Matti Tarvainen POHJOIS-KOREAN YDINKOE SEISMISET HAVAINNOT JA TULKINNAT UNIVERSITY OF HELSINKI INSTITUTE OF SEISMOLOGY REPORT T-79

Transkriptio

1 HELSINGIN YLIOPISTO SEISMOLOGIAN INSTITUUTTI RAPORTTI T-79 UNIVERSITY OF HELSINKI INSTITUTE OF SEISMOLOGY REPORT T-79 Matti Tarvainen POHJOIS-KOREAN YDINKOE SEISMISET HAVAINNOT JA TULKINNAT HELSINKI 2012

2 Editor Publisher Pekka Heikkinen Institute of Seismology, P.O.BOX 68 FIN University of Helsinki, FINLAND ISSN ISBN Helsinki 2012

3 Käytetyt termit ja lyhenteet CTBT CTBTO Episentri Fokus IDC IMS OSI PrepCom Primaariasema PTS REB Kattava ydinkoekieltosopimus (Comprehensive Test Ban Treaty) Comprehensive Test Ban Treaty Organization (Kattavan ydinkoekieltosopimusorganisaatio, joka on perustettu v. 1996) seismisen tapauksen maanpinnalla oleva maantieteellisesti ilmoitettu paikka pesäkesyvyys eli hyposentri seismisen tapauksen pesäke maan sisällä. Tektoonisen tapauksen pesäkesyvyys voi olla jopa yli 700 kilometriä International Data Centre, (Wienissä Itävallassa sijaitseva kansainvälinen tietokeskus) International Monitoring System (kansainvälinen valvontajärjestelmä) Paikanpäällä tapahtuva tarkastus (On Site Inspection) Sopimuksen määrittelemä toimenpide mahdollisen sopimusrikkomuksen todentamiseksi Preparatory Commission for the CTBTO (Kattavan ydinkoekieltosopimuksen toimeenpaneva komissio) Primary Seismic Network (50 asemaa käsittävä maailmanlaajuinen seismografiasemaverkko, joiden rekisteröinti lähetetään reaaliaikaisesti Wienin kansainväliseen keskukseen) Provisional Technical Secretariat (PTS for the CTBTO - Väliaikainen tekninen sihteeristö) Reviewed Event Bulletin (manuaalisesti analysoitu tapausraportti) Sekundaariasema Secondary Seismic Network = Auxiliary Seismic Network (120 avustavasta seismografiasemasta koostuva verkko, jota käytetään primaariasemien tulosten tarkistamiseen ja parantamisen) SEL1 Seismic Event List 1 (automaattinen primaariasemien rekisteröinteihin perustuva automaattinen analyysiraportti) 3

4 Yleistä Toukokuun 25. päivänä 2009 Pohjois-Korean uutistoimisto (KCNA) ilmoitti maan suorittaneen toisen ydinkokeensa noin kello kansainvälistä aikaa (UTC). Tapaus synnytti voimakkaan vastareaktion ja tekoa pidetään erittäin provosoivana kansainväliselle yhteisölle ja niille tahoille, joiden tarkoitus on ollut vähentää ydinaseiden uhkia maailmassa. Tapaus havaittiin ydinkoekieltosopimuksen valvontaan tarkoitettujen asemien lisäksi lukuisilla kansallisiin asemaverkkoihin kuuluvilla seismografiasemilla. Tässä raportissa tarkastellaan kansainvälisen keskuksen (IDC) tekemiä automaattisia ja manuaalisia analyysejä sekä Helsingin yliopiston seismologian instituutissa tehtyjä vastaavia tuloksia. Raportissa tapausta pidetään ydinräjäytyksenä vaikka tapaukseen liittyy selvästi poikkeavia piirteitä, kuten puuttuvat radionuklidihavainnot. 1 Tapausanalyysi 1.1 Kansainvälisen keskuksen (IDC) havainnot IMS asemaverkon tulee kattavan ydinkoekieltosopimuksen mukaan pystyä havaitsemaan kaikissa väliaineissa tehty ydinkoe, jonka energiatuotto vastaa 1 kilotonnin räjäytystä. Kiteisessä kallioperässä tällainen räjäytys tuottaa seismisen signaalin, jonka perusaaltomagnitudi on noin 4 Richterin asteikolla. Ydinkoekieltosopimuksen primaariseen valvontaverkkoon (IMS) kuuluva, Venäjällä sijaitseva, seismografiasema USRK (Ussuriysk) rekisteröi toukokuun 25. päivänä kello kansainvälistä aikaa seismisen tapauksen. Kyseisen aseman lisäksi useat muut primaariasemat havaitsivat seismisiä signaaleja aloittaen niistä tosiaikaisen analyysin. Kaiken kaikkiaan 23 primaarisen asemaverkon asemaa havaitsi tapauksen ja kello (UTC) kansainvälinen tietokeskuksen analyysijärjestelmä oli tuottanut ensimmäisen analyysituloksen (SEL1), jossa seismisen tapauksen keskus sijoittui Pohjois-Koreaan, lähelle vuoden 2006 ydinkoepaikkaa 1 koordinaattien ollessa 41,2896 N, 129,0480 E. 1 Pohjois-Korean lokakuussa 2006 tekemän ydinkokeen episentri oli 41,3119 N, 129,0189 E. 4

