CC BY
77Маскировка проведения ядерных испытаний
Генерал-майор запаса В.В. КРУГЛОВ, доктор военных наук
Полковник А.С. ШУШЛЕБИН, кандидат военных наук
АННОТАЦИЯ. Анализируются возможности скрытия (маскировки) проведения ядерных испытаний с учетом действия Международной системы мониторинга Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, маскировка ядерного взрыва, скрытие ядерных испытаний, сейсмические волны, сейсмическая эффективность, декаплинг, порог обнаружения.
SUMMARY. The authors analyse possibilities of concealing (masking) nuclear tests taking into account the operation of the International Monitoring System of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty.
KEYWORDS: Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, concealing nuclear explosion, concealment of nuclear tests, seismic waves, seismic efficiency, decoupling, detection threshold.
В УСЛОВИЯХ действия Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) могут делаться попытки скрытия испытаний с целью разработки или совершенствования ядерного оружия (ЯО). Если КНДР открыто демонстрирует проведение ядерных испытаний, то другие страны, стремящиеся к обладанию ЯО, будут стараться скрыть подобные факты за счет применения различных методов сокрытия взрывов, в частности проведение подземных ядерных взрывов без выброса грунта, т. е. камуфлетных. Подземные взрывы с выбросом грунта, а также другие виды взрывов: подводные, наземные (надводные), воздушные, высотные (стратосферные и космические) — по единодушному мнению ученых обнаружить и идентифицировать не представляет большого труда, ибо в составе Международной системы мониторинга имеются сейсмические, инфразвуковые, гидроакустические и радионуклидные комплексы1.
Разрез полости, образуемой при проведении камуфлетного ядерного взрыва, представлен на рисунке 1. При таком взрыве, хотя и возможен выход на поверхность радиоактивных продуктов взрыва, единственным надежным фактором обнаружения будут сейсмические волны. Их регистрация и идентификация являются залогом доказательства факта взрыва. Характеристики сейсмических волн, возбуждаемых взрывами, зависят от условий проведения взрывов. Основными из них, влияющими на характер возбуждаемых сейсмических волн при взрывах, являются вид и мощность взрыва, свойства среды в районе взрыва и при распространении сейсмических волн. При обнаружении и идентификации сейсмических сигналов следует иметь в виду, что существует ряд способов маскировки взрывов, направленных на изменение характера возбуждаемых сейсмических волн при взрывах. Данные способы могут быть применены как отдельно, так и в комплексе.
1 Подготовительная комиссия Организации по Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. от 20.10.2010 г. URL: .mid.ru/web/guest/adernoe-nerasprostranenie/-/as-set_publisher/JrcRGi5UdnBO/content/id/232286 (дата обращения: 11.02.2018).
Земная поверхность
1 2
а
4
Г * * * :> « \ •« ^ ч "/
Рис. 1. Идеализированный разрез полости, образуемой при подземном ядерном взрыве на глубине, когда на поверхности земли не появляется
провальная воронка:
1 — полость; 2 — зона дробления пород;
3 — зона радиальных трещин; 4 — упругая зона
Рассмотрим некоторые из них.
Маскировка ядерного взрыва на фоне землетрясения
Ядерный взрыв на фоне происходящего землетрясения может быть замаскирован в районе с надежным прогнозом времени, места и силы такого землетрясения. Для такого испытания необходимо содержать в готовности ядерное устройство и другое предназначенное для взрыва оборудование до тех пор, пока не произойдет землетрясение, отвечающее целям маскировки. В связи с ненадежностью предсказания места, времени и силы будущего землетрясения проведение подобного эксперимента требует очень быстрой оценки ситуации и выдачи команды на проведение взрыва2. Поэтому сигналы от сейсмометров, зафиксировавших землетрясение, должны поступать в быстродействующую ЭВМ для сравнения с заложенными в нее априорными данными. Даже если выявлен район будущего землетрясения, время ожидания момента, когда оно произойдет, может составлять много месяцев и даже лет. Отсюда вытекают все трудности такого способа маскировки проведения взрыва.
