作为总统，我将与参议院联系，以确保在最早切实可行的日期批准《全面禁止核试验条约》（CTBT），然后启动外交努力，争取条约生效所需的其他国家也加入。
——贝拉克·奥巴马，2008年9月10日
在本文付梓之际，伊朗的核计划正在迅速扩大其铀浓缩能力。去年11月在印度孟买发生的恐怖袭击事件再次引发了印度和巴基斯坦之间核武器交换的幽灵——一场可能导致两国数千万公民丧生并导致全球气候剧变的“地区战争”。据报道，朝鲜在2006年10月9日成功进行了首次裂变武器爆炸试验，加入了核俱乐部，并且已经分离出足够制造至少六枚原子弹的武器级铀。八个国家公开试验了核武器，以色列也被推定拥有核武器。恐怖分子可能获得此类武器的可能性是美国国土安全部及其世界各地对口部门最可怕的噩梦。
然而，也存在减少核紧张局势的希望迹象。到2008年底，已有180个国家签署了《全面禁止核试验条约》（CTBT），该条约禁止所有核爆炸，包括核武器的爆炸性试验。该条约于1996年9月由联合国大会通过，并由比尔·克林顿总统和许多其他世界领导人迅速签署，旨在限制已拥有核武器的国家进一步发展核武器，并防止未拥有核武器的国家有信心地建造核武器，使其能在战场上发挥作用。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
即使《全面禁止核试验条约》尚未生效，每个签署它的国家——包括美国和俄罗斯——至少自联合国投票通过该条约以来，都维持了暂停核武器试验的承诺。（自1996年以来进行过核武器试验的三个国家——印度、朝鲜和巴基斯坦——尚未签署该条约。在美国，尽管国内对该条约本身存在严重反对意见，但暂停试验仍在继续。1999年，美国参议院拒绝就批准该协议提供宪法规定的“建议和同意”，并且在2000年大选后不久，乔治·W·布什总统宣布《全面禁止核试验条约》不符合国家安全利益。
一些参议员投票反对该条约的原因是担心是否存在足够的工具来探测秘密核试验的企图——从而查明违反条约的行为。如果美国无法判断其他国家是否作弊，那么放弃试验有什么意义呢？这种论点认为。当我们睡觉时，其他国家可能会秘密进行试验，从而提高其损害美国及其盟友利益的能力。
我们认为，这些对监测的担忧是没有根据的——而且已经持续了好几年。科学和技术界已经发展出一种成熟的能力，可以监测世界上任何地方、地上或地下的具有军事意义的核试验爆炸，并将它们与矿井坍塌、地震和其他自然或非核现象区分开来。例如，朝鲜在2006年进行的地下试验的当量小于一千吨（相当于1000吨TNT炸药）。然而，它被迅速探测和识别出来。鉴于这种已被证明的能力，以及监测技术的不断改进，对秘密核试验的担忧不再为反对《全面禁止核试验条约》提供站得住脚的理由。
了解要寻找什么
监测核爆炸的科学与核试验本身一样古老。从一开始，美国进行监测的主要理由就是收集有关潜在对手能力的基本信息。第二个重要原因是支持关于核军备控制的国际条约。如果每个《全面禁止核试验条约》的缔约国都有理由相信，任何隐藏核试验的企图都很可能会失败，那么对国际制裁的恐惧可能会阻止该国进行试验。自第二次世界大战结束以来，已经进行了2000多次爆炸性核试验——在大气层、水下和地下。从这些记录中，调查人员在获取和解释核爆炸信号方面获得了丰富的经验。
核试验爆炸会产生各种可能被探测到的信号。例如，大气层中的爆炸会发出强烈的闪光，卫星可以对其进行成像。爆炸的轰鸣声在人类听觉范围内的频率迅速消散，但在“次声”频率（低于20赫兹）下，声波可以在空气中传播很远的距离。配备微气压计的次声“监听”站可以探测到构成次声信号的非常小的气压变化。
