Wenn sich irgendwo auf der Welt eine unterirdische Explosion ereignet, besteht eine gute Chance, dass ein Seismologe sie lokalisieren kann. Sie werden Ihnen jedoch nicht unbedingt sagen können, um welche Art von Explosion es sich handelt – ob sie chemischer oder nuklearer Natur ist. Neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) erleichtern die Erkennung von Nuklearexplosionen.
„Für einen Seismologen sehen chemische und nukleare Explosionen identisch aus“, sagte Harry Miley, Labormitarbeiter und Physiker im National Security Directorate bei PNNL. „Technologien zur Erkennung von Radionukliden, wie das von PNNL entwickelte Xenon International und der Radionuklid-Aerosol-Sampler/Analyzer, bekannt als RASA, können zwischen den beiden unterscheiden, indem sie radioaktive Atome erkennen, die bei nuklearen Explosionen entstehen. Wir haben jedoch sehr wenig wissenschaftliches Verständnis der Geologie Eindämmung dieser Atome nach einer Explosion.“
Bei einer unterirdischen Explosion strömen Gase durch Risse im Boden und entweichen in die Atmosphäre. Instrumente wie Xenon International und RASA können dann Radionuklidgase erkennen, aber ihre chemischen Signaturen können stark durch Gesteinsschäden beeinflusst werden, die die Gase passieren müssen.
Der Geowissenschaftler Hunter Knox und der Computerwissenschaftler Tim Johnson von der Earth Systems Science Division bei PNNL tauchten eines Tages in Mileys Büro auf und schlugen vor, die Auswirkungen von Gesteinsschadensmustern auf Gasströmungswege zu untersuchen. Die Ergebnisse, kürzlich veröffentlicht in Reine und Angewandte Geophysikwaren transformativ für das Verständnis des unterirdischen Gasflusses.
Versteckt in den Austrittspfaden dieser Gase nach der Explosion sind Hinweise auf ihren Ursprung. Monitore auf der ganzen Welt können winzige Mengen an Radionukliden in der Atmosphäre erkennen, aber nicht zwischen einem radioaktiven Isotop von einer Explosion oder von anderen Aktivitäten wie der Herstellung medizinischer Isotope unterscheiden.
„Diese Forschung hilft uns beim Timing – wenn eine nukleare Explosion auftritt, wann sollten wir damit rechnen, die dabei entstehenden radioaktiven Gase zu entdecken? “, sagte Johnson.
Letztendlich ergänzt diese Forschung die bestehenden globalen Bemühungen zur Nichtverbreitung von Kernwaffen, um die Sicherheit der Bürger zu gewährleisten.
Die globale Überwachung luftgetragener radioaktiver Isotope ist entscheidend für die Erkennung von nuklearen Sprengstoffen. Bildnachweis: Pacific Northwest National Laboratory
Eine neue Art, Gesteinsbrüche abzubilden
Knox kennt sich gut mit Geophysik aus: Sie hat alles studiert, von Vulkanausbrüchen über Eisbeben bis hin zu unterirdischen Explosionen. Meistens findet man sie an einem abgelegenen Standort, wo sie Sensornetzwerke entwirft, um den Untergrund und von Menschen verursachte Ereignisse zu überwachen und zu charakterisieren. Ihre Arbeit am Subsurface Technology and Engineering Research (SubTER)-Programm in ihrer früheren Tätigkeit bei den Sandia National Laboratories (SNL) weckte ihr Interesse an der Schnittstelle zwischen unterirdischen Explosionen und Bruchbildgebung.
Im Rahmen des SubTER-Programms traf Knox auf Johnson, der es ist am bekanntesten für seine Arbeit in der elektrischen Widerstandstomographie (ERT), eine Technik, die elektrische Ströme verwendet, um Strukturen unter der Oberfläche abzubilden. Johnson entwickelt E4D-RTa Software, die mithilfe geophysikalischer Messungen 3D-Zeitrafferbilder erzeugen kann. Während frühere Arbeiten Simulationen zur Vorhersage von Gesteinsbruchmustern verwendeten, erkannten Knox und Johnson, dass ihr kombiniertes Fachwissen es ihnen ermöglichen könnte, die Brüche von unterirdischen Explosionen direkt abzubilden.
„ERT wurde nicht viel zur Charakterisierung von Gesteinsschäden oder Gasströmungsmustern verwendet“, sagte Knox. „Unsere Forschung legt den Grundstein für diese neue Verwendung.“
Das PNNL-Forschungsteam zur Schadensdarstellung arbeitete mit Sprengstoffforschungsexperten von SNL zusammen, um drei unterirdische chemische Explosionen im Blue Canyon Dome durchzuführen, der sich im Energetic Materials Research and Testing Center in Socorro, New Mexico, befindet. Das Forschungsteam verwendete ERT, um das Testgelände vor und nach der Detonation der unterirdischen Explosionen abzubilden. Sie untersuchten auch die Verwendung gängiger Tracer – wie Wasser, heiße Druckluft und Stickstoff – zur Verbesserung der tomografischen Zeitraffer-Bildgebung. Zusammen können diese Ergebnisse verwendet werden, um den Transport von Gasen nach einer unterirdischen Atomexplosion zu simulieren und vorherzusagen.
Obwohl noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind, demonstriert diese Arbeit die Verwendung von ERT als eine aufkommende Fähigkeit zur Überwachung der Auswirkungen unterirdischer Explosionen. „Die ERT-Bilder zu sehen ist, als würde man zur Rückseite des Buches blättern“, sagte Miley.
Weitere PNNL-Autoren sind Chris Strickland, Christine Johnson, Justin Lowrey, Parker Sprinkle, Dorothy Linneman, Vince Vermeul, Kirsten Chojnicki, Joshua Feldman, Brad Fritz und Jonathan Thomle.
Mehr Informationen:
Tim C. Johnson et al, 3D-Zeitrafferbildgebung des elektrischen Widerstands von Gesteinsschadensmustern und Gasströmungspfaden, die aus zwei unterirdischen chemischen Explosionen resultieren, Reine und Angewandte Geophysik (2022). DOI: 10.1007/s00024-022-03165-y