ricercatori dei Laboratori Nazionali Sandia, come parte di un gruppo di scienziati della National Nuclear Security Administration, hanno concluso anni di esperimenti sul campo per migliorare la capacità degli Stati Uniti di differenziare i terremoti dalle esplosioni sotterranee, conoscenze chiave necessarie per far progredire le capacità di monitoraggio e verifica della nazione per il rilevamento di esplosioni nucleari sotterranee.

Il progetto dei nove anni, gli esperimenti di fisica della sorgente, era una serie di detonazioni chimiche sotterranee ad alto potenziale esplosivo a varie rese e diverse profondità per migliorare la comprensione dell'attività sismica in tutto il mondo. Questi esperimenti sponsorizzati dalla NNSA sono stati condotti da Sandia, Los Alamos National Laboratory e Lawrence Livermore National Laboratory e Mission Support and Test Services LLC, che gestisce le operazioni presso il Nevada National Security Site. L'Agenzia per la riduzione delle minacce alla difesa, l'Università del Nevada, Reno, e diversi altri laboratori e organizzazioni di ricerca hanno partecipato a vari aspetti del programma.

I ricercatori pensano che i dati registrati e la modellazione al computer degli esperimenti potrebbero rendere il mondo più sicuro perché i test sugli esplosivi sotterranei non verrebbero scambiati per terremoti. I risultati saranno analizzati e messi a disposizione di molte istituzioni, ha detto il ricercatore principale di Sandia e il geofisico Rob Abbott.

Il set di dati è enorme. "È stato definito il miglior set di dati di esplosione di questo tipo al mondo, " ha detto Abbott. "Ci siamo impegnati molto per farlo correttamente".

L'ultima esplosione sotterranea della serie ha avuto luogo il 22 giugno.

Gli esperimenti hanno esplorato le differenze tra le esplosioni in condizioni dure, soft rock

La fase 1 di SPE consisteva in sei prove sotterranee in granito tra il 2010 e il 2016. La fase 2 consisteva in quattro prove sotterranee in geologia alluvionale secca, o roccia tenera, nel 2018 e nel 2019. I risultati di entrambe le fasi saranno analizzati per aiutare a determinare come le detonazioni del sottosuolo nell'alluvione secca si confrontano con quelle nella roccia dura. Inoltre, i dati SPE possono essere misurati rispetto ai dati raccolti dagli storici test nucleari sotterranei condotti nell'ex Nevada Test Site.

A seconda dell'esperimento, fino a 1, Sono stati installati 500 sensori per eseguire le misurazioni. Queste diagnostiche includono infrasuoni, sismico, vari strumenti da pozzo, video ad alta velocità, cartografia geologica, fotografia montata su drone, rilevamento distribuito in fibra ottica, firme elettromagnetiche, registrazioni di spostamento di gas, cambiamenti della superficie terrestre da radar ad apertura sintetica e lidar (che misura la distanza usando i laser), e altri. Gli accelerometri sono stati installati in più punti intorno all'esplosione, insieme a sensori di temperatura e sensori elettromagnetici.

"I dati sono progettati per essere eventualmente disponibili gratuitamente a chiunque, in modo che qualsiasi altro ricercatore di qualsiasi paese possa utilizzare i dati per comprendere questi eventi, " ha detto Abbott.

Il progetto funge anche da campo di addestramento per la prossima generazione di scienziati e ingegneri della non proliferazione, con studenti stagisti provenienti da 14 diverse università e college che vengono a Sandia per lavorare con i dati, Egli ha detto.

Comprendere le letture sismiche è fondamentale per differenziare gli eventi del sottosuolo

I satelliti essenzialmente eliminano la possibilità che i test nucleari di superficie passino inosservati in qualsiasi parte del mondo, ma i test sotterranei sono più difficili da rilevare e caratterizzare a causa dell'accesso limitato e delle caratteristiche visibili, e difficoltà a discriminare le esplosioni nucleari da altri tipi di eventi sismici, disse Zack Cashion, capo ingegnere per la fase 2 del progetto.

Quando gli scienziati studiano i terremoti, esaminano le onde di compressione (primarie o onde P) e le onde di taglio (secondarie o onde S). Abbott ha affermato che le esplosioni in genere producono più onde P rispetto alle onde S rispetto ai terremoti.

Prima della SPE, gli scienziati hanno notato che alcuni test nucleari sotterranei stranieri sembravano più simili a terremoti rispetto alle precedenti esplosioni nucleari in tutto il mondo, che indicava che erano necessarie più conoscenze sperimentali per migliorare la modellazione e la capacità di tenere traccia dei test globali, ha detto Abbott.