Проведение ядерных взрывов в очень глубоких скважинах
Очаги землетрясений могут находиться на глубине до 700 км, в то время как предельная глубина проведения взрывов составляет 8—10 км. Если глубина источника будет оценена в 25—30 км и более, то это однозначно вызовет землетрясение. Трудности в использовании данного критерия идентификации заключаются в большой погрешности существующих методов определения глубины очага3.
Проведение многозарядных взрывов
Такие испытания основаны на проведении нескольких разнесенных по площади и (или) времени ядерных взрывов. В результате аддитивная сейсмическая запись становится более сложной, чем при одиночном взрыве такой же мощности, и по своей форме и длительности более характерна для землетрясений, чем для одиночного подземного взрыва.
2 Кедров О.К. Сейсмические методы контроля ядерных испытаний: монография. М.: ИФЗ РАН, 2005.
3 Механическое действие ядерного взрыва. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.
Однако вследствие интерференционного характера суммарного сигнала его спектр отличен от записи землетрясения. Кроме того, возможность регистрировать сейсмические явления с использованием сети разнесенных на территории пунктов обнаружения с использованием цифровых методов компьютерного анализа данных определяет малую эффективность этого способа маскировки взрыва. Тем не менее количество взрывов скрыть реально: так 28 мая 1998 года Пакистан провел испытание на полигоне Чагай оценочно от двух до шести ядерных взрывных устройств с общим энерговыделением 40—45 кт4.
Проведение ядерных взрывов сверхмалой мощности
Типы сейсмических волн, картина их отражения от различных слоев Земли, преломление и трансформация при прочих равных условиях для взрывов и землетрясений одинаковы или очень близки. А в механизме возбуждения сейсмических волн, в размерах очага, времени выделения энергии между взрывами и землетрясениями имеется существенная разница. Указанные причины оказывают значительное влияние на соотношения и величину амплитуд различных типов сейсмических волн, на их частотные и временные характеристики. Надежно распознать ядерные взрывы и взрывы бризантного взрывчатого вещества гораздо сложнее, и при регистрации слабого сейсмического источника однозначно отнести взрыв к ядерному или неядерному одним сейсмическим методом невозможно. Только с увеличением мощности источника (порядка 20 кт и более) можно уверенно утверждать о ядерном взрыве, так как камуфлетный взрыв обычного заряда такой мощности практически невозможен. В связи с тем, что на значительном эпицентральном расстоянии отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума может быть значительно меньше единицы, обнаружение и выделение сигнала затруднено, поэтому существует реальная возможность неправильной идентификации и отнесение источника, например, к обычным карьерным взрывам.
В последние годы все чаще испытывались боеприпасы малой и сверхмалой мощности с повышенными требованиями к точности их наведения на цель: мининьюкс (сотни тонн тротилового эквивалента), микроньюкс (десятки тонн), тайниньюкс (единицы тонн). Это обстоятельство снижает значение ядерного оружия как оружия массового поражения, одновременно повышая его боевую значимость. Это приводит к размыванию границы между ядерным и высокоточным оружием, что способствует более вероятному боевому применению ядерного оружия. Проведенные испытания подтвердили также, что ядерное оружие обладает более высокими показателями по критерию «стоимость — эффективность»5.
Проведение ядерных взрывов с низкой сейсмической эффективностью
Известно, что сейсмическая эффективность взрыва или доля общей энергии взрыва, излученная в виде упругих волн, определяется неупругим поведением грунта в примыкающей к взрыву области. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что доля полной энергии взрыва, излучаемая в виде сейсмических волн, изменяется от нескольких процентов в породах типа гранит и соль, до сотых долей процента в сухом аллювии, что следует из данных, приведенных в таблице 1.