所有核爆炸都会产生某些稳定元素的放射性同位素，在大气层试验中，这些同位素会以气体的形式被吹到高空。当它们冷却时，其中一些同位素，例如放射性氙，会以气相形式保留下来，作为核爆炸的明显迹象。其他同位素会凝结并与灰尘结合，形成可以在世界各地漂浮的颗粒。早在1948年，美国空军就监测了美国在太平洋进行的大气层试验爆炸，并证实这种放射性颗粒足够大，可以通过像制作咖啡所用的滤纸一样抽空气通过滤纸来收集。
放射性同位素探测很快证明了它的价值。1949年9月3日，一架飞往堪察加半岛以东的WB-29轰炸机收集到的数据证明，四天前，苏联已成为世界上第二个试验核装置的国家。碎片中同位素的混合物——特别是钚和铀238——讲述了它自己的故事：苏联试验了
一颗几乎完全复制了美国在长崎投下的2.1万吨级炸弹的炸弹。
在美国核计划的早期，爆炸试验也在水下和大气层中进行。声音在水中传播非常有效，特别是当声能被温度和盐度的轻微变化捕获时，这些变化定义了所谓的声波固定和测距通道：SOFAR层。显而易见的是，当量小至几百万分之一千吨的水下爆炸因此可以通过水听器或水下麦克风进行监测，方法是将它们放置在海水中2000至4000英尺深的SOFAR层附近。
地震监测
1963年，经过长期而激烈的谈判，美国、苏联和英国（“核俱乐部”的前三个成员）签署了《有限禁止核试验条约》。《有限禁试条约》禁止在外层空间、大气层和水下进行核试验。然而，该条约的缔约方仍然可以在地下进行核爆炸试验。因此，地震波传递的信息——弹性波能量，它由于撞击、坍塌、滑动、爆炸或其他作用于地球的力而穿过地球——很快成为监测界关注的焦点。幸运的是，探测地震所需的传感器也可以兼作探测炸弹爆炸的传感器。但是，弄清楚如何区分地震和炸弹爆炸花费了数年时间，并且这项工作的改进仍在继续。
主要困难来自于地震、化学爆炸和其他每天产生地震信号的非核现象的多样性和数量。任何良好的监测网络都无法避免探测到这些信号。例如，在世界范围内，每天有600多次地震最终进入国际摘要报告，工业化国家的采矿作业每年爆炸数百万吨炸药。总而言之，每天大约发生25次震级超过4级的地震事件，并且对于震级每降低一个单位（例如，震级从4级降至3级，事件数量从每天25次增加到250次），这个数字会增加约10倍。
在地球上的大多数地点，震级4级相当于在坚硬岩石中的小空腔内装填的地下爆炸装置的爆炸当量小于一千吨，从中地震信号有效地辐射出来。在其他地点，岩石较软，爆炸能量被吸收得更多，从而降低了测得的地震震级。一些政策制定者担心，一个国家可能会试图通过改变试验的直接环境来减少地震信号。例如，在岩石中挖空一个大空腔可以部分地掩盖爆炸产生的地震波，但是对于任何具有军事用途的试验爆炸，空腔都必须非常大，以至于它会坍塌或以其他方式引起注意——例如，挖掘出的材料必须对卫星隐藏起来。被发现的风险将非常高。
实际上，仅通过地震监测，通过检查每天大约50到100次地震事件，就可以以90%的可靠性探测到所有当量低至一千吨的核爆炸。为了探测当量更低的核爆炸，必须检查的地震事件数量会增加。然而，即使是一千吨，对于核爆炸来说也是非常小的，根据美国国家科学院2002年的一份报告，这种规模的试验对于试图制造更大核武器的试验国家来说几乎没有什么用处——特别是如果该国几乎没有核试验的经验。
关注哪里，忽略什么
