
核爆炸監測技術是與核爆炸試驗一起發展的。美國發展監測技術的根本原因，是為了收集潛在競爭對手的基本信息；另一個重要原因，是為支持各種限制核武器的國際性條約。如果參與《全面禁止核試驗條約》的國家都相信，任何試圖掩蓋核試驗的努力都是白費力氣，那麼迫於國際制裁的壓力，它們就可能徹底放棄核試驗。
自二戰結束以來，世界範圍內總共進行過2,000多次核試驗，包括地面試驗、空中試驗以及地下試驗。通過研究這些試驗留下的數據，研究人員在捕獲和理解核爆炸信號方面取得了大量經驗。
核爆炸會同時產生許多潛在的可觀測信號。空中核爆炸會產生強烈閃光，能夠被衛星捕捉到；爆炸還能產生巨大的聲音，人類聽力範圍內的聲波（頻率在20Hz~20,000Hz內）會隨聲音的傳播迅速衰減，但頻率低於20Hz的次聲波能夠在大氣中傳播相當遠的距離，裝備著測微氣壓計（microbarometer）的次聲波觀測站能夠監測大氣壓力的微小變化，進而找到次聲波信號。
核爆炸會產生穩定的放射性同位素（radioactive isotope），在進行空中核爆炸試驗時，它們會被氣流吹到高空。當它們冷卻時，一些元素（例如放射性氙）就會以氣態存在於大氣中，揭示曾經發生過一次空中核試驗；另一些元素會同灰塵結合，形成放射性塵埃，隨風在全球漂流。早在1948年，美國空軍在太平洋監測本土空中核爆炸試驗時就發現，這些放射性塵埃的顆粒較大，將空氣抽吸通過磨咖啡用的普通濾紙就能夠截留它們。
放射性同位素探測技術很快就顯示了自身的價值。1949年9月3日，一架WB-29轟炸機在堪察加半島東部飛行時收集的數據證明，四天前蘇聯已成為世界上第二個進行核武器試驗的國家。對放射性塵埃中同位素（大部分是鈽和鈾238）的比例所作的分析顯示，蘇聯在核武器試驗中引爆了一顆21,000噸TNT當量的原子彈，同4年前美國在長崎投下的原子彈幾乎一模一樣。
除了空中核試驗，美國在早期核計劃中還進行了水下核試驗。聲波在水中的傳播效率很高，特別是海水中由於溫度及含鹽量的細微差別而形成所謂的聲學定位測距聲道（sound fixing and ranging channel，SOFAR），並將聲波能量束縛在其中時，傳播效率就更高。在水下600米到1,200米之間的SOFAR聲道附近放置水聽器（hydrophone，即水下麥克風），當量僅為數千克的水下爆炸也會無所循形。
地震波探測核爆炸
監測地震的傳感器能夠檢測到爆炸產生的震波信號，因此被用於監測有軍事意義的地下核爆炸。
在經歷漫長的談判與磋商之後，1963年美國、蘇聯和英國（最早掌握核彈技術的三個國家）聯合籤署了《部分禁止核試驗條約》（Limited Test Ban Treaty，LTBT），禁止在外太空、大氣層中及水下進行核爆炸試驗。然而，條約籤署國仍然能夠進行地下核試驗。因此，通過尋找震波，即撞擊、坍塌、滑坡、爆炸或其他力量觸發的彈性波，來監測地下核爆炸的手段，迅速受到各界的關注。幸運的是，用於監測地震的傳感器，用來監測爆炸也能夠勝任。但如何區分地震波和爆炸產生的衝擊波，花費了研究人員許多年的時間，時至今日，研究人員還在進一步細化這項研究工作。
最主要的困難在於，每天都有種類繁多、數量龐大的地震和化學物質爆炸等非核爆炸現象產生的地震波信號。任何合格的監測網絡都不會放過這些信號，但這恰恰是產生大量無用數據的原因。在世界範圍內，平均每天能夠產生600次地震記錄；工業化國家每年用於採礦的爆炸物數量可達數百萬噸。總體上，平均每天會發生25次震級超過4級的地震；震級每下降一級，數量大約變為原來的10倍（也就是說，每天3級以上的地震大約有250次）。
