Matti Tarvainen Pohjois-Korean ydinkoe

HELSINGIN YLIOPISTO SEISMOLOGIAN INSTITUUTTI RAPORTTI T-90 UNIVERSITY OF HELSINKI INSTITUTE OF SEISMOLOGY REPORT T-90 Matti Tarvainen Pohjois-Korean ydinkoe 12.2.2013 HELSINKI 2013

Editor Pekka Heikkinen Publisher Institute of Seismology, P.O.BOX 68 FIN-00014 University of Helsinki, FINLAND ISSN 0781-9579 ISBN ISBN 978-952-10-5075-6

KÄYTETYT TERMIT CTBT CTBTO IDC IMS OSI PrepCom Kattava ydinkoekielto (Comprehensive Test Ban Treaty) Kattavan ydinkoekiellon organisaatio (Comprehensive Test Ban Treaty Organisation) Kansainvälinen tietokeskus (International Data Centre) Kansainvälinen valvontajärjestelmä (International Monitoring System) Paikan päällä tapahtuva tarkastus (On Site Inspection) Valmisteleva toimikunta (Preparatory Commission for the CTBTO) Primary station Primaariasema (Primary Seismic Network) Asemaverkko koostuu 50 korkeatasoisesta pääosin pienoismonipoisteasemasta, joiden rekisteröintiaineisto on tosiaikaisessa analyysissä kansainvälisessä keskuksessa Wienissä, Itävallassa. PTS REB Väliaikainen tekninen sihteeristö (Provisional Technical Secretariat) Tarkistettu analyysilista (Reviewed Event Bulletin; Event bulletin reviewed by an analyst) Auxiliary station Avustava asema (Secondary Seismic Network) Asemaverkko koostuumaailmanlaajuisesti sijoitetusta 120 asemasta. Näiden asemien tarkoitus on parantaa primaariasemien tuotatmaa alustavaa tapauslistaa (katso SEL1) SEL1 SEL2 SEL3 TTBT Primaariasemien rekisteröinneistä tuotettu automaattinen havaintolista. (Seismic Event List 1). Tätä havaintoluetteloa tuotetaan tosiaikaisesti ja se päivittyy aina uuden tapauksen tultua havaituksi. Primaari- ja avustavien asemien avulla tuotettu analyysilista. (Seismic Event List 2) Eri monitorointiteknologioiden rekisteröinneistä koottu analyysilista. (Seismic Event List 3). Ydinkokeiden kynnyskieltosopimus, joka rajoitti kokeiden tuoton ylärajaksi 150 kt (Treshold Test Ban Treaty)

YHTEENVETO Pohjois-Korean 12.2.2013 tekemä ydinkoetta tutkitaan seismisten rekisteröintien avulla. Analyysissä käytetään sekä Suomen kansallisen asemaverkon että kansainvälisen valvontaverkon (IMS) seismisiä rekisteröintejä. Kattavan ydinkoekieltosopimuksen kansainvälinen valvontaverkko pystyi kolmen eri teknologin avulla sitovasti paikallistamaan ja tunnistamaan tehdyn ydinkokeen. Seismiset ja infraäänihavainnot olivat käytettävissä muutamien tuntien tai vuorokausien kuluttua kokeen jälkeen ja radionuklidihavainnot, jotka tehtiin pari kuukautta kokeen jälkeen, varmistivat ydinkokeen tapahtuneen Pohjois-Korean koealueella. Tässä raportissa analyysi tehdään seismologian instituutissa käyttäen kansainvälisen valvontajärjestelmän (IMS) ja Suomen kansallisen asemaverkon rekisteröintejä. Käytettäessä tunnettuja magnitudi-tuotto -sovituksia Pohjois-Korean ydinkokeen räjähdystuotoksi saatiin 12 ± 2 kilotonnia. 1 HAVAINNOT JA TULOKSET 1.1 SEL1-analyysi Kansainvälinen tietokeskus (IDC) käyttäen hyväksi kansainvälisen valvontaverkon (IMS) seismisiä rekisteröintejä paikallisti seismisen tapauksen Pohjois-Korean Punggye-ri:n ydinkoealueelle 12.2.2013 kello 02.57.51 kansainvälistä aikaa (04.57.51 Suomen aikaa). Kahdenkymmenenkolmen primaariaseman rekisteröinneistä laskettu paikka sijoittui noin 800 km 2 :n suuruiselle alueelle runsaan 10 kilometrin päähän vuosien 2006 ja 2009 koepaikoista. IDC:n tekemä lopullinen tarkistettu analyysi pienensi paikallistusvirheen alle 200 neliökilometrin suuruiseksi. Suomen seismografiasemilla seismisen tapauksen signaalit rekisteröitiin noin kello 03.08 kansainvälistä aikaa ja ensimmäinen automaattinen analyysitulos sijoitti tapauksen noin 15 kilometrin päähän Pohjois-Korean aikaisemmista koepaikoista. Koska havainnon pesäkesyvyydeksi saatiin peräti 18 kilometriä ja varsinkin, kun perusaaltomagnitudin arvoksi laskettiin peräti 5,3, saattoi otaksua, että kyseessä olisikin ollut maanjäristys, koska mainitun suuruinen tapaus olisi merkinnyt poikkeuksellisen voimakasta räjäytystä. Asia ratkesi muutamaa tuntia myöhemmin, kun Pohjois-Korea virallinen uutistoimisto ilmoitti maan suorittaneen ydinkokeen, joka mainittiin suureksi tapahtumaksi ja voimakkaaksi. Räjäytyksen tuotoksi automaattisen analyysin tuloksista arvioitiin jopa yli 30 kilotonnin räjähdysvoima, joka olisi vastannut noin 1,5-kertaisesti Nagasakiin pudotettua plutoniumpommia. Olipa eräiden lähteiden antama tuottoarvio peräti 40 kilotonnia. Etelä-Korean geologinen tutkimuskeskus (KIGAM), jonka asema Wonju sijaitsee alle 500 kilometrin päässä koealueesta, arvioi räjäytyksen tuotoksi noin 6 kilotonnia.