4 War clouds hovering over South Asia/ Weekly Blitz. 2009. 16 января.
5 Белоус В. Ядерные испытания под запретом. Что дальше? // Научно-информационное агентство «НАСЛЕДИЕ ОТЕЧЕСТВА». 2000. 28 сентября. URL: http://old.nasledie.ru/voen-pol/14_9/article.php?art=8 (дата обращения: 11.02.2018).
Таблица 1
Отношение энергии сейсмических волн Е к энергии
Породы £■/£■., % с общ'
Гранит 1,0
Соль 0,8
Туф 0,3
Аллювий 0,17
Сухой аллювий 0,09
Из таблицы следует, что для связанных взрывов, которые производятся в непосредственном контакте с окружающей средой, сухой аллювий является средой с низкой сейсмической эффективностью. Если принять порог обнаружения взрывов в дальней зоне равным 1 кт в граните, то взрыв в мягком грунте мощностью около 10 кт (в зависимости от свойств аллювия) будет трудно не только идентифицировать, но даже обнаружить6.
Из свойств вмещающих пород, влияющих на относительную долю энергии сейсмических волн, в сейсмической литературе рассматривается только влияние акустической жесткости пород. Для оценки влияния других факторов, в частности пористости и влажности, нет достаточных экспериментальных данных. В таблице 2 приведены значения плотностей в различных горных породах в их естественном залегании на глубинах от 0,01 до 3 км, акустической жесткости пород и скоростей продольных волн.
Проведение ядерных взрывов в рыхлых сухих породах может рассматриваться как эффективное средство сокрытия испытаний только малой мощности по двум причинам. Во-первых, использование в настоящее время эффективных компьютерных методов анализа цифровой сейсмической информации на многочисленных высокочувствительных сейсмических станциях позволяет значительно снизить порог обнаружения. Во-вторых, достаточно большие районы, сложенные сухими осадочными породами типа аллювий и туф, встречаются крайне редко, их толщина незначительна для проведения в них мощных взрывов.
Прикрытие ядерных испытаний мощными химическими взрывами
Определенные трудности в обнаружении ядерных взрывов могут возникнуть, если они проводятся под прикрытием мощного химического взрыва. Подрыв в районе испытаний ядерного заряда достаточно мощного бризантного взрывчатого вещества сильно усложнит картину сейсмического волнового поля. Сопоставимые мощности взрывов и схожий спектральный состав генерируемых в одно время сейсмических волн позволят проводить правильную идентификацию только в ближней зоне, в которой может не оказаться сейсмических станций Международной системы мониторинга. Именно поэтому согласно п. 68 статьи IV государство — участник Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний предоставляет техническому секретариату уведомление о любом химическом взрыве с использованием взрывчатого материала в 300 и более тонн тротилового эквивалента с указанием предполагаемой цели взрыва7.
Ядерные взрывы с эффектом декаплинга
Достижение низкой сейсмической эффективности взрыва возможно с помощью декаплинга, т. е. производства взрыва в большой
6 Шушлебин А.С., Митасов Ю.А., Фаткин И.С. Организация применения ТССК геофизических методов. Балашиха: ВА РВСН им. Петра Великого, 2016.
7 ДВЗЯИ — Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Генеральная Ассамблея ООН. 1996.