5 Kahdenkymmenenkolmen primaariaseman avulla saatiin paikallistuksen virhe-ellipsin pinta-ala oli hieman yli 850 km2 vastaten näin halkaisijaltaan runsaan 30 kilometrin suuruista ympyrää. Näin hyvä paikallistustarkkuus pelkillä primaariasemien arvoilla osoitti kansainvälisen valvontaverkon havaintokyvyn parantuneen kolminkertaiseksi vuoden 2006 tuloksiin verrattuna, Pohjois-Koreassa tehdyn ydinkokeen SEL1-raportin ilmoittaman episentrin virhe-ellipsi oli peräti 2400 km2. Kuvassa 1 on SEL1-raporttiin käytetyt primaariasemat. Kuva 1. Kansainvälisen valvontajärjestelmän (IMS) 23 primaariasemaa, joiden rekisteröinneistä muodostettiin SEL1. Primaariasemien havainnot käynnistivät automaattisen avustavien asemien (auxiliary station network) tiedonkeruun ja kolmisen tuntia SEL1 raportin jälkeen IDC julkaisi SEL2 raportin, jossa tapauksen episentrin maantieteelliset koordinaatit 41,2838 N ja E virhe-ellipsin pienentyessä alle 600 km2:n. SEL3 raportin episentri oli sama kuin SEL2:ssa. Lopullinen, analysoijien tuottama raportti (REB) valmistui ja siinä episentriksi saatiin 41,3110 N ja 129,0464 E sekä virhe-ellipsin pinta-alaksi 265 km2. Tällainen paikallistustarkkuus riittäisi sellaisenaan sopimuksessa mainitun paikan päällä tapahtuvan tarkastusalueen (OSI) rajaamista sellaisen ympyrän sisään, jonka säde on noin 9 kilometriä. 5

6 Kuva 2. Kansainvälisen keskuksen raporttien episentrit ja virhe-ellipsit. SEL1-3 -raportit ovat automaattisesti tuotettuja, kun taas REB on analysoijan tarkastama. Kaikissa tapauksissa tapaus on paikallistettu alle 1000 km 2 :n suuruisen alueen sisäpuolelle. Kyseinen pinta-ala on vaatimuksena, jotta paikan päällä tapahtuva tarkastus (OSI) on mahdollista. 1.2 Suomen kansallisen asemaverkon havainnot Suomen kansallisen asemaverkon seismisiä tapauksia havaitseva, kattavan ydinkoekieltosopimuksen primaariasemaverkkoon kuuluva FINES -aseman automaattinen tapausten rekisteröintiohjelma havaitsi seismisen virikkeen hieman kello 1:n jälkeen. Kuvassa 3 on yhdentoista kansallisen asemaverkon rekisteröimää signaalia vertikaalikaistalla. Seismiset virikkeet näkyvät kaikilla asemilla ollen kuitenkin Keski-Suomen alueen asemilla kaikkein selvimmin havaittavissa. Kuvassa 4 on FINES aseman taajuus-aaltoluku analyysin avulla laskettu säde ( beam ). 6

7 Kuva 3. Yhdentoista Suomen kansallisen asemaverkon seismografiaseman rekisteröimät vertikaaliset signaalit Pohjois-Korean tekemästä ydinkokeesta. Signaalien suodatuksessa on käytetty 3. kertaluvun Butterworth suodattinta 1 4 hertsin päästökaistalla. Taustakohina heikentää pohjoisimman Suomen asemien KEV, KIF ja HEF sekä Kaakkois-Suomen Virojoen aseman (VJF) seismisiä signaaleja. Kuva 4. FINES -aseman seisminen säde eli "beam" kello 01:00 UTC alkaen. Signaali on suodatettu 1-4 hertsin päästökaistalla 3. kertaluvun Butterworth -suodattimella. 7