监测核爆炸始于探测信号，然后尝试收集和关联由来自同一事件的各个监测站记录的所有信号。最后的步骤是估计事件的位置，主要根据信号到达不同站的时间差，并识别它。例如，它是否具有流星在大气层中解体、矿山爆炸、核武器试验的特征？如果是后者，它有多大？其当量是多少？哪个国家进行的？
绝大多数地震事件可以通过计算机算法自动分类；只有难处理的情况才会被软件标记出来供人工干预。专家们多年来一直在监测地震和矿山爆炸，因此非常熟悉它们的许多特征在地震记录中的反映方式。反过来，这些知识有助于为识别核试验爆炸的努力提供信息。特别是，几种地震事件成为试金石，因为制定了将特定事件识别为核爆炸的协议。
其中一种事件是一系列矿井坍塌——1989年德国发生一次，1995年又发生两次，一次在俄罗斯，另一次在美国。世界各地的地震台站都探测到了这三次事件，但数据引起了人们的担忧，因为在很远的距离，区分爆炸与其他地震事件的经典方法错误地暗示这些事件是地下爆炸。在那种经典方法中，地震学家将沿着地球表面传播的长波长地震波的强度与穿过行星内部深处的体波的强度进行比较。例如，浅层地震和地下爆炸可能会引发相同强度的体波，但如果是这样，地震产生的面波将明显强于地下爆炸产生的面波。
对矿井坍塌产生的地震波的更仔细分析表明，这些波不可能来自爆炸，因为它们始于波谷而不是波峰：地面最初是向震源向内移动而不是向外移动，正如人们对矿井坍塌的预期一样。这一事件很重要，因为它表明，仅凭地震记录就可以可靠地区分这种事件与地下爆炸。
第二个事件说明了两种体波之间的地震区别对于监测核爆炸的重要性。1997年，在卡拉海，俄罗斯前北极岛屿新地岛的核试验场附近，探测到一次震级为3.5级的小地震冲击波，以及一次更小的余震。俄罗斯是否违反了其作为《全面禁止核试验条约》签署国的义务？
来自该事件的面波太小而无法可靠测量，因此再次无法应用识别爆炸的经典方法——比较长波长面波与体波的强度。但是，对“区域”地震波的探测解决了这个问题，区域地震波穿过地球的上地幔和地壳，并且可以在事件发生后约1000英里范围内测量到。它们使地震学家能够区分事件产生的压缩波或P波与剪切波或S波。（P波作为压缩和稀疏的振荡区域沿波传播的同一方向传播；S波在垂直于传播方向的方向上振荡。）
众所周知，爆炸产生的P波通常比S波强，但是这种区别才刚刚开始应用于高于5赫兹的频率。这一次，在高频下测得的P波和S波强度之比——以及主震有余震的事实——表明卡拉海事件是一次地震。
更多眼睛捕捉作弊者
第三个试金石事件，即2006年10月9日朝鲜核试验爆炸，说明了尽可能靠近震源记录地震波的重要性。尽管估计其当量小于一千吨，但爆炸仍在世界各地的传感器上留下了痕迹。但是，需要区域地震数据来确定信号来自爆炸而不是地震。实际上，世界已经做好了充分的准备。附近有几个地震台站，包括全面禁止核试验条约组织（CTBT）自身的核爆炸监测系统国际监测系统（IMS）网络中的一个台站。
在地震探测到朝鲜试验以及朝鲜宣布试验之后，亚洲以及太平洋彼岸加拿大IMS台站的空气和地面中的放射性物质决定性地证实了爆炸是核爆炸。探测到放射性本身就非常令人放心。朝鲜试验场的地形表明，爆炸深度比大多数其他亚千吨级试验要深。然而，试验仍然泄漏了放射性物质。
对这些和其他特殊地震事件的经验表明，用于解决特定监测问题的最佳地震数据有时可能来自不属于任何条约监测网络的台站。这些台站的建立有其他目标，可以提供密集的覆盖范围，从而有可能加强从专用监测网络获得的证据。例如，朝鲜地区的监测站非常密集，以至于可以在那里探测到当量低至千吨级百分之几的地下爆炸。
