Контролируется тишина

Сейсмология – это наука, которая изучает землетрясения и причины, их порождающие. Еще в 1912 году один из основоположников сейсмологии, выдающийся русский физик академик Б.Б. Голицын, образно заметил, что «всякое землетрясение можно уподобить фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренности Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит». И действительно, почти все современные представления о внутреннем строении нашей планеты основаны на интерпретации сейсмических записей землетрясений. Приблизительно в середине 50-х годов появилась новая ветвь геофизики – сейсмология ядерных взрывов. Цель этой науки – разработать эффективные методы, с помощью которых можно было бы, во-первых, обнаружить сам факт проведения подземного испытания ядерного оружия, и, во-вторых, отличить сейсмическую запись взрыва от записи естественного землетрясения, как говорят сейсмологи, идентифицировать взрыв

Идеализированный разрез полости, образуемой при проведении подземного ядерного взрыва на такой глубине, когда на поверхности земли не появляется провальная воронка. 1 – полость; 2 – зона дробления пород; 3 – зона радиальных трещин; 4 – упругая зона.

По существу, подземный ядерный взрыв – это искусственный источник землетрясения. Подземный взрыв порождает сейсмические волны, одни из которых идут напрямик через землю (объемные волны), а другие распространяются вдоль земной поверхности, они так и называются – поверхностные. Любое сейсмическое событие, будь то землетрясение или взрыв, сейсмологи оценивают по записи излучаемых сейсмических волн – сейсмограмме. Однако тотчас же возникает законный вопрос: раз ядерный взрыв – это источник искусственного землетрясения, то можно ли с абсолютной, стопроцентной уверенностью отличить по записи колебаний земной поверхности естественное землетрясение от взрыва? И если нет, то какие последствия может иметь их неразличимость для международного договора о запрещении подземных ядерных взрывов? Ведь если сейсмологи спутают взрыв и землетрясение, то этот договор, хотя бы в принципе, можно будет нарушить. Отсюда видно, какие жесткие требования предъявляются к сейсмологии ядерных взрывов. И она соответствует.

Как показали многочисленные экспериментальные данные, сейсмологические методы, применяемые наряду с другими национальными средствами, например, космическими, позволяют обнаруживать и идентифицировать абсолютно все ядерные взрывы. Если же какое-то сейсмическое явление вдруг окажется неидентифицированным, то в соответствии с условиями договора на «подозрительное» место должны быть направлены наблюдатели.

Сейсмические волны, порождающие колебания земной поверхности. Продольные (P-волны) и поперечные (S-волны) распространяются в твердом веществе Земли, они представляют собой объемные волны, при этом Р-волны в отличие от S-волн могут проходить и через жидкость. Вследствие сложных многократных отражений P- и S-волн в верхнем слое земной коры появляются поверхностные волны – Лява и Рэлея, названные так по имени выдающихся английских математиков прошлого века.

Несмотря на короткий срок своего существования, взрывная сейсмология достигла впечатляющих успехов. Например, подземный ядерный взрыв мощностью порядка одной килотонны обнаруживается и достоверно идентифицируется на расстоянии 10 000 километров совершенно автоматически, с помощью специальных быстродействующих методов обработки сигналов. Непосредственно в момент регистрации сейсмического сигнала от взрыва определяются все необходимые параметры источника: время проведения испытания, координаты взрыва и его мощность. Несмотря на то, что амплитуда сигнала, то есть размах упругих колебаний земного вещества, на столь большом расстоянии от места взрыва составляет менее 3 нанометров (1 нм – это миллиардная часть метра), современные техника регистрации и методы обработки информации позволяют успешно решить эту сложную задачу, фактически регистрируются смещения земной поверхности, лишь немного превышающие атомные размеры. Кроме того, сейсмических станций, фиксирующих взрывы, уже очень много, и они расположены в разных точках планеты. Эти станции, связанные в единую сеть, способны контролировать и подстраховывать друг друга, и даже если на одной из них появится ошибочный результат, ошибка будет устранена или резко уменьшена, благодаря совместному анализу данных, поступающих от большого числа независимых датчиков. Поэтому работа станций, объединенных в глобальную сеть, гарантирует обнаружение в несколько раз более слабого сигнала, чем один прибор.

