Как ученые узнают об испытаниях ядерных бомб? (9 фото)

Землетрясение? Ядерный взрыв? Деление или синтез? Мы узнаем, даже если мировые лидеры лгут. На международной арене есть не так много вещей, пугающих больше, чем возможность ядерной войны. У многих стран есть боеголовки – некоторые с делением, другие с более смертоносным синтезом – но не все открыто заявляют, что они у них есть. Некоторые взрывают ядерные устройства, отрицая это; другие утверждают, что обладают термоядерными бомбами, тогда как в действительности нет. Благодаря глубокому знанию науки, Земли и того, как через нее проходят волны давления, нам не нужно подвергать лидера страны пыткам, чтобы узнать правду.

В январе 2016 года правительство Северной Кореи заявило, что взорвало водородную бомбу, которую также пообещало использовать против любых агрессоров, угрожающих стране. Несмотря на то, что в новостных агентствах были показаны фотографии грибных облаков с подробным описанием, эти кадры оказались архивными; испытания не были современными. Радиация, попадающая в атмосферу, опасна и будет явным нарушением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний 1996 года. Так что, если страны хотят протестировать ядерное оружие, они делают это там, где никто не сможет найти радиацию: под землей.

В Южной Корее репортаж о ситуации был жутким, но неточным, поскольку показанные грибные облака – это старые кадры, не имеющие отношения к северокорейским испытаниям

Вы можете взорвать бомбу где угодно: в воздухе, под водой в океане или под землей. Все три взрыва можно в принципе обнаружить, хотя энергия взрыва будет «приглушенной» в зависимости от среды, в которой распространяется.

Воздух, будучи наименее плотным, хуже всего заглушает звук. Грозы, извержения вулканов, запуски ракет и ядерные взрывы испускают не только звуковые волны, которые можно услышать, но и инфразвуковые (длинной волны, низкой частоты), которые – в случае ядерного взрыва – такие энергетически мощные, что детекторы по всему миру с легкостью их распознают.

Облако ядерного взрыва над Нагасаки

Вода плотнее, и хотя звуковые волны движутся в воде быстрее, чем в воздухе, энергия быстрее рассеивается с пройденным расстоянием. Однако, если ядерная бомба взрывается под водой, выделяемая энергия настолько велика, что генерируемые волны давления могут быть легко уловимы гидроакустическими детекторами, развернутыми многими странами. Кроме того, нет никаких водных явлений, которые можно было бы спутать с ядерным взрывом.

Поэтому, если страна хочет попытаться скрыть ядерное испытание, лучше всего будет провести его под землей. Хотя генерируемые сейсмические волны могут быть очень сильными от ядерного взрыва, у природы есть еще более сильный метод генерации сейсмических волн: землетрясения! Единственный способ рассказать о них – триангуляция точного положения, потому что землетрясения очень и очень редко происходят на глубине 100 метров или меньше, а ядерные испытания (пока что) всегда проходили на небольшой глубине под землей.

С этой целью страны, которые подписали Договор о запрещении ядерных испытаний, создали сейсмические станции по всему миру, чтобы вынюхивать любые ядерные испытания, которые проводятся.

Международная система отслеживания ядерных испытаний, показывающая пять крупных типов испытаний и положения всех станции. Всего в настоящее время активны 337 известных станций

Именно этот акт сейсмического мониторинга позволяет нам делать выводы о том, насколько мощным был взрыв и в каком месте Земли – в трех измерениях – он произошел. Сейсмическое событие Северной Кореи, которое произошло в 2016 году, было зарегистрировано по всему миру; 337 активных мониторинговых станций по всей Земли были достаточно чувствительны для этого. По данным Геологической службы США, в 6 января 2016 года в Северной Корее произошло событие, эквивалентное землетрясению величиной 5.1 балла на глубине 0,0 километра. Основываясь на величине землетрясения и сейсмических волн, которые были зарегистрированы, мы можем восстановить объем выпущенной энергии – порядка 10 килотонн тротилового эквивалента – и понять, был это ядерный взрыв или нет.

Благодаря чувствительности наблюдательных станций, глубину, величину и положение взрыва, который заставил Землю трястись 6 января 2016 года, можно четко установить

Важнейшая подсказка, помимо косвенных доказательств величины и глубины землетрясения, исходит из типов генерируемых сейсмических волн. В общем, есть S- и P-волны, сдвиговые, или вторичные, и продольные волны, которые иногда называют первичными. Землетрясения, как известно, производят мощнейшие S-волны по сравнению с P-волнами, а ядерные испытания рождают более мощные P-волны. И вот, Северная Корея заявляет, что это была водородная бомба (синтеза), которая намного смертоноснее бомб деления. В то время, как энергия, выпускаемая урановыми или плутониевыми бомбами на основе реакции деления имеют мощность порядка 2-50 килотонн тротилового эквивалента, водородные бомбы выпускают энергию в тысячи раз мощнее. Рекордсмен события – советская Царь-бомба мощностью 50 мегатонн тротилового эквивалента.

Взрыв Царь-бомбы в 1961 году был крупнейшим ядерным взрывом на Земле и стал одним из самых важных для дальнейшего определения судьбы ядерного оружия

Профиль волн, полученный по всему миру, говорит, что это не землетрясение. Так что да, Северная Корея вероятнее всего взорвала ядерную бомбу. Но какую? Есть разница между бомбами на основе синтеза и на основе деления:

Бомба на основе ядерного деления берет тяжелый элемент с большим количеством протонов и нейтронов, например, изотопы урана или плутония, и бомбардирует их нейтронами, которые могут быть захвачены ядром. Когда происходит захват, рождается новый нестабильный изотоп, который диссоциирует на более мелкие ядра, высвобождая энергию, а также дополнительные свободные нейтроны, позволяя начаться цепной реакции. Если все сделано правильно, огромное количество атомов может пройти через эту реакцию, превратив миллионы миллиграммов или даже граммов материи в чистую энергию по формуле E = mc 2 .
Термоядерная бомба на основе синтеза берет легкие элементы, такие как водород, и при помощи огромных энергий, температур и давления делает так, чтобы эти элементы слились в более тяжелые, такие как гелий, выделяя еще больше энергии, чем бомба на основе деления. Температура и давление требуются настолько большие, что единственный способ создать термоядерную бомбу – это окружить гранулу синтеза топливо на основе бомбы деления: чтобы огромный выброс энергии смог запустить реакцию синтеза. До килограмма вещества может превратиться в чистую энергию на стадии синтеза.

Многие путают испытания с бомбами деления и синтеза. Но ученые различают их безошибочно

Что касается выхода энергии, то северокорейская тряска была несомненно вызвана бомбой на основе деления. Если бы это было не так, то это был бы самый слабый, самый эффективный взрыв с реакцией синтеза на планете, который даже в теории создать не получается. С другой стороны, есть четкие доказательства того, что это был именно взрыв с реакцией деления, поскольку записи сейсмических станций показали невероятно похожий взрыв в 2013 году, все в той же Северной Корее.

Разница между встречающимися в природе землетрясениями, сигнал которых показал синим, и ядерным испытанием, показанным красным, не оставляет сомнений в природе такого события

Мы привыкли понимать под историей такую науку, которая оперирует абсолютными измерениями времени. В геологии для исчисления времени принято время относительное, т. е. показывающее только то, что было раньше и что было позже.

Наши обычные измерители времени - часы, дни, годы, столетия - не применяются в геологии, ибо все геологические процессы совершаются в природе чрезвычайно медленно и не поддаются выражению в таких мелких отрезках времени.

Насколько медленно протекают эти процессы и как может быть измерена продолжительность их во времени, можно судить по примеру перемещения самого большого в мире водопада Ниагара, находящегося в Северной Америке на реке того же названия.

Было время, когда река Ниагара, вытекающая из озера Эри, обрывалась водопадом непосредственно в озеро Онтарио. При высоте отвесного падения воды 49,5 м здесь развивается громадная механическая сила - в 20 миллионов лошадиных сил, разрушительно действующая на известняки, слагающие дно реки и обрыв водопада. Благодаря этой силе река Ниагара постепенно разрушила породы, прорезала среди них глубокое ущелье, по которому водопад отступил к настоящему времени на 11,5 км от места своего первоначального падения, т. е. от озера Онтарио. Средняя глубина этого ущелья - 80 м, ширина реки - 365 м. Ежегодные наблюдения показали, что Ниагарский водопад двигается вверх по течению по 0,3 м в год. Следовательно, для того чтобы пройти 11,5 км при движении по 0,3 м в год и прорыть это ущелье, водопаду потребовалось 38 800 лет. А остающееся до озера Эри расстояние в 18,5 км, продолжая свою разрушительную работу, водопад пройдет в 61 600 лет.

Геологи составили хронологию (историю) Земли, разбив ее на пять эр - огромных периодов времени: I - архейскую, не оставившую после себя никаких признаков существования живых организмов; II - протерозойскую, или, по-русски, эру простейшей жизни; III - палеозойскую, или эру древней жизни; IV - мезозойскую, или эру средней жизни, и V - кайнозойскую, или эру новой жизни. В качестве показателей смены геологических периодов геологи используют сохранившиеся в горных породах (осадках) остатки и отпечатки древних животных и растений.

Каждая из указанных эр делится в свою очередь на периоды. Так, эра древней жизни - палеозойская - делится на пять периодов: кембрийский, силурийский, девонский, каменноугольный и пермский.