Таблица 2
Значения плотностей пород, скоростей в различных породах и значения акустической жесткости для некоторых пород
№ п/п Породы Плотность сухой породы, г/см3 Скорость продольных волн, км/с Пределы изменения г/см2-с Глубина к, м
1 Лёсс 0,75—1,6 0,2—0,8 0,15—1,3 10—300
2 Грунт насыпной 0,5—0,6 0,4—0,6 0,2—0,36 10—50
3 Аллювий современный 1,5 0,5—2,0 0,75—3,0 50—200
Аллювий
4 на значительной глубине 2,0 3,0—3,5 6,0—7,0 300—2000
5 Песок сухой 1,0—1,5 1,0—1,5 1,0—2,25 30—100
6 Песок водонасыщенный 1,9—2,2 1,5—2,0 1,8—4,4 10—500
7 Глины 1,0—1,7 1,0—2,7 1,0—4,6 30—3000
8 Глины 1,5—2,0 2,0—2,8 3,0—5,6 300—500
9 Мел 1,5—2,2 3,5—4,0 5,25—8,8 50—500
10 Туф вулканический 1,7—1,9 1,7—2,4 2,9—4,6 100—300
11 Лед ледниковый 0,8—0,9 3,4—3,6 2,7—3,1 100—2000
12 Известняк твердый 1,9—2,5 2,8—6,4 5,3—16 50—2000
13 Соль каменная 2,1—2,4 4,3—5,5 9,0—13,2 50—2000
14 Барит 4,3—4,6 4,5 19,3—20,7 —
15 Базальт 2,4 5,0—5,6 12,0—13,4 50—3000
16 Гранит 2,7 4,4—5,6 11,9—15,1 30—2000
17 Эгириновые сланцы 3,0—3,5 5,0 18—21 50—300
18 Норит 3,0 6,2 18,6 —
19 Магнетитовые сланцы 4,0 5,6—6,0 22,4—24 100—300
20 Песчаники 2,1—2,2 4,5—5,0 9,5—11 40—1000
Песчаники
21 и сланцы в зоне вечной мерзлоты 2,1—2,2 5,1—5,2 10,7—11,4 150—500
подземной полости. Ударная волна, возбуждаемая при подземном ядерном взрыве заряда, помещенного в центре сферической подземной полости, менее интенсивно воздействует на стенки полости. Это приводит к меньшему ее расширению и меньшему сейсмическому эффекту по сравнению со связанным взрывом (с каплингом). При этом степень снижения сейсмического эффекта зависит от радиуса полости. Проведенные эксперименты со взрывами малой мощности показали, что в этом случае сейсмическая эффективность уменьшается в 100 и более раз по сравнению со связанными взрывами в той же среде. Однако для практической реализации обоих способов маскировки взрывов имеются определенные трудности. Так, если радиус полости слишком мал, то среда на границе полости будет вести себя нелинейно и ситуация будет аналогичной той, которая наблюдается при связанном взрыве. Кроме того, многие ученые высказывают сомнения по поводу наличия на земном шаре таких мест, где толщина слоя сухого аллювия превышала бы 300—500 м, чтобы можно было провести мощный камуфлетный взрыв в аллювии.
Взрыв мощностью в одну килотонну, произведенный в полости, по сейсмическому эффекту теоретически должен соответствовать подземному взрыву «плотно забитого» в грунт заряда всего в пять тонн. Зарегистрировать такой взрыв на больших телесейсмических расстояниях и тем более определить его характеристики практически невозможно. Поэтому противники Договора о запрещении ядерных испытаний рассматривают взрыв в подземных полостях как эффективное средство его сокрытия и, следовательно, постоянный соблазн обмануть другую сторону. Однако геофизики, профессионально занимающиеся вопросами контроля, заявляют о невозможности утаивания ядерных взрывов от Международной системы мониторинга даже с учетом декаплинга.
Изначальные теоретические предположения о снижении сейсмического эффекта в 200 раз при взрыве в полости оказались сильно преувеличенными. Эти оценки не учитывали, что в реальных условиях горные породы не представляют собой однородный монолит, а пронизаны разломами и трещинами самых разных размеров. Разломы, трещины и блочное строение делают неприменимой простую линейно-упругую модель, в рамках которой были получены результаты для полного де-каплинга. Поэтому при тех масштабах полостей, которые рассматриваются теоретически, полного декаплинга, а значит, резкого ослабления сейсмического эффекта добиться невозможно. В 1966 году в США в полости диаметром 35 метров, предварительно образованной подземным ядерным взрывом мощностью в 5,4 кт, был проведен другой взрыв мощностью всего 380 тонн. Эксперимент показал, что коэффициент ослабления — декаплинга — составил примерно 70, а на одной из сейсмических станций только пять. Так проявили себя нелинейные эффекты в реальной среде. Кроме того, когда обсуждаются возможности проведения скрытых взрывов в полостях, нужно иметь в виду, что районы таких испытаний хорошо известны контролирующей стороне по геологическим данным, да и испытания новых видов оружия требуют не одного, а целой серии взрывов, а с каждым из них возрастает вероятность обнаружения8.