Приблизительно десять лет тому назад в электронике произошли яркие изменения: во-первых, появился микропроцессор, и, во-вторых, большинство схем обработки сигналов стали цифровыми (см. «Наука и жизнь» №11, 1986 г.). Благодаря достижениям в области цифровых методов регистрации и обработки сигналов открылись совершенно новые возможности выделения полезных, искомых сигналов на фоне шумов, а задача обнаружения и идентификации ядерных взрывов в своей основной части сводится именно к отделению сейсмических сигналов от случайных помех. Благодаря появлению нового поколения «чутких» электронных устройств порог обнаружения взрывов удалось снизить в несколько раз.

Проблема выделения слабого сигнала из шума сегодня интересует представителей самых разных специальностей – связистов, физиков, химиков, биологов, медиков, машиностроителей. Это и понятно – ведь речь идет об извлечении максимума информации из результатов измерений. И во всех перечисленных дисциплинах с успехом используются методы, первоначально разработанные именно в сейсмологии и геофизике.

Схема внутреннего строения Земли в соответствии с моделью, первоначально предложенной австралийским сейсмологом К.Е. Булленом, и пути распространения основных сейсмических волн – продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных (L) – от очага до регистрирующей станции (1° = 110 км).

Вообще обработка сигналов – вещь универсальная, даже живая природа не обходится без нее. Например, летучая мышь при ловле бабочек, служащих ей основной пищей, использует лучшие из известных сейчас методов обработки сигналов. Наши органы чувств непрерывно посылают в мозг огромное количество данных, и мы бы утонули в их потоке, если бы не воспринимали только нужную информацию.

Теория обработки сигналов основана на нескольких разделах математики, таких, как теория чисел, функциональный анализ, статистика, теория случайных функций, линейная алгебра и теория систем. А в последнее десятилетие при обработке сигналов стали активно использоваться новые разделы физики – квантовая и когерентная оптика, оптоэлектроника, поверхностная акустика, интегральная и волоконная оптика. Все это наряду с быстрым развитием информационной технологии и телекоммуникационных средств привело сегодня к созданию новых поколений замечательных приборов (многоканальных анализаторов, коррелометров, спектроанализаторов и устройств отображения информации), благодаря которым сегодня надежно решается проблема выделения полезных сигналов среди шумов. (Можно, в частности, привести примеры голографической обработки сейсмической информации, которая позволяет воссоздать объемную картину строения земной коры на больших глубинах, – такой метод оказался очень важным, например, для определения структур, перспективных с точки зрения поисков нефти.) Остается только поражаться тому, с какой точностью и быстротой приборы «рисуют» картину малейших изменений в земной коре, анализируют и разбраковывают их.

Эти примеры показывают, что с учетом сейсмической информации, поступающей от многих станций, все ядерные взрывы до единого могут находиться под надежным контролем.

Вот именно с этим последним утверждением и несогласны некоторые американские и английские эксперты. «Кое-какие взрывы можно скрыть», – заявляют они. Как? И здесь на первый план недавно выдвинулась проблема так называемого декаплинга.

Декаплинг в переводе с английского означает развязка, ослабление связи. Применительно к ядерным испытаниям это означает вот что. Под землей, желательно в очень твердой породе, искусственно создается огромная сферическая полость, в центре которой размещается ядерное устройство. Как показали расчеты, если размеры подземной полости достаточно велики, то интенсивность сейсмического сигнале от ядерного взрыва должна упасть приблизительно в 200 раз. Иными словами, взрыв мощностью в одну килотонну, произведенный в полости, соответствует по сейсмическому эффекту подземному взрыву «плотно забитого» в грунт заряда всего в 5 тонн. А зарегистрировать такой взрыв на больших, как говорят, телесейсмических расстояниях и тем более вычислить его характеристики очень трудно. И поэтому противники договора о запрещении ядерных испытаний рассматривают проведение взрывов в подземных полостях как эффективное средство сокрытия самого факта взрыва и, следовательно, постоянный соблазн обмануть другую сторону, безнаказанно нарушив целую систему долгожданных договоренностей. «Неизвестно, – говорят противники договора, – не приведет ли его подписание при возможности неконтролируемых нарушений к серьезной политической нестабильности». Интересно, что возражения против заключения договора в США и Великобритании исходят главным образом от политиков, а не от ученых. Геофизики, профессионально занимающиеся вопросами контроля, вполне уверенно заявляют, что ядерные взрывы невозможно утаить даже с учетом декаплинга.