"L'unico modo per capirlo meglio, secondo noi, era fare esperimenti fisici reali, " Abbott ha detto. "Non potremmo semplicemente avere nuovi codici di modellazione senza qualcosa su cui testare quei nuovi codici di modellazione".

In entrambe le fasi SPE, un foro è stato utilizzato per contenere più ordigni esplosivi di diversa resa. Nella Fase 2, il foro aveva un diametro di 8 piedi e originariamente 1, 263 piedi di profondità. Per il primo esperimento di Fase 2 che ha avuto luogo la scorsa estate, un contenitore esplosivo contenente circa 1 tonnellata di nitrometano equivalente di nitrometano è stato calato nel foro e coperto con un accurato disegno di ghiaia, sabbia e cemento. Esperimenti consecutivi hanno utilizzato lo stesso foro ed esplosivi per quantità di 50 tonnellate, 1 tonnellata, e 10 tonnellate di TNT equivalente sono state abbassate dove la ghiaia e la sabbia erano rimaste dall'esperimento precedente.

Cashion ha guidato la progettazione della strumentazione e degli accelerometri da pozzo che hanno acquisito i dati per la seconda fase degli esperimenti. Dodici fori per strumentazione sono stati praticati su azimut di 120 gradi su quattro anelli radiali che erano 33, 66, 131 e 262 piedi dal foro di prova. I fori della strumentazione sono stati riempiti con 58 moduli di strumentazione, ciascuno contenente un set di accelerometri, magnetometri, giroscopi e sensori di temperatura.

L'obiettivo di ogni esperimento era raccogliere dati di alta qualità dal maggior numero possibile di sensori. Il giorno del test quando tutti sono a posto, Cashion ha detto che l'atmosfera diventa intensa.

"È tempo di eseguire piani che sono stati discussi per mesi o anni che hanno richiesto uno sforzo monumentale di gruppo e un coordinamento per essere implementati e tutto si riduce a un momento, " ha detto. "Sei seduto lì a guardare il tuo schermo ed è "Tre, Due, uno, fuoco, " e quindi potresti non sentire nulla. A seconda del sistema, potresti anche non vedere alcun cambiamento sullo schermo fino al completamento della durata della registrazione. stai aspettando lì, potrebbero essere quattro secondi, ma sembra un'eternità, e poi vai a guardare i dati e ad asciugarti la fronte che l'evento si è verificato come previsto e che è stato effettivamente registrato."

I ricercatori lavorano per determinare la profondità dell'esplosione, dimensione

Danny Bowman, scienziato dei Sandia National Laboratories, ha misurato le onde sonore SPE utilizzando microfoni a terra e in aria. Ha detto che quando gli eventi si svolgono sottoterra e fanno muovere la superficie del terreno, la terra agisce come un altoparlante gigante e può trasmettere il suono.

"Sappiamo che i terremoti fanno questo, " ha detto Bowman. "In questa serie di test, abbiamo cercato di capire come questo avviene, come possiamo usare le proprietà del suono per determinare quanto fosse grande l'esplosione e quanto fosse profonda."

La maggior parte dei dati sugli infrasuoni sono stati raccolti dalla configurazione dei sensori di terra per gli esperimenti, e Bowman ha detto che ci sono state alcune sorprese in tutta la SPE. Quando le prove si sono svolte in granito, gli scienziati hanno scoperto che potevano usare il suono per determinare la dimensione e la profondità dell'esplosione, Egli ha detto, ma la geologia dell'alluvione secca non ha fornito alcun potere predittivo. E anche se le esplosioni sono state più grandi nella Fase 2, non sempre fornivano infrasuoni.

"Il nostro compito nei prossimi due anni, una volta raccolti tutti i dati, e abbiamo la possibilità di analizzarlo, è prendere questo eccezionale set di dati e ricavarne un po' di potere predittivo, " ha detto Bowman. "Credo che sia possibile, ma siamo in trincea in questo momento. Non abbiamo una prospettiva a volo d'uccello".

Il lavoro è stato soddisfacente, disse Abbott, che ha lavorato su SPE dall'inizio della Fase 1. Cashation concordato, dicendo che i risultati provengono da un grande, sforzo collettivo di squadra.

"Ricordo che ero un bambino e guardavo i film di lancio nello spazio e volevo essere una di quelle persone nella stanza che guardavano uno schermo e si preoccupavano dei tuoi piccoli dettagli di questo enorme progetto e volevo vedere che funzionava, "Cashion ha detto. "È davvero un'esperienza del genere. Quando è il momento del gioco, tutti vogliono vincere. Siamo tutti lì insieme come una squadra e tutti vogliono vederla andare bene".