Имеются сомнения в возможности создания большой полости, соответствующей тем мощностям, определенным программой испытаний ядерного оружия. Расчеты показывают, что для осуществления с декаплингом взрыва мощностью 100 кт необходимо вынуть около восьми миллионов тонн грунта. Однако, по оценкам зарубежных авторов, технически возможно создать полость, пригодную для сокрытия взрывов мощностью 5—10 кт, в соляном массиве. Создание такой полости займет приблизительно два года и будет стоить около 25 млн долларов при применении способа растворения или около 50 млн долларов при обычном способе. Расчеты показывают, что для скрытия подземного ядерного взрыва мощностью пять килотонн необходима полость диаметром 86 метров на глубине один километр от поверхности Земли. Скрыть подготовку такого испытания при современных способах разведки весьма сложно. При обнаружении у страны-нарушителя возникнут политические и экономические проблемы, которые заведомо могут превысить ожидаемые дивиденды9.
В ряде работ высказывается предположение, что мощные взрывы в мягком грунте или с декаплингом могут быть обнаружены по выходу радиоактивных продуктов взрыва на поверхность, образованию провальных воронок и по другим признакам.
8 Кедров О.К. Контролируется тишина // Наука и техника. 2003. 28 мая.
9 Белоус В. Ядерные испытания под запретом. Что дальше?
Кроме того, существуют другие факторы, затрудняющие ядерные взрывы с декаплингом. Первый заключается в том, что среда на границе полости может иметь особенности, увеличивающие ее размер для достижения полного декаплинга. Второй связан с давлением на стенки полости, содержащим значительную импульсную компоненту, что увеличивает размер полости для достижения полного декаплинга. Третий заключается в эффекте снижения коэффициента декаплинга более чем на порядок на частотах более 10 Гц, что смещает максимум спектра генерируемых сейсмических волн в более высокочастотную область, позволяя проводить регистрацию сигналов высокочастотными сейсмометрическими каналами.
В таблице 3 приводятся пороги обнаружения по магнитуде и мощности связанных камуфлетных ядерных взрывов в плотной и рыхлой породах в региональной зоне и соответствующие пороги обнаружения камуфлетных ядерных взрывов в плотных породах (типа соли) при условии полного декаплинга10.
Таблица 3
Сравнение порога обнаружения по мощности (в кт тринитротолуола)
связанных ядерных взрывов и с декаплингом
Условия проведения ядерного взрыва Тип пород Региональная зона (2°-20°)
Станция Ю„„Р= 2,5_3,0 Сейсмическая группа (тЛ„Р=2,°-2,5
Связанный плотные 0,02—0,07 0,004—0,02
рыхлые 0,10—0,40 0,02—0,1
Полный декаплинг плотные (соль) 1,40—4,90 0,3—4,1
Эти данные показывают, что на региональных расстояниях при регистрации с помощью сейсмической группы можно обнаруживать ядерный взрыв с полным декаплингом мощностью от 0,3 до 1,4 кт в зависимости от величины добротности среды на пути сигналов от источника до сейсмической станции. Эти оценки соответствуют обнаружению продольных волн от камуфлетных ядерных взрывов на традиционно используемых для регистрации частотах 1—5 Гц. Если амплитудно-частотная характеристика регистрирующего сейсмоприемника имеет рабочий диапазон на частотах более 10 Гц, то отношение сигнал/помеха увеличивается и появляется возможность обнаруживать ядерный взрыв с декаплингом меньшей мощности.
