Je leest:

Hoe seismologen de kracht van een kernbom bepalen

Hoe seismologen de kracht van een kernbom bepalen

Onderzoek naar de kernproef van Noord-Korea

Na de kernproef van Noord-Korea begin deze maand kwam de berichtenstroom snel op gang: de explosie had een kracht van zo’n honderd kiloton TNT, en het ging om een nucleair wapen. Maar hoe weet men dat eigenlijk?

Kim jong un
Kim Jong-un, de Grote Leider van Noord-Korea, claimt dat Noord-Korea bij de kernproef op 3 september een waterstofbom tot ontploffing bracht. Dat is waarschijnlijk bluf.
Rftest1204, Wikimedia Commons, via CC BY-SA 4.0

De kernproef in Noord-Korea die afgelopen zondag de wereld opschrikte, had een sterkte rond de 100 kiloton TNT-equivalent. Dat betekent dat er bij de klap evenveel energie vrij kwam als bij de explosie van 100 kiloton (dus 100 miljoen kilo) van de springstof TNT. Dat krijg je alleen met een atoombom voor elkaar, wisten de experts, dus klopte de claim van Kim Jong-un dat dit een kernproef was. Dat het om een waterstofbom ging, zoals hij ook beweerde, is echter minder waarschijnlijk. Bij zo’n bom verwacht je een explosie die vele malen sterker is – tenzij de proef deels mislukt is.

Verschillende schattingen

Tot zover was iedereen het eens. Over de exacte sterkte van de explosie liepen de schattingen echter nogal uiteen. Zo kwamen seismologen van het Noorse onderzoeksinstituut NORSAR (dat speciaal is opgericht om kernproeven te detecteren) uit op 120 kiloton TNT-equivalent. Maar in de berichtenstroom kom je ook lagere (vanaf ongeveer 60 kiloton) en hogere (tot enkele honderden kiloton) waarden tegen. Duidelijk was in elk geval dat deze kernproef de eerdere testen van Noord-Korea vele malen overtrof. Dat zag men op de seismometers, die de trillingen van de aarde registreren.

Kernproeven seismogrammen
Seismogrammen van alle zes kernproeven van Noord-Korea, gemeten in Hedmark, Noorwegen. Het onderste signaal is van de zesde proef – en overduidelijk een stuk sterker dan de andere.

Schokgolven

Bij een kernproef explodeert een bom die de bodem doet beven. Dit veroorzaakt schokgolven, die door de aarde heen reizen en worden opgepikt door seismometers, net zoals dat bij aardbevingen gebeurt. Na de kernproef van Noord-Korea sloegen de seismometers fors uit – alsof er een aardbeving met een magnitude 6,2 had plaatsgevonden. De klap moest dus groot zijn. Maar hoe groot precies?

De energie van een aardbeving gaat per punt op de magnitudeschaal met een factor 31,6 omhoog. De vorige kernproef van Noord-Korea veroorzaakte trillingen vergelijkbaar met een aardbeving van magnitude 5,2 en werd ingeschat op 15 kiloton TNT. Als de schatting van de vorige kernproef dus zou kloppen, en alle energie van de bom zou worden omgezet in trillingen, zou bij de nieuwe klap 31,6 keer meer energie moeten zijn vrijgekomen. Dan kom je uit op 474 kiloton TNT.

Vergelijkingsmateriaal

Nagasaki 1945   before and after
De atoombom Little Boy die in 1945 op Hiroshima viel had een kracht van 15 kiloton, de atoombom Fat Man die een paar dagen later Nagasaki verwoestte 20 kiloton. De explosie van afgelopen zondag was dus vijf tot tien maal sterker. Op de foto Nagasaki, voor en na Fat Man.
U.S. National Archives, RG 77-MDH, via Wikimedia Commons, Publieke domein

Maar zo simpel is het niet. Niet alle energie van de klap gaat in de trillingen zitten, en daarnaast hangt de uitslag van de seismometers ook af van andere zaken, zoals de diepte van de kernproef. Daarom vergelijken de seismologen de golfpatronen die ze zien op hun seismogrammen met die van eerdere kernproeven in Rusland en Amerika, waarvan de sterkte bekend is. Om extra vergelijkingsmateriaal te verkrijgen doen wetenschappers ook nieuwe, gecontroleerde explosies. In Nevada hebben ze speciaal voor dit doel al zes keer een ondergrondse kernproef gesimuleerd – maar dan met conventionele explosieven.

