作為總統，我將與參議院聯絡，以確保在最早切實可行的日期批准《全面禁止核試驗條約》（CTBT），然後啟動外交努力，爭取條約生效所需的其他國家也加入。
——貝拉克·奧巴馬，2008年9月10日
在本文付梓之際，伊朗的核計劃正在迅速擴大其鈾濃縮能力。去年11月在印度孟買發生的恐怖襲擊事件再次引發了印度和巴基斯坦之間核武器交換的幽靈——一場可能導致兩國數千萬公民喪生並導致全球氣候劇變的“地區戰爭”。據報道，朝鮮在2006年10月9日成功進行了首次裂變武器爆炸試驗，加入了核俱樂部，並且已經分離出足夠製造至少六枚原子彈的武器級鈾。八個國家公開試驗了核武器，以色列也被推定擁有核武器。恐怖分子可能獲得此類武器的可能性是美國國土安全部及其世界各地對口部門最可怕的噩夢。
然而，也存在減少核緊張局勢的希望跡象。到2008年底，已有180個國家簽署了《全面禁止核試驗條約》（CTBT），該條約禁止所有核爆炸，包括核武器的爆炸性試驗。該條約於1996年9月由聯合國大會透過，並由比爾·克林頓總統和許多其他世界領導人迅速簽署，旨在限制已擁有核武器的國家進一步發展核武器，並防止未擁有核武器的國家有信心地建造核武器，使其能在戰場上發揮作用。
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即使《全面禁止核試驗條約》尚未生效，每個簽署它的國家——包括美國和俄羅斯——至少自聯合國投票透過該條約以來，都維持了暫停核武器試驗的承諾。（自1996年以來進行過核武器試驗的三個國家——印度、朝鮮和巴基斯坦——尚未簽署該條約。在美國，儘管國內對該條約本身存在嚴重反對意見，但暫停試驗仍在繼續。1999年，美國參議院拒絕就批准該協議提供憲法規定的“建議和同意”，並且在2000年大選後不久，喬治·W·布什總統宣佈《全面禁止核試驗條約》不符合國家安全利益。
一些參議員投票反對該條約的原因是擔心是否存在足夠的工具來探測秘密核試驗的企圖——從而查明違反條約的行為。如果美國無法判斷其他國家是否作弊，那麼放棄試驗有什麼意義呢？這種論點認為。當我們睡覺時，其他國家可能會秘密進行試驗，從而提高其損害美國及其盟友利益的能力。
我們認為，這些對監測的擔憂是沒有根據的——而且已經持續了好幾年。科學和技術界已經發展出一種成熟的能力，可以監測世界上任何地方、地上或地下的具有軍事意義的核試驗爆炸，並將它們與礦井坍塌、地震和其他自然或非核現象區分開來。例如，朝鮮在2006年進行的地下試驗的當量小於一千噸（相當於1000噸TNT炸藥）。然而，它被迅速探測和識別出來。鑑於這種已被證明的能力，以及監測技術的不斷改進，對秘密核試驗的擔憂不再為反對《全面禁止核試驗條約》提供站得住腳的理由。
瞭解要尋找什麼
監測核爆炸的科學與核試驗本身一樣古老。從一開始，美國進行監測的主要理由就是收集有關潛在對手能力的基本資訊。第二個重要原因是支援關於核軍備控制的國際條約。如果每個《全面禁止核試驗條約》的締約國都有理由相信，任何隱藏核試驗的企圖都很可能會失敗，那麼對國際制裁的恐懼可能會阻止該國進行試驗。自第二次世界大戰結束以來，已經進行了2000多次爆炸性核試驗——在大氣層、水下和地下。從這些記錄中，調查人員在獲取和解釋核爆炸訊號方面獲得了豐富的經驗。
核試驗爆炸會產生各種可能被探測到的訊號。例如，大氣層中的爆炸會發出強烈的閃光，衛星可以對其進行成像。爆炸的轟鳴聲在人類聽覺範圍內的頻率迅速消散，但在“次聲”頻率（低於20赫茲）下，聲波可以在空氣中傳播很遠的距離。配備微氣壓計的次聲“監聽”站可以探測到構成次聲訊號的非常小的氣壓變化。
