Pesquisadores do Sandia National Laboratories, como parte de um grupo de cientistas da National Nuclear Security Administration, concluíram anos de experimentos de campo para melhorar a capacidade dos Estados Unidos de diferenciar terremotos de explosões subterrâneas, conhecimento-chave necessário para avançar as capacidades de monitoramento e verificação do país para a detecção de explosões nucleares subterrâneas.

O projeto de nove anos, os Experimentos de Física de Origem, foi uma série de detonações químicas subterrâneas de alto explosivo em vários rendimentos e profundidades diferentes para melhorar a compreensão da atividade sísmica em todo o mundo. Esses experimentos patrocinados pela NNSA foram conduzidos por Sandia, Los Alamos National Laboratory e Lawrence Livermore National Laboratory e Mission Support and Test Services LLC, que gerencia as operações no Local de Segurança Nacional de Nevada. A Agência de Redução de Ameaças de Defesa, a Universidade de Nevada, Reno, e vários outros laboratórios e organizações de pesquisa participaram de vários aspectos do programa.

Os pesquisadores acreditam que os dados registrados e a modelagem computacional dos experimentos podem tornar o mundo mais seguro, porque os testes de explosivos subterrâneos não seriam confundidos com terremotos. Os resultados serão analisados ​​e disponibilizados a diversas instituições, disse Sandia investigador principal e geofísico Rob Abbott.

O conjunto de dados é enorme. "É considerado o melhor conjunto de dados de explosão deste tipo no mundo, "Abbott disse." Colocamos muito esforço para fazer isso corretamente. "

A explosão subterrânea final da série ocorreu em 22 de junho.

Os experimentos exploraram as diferenças entre as explosões no disco rígido, rocha macia

A Fase 1 do SPE consistiu em seis testes subterrâneos em granito entre 2010 e 2016. A Fase 2 consistiu em quatro testes subterrâneos em geologia de aluvião seco, ou soft rock, em 2018 e 2019. Os resultados de ambas as fases serão analisados ​​para ajudar a determinar como as detonações subterrâneas em aluviões secos se comparam às de rochas duras. Adicionalmente, os dados de SPE podem ser medidos em relação aos dados coletados de testes nucleares subterrâneos históricos que foram conduzidos no antigo local de testes de Nevada.

Dependendo do experimento, até 1, 500 sensores foram configurados para fazer medições. Esses diagnósticos incluem infra-som, sísmica, vários instrumentos de sondagem, vídeo de alta velocidade, mapeamento geológico, fotografia montada em drones, detecção de fibra óptica distribuída, assinaturas eletromagnéticas, gravações de deslocamento de gás, mudanças na superfície do solo do radar de abertura sintética e lidar (que mede a distância usando lasers), e outros. Os acelerômetros foram instalados em vários locais ao redor da explosão, junto com sensores de temperatura e sensores eletromagnéticos.

"Os dados são projetados para eventualmente estarem disponíveis gratuitamente para qualquer pessoa, para que qualquer outro pesquisador de qualquer país possa usar os dados para entender esses eventos, "Abbott disse.

O projeto também está servindo como um campo de treinamento para a próxima geração de cientistas e engenheiros da não proliferação, com alunos estagiários de 14 universidades e faculdades diferentes vindo para Sandia para trabalhar com os dados, ele disse.

Compreender as leituras sísmicas é a chave para diferenciar eventos de subsuperfície

Os satélites essencialmente eliminam a possibilidade de testes nucleares de superfície passarem despercebidos em qualquer lugar do mundo, mas o teste subterrâneo é mais difícil de detectar e caracterizar devido ao acesso limitado e às características visíveis, e dificuldade em discriminar explosões nucleares de outros tipos de eventos sísmicos, disse Zack Cashion, engenheiro-chefe para a Fase 2 do projeto.

Quando os cientistas estudam terremotos, eles observam as ondas de compressão (primárias ou ondas P) e as ondas de cisalhamento (ondas secundárias ou S). Abbott disse que as explosões normalmente produzem mais ondas P em relação às ondas S quando comparadas aos terremotos.

Antes da SPE, os cientistas notaram que alguns testes nucleares subterrâneos estrangeiros pareciam mais com terremotos quando comparados a explosões nucleares anteriores em todo o mundo, que indicou que mais conhecimento experimental era necessário para melhorar a modelagem e a capacidade de rastrear testes globais, Disse Abbott.