De grootste ondergrondse kernproef van de Sovjet Unie in 1976 had een kracht van 150 kiloton – net op de grens van wat toen nog mocht, volgens de in 1974 afgesproken Treshold test Ban Treaty. “Dat veroorzaakte een magnitude van 6,1”, vertelt Paul Richards, seismoloog bij de Columbia Univeristy in de VS en gespecialiseerd in de seismiek van ondergrondse kernproeven. “De test van afgelopen zondag had een hogere magnitude, en was op een plek waar de bodem mogelijk minder sterk reageert”, zegt Richards. “Mijn eerste vermoeden is dat deze explosie rond de 250 kiloton zat – maar dan voorlopig, tot we ook de diepte kennen, wel met een onzekerheid van een factor 2.”

Golven door de aarde

De seismologen van NORSAR deden hun schatting van de kracht van de bom niet aan de hand van de magnitude, maar keken alleen naar de golven die door de diepe aarde heen reizen (de ruimtegolven). In hun analyse deden de oppervlaktegolven dus niet mee. Uit testen die tot nu toe gedaan zijn, blijkt een verband tussen deze ruimtegolven en de kracht van de bom te zitten, vertelt Svein Mykkelveit, seismoloog bij NORSAR. “Dat verband is voor elke plek anders, maar kan je berekenen als je de geologische omstandigheden kent die bepalen hoe snel de golven uitdempen.” Maar ook NORSAR’s schatting van 120 kiloton gaat gepaard met onzekerheden, zegt hij er meteen bij.

De seismologen van NORSAR hanteren een lagere waarde voor de magnitude van de trillingen van de kernproef dan veel andere seismologen: ze gaan uit van een magnitude van ‘slechts’ 5,8. Daarmee levert de regel die stelt dat de energie met een factor 31,6 per magnitudepunt toeneemt opeens toch het verwachte resultaat op. Vergeleken met de vorige beving (die magnitude 5,2 had en waarbij voor 15 kiloton TNT aan energie vrijkwam) zou de energie dan met een factor 31,6 0,6 ~ 8 zijn toegenomen. Ook dan kom je uit op 120 kiloton. Maar dat geldt niet altijd, en is dus min of meer toevallig.

Was het wel een test?

Forensisch seismologen – dus seismologen die gespecialiseerd zijn in seismische signalen die niet door aardbevingen zijn veroorzaakt – hebben verschillende manieren om te bepalen of een beving natuurlijk is of niet. Noord–Korea gebruikt altijd dezelfde testlocatie: de Punggye-ri, gelegen op (en vooral in) de berg Mantap in het noordoosten van het land. Daar heb je weinig tektonische activiteit, dus als daar een signaal vandaan komt is het vrijwel zeker dat het om een kernproef gaat.

Kernproeven kaart
Alle zes kernproeven van Noord-Korea werden gehouden op de testlokatie Pungggye-ri, in het tunnelstelsel onder de (granieten) berg Mantap.

Maar ook aan de vorm van het binnenkomende golfsignaal is het te zien: dat heeft een duidelijk herkenbaar, afwijkend patroon. “Voor deze plek in Noord-Korea is het netwerk van seismometers groot genoeg om zelfs ontploffingen van maar een paar kiloton TNT-equivalent te detecteren”, vertelde Richards eerder deze maand nog in een artikel op de website tremblor.net. Niet dat deze meters speciaal voor dit doeleinde zijn neergezet – ze zijn er vooral om in de gaten te houden wat er in en rond aardbevingsgevoelige landen als Japan en China gebeurt.

In Noord-Korea is er overigens meestal nóg een aanwijzing dat de trillingen van een kernproef komen. Dat zijn de nieuwsbulletins in het land zelf, die de proeven altijd vol trots, vaderlandsliefde en vijandsverachting aan het volk presenteren.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 september 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE