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地震仪通常是用于研究地震的（如几天前发生在墨西哥的8.1级强地震），但现在的地震仪越来越精密成熟，它们已能被用来检测最轻微的地面运动了，无论是因为地球深处的运动还是源于地球表面发生的事件。但是，地震学家究竟是如何解读从世界各地的地震仪中获取的信号的呢？还有，他们如何分辨这些振动是由地震、核试验还是飓风造成的呢？ △ 在大西洋和墨西哥湾拍摄到的厄玛、何塞（右）和卡蒂亚（左）飓风的卫星图片。（图片来源：NOAA） 地震仪是一种高度灵敏的仪器，足以灵敏到检测在地球另一测发生的5级地震。此外，大多数地震检测台都在地下几米处设有传感器，能敏锐地受到地表发生的振动影响。地震学家可以对任何噪音来源进行“暗中观察”，从在附近区域行走的牛群到呼啸而过的卡车和火车。 核试验 大家或许还记得约一周前的9月3日，朝鲜发表声明宣称已经成功地测试了一枚地下氢弹。这一爆炸得到全球各地地震仪的证实。美国地质勘探局检测到该振荡发生在位于朝鲜西北部的丰溪里核试验场，震级为6.3级。韩国气象局的地震和火山中心也发现了迄今为止朝鲜展开的最强一次试验。 当爆炸发生时，产生的振动能被地震传感器检测到。在附近的地震监测站还频繁出现采矿和采石场的爆炸事件。在核爆炸的情况下，引起的振动之大足以产生能波及全球的地震波。 在核武器发展早期，人们就已经意识到地震学可以用来检测这方面的试验。对可靠地震数据来监测地下核爆的需求，在上世纪60年代的世界标准化地震仪网络的发展中扮演重要角色。 现如今，国际监测系统（IMS）有超过150个地震台站被用于检测违反1996年开放并签署的“全面禁止核试验条约（CTBT）”的核试验。IMS同时也采用其他检测技术，包括次声、水声和放射性核素监测。 确定一个地震信号是源自爆炸还是地震的关键在于产生的波的自然属性。有三种地震波是地震学家可以探测到的。最快的被称为P波（Primary wave），它们是传播方向与造成的地面振动方向相同的地震纵波，与空气中传播的声波相似。S波（Secondary wave）是造成的振动垂直于传播方向的横波。 P和S波都传播于地球深处，并被统称为体波。与之相比的是第三类地震波，叫做面波，因它们出现在靠近地球表面的区域。在地震中，通常是面波引起地面上的多数震动。 爆炸中，大部分的振波能量随着爆炸物迅速膨胀向外释放。这意味着震波曲线图中显示的最大信号来自于P波。因此与地震相比，爆炸所造成地震数据具有其明显的特征，因为在地震中S波和面波应具有更高的振幅。 所以地震学家可以通过比对测量到的地震数据，来确定是否发生了爆炸。发生核试验的另一个测试对象是波源的深度，因为核试验装置不可能被放置在超过地表以下10公里深的地方。 然而，尽管地震数据可以告诉我们是否发生了爆炸事件，但并不能直接识别出这是否能被视为核爆炸。IMS需对试验现场泄漏的放射性气体进行检测，才能最终确定爆炸的是怎样的炸弹。 △ 挪威海德马克郡的地震阵列NORSAR针对朝鲜进行六次测试记录的地震数据。前五条轨迹显示了朝鲜在2006、2009、2013和2016年进行的五次测试，从图中可看出2017年的这次测试是迄今为止最强的。（图片来源：NORSAR） 当朝鲜在2013年进行核试验时，55天后才检测到放射性氙气，而且这还不一定总是可行的。检测到这种气体与否首先取决于是否发生了泄漏，再就是它们在大气中会如何传播。 另外，像朝鲜政府所说的那样，地震数据并不能表明核装置的大小，也不能判断它能否被附加在弹道导弹上。 地震学能够告诉我们的是，通过测量地震震级来确定爆炸大小。