"A única maneira de entender isso melhor, Em nossa opinião, era fazer experimentos físicos reais, "Abbott disse." Não poderíamos simplesmente ter novos códigos de modelagem sem algo para testar esses novos códigos de modelagem. "

Em ambas as fases SPE, um buraco foi usado para conter vários dispositivos explosivos de diferentes rendimentos. Na Fase 2, o buraco tinha 2,5 metros de diâmetro e originalmente 1, 263 pés de profundidade. Para o primeiro experimento de Fase 2 que ocorreu no verão passado, um recipiente explosivo contendo cerca de 1 tonelada métrica equivalente a TNT de nitrometano foi baixado para o buraco e coberto com um desenho cuidadoso de cascalho, areia e cimento. Experimentos consecutivos usaram o mesmo buraco e explosivos na quantidade de 50 toneladas métricas, 1 tonelada métrica, e 10 toneladas métricas de equivalência de TNT foram baixadas onde o cascalho e a areia pararam do experimento anterior.

Cashion liderou o projeto dos acelerômetros de instrumentação e poço que capturaram os dados para a segunda fase dos experimentos. Doze furos de instrumentação foram perfurados em azimutes de 120 graus em quatro anéis radiais que eram 33, 66, 131 e 262 pés do buraco de teste. Os orifícios de instrumentação foram preenchidos com 58 módulos de instrumentação, cada um contendo um conjunto de acelerômetros, magnetômetros, giroscópios e sensores de temperatura.

O objetivo de cada experimento era coletar dados de alta qualidade do maior número possível de sensores. No dia do teste, quando todos estão no lugar, Cashion disse que o clima fica intenso.

"É hora de executar planos que foram discutidos por meses ou anos que exigiram um esforço monumental do grupo e coordenação para serem implementados e tudo se resume a um momento, "ele disse." Você está sentado lá olhando para a tela e é "Três, dois, 1, incêndio, "e então você pode não sentir nada. Dependendo do sistema, você pode nem mesmo ver nada mudando em sua tela até que a duração da gravação seja concluída. Você está esperando lá por, pode demorar quatro segundos, mas parece uma eternidade, e então você vai olhar para os dados e limpar a testa que o evento ocorreu conforme planejado e que foi de fato registrado. "

Os pesquisadores trabalham para determinar a profundidade da explosão, Tamanho

O cientista Danny Bowman do Sandia National Laboratories mediu as ondas sonoras de SPE usando microfones terrestres e aéreos. Ele disse que quando os eventos acontecem no subsolo e fazem a superfície do solo se mover, a terra atua como um alto-falante gigante e pode transmitir som.

"Nós sabemos que terremotos fazem isso, "Bowman disse." Nesta série de testes, tentamos entender como isso acontece, como podemos usar as propriedades do som para determinar o tamanho e a profundidade da explosão. "

A maioria dos dados de infra-som foi coletada a partir de sensores de solo configurados para os experimentos, e Bowman disse que houve algumas surpresas em toda a SPE. Quando os testes ocorreram em granito, os cientistas aprenderam que poderiam usar o som para determinar o tamanho e a profundidade da explosão, ele disse, mas a geologia de aluvião seco não forneceu nenhum poder de previsão. E embora as explosões fossem maiores na Fase 2, nem sempre fornecem infra-som.

"Nossa tarefa nos próximos dois anos, uma vez que todos os dados sejam coletados, e temos a chance de analisá-lo, é pegar esse conjunto de dados excepcional e derivar algum poder preditivo dele, "Bowman disse." Eu acredito que isso seja possível, mas estamos nas trincheiras agora. Não temos uma visão panorâmica disso. "

O trabalho tem sido satisfatório, disse Abbott, que trabalhou na SPE desde o início da Fase 1. Cashion concordou, dizendo que os resultados vêm de um grande, esforço coletivo da equipe.

"Lembro-me de quando era criança e assistia a filmes de lançamento espacial e queria ser uma daquelas pessoas na sala olhando para uma tela e me importando com seus pequenos detalhes desse grande projeto e querendo ver se funcionava, "Cashion disse." É realmente uma experiência como essa. Quando chega a hora do jogo, todo mundo quer vencer. Estamos todos juntos como uma equipe e todos querem que tudo corra bem. "