Hva kan seismologiske data fortelle oss om prøvesprengningene i Nord-Korea?

OGF-møte mandag 22 januar 2018 på Meteorologisk Institutt ved Tormod Kværna (NORSAR)

De første prøvesprengningene frem til forbudet i 1993

Før 1963 ble det foretatt flere lovlige prøvesprengninger for forskningsformål. Dette var før man visste hvor skadelige slike tester er, og testene benyttes fremdeles for forskningsformål. I 1963 inngikk stormaktene en prøvestansavtale som gjaldt sprengninger i rommet, i atmosfæren og i vann. Underjordiske tester var fremdeles lov, da dette var mindre skadelig. Målet var å også få til en avtale for underjordiske tester, men på dette tidspunktet hadde man ikke gode nok teknikker for å overvåke slik aktivitet. Etter dette ble det foretatt en flere store underjordisk tester, blant annet i 1971 i Aleuteans, Alaska, hvor man opplevde en 4 m forflytning på overflaten selv om den ble blåst av på 2 km dyp! Dette resulterte i store skader på overflaten. I 1996 vedtok man fullt forbud mot kjernefysisk aktivitet under "Conference on Disarmament in Geneva". NORSAR er teknisk ansvarlig for Norges side i denne avtalen. Det ble behov for et system for å overvåke aktivitet, og seismiske verktøy viste seg å være nyttige!

Prøvesprengninger i Nord-Korea etter 2006

Etter 1996 har det likevel vært detektert flere brudd: i 1998 utførte Pakistan to sprengninger og India en. Siden 2006 har imidlertid Nord-Korea utført hele 6 tester: 2006, 2009, 2013, 2016, 2017. Den siste var vesentlig større og sannsynligvis en hydrogenbombe. Seismiske signaler fra disse har blitt registrert over hele verden, og ved se på likheter i bølgeform og små relative tidsdifferanser mellom signalene har det vært mulig å lokalisere de seks eksplosjonene med stor nøyaktighet. Prøvesprengningen den 3. september 2017 hadde en styrke på 6.1, noe som var 10 ganger større enn noen av de foregående hendelsene. 8 minutter etter prøvesprengningen den 3. september 2017 ble det observert et «jordskjelv» med styrke 4.1, og de påfølgende analysene konkluderte at dette skyldes en kollaps inne i fjellet av hulrommet etter prøvesprengningen. I tillegg har det i tidsperioden september til desember 2017 blitt observert signaler fra flere små jordskjelvlignende hendelser på eller i nærheten av det nordkoreanske testområdet.

Overvåkning av prøvesprengninger

Jordskjelv danner skjærenergi som observeres i større grad på de sekundære bølgene, mens kjernefysiske hendelser i stor grad har kompressjonsenergi som representeres i primærbølger. Man vet også at rystninger dypere enn 5 km er jordskjelv, som også har lange overflatebølger. De to signalene kan derfor skilles ved hjelp av seismiske måleinstrumenter.

Det finnes i dag et globalt system med over 300 målestasjoner, hvor de mest følsomme stasjonene er i Sør-Korea og Russland. I Norge finnes blant annet stasjoner i Hedmark (nøkkelstasjon PS27), ARCES PS28, i Bardufoss, på Platåfjellet og Janssonhaugen ved Longyearbyen, Svalbard, og på Jan Mayen. Stasjonene består av som regel av seismometer i brønner/borehull i grunnfjell som måler rystelser i bakken, og er lite synlige i terrenget.

Usikkerhet i beregningene

P-bølgene fra prøvesprengninger øker med en part på 0,7 – 1,4 sek per 10 km, og endrer seg nedover i mantelen og jordskorpen. Disse blir fanget opp av en rekke stasjoner, og tidsdifferansen i observasjonene gjør at man kan lokalisere hvor sprengingen er utført. Den første testen i Nord-Korea ble kun registrert av 22 stasjoner, og gav en plassering innenfor 30x30 km.

Usikkerheten skyldes både at det er vanskelig å plukke ut signalet på mange av stasjonene, og at man har en feil i jordmodellen. Man bruker en radiell symmetrisk jordmodell, hvor 1 sek feil gir nesten 10 km feil i lokasjon. Siden jorden ikke er radielt symmetrisk, og det er store variasjoner i jordskorpen som ikke er kjent, innfører dette en gjennomsnittsfeil på 0.5 – 1 sek kun fra modellen. Dersom man har hendelser nært hverandre kan man imidlertid studere variasjonen av hendelsene i forhold til hverandre. Da vil kan kunne finne nøyaktig relativ posisjon mellom hendelsene, og de senere hendelsene fra Nord-Korea (utenom den siste) er derfor plassert ganske nøyaktig.

Krysskorrelasjon brukes også for å identifisere små hendelser. Stasjonene i Sør-Korea og østlige Russland er brukt for å detektere etterskjelv etter hendelsene i Nord-Korea. Inversjon av bølgeformene viser at det ved enkelte av målingene har funnet sted en kollaps av huleformasjon. Siste smell var en kollaps på hele 50 meter 8 min etter hendelsen. Den største testen i 2017 er antatt lokalisert 5-7 km nord for det tidligere testområdet. Det er også registrert flere mindre skjelv i samme fjellområde som den store testen i september 2017, men disse er mindre og mere jordskjelvlignende.

Estimering av sprengkraft oppgis på Richerts skala, og avhenger porøsiteten til fjellet. Observasjon av magnitude og amplitude benyttes inn i en empirisk modell for å finne styrken på Richters skala. Den empiriske modellen har en K-verdi som representerer porøsiteten i fjellet. Alle målingene legges inn i modellen, og man oppgir et middel av resultatet av disse. Det vil imidlertid alltid være en usikkerhet, som kan være så mye som 0.35. I Nord-Korea har vi ikke målinger, så vi vet ikke K-verdien eksakt. Det er derfor vanskelig å få et eksakt tall, og usikkerheten er enda større.