所有核爆炸都會產生某些穩定元素的放射性同位素，在大氣層試驗中，這些同位素會以氣體的形式被吹到高空。當它們冷卻時，其中一些同位素，例如放射性氙，會以氣相形式保留下來，作為核爆炸的明顯跡象。其他同位素會凝結並與灰塵結合，形成可以在世界各地漂浮的顆粒。早在1948年，美國空軍就監測了美國在太平洋進行的大氣層試驗爆炸，並證實這種放射性顆粒足夠大，可以透過像製作咖啡所用的濾紙一樣抽空氣透過濾紙來收集。
放射性同位素探測很快證明了它的價值。1949年9月3日，一架飛往堪察加半島以東的WB-29轟炸機收集到的資料證明，四天前，蘇聯已成為世界上第二個試驗核裝置的國家。碎片中同位素的混合物——特別是鈽和鈾238——講述了它自己的故事：蘇聯試驗了
一顆幾乎完全複製了美國在長崎投下的2.1萬噸級炸彈的炸彈。
在美國核計劃的早期，爆炸試驗也在水下和大氣層中進行。聲音在水中傳播非常有效，特別是當聲能被溫度和鹽度的輕微變化捕獲時，這些變化定義了所謂的聲波固定和測距通道：SOFAR層。顯而易見的是，當量小至幾百萬分之一千噸的水下爆炸因此可以透過水聽器或水下麥克風進行監測，方法是將它們放置在海水中2000至4000英尺深的SOFAR層附近。
地震監測
1963年，經過長期而激烈的談判，美國、蘇聯和英國（“核俱樂部”的前三個成員）簽署了《有限禁止核試驗條約》。《有限禁試條約》禁止在外層空間、大氣層和水下進行核試驗。然而，該條約的締約方仍然可以在地下進行核爆炸試驗。因此，地震波傳遞的資訊——彈性波能量，它由於撞擊、坍塌、滑動、爆炸或其他作用於地球的力而穿過地球——很快成為監測界關注的焦點。幸運的是，探測地震所需的感測器也可以兼作探測炸彈爆炸的感測器。但是，弄清楚如何區分地震和炸彈爆炸花費了數年時間，並且這項工作的改進仍在繼續。
主要困難來自於地震、化學爆炸和其他每天產生地震訊號的非核現象的多樣性和數量。任何良好的監測網路都無法避免探測到這些訊號。例如，在世界範圍內，每天有600多次地震最終進入國際摘要報告，工業化國家的採礦作業每年爆炸數百萬噸炸藥。總而言之，每天大約發生25次震級超過4級的地震事件，並且對於震級每降低一個單位（例如，震級從4級降至3級，事件數量從每天25次增加到250次），這個數字會增加約10倍。
在地球上的大多數地點，震級4級相當於在堅硬岩石中的小空腔內裝填的地下爆炸裝置的爆炸當量小於一千噸，從中地震訊號有效地輻射出來。在其他地點，岩石較軟，爆炸能量被吸收得更多，從而降低了測得的地震震級。一些政策制定者擔心，一個國家可能會試圖透過改變試驗的直接環境來減少地震訊號。例如，在岩石中挖空一個大空腔可以部分地掩蓋爆炸產生的地震波，但是對於任何具有軍事用途的試驗爆炸，空腔都必須非常大，以至於它會坍塌或以其他方式引起注意——例如，挖掘出的材料必須對衛星隱藏起來。被發現的風險將非常高。
實際上，僅透過地震監測，透過檢查每天大約50到100次地震事件，就可以以90%的可靠性探測到所有當量低至一千噸的核爆炸。為了探測當量更低的核爆炸，必須檢查的地震事件數量會增加。然而，即使是一千噸，對於核爆炸來說也是非常小的，根據美國國家科學院2002年的一份報告，這種規模的試驗對於試圖製造更大核武器的試驗國家來說幾乎沒有什麼用處——特別是如果該國幾乎沒有核試驗的經驗。
關注哪裡，忽略什麼
監測核爆炸始於探測訊號，然後嘗試收集和關聯由來自同一事件的各個監測站記錄的所有訊號。最後的步驟是估計事件的位置，主要根據訊號到達不同站的時間差，並識別它。例如，它是否具有流星在大氣層中解體、礦山爆炸、核武器試驗的特徵？如果是後者，它有多大？其當量是多少？哪個國家進行的？
絕大多數地震事件可以透過計算機演算法自動分類；只有難處理的情況才會被軟體標記出來供人工干預。專家們多年來一直在監測地震和礦山爆炸，因此非常熟悉它們的許多特徵在地震記錄中的反映方式。反過來，這些知識有助於為識別核試驗爆炸的努力提供資訊。特別是，幾種地震事件成為試金石，因為制定了將特定事件識別為核爆炸的協議。