8 Kuva 5. Helsingin yliopiston seismologian instituutin seismografiasemaverkko vuonna Punaisella symbolilla merkityt asemat ovat pysyviä asemia. Siniset ympyrät ovat Kuusamon alueella toimivia väliaikaisia asemia. Länsi-Lapin ja Pohjanmaan rannikolla sijaitseva aukko asemaverkossa korostuu selvästi. Oulun yliopiston 4 seismografiasemaa Pohjois-Suomessa on merkitty pienillä keltaisilla ympyröillä. 8

9 1.3 Tapauksen paikallistaminen Suomen kansallisen asemaverkon avulla Teleseismisten tapausten analyysissä seismologian instituutissa käytetään instituutin ylläpitämää Suomen seismografiasemaverkkoa (kuva 5), muutamia Oulun yliopiston Pohjois-Suomessa ylläpitämiä asemia. Analyysityökaluna toimii IDC:n geotool 2 -ohjelma. Tällä aineistolla tehty analyysi sijoitti episentrin Japanin merelle, yli 90 kilometriä IDC:n REB:ssä mainitusta paikasta (kuva 6). Kuva 6. Pelkällä Suomen kansallisen seismografiasemaverkon aseman havaintoaineistolla tehty paikallistusanalyysi. Tapaus paikallistettiin Japanin merelle yli 90 kilometrin päähän IDC:n ilmoittamasta koepaikasta. Vuonna 2006 kansallisen asemaverkon avulla tehty analyysitulos poikkesi noin 600 kilometriä kansainvälisen keskuksen tuloksista, joten nyt suoritettu ydinkoe havaittiin selvästi ensimmäistä koetta paremmin. 2 geotool on SAIC:ssa (Science Applications International Corporation) Yhdysvalloissa kehitetty analyysiohjelma, jota on jatkokehitetty Wienin kansainvälisessä keskuksessa (IDC). Nykyisin ohjelma on osa NDC-in-a-box -ohjelmistoa. 9

10 1.4 Asemaverkkojen integroitu käyttö paikallistusanalyysissä Kattava ydinkoekieltosopimus takaa sopimusvaltioille valvontaverkon rekisteröintiaineiston vapaan saannin. Nyt käsiteltävää tapausta analysointia varten seismologian instituutti pyysi Wienin kansainvälisestä keskuksesta seismistä rekisteröintiaineistoa kaikilta toiminnassa olevilta IMS-asemilta 3. Analyysi pystyttiin tekemään 24 aseman rekisteröinneistä (Kuva 7) ja analyysitulos on esitetty taulukossa 1 sekä kuvassa 8. Kuva 7. Kansainvälisen ja Suomen kansallisen asemaverkon asemat, joita käytettiin paikallistuksessa. Kuvassa näkyvät myös episentristä asemille piirretyt aaltoreitit. 3 FINES (FIA0) on laskettu kansalliseen asemaverkkoon, vaikka se on osa kattavan ydinkoekieltosopimuksen primaariasemaverkkoa. 10

11 Taulukko 1. HYPOSAT Version 4.4b (Integroidun aineiston avulla tehty analyysi) Tapahtuma-aika : ,840 ±0,216 s Episentrin latitudi: 41,3243 ±0,0324 N Episentrin longitudi: 129,0506 ±0,0572 E pesäkesyvyys : 0,00 km vakiosyvyys Episentrin virhe-ellipsi: Ellipsin isoakseli: 4,52 km Ellipsin pieniakseli: 3,27 km Atsimuutti: 71,1 Virhe-ellipsin pinta-ala: 46,48 km 2 Flinn-Engdahl -alue (659): Pohjois-Korea Asema Etäisyys Atsimuutti Käytetty Faasin tuloaika Aikaresiduaali KSRS 3, ,10 Pn ,242 0,064 MJAR 8, ,83 Pn ,181-22,500 MKAR 33, ,35 P ,534 1,553 CMAR 34, ,52 P ,992-2,544 KDAK 50,444 42,88 P ,974-0,885 ILAR 51,117 33,20 P ,802 0,910 KEV 55, ,70 P ,223 0,005 JOF 57, ,44 P ,404 0,598 HEF 57, ,97 P ,404 0,065 KIF 58, ,26 P ,654 0,352 SUF 59, ,61 P ,136 0,271 KAF 59, ,97 P ,552-0,102 VJF 60, ,05 P ,968-0,865 FIA0 60, ,38 P ,235 0,496 KEF 60, ,44 P ,235-0,134 PVF 60, ,57 P ,918 0,262 RAF 62, ,31 P ,983-0,050 HFS 65, ,30 P ,093-1,058 NC401 65, ,76 P ,098 0,574 GERES 73, ,54 P ,236-0,132 EKA 75, ,08 P ,058-0,433 NVAR 79,664 47,46 P ,337 0,836 PDAR 81,017 39,52 P ,954-0,775 LPAZ 150,975 35,78 PKPdf ,075 6,095 11