В таблице 4 приводятся оценки ожидаемых отношений сигнал/помеха для камуфлетного ядерного взрыва мощностью 0,1 кт в плотных породах связанного (коэффициент декаплинга 1) и с декаплингом (коэффициент декаплинга 70) при распространении в среде с высокой добротностью.
Таблица 4
Отношения сигнал/помеха для продольных сейсмических волн от связанного ядерного взрыва и с декаплингом мощностью 0,1 кт
Условия проведения ядерного взрыва Я, км Ожидаемые отношения сигнал/помеха на разных частотах, Гц
5 10 20 30
Связанный (щитовая структура) 500 12 60 200 230
1000 3 13 32 38
1500 1 4 7 9
10 Кедров О.К. Сейсмические методы контроля ядерных испытаний.
Продолжение таблицы 4
С декаплингом (щитовая структура)
500 0,15 0,9 3 10
1000 0,04 0,18 0,7 1,2
1500 0,015 0,06 0,18 0,27
Из таблицы видно, что в случае связанного ядерного взрыва записи волн имеют отношение сигнал/помеха около трех, позволяющее в принципе обнаружить взрыв на расстояниях до 1500 км на традиционных частотах менее 10 Гц. Если же такой взрыв произведен в подземной полости с соблюдением условий полного декаплинга, тогда он сможет быть обнаружен примерно с таким же отношением сигнал/помеха при регистрации волн на более высоких частотах (20—30 Гц) на расстояниях до 1000 км от эпицентра.
Таким образом, с учетом изначального максимума частотного спектра подземного ядерного взрыва в пределах 1—5 Гц (чем больше троти-ловый эквивалент, тем более низкочастотный спектр сигнала) следует, что от всей энергии Ес (см. табл. 1) высокочастотная область колебаний содержит незначительную часть энергии. Наиболее короткие периоды волн характерны для продольных волн (0,5—2,0 с), которые отмечены как раз на записях подземных и мелководных подводных взрывов, произведенных в глубоких скважинах (Н > 1000 м). Периоды волн на расстояниях 2000—10000 км составляют соответственно около 0,2 и 1,5 с11. С учетом быстрого затухания с расстоянием высокочастотных составляющих геофизических сигналов можно говорить о существующих потенциальных возможностях сокрытия сверхмаломощных ядерных взрывов с помощью эффекта декаплинга.
Вывод. Международная система мониторинга может гарантировать контроль исполнения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний и обнаружение камуфлетных ядерных взрывов. Однако в удаленных от станций Международной системы мониторинга районах с комплексным использованием двух и более способов маскировки ядерных взрывов такие испытания могут быть проведены. Поэтому России надо полагаться на Национальную систему контроля, что вызывает необходимость ее модернизации и совершенствования.
Уважаемые авторы и читатели журнала!
Исполнилось 25 лет со дня выхода в свет первой статьи генерал-майора запаса В.В. Круглова, опубликованной в журнале «Военная Мысль».
Все эти годы Вячеслав Викторович активно сотрудничал с нашим изданием, неоднократно поощрялся Министром обороны РФ и начальником Генерального штаба ВС РФ за лучшие материалы, опубликованные в журнале «Военная Мысль».
За период своей педагогической и научной деятельности он стал одним из известных военных ученых в нашей стране и за рубежом. В.В. Круглов является автором 200 научных работ, четырех запатентованных изобретений. Им подготовлены два доктора и восемь кандидатов наук.
Сегодня член редакционной коллегии журнала «Военная Мысль», доктор военных наук, генерал-майор запаса В.В. Круглов продолжает плодотворно трудиться на ниве военной науки. Желаем ему крепкого здоровья, благополучия, дальнейших научных достижений во благо нашей любимой Отчизны!
11 Шушлебин А.С., Митасов Ю.А., Фаткин И.С. Организация применения ТССК геофизических методов.