Kuva 1. 12.2.2013 Pohjois-Koreaan paikallistetun seismisen tapauksen havainneet IMS primaariasemat ja aaltojohteiden reitit. 1.2 Tarkistettu analyysilista (REB) ja kansallinen analyysi Tarkistettu analyysilista, eli reviewed Event Bulletin (REB) on analyysilista, joka on analysoijan tarkistama ja se julkaistaan joitakin päiviä tapahtumapäivää myöhemmin. IDC:n julkaisema lopullisena analyysituloksena paikaksi saatiin 41,3005 N; 129,0652 E ja virhe-ellipsin pinta-ala kutistui 180 neliökilometriksi. Tapauksen kansallista analyysiä varten kerättiin Suomen kaikkien asemien sekä kansainvälisen valvontajärjestelmän (IMS) seismisten asemien havaintoaineisto. Mainittu aineisto lisättiin Suomen seismografiasemien rekisteröintiaineistoon ja manuaalinen havaintoaineistoanalyysin, joka tehtiin seismologian instituutissa, tulokset on esitetty Taulukossa I. TAULUKKO I: POHJOIS-KOREAN 13.2.2013 TEKEMÄN YDINKOKEEN ANALYYSITULOS SEISMOLOGIAN INSTITUUTISSA (IMS JA KANSALLINEN AINEISTO YHTEENSÄ 38 ASEMAA) Pvm Kelloaika Latitudi ( N) Longitudi ( E) Virhe-ellipsi (km 2 ) Magnitudi 12.02.1013 02.57.50,80 41,3002 128,9793 28 5,1 3

Kuva 2. Tarkistetussa tapauslistassa (REB) ilmoitettu Pohjois-Koreaan paikallistetun tapauksen primaari- ja avustavat asemat sekä lähdealueelta asemalle suuntautuvat aaltojohteet. Oikeassa alareunassa on sinisellä kolmiolla merkitty Venäjällä ja Japanissa sijaitsevat infraääniasemat, jotka havaitsivat Pohjois-Korean ydinkokeen synnyttämät akustiset signaalit. Nyt tehdyn analyysin perusteella tapaus sijoittui noin 5 kilometrin päähän Pohjois-Korean vuosina 2006 ja 2009 tekemien ydinkokeiden koepaikoista (Kuva 3). Tarkistetussa analyysissä perusaallon magnitudiarvoksi saatiin 5,1, eli tapaus oli automaattisen analyysin arviota pienempi pienentäen samalla arvioita räjähdysvoimakkuudesta. 1.3 Magnitudi-tuotto -arviot Jo ensimmäisen ydinräjäytyksen yhteydessä heinäkuussa 1945 haluttiin tietää se, kuinka suuri ydinräjäytyksen tuotto on verrattuna kemialliseen räjäytykseen. Koska Trinity-kokeen fissioiden lukumäärä voitiin arvioida, laskettiin räjähdystuotoksi 18-20 kt. Koealueella räjäytettiin kokeen tuottokalibrointitarkoituksessa noin 100 tonnia trotyyliä terästettynä Hanfordin reaktorista saaduilla fissiotuotteilla. Trinity-kokeen voimakkuuden voitiin todeta hyvin paljon kalibrointitapausta voimakkaamman. 4

Kuva 3. Tarkistetussa tapauslistassa (REB) ilmoitettu Pohjois-Korean tekemän ydinkokeen sijainti (punainen tähti) sekä seismologian instituutissa kansainvälisen valvontaverkon seismisen rekisteröintiaineiston ja kansallisen asemaverkon rekisteröintien avulla tehdyn analyysin episentri (vihreä tähti) sekä vastaavat virhe-ellipsit. Punaiset ympyrät ovat vuoden 2006 ja 2009 IDC:n analyysin tarkistetuissa tapauslistoissa mainitut ydinkoepaikat. Kun ydinkoe tehdään maan alla, pääosa räjähdysenergiasta käytetään kiviaineksen sulattamiseen ja ainoastaan häviävän pieni määrä energiasta kytkeytyy kallioon seismiseksi signaaliksi. Tuottoarviot ovat olleet myöhemminkin merkittävä tutkimuskohde varsinkin sen jälkeen, kun ydinkokeiden suuruutta pyrittiin rajoittamaan kansainvälisellä sopimuksella (TTBT) 150 kilotonniin. Koska millään ydinkoevaltiolta ei tarkkoja tuottoarvioita ollut saatavilla, tehtiin 1980-luvun lopulla Neuvostoliitossa ja Yhdysvalloissa ydinkokeita, joilla seismisen signaalin avulla pyrittiin kehittämään tarkempia menetelmiä räjähdystuoton arvioimiseksi. Pohjois-Korean ydinkoepaikka sijaitsee maan koilliskulmassa graniittimassiivilla, joten seismisen signaalin voi olettaa olevan selvän, koska räjähdysenergian sitoutuminen kallioon on parempaa kuin sedimenttikivialueilla. Alueelta ei kuitenkaan ole riittävästi havaintoaineistoa, jotta räjäytystuotto-magnitudi -suhde voitaisiin määrittää. Useissa tutkimuksissa on havaittu, että maan alla tehdyn yhden kilotonnin räjäytyksen tuottaman seismisen signaalin perusaaltomagnitudi on noin 4. Maanjäristyksen ollessa kyseessä energia kasvaa 32-kertaiseksi perusaaltomagnitudin kasvaessa yhdellä magnitudiyksiköllä. Näin ollen perusaaltomagnitudiltaan 5:n suuruinen räjäytys olisi peräti 32 kilotonnia. Räjäytyksen pistemäisen luonteen takia kyseinen magnitudi-energia -suhde päde, vaan on käytettävä muita menetelmiä räjäytystuoton arviointiin. 5

Niinpä tässä tutkielmassa tuoton selvittämiseksi käytetään tunnettuja ydinkokeita Nevadassa (Bache 1982, Vergino 1989) ja entisen Neuvostoliiton alueella erilaisissa väliaineissa (Ringdal ja muut 1992). Kazakhstanin Semipalatiskissa sijaitsevan Shagan-joen koealueen ydinräjäytysten seismisen magnitudin ja räjäytystuoton väliseksi suhteeksi saatiin mb=4,45 +0,75log 10 (W), [1] jossa mb on perusaaltomagnitudi sekä W räjähdystuotto kilotonneina. Tällä kaavalla laskettuna Pohjois-Korean kolmannen ydinkokeen tuotoksi perusaaltomagnitudin arvolla 5,1 saadaan noin 7,5 kt. Seuraavaksi tunnettujen ydinkokeiden tuoton ja seismisen magnitudin suhteiden avulla pyritään arvioimaan Pohjois-Korean tekemän ydinkokeen räjähdystuoton suuruutta. Vertailuaineistona on 93 Neuvostoliiton tekemää rauhanomaista räjäytystä (NPE), joille oli ilmoitettu sekä tuotto että sitä vastaava perusaaltomagnitudi (Khalturin ja muut 1999a, 1999b, Sultanov ja muut 1999). Räjäytysten aiheuttamat seismisten signaalien perusaaltomagnitudit vaihtelivat 4,4:stä aina 6,0:aan tuottojen vaihdellessa alle kilotonnista runsaaseen sataan kilotonniin. Räjäytyspaikat on esitetty kuvassa 4 sekä Kuva 4. Rauhanomaisten ydinkokeiden (NPE) koepaikkoja entisen Neuvostoliiton alueella. 6

niiden perusaaltomagnitudin ja tuoton väliset sovitetut suhteet erilaisissa väliaineissa on listattu taulukkoon II. TAULUKKO II: MAGNITUDI-TUOTTO -SUHDE ERILAISISSA VÄLIAINEISSA Väliaine Hiekkakivi Kalkkikivi Savikivi Suolakerros Graniitti Tuotto (kt) (1,0267 10-5 ) e 2,78 m b (4,0677 10-3 ) e 1,59 m b (5,1974 10-5 ) e 2,39 m b (2,3541 10-4 ) e 2,09 m b (2,1999 10-4 ) e 2,14 m b Kuva 5. Khalturinin ryhmän ilmoittamat magnitudi-tuotto -arvot graniittiväliaineessa tehdyille ydinkokeille Neuvostoliiton alueella (siniset ympyrät) ja kyseisistä arvoista graniittiväliaineelle laskettu sovituskäyrä (Taulukko II). Punainen tähti esittää tässä työssä laskettua Pohjois-Korean helmikuussa 2013 tekemän ydinkokeen tuottoarviota. Sovituskäyrän vihreä osuus kuvaa eri lähteistä saatujen tuottoarvioiden vaihtelua. 7

Olettamalla Pohjois-Korean koepaikan koostuvan pääosin graniittisista kivilajeista räjäytyksen tuotoksi perusaaltomagnitudin arvolla 5,1 saadaan 12,2 kt (Kuva 5). Muissa taulukossa mainituissa väliaineissa tuotto vaihteli 10 ja 15 kilotonnin välillä. Vaikka ydinkokeen tuotolla ei kattavan ydinkoekieltosopimuksen kannalta ole merkitystä kieltäähän sopimus kaikki ydinkokeet on tuottoarvioilla mahdollista arvailla kokeen tehneen valtion ydinaseteknologian tasoa. Mitä pienempituottoisesta kokeesta on kyse, sitä korkeatasoisemmaksi kyseisen valtion ydinaseteknologia voidaan olettaa. YHTEENVETO Kattavan ydinkoekieltosopimuksen valvonta-asemaverkko reagoi nopeasti ja tehokkaasti Pohjois-Korean tekemään ydinkokeeseen. Analyysitulokset olivat tarkkoja ja jo ensimmäiset arviot lähteestä osoittivat kyseessä olevan ihmisen toiminnan aiheuttama seismisesti havaittu tapaus. Suomessakin pystyttiin poikkeuksellisen tarkkaan paikallistusanalyysiin pelkillä kansallisen asemaverkon aineistolla ja kyseinen aineiston yhdistäminen kansainvälisten valvonta-asemien havaintoaineistoon tuotti lähes täysosuman poikkesihan seismologian instituutissa laskettu paikka alle 10 kilometriä ilmoitetusta paikasta, joksi voitaneen katsoa kansainvälisen keskuksen julkaisema paikka tarkistetussa tapausluettelossa. Räjäytyksen signaalit havaittiin myös infraääniasemilla Kaakkois-Venäjällä ja Japanissa. Myöhemmin huhtikuussa Japanissa sijaitseva radionuklidiasema havaitsi fissiotuotteita, jotka ilmakehän kulkeutumismalleilla voitiin jäljittää Pohjois-Korean koealueelle. Ydinkokeen räjäytystuoton voi osoittaa olleen 12 ± 2 kilotonnia, joten koe oli voimakkaampi kuin Pohjois-Korean aikaisemmat vuosina 2006 ja 2009 tekemät räjäytykset. KIRJALLISUUSVIITTEET Arhe, K., 1993. Maanalaisten ydinkokeiden seisminen valvonta. Helsingin yliopiston seismologian laitos, Raportti T-57 (pro gradu -tutkielma) 124 sivua. 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 pp. Khalturin, V. I., T. G. Rautian, P. G. Richards 1999a. A study of small-magnitude seismic events during 1961-1989 on and near the Semipalatinsk test site, Kazakhstan. 21 st Seismic Research Symposium, Las Vegas, 499-509. 8

Khalturin, V. I., T. G. Rautian, P. G. Richards 1999b. The seismic signal strength of chemical explosions. Bull. Seism. Soc. Am., 88, 1511-1524. 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, 65-77. Sultanov, D. D., J. R. Murphy and Kh. D. Rubinstein 1999. A seismic summary for Soviet peaceful nuclear explosions. Bull. Seism. Soc. Am., 89, 664-647. Vergino, E. S., 1989. Soviet test yields. EOS, Trans. Am. Geophys. Un., November 1989, 1511-1513. 9