12 Kuva 8. Kansainväliset keskuksen episentrit eri menetelmillä laskettuna sekä integroitujen aineistojen avulla seismologian instituutissa laskettu episentri (pieni punainen ympyrä). Vaaleanruskeat symbolit esittävät virallisesti ilmoitettuja ydinkoepaikkoja ( ground truth ). 2 Räjähdystuoton arviointi Jos ydinräjähteen rakenne, fissiilin tai fuusioituvan materiaalin määrä tunnetaan, on mahdollista arvioida räjähteen tuotto. Myös räjäytyksen jälkeen tehdyt radiokemialliset tutkimukset voivat selvittää latauksen tuoton. Maanalaisessa ydinräjähdyksessä muutamassa mikrosekunnissa energia vapautuu ja lämpötila kohoaa nopeasti jopa satoihin miljooniin asteisiin sekä paine kohoaa useaan gigapascaliin. Lähinnä vapaiden neutronien liike-energian vaikutuksesta ympäröivä kallio lämpenee ja lopulta sulaa. Kuuma, nopeasti laajeneva kaasupallo iskee kiveä vasten, jolloin sulavan kivionkalon ulkopuolelle syntyy murskautuneesta kivestä alue. Joitakin satoja metrejä tämän sulan ja ruhjoutuvan räjähdyspisteen ulkopuolella seismiset aallot ponnahtavat liikkeelle kaikkiin suuntiin etenevänä elastisena värähtelynä, joka kuljettaa signaalia eteen päin jopa yli 10 km/s (Arhe 1993). 12

13 Räjäytystuotto voidaan selvittää tutkimalla samoilla alueilla tehtyjen aikaisempien kalibrointiräjäytysten räjähdystuoton ja seismisen magnitudin välistä suhdetta. Sekään menetelmä ei ole tarkka, sillä magnitudi ei riipu pelkästään latauksen koosta, vaan myös siitä kuinka tehokkaasti räjähdysenergia muuttuu seismisten aaltojen liike-energiaksi. Menetelmä ei luonnollisestikaan sovellu alueille, missä kalibroituja kokeita ei ole tehty. Pohjois-Korea on tähän mennessä tehnyt kaksi ydinkoetta eikä alueelta ole saatavissa minkäänlaisia tuotto-magnitudi kalibrointia. Myös räjäytyksen lähdealueen geologia ja panoksen sijoitustapa vaikuttavat siihen kuinka hyvin räjähdysenergia kytkeytyy kallioon ja muuttuu siitä edelleen seismiseksi aaltoliikkeeksi. Luonnollisesti maapallon sisäinen rakenne vaikuttaa aallon etenemiseen ja vaimenemiseen ja sitä kautta seismisen tapauksen magnitudin määritykseen. Räjäytys voidaan yrittää kätkeä tekemällä räjäytys onkalossa tai vähemmän kiteytyneissä väliaineissa kuten tuffeissa tai alluviaalisissa kerrostumissa, jolloin energian kytkeytyminen kallioon vähenee pienentäen seismistä magnitudia. Ydinkokeiden panoskoko eli tuotto ilmoitetaan yleensä trotyyliekvivalenttina 4 kilotonnimääränä. Yhden trotyylikilotonnin sisältämä energiamäärä on 4,2 * Joulea. Jos oletetaan, että tästä energiamäärästä kiteisessä kallioperässä noin 10% muuttuu seismisten aaltojen liike-energiaksi, on rekisteröidyn seismisen signaalin perusaaltomagnitudi 4 Richterin asteikolla. Neuvostoliiton koealueiden ydinkokeiden panoskoon ja seismisen perusaaltomagnitudin välistä suhdetta on tutkinut mm. Ringdal ja muut Ringdalin ryhmän tulosten perusteella Semipalatinskin alueen räjäytysten energiatuoton ja perusaaltomagnitudin välillä on yhteys:, jossa mb on perusaaltomagnitudi sekä Y on tuotto kilotonneina 5. Näin ollen Pohjois-Korean ydinkokeen tuotto olisi ollut noin 1,2 kt. Verginon (1989) Semipalatinskin alueelle laskema tuotto-magnitudi -kaava on lähes sama kuin Ringdalin ryhmän käyttämä ollen: 4 TNT eli trinitrotulueeni eli trotyyli, eli rotuli (oikeastaan 2-metyl-1,3,5,-trinitrobentseeni). Räjähdysnopeus 6940 m/s ja ominaispaine 210 kp sekä energia noin 4,2 kj/g. Aikaisemmin laajalti käytetty, turvallinen ja luotettava sotilasräjähde, jonka nykyään korvaavat huomattavasti tehokkaammat räjähdysaineet. 5 Kilotonni (kt) on 1000 tonnia eli miljoona kilogrammaa. 13