Мезозойская эра, эра средней жизни, делится на три периода: триасовый, юрский и меловой.

В кайнозойской эре, эре новой жизни, до сих пор выделяли два периода: третичный и четвертичный. Теперь третичный период в свою очередь делится на два периода: палеогеновый и неогеновый. Четвертичный период в истории Земли имеет особое значение, так как в это время появился человек и сформировалось человеческое общество. Поэтому не случайно все чаще и чаще раздаются голоса ученых, предлагающих называть его не четвертичным периодом, именем, ничего не говорящим в научном отношении, а дать ему название антропоген, т. е. назвать временем появления человека. Уже сейчас многие из ученых применяют это название, не дожидаясь решения по этому вопросу международного геологического конгресса.

Периоды в свою очередь подразделяются на более мелкие отрезки времени, носящие отвлеченное название «время». Наконец последним и самым мелким подразделением относительного времени в истории Земли служит «век», но не тот век, который определяется в 100 лет, а век геологический, гораздо более длительный.

Вопрос о возрасте и развитии Земли тесно связан с вопросом о ее происхождении, и поэтому ответ на эти вопросы следует искать в космогонии - науке об образовании вселенной. Опираясь на материалистические гипотезы происхождения Земли и применяя методы геологических и геохимических исследований, геологи установили, что наиболее древние породы земной коры имеют возраст около двух миллиардов лет. Эта цифра и принимается большинством ученых как возраст земной коры, а следовательно и Земли, сформировавшейся как планета.

Были попытки подвести под геологические процессы прошлого и обычное время, так называемое «абсолютное время».

Последние определения абсолютной продолжительности эр и периодов, принадлежащие А. Марбли и Л. Холмсу, основаны на исчислении радиоактивного распада пород. Эти исчисления произведены в 1950 году.

Возраст Земли на основании этих вычислений определяется от 1700 до 2100 миллионов лет. Однако все вычисления возраста Земли должны рассматриваться как приблизительные, так как различные методы подсчета дают результаты, разнящиеся между собой на сотни миллионов лет.

И в приведенной таблице Марбли и Холмса допустимые поправки определений возраста приводятся в миллионах и десятках миллионов лет.

На нашей планете существует огромное количество форм проявления жизни. Ученые подсчитали, что на Земле насчитывается около 1,5 миллиона видов животных и не менее 500 тысяч видов растений. Откуда взялись эти растения и животные? Всегда ли они были такими? И всегда ли планета была такой же, как теперь? Как же все-таки мы узнали, что было на Земле до появления человека?

Человеческую историю мы знаем по письменным источникам, историческим записям, которые сохранились до наших дней. Но ведь письменность возникла в 4-3 тысячелетиях до Рождества Христова (Египет, Месопотамия). А Земля, как известно, насчитывает в своём возрасте около 5 миллиардов лет! Да и все ли можно узнать из тех же письменных свидетельств? Иногда больше, чем книги рассказывают найденные во время раскопок древние вещи, предметы, которыми пользовался первый человек. Для историка-археолога это имеет часто решающее значение.

Для геологии - науки, которая изучает прошлое планеты - земные недра играют роль «письменных документов». Ведь в земных пластах сохранились остатки жизни, которые могут «рассказывать», какой эта жизнь была не тысячи, а миллионы лет назад. В недрах Земли можно найти следы капель дождя и морских волн, работы ветров и льда. По отложениям горных пород ученые восстанавливают контуры моря, реки, болота, озера, пустыни далекого прошлого.
Как же могли сохраниться до нашего времени остатки организмов прошлого? Да еще такого отдаленного от нас - на миллионы лет?

Когда какой-то организм попадает в реку, озеро или береговую полосу моря, он довольно быстро покрывается илом, песком или глиной. Пропитываясь солями, остатки организмов «каменеют». И в таком виде их находят сегодня учёные. Они могут по скелету и другим сохранившимся частям животного восстановить не только облик, но и его образ жизни. Современные методы исследования и техника позволяют по одной лишь части скелета (черепу, челюсти, костям ног) позвоночного восстановить строение его тела, ближайших родственников как среди ископаемых, так и среди современных животных.

Данные геологии и палеонтологии (наука об ископаемых животных и растениях) позволили систематизировать накопленные знания. Они стали основой членения истории жизни на Земле на пять отрезков, которые называются эрами. Каждая эра разделена на периоды, а период - на эпохи и века. В каждую из них происходили разные геологические события и изменения в развитии живой природы. Самой древней является архейская эра. Она началась около 3,5 миллиардов лет назад и продлилась 1,6 млрд. лет. На смену ей пришла протерозойская эра (начало - 1,9 млрд. лет назад).