И вот почему. Прежде всего, теоретические оценки (всего лишь оценки, а не точные расчеты!) о снижении сейсмического эффекта в 200 раз при взрыве в полости оказались сильно преувеличенными. Эти оценки не учитывали, что в реальных условиях горные породы не представляют собой однородный монолит, а пронизаны разломами и трещинами самых разных размеров. Разломы, трещины и блочное строение делают неприменимой простую линейно-упругую модель, в рамках которой были получены результаты для полного декаплинга. Поэтому при тех масштабах полостей, которые рассматриваются теоретически, полного декаплинга, развязки источника волн и грунта, а значит, резкого ослабления сейсмического эффекта добиться невозможно. В 1966 году в США в полости диаметром 35 метров, предварительно образованной с помощью подземного ядерного взрыва мощностью в 5,4 килотонны, был проведен другой взрыв – мощностью всего 380 тонн. Эксперимент показал, что коэффициент ослабления – декаплинга – составил не 200, как предполагалось, а гораздо меньше, примерно 70, а на одной из станций только 5. Так проявили себя нелинейные эффекты в реальной среде.

Если все же попытаться, уже с учетом нелинейности, получить коэффициент декаплинга, равный 200, то для взрыва мощностью в одну килотонну в такой твердой породе, как соль, потребовалось бы вырубить полость диаметром в 120 метров на глубине более одного километра от поверхности земли. Чтобы создать такую полость путем выемки грунта, пришлось бы извлечь на поверхность примерно миллион кубических метров породы – это объем самой большой из египетских пирамид. Даже если отвлечься от колоссальных сложностей всего проекта и огромных затрат, работы такого масштаба не могут не привлечь внимание партнера по договору, особенно с учетом развитости технических средств наблюдения со спутников (разрешающая способность космической съемки – всего несколько десятков сантиметров).

Можно, правда, сделать подземную полость с помощью взрыва, однако чтобы создать полость, гарантирующую полный декаплинг даже для взрыва мощностью в 0,38 килотонны, потребовался бы предварительный взрыв мощностью около десяти килотонн, обнаружить и идентифицировать который – задача сравнительно простая.

Тот, кто был в знаменитых Афонских пещерах, может представить, что такое полость диаметром в 120 метров. Наибольший из подземных залов в этих пещерах – «Зал грузинских спелеологов», несмотря на свои впечатляющие размеры, составляет лишь малую часть такой сферической полости – ее объем примерно равен общему объему всех залов Новоафонской системы (1 006 600 м3).

Кроме того, когда обсуждаются возможности проведение скрытых взрывов в полостях, нужно иметь в виду, что районы таких испытаний были бы хорошо известны контролирующей стороне по геологическим данным, да и испытания новых видов оружия требуют не одного, а целой серии взрывов, а с каждым из них быстро возрастает вероятность обнаружения. Существуют и другие, чисто физические, «трудности обмана» с помощью декаплинга, например, зависимость ослабления сейсмических волн в полости от их частоты (высокие частоты ослабляются меньше). Одним словом, анализ физики процесса возбуждения и распространения сейсмических волн, а также развитие новых методов обработки сигналов гарантируют надежный взаимный контроль подземных ядерных испытаний в СССР и США. Да и весь, сейчас уже почти тридцатилетний, опыт регистрации в СССР подземных испытаний ядерного оружия на полигоне в штате Невада в США (и аналогичный опыт регистрации в США советских взрывов) свидетельствует, что технических проблем контроля за непроведением ядерных испытаний больше не существует.

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1988. №4.