14 m b = 4,55 + 0,71logY. Tästä kokeen tuotoksi saadaan 0,9 kt. Pohjois-Korean koealueen tarkka paikka ja geologia ei ole tiedossa, joten tuottoarviot on tehtävä muiden koealueiden kalibrointien avulla. Harjesin tutkimusryhmän (Harjes ja muut 1985) Nevadan koealueen ydinkokeiden tuotto-magnitudi arvoilla tekemän tutkimuksen perusteella perusaaltomagnitudin ja tuoton välille voidaan johtaa yhtälö:, Jossa C=3,92 on märän kovan kallion arvo ja C=3,32 kuivan täydellisesti kiteytymättömän kallion arvo. Näiden arvojen avulla Pohjois-Korean tekemän ydinkokeen tuotto olisi 5 30 kt. Khalturin ryhmä (1999a, 199b) tutkivat Neuvostoliiton tekemien maanalaisten räjäytysten tuoton ja seismisen perusaaltomagnitudin välistä riippuvuutta (Kuva 9). Khalturinin arvioiden mukaan nyt tehdyn kokeen tuotto olisi kilotonniluokkaa. Kuva 9. Neuvostoliiton Semipalatinskin koealueella tekemien maanalaisten ydinkokeiden räjähdystehotuoton ja seismisen perusaaltomagnitudin välisestä riippuvuus. Semipalatinskin eri koekenttiä ei ole eroteltu. 14

15 3 Seismisen tapauksen tunnistaminen maanjäristykseksi tai räjäytykseksi Ydinkokeiden tunnistaminen koettiin alkuaikoina ongelmalliseksi ja pääasiassa se oli syy, miksi kattavan ydinkoekieltosopimuksen mahdollisuudet nähtiin 1950-luvulla vähäisiksi. Kokeiden monitorointia pidettiin mahdottomana, vaikka jo ensimmäisen Trinity-ydinkokeen signaalit oli havaittu satojen kilometrien päässä. Vuonna 1957 tehdyn runsaan kilotonnin Rainier kokeen signaalit voitiin havaita jopa 3000 kilometrin päässä, jonka johdosta alettiin vähitellen uskoa valvonnan mahdollisuuksiin. Ja vuonna 1958 perustettiinkin ensimmäinen Geneven ryhmä selvittämään mahdollisuutta saada aikaan ydinkoekieltosopimus ja sitä, kuinka valvoa tällaista sopimusta. 3.1 Hyposentrisyvyys 1950-luvulla etsittiin erilaisia menetelmiä joilla ydinkokeita voitaisiin havaita ja tunnistaa jopa tuhansien kilometrien päästä. Silloinen tekniikka ei ollut vielä valmis havaitsemaan mahdollisesti peiteltyjä kokeita. Pääosa tuon ajan seismisistä tunnistusmenetelmistä perustuivat tapausten paikallistamiseen ja niinpä paikallistusmenetelmät kehittyivät nopeasti kyseisen vuosikymmenen aikana, varsinkin, kun tietokoneiden laskentakapasiteetti parani koko ajan. Jos seisminen tapaus havaittiin alueella, missä oli tehty aikaisemmin kokeita, seisminen aktiivisuus on vähäistä ja lisäksi, jos laskettu fokussyvyys voitiin osoittaa olevan alle 10 kilometriä, oli syy epäillä ydinkoetta tai muuta voimakasta räjähdystä. Tämä keino on erittäin epätarkka, koska muutamat koealueet sijaitsivat tai sijaitsevat ainakin osittain seismisesti aktiivisilla alueilla. Fokussyvyyttä voidaan kuitenkin pitää ns. tapauskriteerinä. Toisin sanoen, jos seismisten analyysien perusteella voidaan osoittaa, että fokus on syvemmällä kuin 10 kilometriä, on kyseessä maanjäristys ja voidaan jättää tarkempien selvittelyjen ulkopuolelle. 3.2 Ensimmäisen seismisen virikkeen suunta Maanalaisessa ydinkokeessa energia vapautuu alle mikrosekunnissa, jolloin syntynyt paine iskee päin kalliota synnyttäen siinä palloaaltona kaikkiin suuntiin etenevän sysäysrintaman. Sysäysrintama muuttuu maapallon sisäosissa eteneväksi seismiseksi aalloksi, jonka ensimmäinen virike voidaan kaukana sijaitsevilla seismisillä asemilla havaitaan ylöspäin suuntautuneena 15

