Undervattensexplosioner som detonerade av den amerikanska flottan för att testa stabiliteten hos fartygsskrov har gett seismologer en egen testmöjlighet:hur mycket kan vi veta om en undervattensexplosion från de seismiska och akustiska data som den genererar?
I en studie publicerad i Bulletin från Seismological Society of America , ett team av forskare ledda av Ross Heyburn från AWE Blacknest i Storbritannien jämförde "ground-truth"-data från marinen på platsen, storlek och djup av dessa detonationer till uppskattningar som erhållits från seismiska stationer och hydroakustiska sensorer.
Explosionerna utanför Floridas kust erbjuder en chans att testa kapaciteten hos International Monitoring System (IMS) från Comprehensive Test-Ban Treaty Organization, utplacerade för att upptäcka hemliga kärnvapenprovsprängningar, säger författarna.
"Undervattensexplosioner av denna storlek där marksanningsdata finns tillgängliga är ganska sällsynta, " sa Heyburn. IMS-stationer "spelar in signaler från många undervattensevenemang, både naturligt förekommande, som jordbävningar, och konstgjorda, som luftgevärsundersökningar. Dock, grundsanningsdata från de konstgjorda källorna är ofta inte tillgängliga, och vanligtvis är alla observerade undervattensexplosioner mycket mindre i storlek än Floridas explosioner."
Marinens explosionstest utfördes 2001, 2008 och 2016 inom marinens testområde i Mayport, ligger 120 kilometer utanför Jacksonvilles kust, Florida. Experimenten testade skrovintegriteten hos kustnära stridsfartyg USS Jackson, USS Milwaukee, USS Winston Churchill och USS Mesa Verde. Under experimenten, 10, 000 pund kemiska explosioner bogserades bakom ett fartyg som seglade bredvid stridsfartygen, för att testa hur stridsfartygets skrov reagerade på de stötvågor som producerades av närliggande detonationer motsvarande en TNT-laddningsvikt på cirka 6759 kilo.
Explosionerna är inte lika stora som en kärnvapenprovsprängning, men de är mycket större än många av de andra undervattensexplosioner som finns att studera, förklarade Heyburn. "De explosioner som beskrivs i tidningen är mycket mindre än en typisk kärnvapenprovsprängning som vanligtvis är i storleksordningen kiloton i TNT-ekvivalent laddningsvikt, " sa han. "Som jämförelse, sjöminor och djupladdningar mot ubåtar innehåller vanligtvis sprängladdningar med TNT-likvärdiga laddningsvikter i storleksordningen hundratals kilogram."
Heyburn och kollegor analyserade data från explosionerna som samlats in av IMS seismiska stationer runt om i världen och från en hydrofonstation nära Ascension Island i södra Atlanten för testerna 2008 och 2016. Forskarna använde lokaliseringsdata från marinen för flera av explosionerna som ett sätt att förbättra noggrannheten i beräkningar som används för att peka ut epicentrum av explosioner utan tillgänglig marksanningsdata.
Tidigare forskning om detonationer i Döda havet och andra undervattenstestplatser har visat att det finns ett samband mellan den lokala storleken på en explosion och dess laddningsvikt. Efter att ha tagit hänsyn till salthalten i havsvattnet nära Florida, Heyburn och kollegor kunde modifiera Döda havets beräkningar för att uppskatta flottans laddningsvikter från publicerade uppskattningar av lokal magnitud för explosionerna.
Undervattensexplosioner ger också unika seismiska egenskaper som kan användas för att identifiera källan. En sådan anmärkningsvärd egenskap är bubbelpulsen, den undervattenspulsering som genereras av gasbubblan som skapas av explosionen när den expanderar och drar ihop sig i storlek. Forskarna kunde identifiera bubbelpulsen i de seismiska uppgifterna, bekräftar att de seismiska signalerna var resultatet av en undervattensexplosion.
Bubbelpulsen observerades inte lika tydligt vid Ascension Islands hydrofonstation, och Heyburn och kollegor föreslår att det grunda vattnet utanför Floridas kust kan ha förvrängt de hydroakustiska signalerna från explosionen. "Detta visade att både seismiska och hydroakustiska data kan vara viktiga när man analyserar signaler från undervattensexplosioner, sa Heyburn.