用于快速分析、组装和分发大量地震数据的经过充分测试的地震台站网络已经存在，完全独立于IMS。世界各地已经建立了数千个地震仪，以评估地震危害并确定我们星球的内部结构。在美国，美国地质调查局和美国大学地震学研究联合会（一个由100多所美国大学组成的联合体）正在联合建设和运营地震数据系统。截至2008年底，IRIS正在接收来自71个网络的当前地震数据，这些网络运行着1797个台站，包括美国境外的474个台站。一个国际组织，数字地震网络联合会，在数据收集方面发挥着巨大且仍在增长的作用。这些网络非常适合捕捉意外的核试验爆炸，以及来自事件的高质量区域信号，如果仅由稀疏的全球网络分析这些事件，则这些事件可能看起来可疑。这些数据可以补充IMS和各种国家条约监测网络的数据。
在上述所有网络中，一个特别值得注意的网络是美国仍然专门维护的用于探测核爆炸的监测系统。原子能探测系统（AEDS）由位于佛罗里达州帕特里克空军基地的空军技术应用中心（AFTAC）运营，包括广泛的全球地震仪网络。AFTAC在美国政府内部报告来自AEDS网络的数据。如果《全面禁止核试验条约》最终生效，并且AEDS或某些其他国家设施探测到可疑事件，则可以在国际论坛上提交此类数据，从而补充IMS收集的信息。
必须降低到多低？
即使现有技术可以找出相当小的炸弹试验，并且监测方面的技术进步无疑将继续下去，但也必须提出一个实际的警告。显然，不可能以100%的可靠性探测到所有尺寸的爆炸，一直降至零爆炸当量。从这个意义上说，监测是不完美的。但是，一个技术先进的国家或许可以向世界其他国家隐瞒一次非常小的核爆炸，即使这次爆炸在核武器计划中没有任何实际用途，这真的重要吗？监测系统的目标是确保成功隐瞒的核试验爆炸的当量必须非常低，以至于该试验将缺乏军事效用。
在20世纪50年代，德怀特·D·艾森豪威尔总统愿意同意全面禁止核试验，即使监测的灵敏度不足以探测当量小于几千吨的爆炸。今天，监测更加有效。如果原则上可以引爆当量小于一千吨的核装置而不会被探测到，《全面禁止核试验条约》是否值得废弃？国家科学院2002年的分析认为，恰恰相反，批准《全面禁止核试验条约》将对美国国家安全产生积极影响。
然而，军方和核武器实验室的一些领导人反对《全面禁止核试验条约》。他们辩称，该条约阻止美国验证其现有核武库的持续可用性或开发更先进的核武器。但是，美国核武器储备中经过验证的设计的可靠性实际上并不依赖于核试验爆炸计划。相反，可靠性是通过不受《全面禁止核试验条约》限制的非爆炸性试验来确保的。至于新型核武器，《全面禁止核试验条约》是一种障碍——正如其旨在成为的那样——并且其对美国武器开发的限制必须在政治上与它对所有签署国施加的限制的优点进行权衡。
我们的讨论涉及了与武器开发和监测相关的几个重要的技术问题，这些问题是在美国判断批准《全面禁止核试验条约》是否符合国家利益时出现的。不幸的是，对《全面禁止核试验条约》持有强烈意见的个人和组织有时会将这些问题——特别是对监测能力的评估——变成对条约本身及其暗示的权衡进行全面政治评估的替代战场。我们希望，主要的辩论应该直接集中在该条约的优点上，并与对监测能力的专业技术审查保持分离。
如果《全面禁止核试验条约》最终生效，国际试验的实际暂停将正式确立。那么，该条约就可以成为它一直以来的目标：加强全球努力以防止核武器扩散和新的核军备竞赛的关键一步。
注意：本文最初印刷时的标题为“监测核爆炸”。