16 liikkeenä. Kuvassa 10 on Etelä-Koreassa sijaitsevan Wonjun aseman ensimmäisen aaltovirikkeen alku, jonka polariteetti osoittaa puristusta (kompressiota). Menetelmä on helppo, mutta se ei pysty erottelemaan eräiden tektonisten alueiden keskisyviä 6 maanjäristyksiä, joiden signaalit muistuttavat räjäytyksessä syntyviä, nopeasti ylöspäin alkavia aaltovirikkeitä.. Kuva 10. Pohjois-Koreassa tapahtuneen seismisen ilmiön signaali Etelä-Koreassa sijaitsevalla Wonjun (PS31) asemalla. Ylemmässä signaalissa P aaltovirike lähtee voimakkaasti ja selvästi ylöspäin. Dahlman ja Israelsson (1977) listasivat merkittävän määrän ja 1970-luvuilla kehitettyjä tunnistusparametreja ja seuraavaksi testataan muutamien soveltuvuutta Pohjois-Korean ydinkokeen tunnistamiseksi. 3.3 Kompleksisuus Koska räjäytyksessä kallioperään tulevaa vääntöä (shear) syntyy vähemmän kuin maanjäristyksessä, on räjäytyksen synnyttämä S-aalto heikompi kuin maanjäristyksessä, joten aaltojohteen häntä (koda) on lyhytkestoisempi kuin maanjäristyksen synnyttämä. Kompleksisuus perustuu seismisen signaalin välittömästi P-virikkeen ja sitä seuraavan 6 Fokussyvyys kilometriä 16

17 rekisteröintijäljen vertailuun. Tätä tunnistusparametria nimitetään kompleksisuudeksi ja Dahlman ja Israelsson (1977) määrittelivät sen seuraavasti: C = t 2 " t1 t1 " to s 2 (t)dt s 2 (t)dt. Kaavassa s(t) on signaalin amplitudi ajan funktiona. Tavallisesti to on se ajanhetki, jolloin ensimmäinen aaltovirike saapuu asemalle, t1 to on 2 5 sekuntia ja t2 t sekuntia. Käsillä olevassa työssä kompleksisuus määrättiin Kochin ja Schlittenhardtin (2002) menetelmällä:! = 25 S 2 # 3 3 S 2 # 0 ( t)dt " N ( t)dt " N, jossa N on aseman taustakohinan tehon keskiarvo ennen P-aaltovirikettä, S 2 ovat signaalin tehoarvoja alkaen P aallon tuloajasta. Taylor ja Anderson (2009) käyttivät signaalisuhteiden logaritmia. # " CF = log E & C % ( $ E S '. Siinä Ec on kodan tehon keskiarvo 5 25 sekunnin ikkunassa P:n tuloajasta laskettuna ja Es signaalin tehon keskiarvo 5 sekunnin aikana P aallon tuloajasta lähtien. Kuvassa 11 on esitetty Intian ja Pohjois-Korean ydinkokeiden ja Taiwanin alueella sattuneen maanjäristyksen signaalit kompleksisuus FINES asemalla etäisyyden funktiona ja vastaavat signaalit kuvassa 12. Seismisin menetelmin ei voi selvittää sitä onko kyseessä kemiallinen vai ydinräjäytys. Silloin voidaan käyttää kansainvälisen valvontajärjestelmän (IMS) tarjoamia muita valvontatekniikoita esimerkiksi radionuklidimonitorointia. 17

18 Kuva 11. Intian vuonna 1998 ja Pohjois-Korean vuonna 2009 tekemien ydinkokeiden (R) ja Taiwanin alueella heinäkuussa 2009 tapahtuneen maanjäristyksen (M) kompleksisuudet etäisyyden funktiona. Katkoviiva esittää Semipalatinskin alueen ydinräjäytysten ja Keski-Aasian maanjäristysten avulla määritettyä räjäytysten ja maanjäristysten välistä kompleksisuusraja-arvoa, jonka on määritetty Kochin ja Shclittenhardtin esittämällä tavalla. 18