在地球絕大多數地方，一次典型的核爆炸試驗（當量略低於1,000噸，且置於地下堅硬的巖層之中）產生的震動，大約與一次4級地震相當。堅硬的巖層能夠有效地向外傳遞能量，如果巖層較軟，巖石就會吸收更多的能量，使探測到的震級下降。一些決策者因此擔心，某些國家可以通過調整試驗地點的地理條件，大大減弱產生地震信號的強度。例如，在巖層中挖一個足夠大的洞，並將試驗地點選在洞中，就能在很大程度上抑制產生的地震波。但對於任何有軍事意義的核爆炸試驗，如果用這種方法掩飾自身的存在，這個洞穴的體積就必須足夠巨大。也許在能夠進行試驗之前，洞穴就會因為經受不住地表的重量而坍塌。在其他方面，這個洞穴也會露出馬腳，比方說挖出來的碎石必須仔細隱藏，否則會被衛星發現。總之，有軍事意義的核爆炸試驗被發現的可能性很高。
實際上，單獨使用地震波監測技術，每天分析50～100條記錄，就能監測到90%當量不低於1,000噸的核爆炸試驗。如果要監測規模更小的爆炸，就須加大每天分析的數據量。然而，對於核試驗來說，即使是1,000噸TNT當量也是很小規模，美國科學院2002年的報告指出，這種級別的核試驗對那些想製造大型核武器的國家（尤其是對那些初次進行核試驗的國家）沒有任何幫助。
關注哪裡、忽略哪裡？
爆炸會產生各種震波，世界各地的監測站將收集並分類這些信號，分析比較它們與典型地震、礦井坍塌等事件產生的震波的異同，就能夠鑑別出核爆炸。
監測核爆炸首先要探測到爆炸發出的信號，並儘量將世界各地監測站收集的同一爆炸事件產生的信號關聯在一起，依據信號到達各地監測站的先後計算出爆炸發生的位置，並鑑別爆炸類型——是流星撞擊、礦井爆炸，還是核爆炸？如果是最後一種情況，當量多少？是由哪個國家進行的？
絕大部分地震記錄能被電腦程式自動分類，只有軟體難以識別的記錄需要人力介入。研究人員對地震和採礦爆破進行了多年監測，已經熟悉了這些現象的特徵反映在地震波記錄中的多種方式。反過來，這些經驗和信息又有助於監測核爆炸試驗。在制定地震波檢測核爆炸的鑑別標準的過程中，某幾種地震波事件已經成為了「試金石」。
其中一種事件是礦井的連續塌陷——1989年在德國，1995年在美國與俄羅斯，都發生過這類塌陷事件。世界各地的監測站都探測到了這三次坍塌，這些數據引起了關注，因為用傳統方法對遠程採集的地震波信號所作的分析，錯誤地暗示這些事件是地下爆炸。在傳統方法中，地震學家比較的是沿地球表面傳播的長波與從地球內部穿過的體波（body wave）之間的強度差異。淺層地震和地下爆炸均會產生強度相近的體波，但是地震產生表面波強度明顯大於地下爆炸。
對這些礦井塌陷產生的地震波進行的進一步分析顯示，這三條記錄不可能由爆炸產生。從波形圖上看，監測器在震動開始的時候記錄到一個波谷（trough），而不是波峰（peak），說明巖層最初是向內運動而非向外擴散，這正是礦井坍塌應該會產生的現象（見第33頁圖框）。這個「小插曲」意義重大，因為由此可以證明，僅依靠地震波記錄，就能準確區分地下爆炸與礦井坍塌。
第二個例子可以看出，地震波兩種體波之間的差異對於監測核爆炸是不可或缺的。1997年，在俄羅斯新地島核試驗場附近的喀拉海（Kara Sea）海底，監測到一次震級約為3.5級的地震信號，隨後又捕捉到一次更小的餘震。難道是俄羅斯違背《全面禁止核試驗條約》又在秘密進行核試驗？
這次記錄的表面波太弱，無法提供多少有用的信息。因此，比較長波表面波和體波的傳統方法又一次失去了用武之地。但對「局域性」震波的檢測解決了這一問題——這種震波在地殼與上地幔中傳播，只能夠在距震源大約3,000千米的範圍內探測到。通過分析這種地震波數據，地震學家能夠區分縱波（compressiona wave）和橫波（shear wave）：前者又叫P波，由巖石交替擠壓、拉張而產生，振動方向和傳播方向一致；後者又叫S波，因巖層剪切而產生，振動方向與傳播方向垂直。
一般來講，爆炸產生的縱波強度大於橫波，但只有頻率高於5赫茲時，這個差別才會實際顯現出來。在1997年的那次可疑地震中，測量到的高頻縱波和橫波的強度非常接近，說明喀拉海的震動由海底地震引起：這其實是一次主震和一次餘震（aftershock）。(節選，更多精彩請閱讀《環球科學》)
(責任編輯：羅園)