这并不是一件简单易行的事，它取决于我们对于炸弹埋藏的深度、以及测试现场岩石属性的了解。不过通过比较这次最新测试的数据与前五次在朝鲜进行的测试来看，我们可以肯定这是迄今为止最大的一次爆炸。 挪威地震观测站（NORSAR）对这次试验进行的估算结论为其相当于120千吨TNT爆炸，比1945年在长崎落下的原子弹强六倍，与氢弹的预期范围一致。 飓风震？ 过去几周内让我们忧心忡忡的还不仅是朝鲜的核试验。在大西洋，飓风哈维、厄玛和卡蒂亚席卷了美国南部、墨西哥和加勒比地区，并造成巨大破坏。 大西洋飓风可能发生在6月至11月间的任何时间。据飓风专家介绍，我们正处于风暴高峰期。在8、9、10月间迅速形成的风暴并不罕见。 国家飓风中心（NHC）是在大西洋和东太平洋地区发送飓风预报和警报的权威机构。他们的气象学家结合使用地面天气传感器（例如风、压力、多普勒雷达）和卫星数据来进行预测。 随着厄玛飓风袭击大西洋，接近加勒比岛瓜德罗普岛时，被当地地震仪检测到其踪迹，得以让新闻界开始疯狂报道。对许多人来说，地震仪能捕捉暴风雨和飓风的迹象算是一个小惊喜。 △ 本文作者之一Stephen Hicks在英国南安普顿于9月5号发布的推特: 瓜德罗普岛的地震仪在过去48小时记录的地震数据显示飓风厄玛正靠近小安的列斯群岛。 但实际上，地震仪检测到一个正在接近的飓风并不是什么特别神奇的事。并没有证据表明飓风会直接导致地震，那么我们可以从飓风中探测到什么信号呢？地震学家更倾向于将这种地震能称为“噪音”，而不是“信号”，因为这对于地震学家真正努力寻找的目标而言是种干扰。 来自风暴的地震噪声与我们在地震中看到的“砰”的一声并不同。这种噪声是相对较低沉的“嗡嗡声”，随着风暴的靠近逐渐变得越来越大。当风暴越来越接近传感器时，这种嗡嗡声变成稍高亢的“沙沙声”。随着飓风向外漂移，这种地震能会随之消散。从瓜德罗普岛上的地震仪对飓风厄玛记录的数据中，可以清楚地目睹这一现象。 是什么原因造成这些嗡嗡声和沙沙声呢？如果观察来自全球任何监测站的地震数据的频率范围，会发现噪声在〜0.2 Hz（5s为周期）的频率上出现最多。我们称这些嗡嗡声为“微震”。微震是由与地震无关的持续性地震波引起的，它发生在地球上的大部分地区。微震的最主要来源之一就是海洋的浪涌。在飓风中，浪涌增强，海浪变得更加活跃，最终撞击到海岸线上，将地震能转移到地面。这一现象在被水环绕的岛上更为明显。 随着飓风越来越接近岛屿，显著增强的风速可能会弱化较长周期的微震的噪声水平。风让树木、电线杆、和它自身表面沙沙作响，将地震能传递到地面，并触动地震仪内的敏锐部件。当更接近风暴的中心时，这种效应会导致更高音调的“沙沙声”。阵阵狂风也能在地震仪装置内部和地震仪本身产生压力差，从而产生更长的周期波动。 地震仪测量风暴并不是什么新鲜事了。最近，哈维飓风震动了德克萨斯州南部的地震仪。在英国，横跨大西洋的冬季风暴也能导致很高的微震水平。 使用地震记录仪来帮助预测飓风是很困难的，因为这取决于传感器离海岸的距离以及现场暴露在风里的程度。如果发生地表风，且压力传感器受到风暴的破坏的情况下，位于地下的受保护的地震仪可能有助于描绘飓风眼的大致位置，前提是假设能维持它们的电力，能持续发送实时数据。 由于飓风的影响，在安的列斯群岛北部的几个地震监测站都受到影响。鉴于某些岛屿被毁坏的程度，这些台站可能至少需要几个月才能重新上线。小安的列斯群岛是地球构造上非常活跃且复杂的部分，因此恢复这些传感器的运行对该地区的地震和火山灾害监测至关重要。 撰文：Neil Wilkins，Steven Hicks 翻译：原原 |
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