19 Kuva 12. Intian toukokuussa 1998 ja Pohjois-Korean toukokuussa 2009 tekemien ydinkokeiden seismiset signaalit FINES asemalla. Vertailun vuoksi kuvassa alimpana on Taiwanin lähistöllä heinäkuussa 2009 tapahtuneen maanjäristyksen signaali. Vaikka maanjäristyssignaali onkin varsin heikko ja etäisyys asemalle suuri, voi signaalissa havaita kompleksisempia rakenteita heti ensimmäisen aaltovirikkeen jälkeen. 3.4 Signaalin spektriin perustuvat tunnistusmenetelmät Ydinräjäytystä voidaan seismiseltä kannalta pitää pistemäisenä lähteenä. Vuonna Savage (1972) osoitti, että tehospektri lähellä nollataajuutta kuvaa maanjäristyksen tai seismisen ilmiön momenttia ja P aallon kulmataajuus ωc, jossa signaalin teho alkaa laskea, riippuu järistyksen repeämälinjan pituudesta ω c = k α L, jossa k on aaltotyypistä riippuva vakio, α on P aaltojen nopeus ja L repeämälinjan pituus kilometreinä. Koska räjäytystä voidaan pitää lähes pistemäisenä lähteenä, kohoaa sen 19

20 kulmataajuuden arvo korkeammaksi kuin maanjäristyksen kulmataajuus. Kuvassa 13 on Pohjois-Korean tekemän ydinkokeen ja Taiwanissa heinäkuussa 2009 tapahtuneen maanjäristyksen spektrit. Kuva 13. Taiwanissa heinäkuussa 2009 tapahtuneen maanjäristyksen (vihreä) ja Pohjois-Korean toukokuussa 2009 tekemän ydinkokeen (sininen) matalataajuisen pään amplitudispektrit. Maanjäristyksen maksimi on alle 1 hertsin kohdalla ja ydinkokeen noin 2 hertsin kohdalla. Kuva on geotool-ohjelman spektrilaskuohjelman tuloste. 4 Korean niemimaan seismisyys Pohjois-Koreassa havaittu seisminen tapaus sijoittuu vähäseismiselle alueelle, lähelle vuonna 2006 tehdyn ydinkokeen paikkaa. Korean niemimaan itäpuolella sijaitsevat Japanin saaret, jotka sijaitsevat erittäin aktiivisen laattareunalla. Vuonna 2002 kansainvälisen keskuksen analyysituloksista löytyy seisminen tapaus, jonka koordinaatit ovat 40,7050 pohjoista leveyttä ja 128,6700 itäistä pituutta, eli se sijaitsi noin 75 kilometrin päässä ydinkoepaikasta. Tämän tapauksen lisäksi kansainvälisistä maanjäristystietokannoista löytyy 129 maanjäristystä, joiden episentrit ovat alle 500 kilometrin päässä räjäytyspaikasta. Kuvassa 14 on Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen tietokannoista kerätyt 1247 maanjäristysepisentrit vuodesta 1990 alkaen. Pääosa järistyskeskuksista sijoittuu Korean niemimaan itäpuolelle, mannerlaattareunoille. Itse Korean niemimaalla luonnollinen seismisyys on vähäistä. 20

21 Kuva 14. Korean niemimaalla ja ympäristössä havaitut maanjäristykset Vihreät ympyrät kuvaavat korkeintaan 35 km:n fokussyvyyksiä, vaaleanruskeat kilometrin syvyyksiä ja punaiset tätä syvempiä. Tummanpunaiset tähdet esittävät Pohjois-Korean ydinkoepaikkoja. Vihreä neliö koealueelta lounaaseen on huhtikuussa 2002 noin 75 kilometrin päähän ydinkoepaikasta paikallistettu seisminen tapaus, jonka voimakkuus oli 4,0. Yhteenveto Pohjois-Korean toukokuun 25. päivänä tekemä ydinkoe havaittiin sekä kansainvälisen valvontajärjestelmän (IMS) että Suomen kansallisilla seismografiasemilla. IMS ja IDC osoittivat toisen kerran runsaan kolmen vuoden aikana järjestelmän käyttökelpoisuuden maanalaisten ydinräjäytysten valvontaan. Asemaverkosto pystyi lähes maailmanlaajuisesti havaitsemaan tapauksen, jonka magnitudi oli noin 0,5 magnitudiyksikköä järjestelmälle asetetun havaintokynnyksen yläpuolella. Ydinkokeen räjähdysvoiman tarkkaa arvoa ei ole pystytty määräämään arvioiden vaihdellessa 1-30 kt:n välillä. Tämänhetkisen käsityksen perusteella räjähdystuotto on ollut 1,5-2 kt, vaikka joidenkin lähteiden mukaan tuotto olisi ollut peräti 10 kt. Kolmenkymmenen kilotonnin tuottoarvio on ehdottomasti liian suuri. Alueellisia magnitudi-tuottokalibrointeja Pohjois-Koreassa on nykyisin mahdoton tehdä, joten tuottoarviot jouduttaneen tekemään radiokemiallisten analyysien avulla, joka edellyttää 21