Эра, в которую живём мы - самая молодая. Она называется кайнозойской - эрой новой жизни. Эта эра началась 70 миллионов лет назад и продолжается сейчас. Установлено это благодаря изучению осадочных пород земной коры (песка, глины, известняка и т. д.). Верхние слои - самые молодые, а чем ниже - тем они старше. По сохранившимся в них остаткам организмов была установлена подлинная жизнь на Земле в отдаленные времена.

Но для установления точных дат недостаточно исследования, слоев земной коры. Своеобразные «геологические часы» помогли создать физики и химики. Они открыли, что атомы некоторых элементов - урана, тория, радия - все время изменяются. Это изменение называется «распадом». При этом образуются другие элементы.

Подобное превращение сопровождается радиацией (выделением или излучением мелких заряженных частиц), а сам процесс называется радиоактивным распадом. Он протекает всегда с одной и той же скоростью. У разных элементов неодинаковая скорость, а значит и время полного распада. Например, рубидий-87 распадается примерно за 50 миллиардов лет, уран-238 - за 4,5 млрд. лет. А вот радий - за 1590 лет. Постоянные для каждого радиоактивного элемента скорости распада позволили использовать их как точные часы для измерения возраста горных пород. А для определения более короткого времени научились использовать радиоуглеродный метод. Ведь в тканях живых организмов находится наряду в обычным углеродом (атомный вес 12) небольшое количество его изотопа. Это то же самое вещество, но его атомный вес равен 14. Период его полураспада - 5760 лет. Проверить же этот метод удалось путем сопоставления с датированными археологическими памятниками.

В Южной Корее репортаж о ситуации был жутким, но неточным, поскольку показанные грибные облака – это старые кадры, не имеющие отношения к северокорейским испытаниям

Облако ядерного взрыва над Нагасаки

Бомба на основе ядерного деления берет тяжелый элемент с большим количеством протонов и нейтронов, например, изотопы урана или плутония, и бомбардирует их нейтронами, которые могут быть захвачены ядром. Когда происходит захват, рождается новый нестабильный изотоп, который диссоциирует на более мелкие ядра, высвобождая энергию, а также дополнительные свободные нейтроны, позволяя начаться цепной реакции. Если все сделано правильно, огромное количество атомов может пройти через эту реакцию, превратив миллионы миллиграммов или даже граммов материи в чистую энергию по формуле E = mc 2 .
Термоядерная бомба на основе синтеза берет легкие элементы, такие как водород, и при помощи огромных энергий, температур и давления делает так, чтобы эти элементы слились в более тяжелые, такие как гелий, выделяя еще больше энергии, чем бомба на основе деления. Температура и давление требуются настолько большие, что единственный способ создать термоядерную бомбу – это окружить гранулу синтеза топливо на основе бомбы деления: чтобы огромный выброс энергии смог запустить реакцию синтеза. До килограмма вещества может превратиться в чистую энергию на стадии синтеза.

Многие путают испытания с бомбами деления и синтеза. Но ученые различают их безошибочно

Другими словами, все данные, которые мы имеем, указывают на один вывод: в основе этого ядерного взрыва была именно реакция деления, а не синтеза. И это точно не было землетрясением. S- и P-волны доказали, что Северная Корея взрывает ядерные бомбы, нарушая международный закон, но сейсмические сводки, несмотря на удаленность, показывают, что это не бомбы синтеза. У Северной Кореи ядерные технологии 1940-х годов. Даже если мировые лидеры лгут, Земля скажет правду.

Облако ядерного взрыва над Нагасаки

Бомба на основе ядерного деления берет тяжелый элемент с большим количеством протонов и нейтронов, например, изотопы урана или плутония, и бомбардирует их нейтронами, которые могут быть захвачены ядром. Когда происходит захват, рождается новый нестабильный изотоп, который диссоциирует на более мелкие ядра, высвобождая энергию, а также дополнительные свободные нейтроны, позволяя начаться цепной реакции. Если все сделано правильно, огромное количество атомов может пройти через эту реакцию, превратив миллионы миллиграммов или даже граммов материи в чистую энергию по формуле E = mc2.
Термоядерная бомба на основе синтеза берет легкие элементы, такие как водород, и при помощи огромных энергий, температур и давления делает так, чтобы эти элементы слились в более тяжелые, такие как гелий, выделяя еще больше энергии, чем бомба на основе деления. Температура и давление требуются настолько большие, что единственный способ создать термоядерную бомбу – это окружить гранулу синтеза топливо на основе бомбы деления: чтобы огромный выброс энергии смог запустить реакцию синтеза. До килограмма вещества может превратиться в чистую энергию на стадии синтеза.

Многие путают испытания с бомбами деления и синтеза. Но ученые различают их безошибочно