22 maanalaisen kokeen savuavan, jotta ilmakehänäytteiden sisältämistä fissiotuotteista 7 tehty arvio voidaan tehdä. Tapauksen tuottamia radioaktiivisia tuotteita ei toistaiseksi ole havaittu 8. IMS -aineiston avulla kansallisen seismisen valvontakapasiteetin tehoa ja tarkkuutta voitiin merkittävästi parantaa käyttämällä lukuisia IMS-asemien pienoismonipisteasemien rekisteröintiaineistoa analyysiohjelmissa. Tulevaisuudessa sopimusvaltioiden kansallista valvontakykyä voidaan parantaa käyttämällä kansainvälisen keskuksen analyysiaineistoa (SEL1-3 tai REB) perusanalyysin apuna. Nämä toimet eivät kuitenkaan poista kansallisen asemaverkoston kehittämistarvetta, koska kansainvälisen keskuksen ja kansainvälisen valvontajärjestelmän analyysi perustuessaan ns. tapausmäärittelykriteereihin jättää analyysin ja tulkinnan ulkopuolelle pienet seismiset kansallisilla järjestelyillä havaitut tapaukset. Tällaiset pienet tapaukset saattavat kuitenkin olla kansallisen turvallisuuden kannalta merkittäviä unohtamatta ydinkoekieltosopimuksessa mainittuja yhteistoiminnassa käytettäviä kansallisia valvontamenetelmiä 9, joiden merkitys saattaa olla korvaamaton, kun sopimus joskus astuu voimaan. Kirjallisuusviitteet Arhe, K., (1993). Maanalaisten ydinkokeiden seisminen valvonta. Helsingin yliopiston seismologian laitos 10, Raportti T-57 (pro gradututkielma) 124 s. Bache, T. C., (1982). Estimating the yield of underground nuclear explosions. Bull. Seism. Soc. Am., 72, S131 - S168. Dahlman, O. and H. Israelsson (1977). Monitoring underground nuclear explosions. Elsevier Scientific Publishing Company, The Netherlands, Amsterdam 438 s. Harjes, H.-P., M. Henger, G. Müller and H. Wilhelm (1985). A system design for the gradual improvement of seismic monitoring and verification capabilities for a comprehensive test ban, CD/ 624, Federal Republic of Germany 65 s. Khalturin, V. I., T. G. Rautian and P. G. Richards (1999a). A study of small-magnitude seismic events during on and near the Semipalatinsk test site, Kazakhstan. 21 st Seismic Research Symposium, Las Vegas, Khalturin, V. I., T. G. Rautian and P. G. Richards (1999b). The seismic signal strength of chemical explosions. Bull. Seism. Soc. Am., 88, kt fissioräjäytys tuottaa noin 10 6 Curieta 140 Ba, jonka puoliintumisaika 12,79 vuorokautta. 8 Koskee mennessä tehtyjä havaintoja. 9 Co-operating National Facilities (CNF) 10 Vaikka kokeen aikana Seismologian laitos oli Helsingin yliopiston konsistorin alainen erillislaitos, on tässä työssä käytetty laitoksesta Seismologian instituutti -muotoa, ellei ole ollut perusteltua käyttää aikaisempaa laitos-nimitystä. 22

23 Koch, K. and J. Shclittenhardt (2002). The use of teleseismic P-wave complexity for seismic screening results determined from GRF and GERESS array data. J. Seismol., 6, Murphy, J., and R. A. Mueller, (1971). Seismic characteristics of underground nuclear detonations Part II. Elastic Energy and Magnitude Determinations. Bull. Seism. Soc. Am., 61, Ringdal, F., P. D. Marshall, and R. W. Alewine (1992). Seismic yield determination of Soviet underground nuclear explosions at the Shagan river test site, Geophys. J. Int. 109, Savage, J. C. (1972). Relation of corner frequency to fault dimension. J. Geophys. Res. 77, Taylor, S. R. and D. N. Anderson (2009). Rediscovering signal complexity as a teleseismic discriminant. Pure appl. Geophys. 166,