其中一種事件是一系列礦井坍塌——1989年德國發生一次，1995年又發生兩次，一次在俄羅斯，另一次在美國。世界各地的地震臺站都探測到了這三次事件，但資料引起了人們的擔憂，因為在很遠的距離，區分爆炸與其他地震事件的經典方法錯誤地暗示這些事件是地下爆炸。在那種經典方法中，地震學家將沿著地球表面傳播的長波長地震波的強度與穿過行星內部深處的體波的強度進行比較。例如，淺層地震和地下爆炸可能會引發相同強度的體波，但如果是這樣，地震產生的面波將明顯強於地下爆炸產生的面波。
對礦井坍塌產生的地震波的更仔細分析表明，這些波不可能來自爆炸，因為它們始於波谷而不是波峰：地面最初是向震源向內移動而不是向外移動，正如人們對礦井坍塌的預期一樣。這一事件很重要，因為它表明，僅憑地震記錄就可以可靠地區分這種事件與地下爆炸。
第二個事件說明了兩種體波之間的地震區別對於監測核爆炸的重要性。1997年，在卡拉海，俄羅斯前北極島嶼新地島的核試驗場附近，探測到一次震級為3.5級的小地震衝擊波，以及一次更小的餘震。俄羅斯是否違反了其作為《全面禁止核試驗條約》簽署國的義務？
來自該事件的面波太小而無法可靠測量，因此再次無法應用識別爆炸的經典方法——比較長波長面波與體波的強度。但是，對“區域”地震波的探測解決了這個問題，區域地震波穿過地球的上地幔和地殼，並且可以在事件發生後約1000英里範圍內測量到。它們使地震學家能夠區分事件產生的壓縮波或P波與剪下波或S波。（P波作為壓縮和稀疏的振盪區域沿波傳播的同一方向傳播；S波在垂直於傳播方向的方向上振盪。）
眾所周知，爆炸產生的P波通常比S波強，但是這種區別才剛剛開始應用於高於5赫茲的頻率。這一次，在高頻下測得的P波和S波強度之比——以及主震有餘震的事實——表明卡拉海事件是一次地震。
更多眼睛捕捉作弊者
第三個試金石事件，即2006年10月9日朝鮮核試驗爆炸，說明了儘可能靠近震源記錄地震波的重要性。儘管估計其當量小於一千噸，但爆炸仍在世界各地的感測器上留下了痕跡。但是，需要區域地震資料來確定訊號來自爆炸而不是地震。實際上，世界已經做好了充分的準備。附近有幾個地震臺站，包括全面禁止核試驗條約組織（CTBT）自身的核爆炸監測系統國際監測系統（IMS）網路中的一個臺站。
在地震探測到朝鮮試驗以及朝鮮宣佈試驗之後，亞洲以及太平洋彼岸加拿大IMS臺站的空氣和地面中的放射性物質決定性地證實了爆炸是核爆炸。探測到放射性本身就非常令人放心。朝鮮試驗場的地形表明，爆炸深度比大多數其他亞千噸級試驗要深。然而，試驗仍然洩漏了放射性物質。
對這些和其他特殊地震事件的經驗表明，用於解決特定監測問題的最佳地震資料有時可能來自不屬於任何條約監測網路的臺站。這些臺站的建立有其他目標，可以提供密集的覆蓋範圍，從而有可能加強從專用監測網路獲得的證據。例如，朝鮮地區的監測站非常密集，以至於可以在那裡探測到當量低至千噸級百分之幾的地下爆炸。
用於快速分析、組裝和分發大量地震資料的經過充分測試的地震臺站網路已經存在，完全獨立於IMS。世界各地已經建立了數千個地震儀，以評估地震危害並確定我們星球的內部結構。在美國，美國地質調查局和美國大學地震學研究聯合會（一個由100多所美國大學組成的聯合體）正在聯合建設和運營地震資料系統。截至2008年底，IRIS正在接收來自71個網路的當前地震資料，這些網路執行著1797個臺站，包括美國境外的474個臺站。一個國際組織，數字地震網路聯合會，在資料收集方面發揮著巨大且仍在增長的作用。這些網路非常適合捕捉意外的核試驗爆炸，以及來自事件的高質量區域訊號，如果僅由稀疏的全球網路分析這些事件，則這些事件可能看起來可疑。這些資料可以補充IMS和各種國家條約監測網路的資料。
在上述所有網路中，一個特別值得注意的網路是美國仍然專門維護的用於探測核爆炸的監測系統。原子能探測系統（AEDS）由位於佛羅里達州帕特里克空軍基地的空軍技術應用中心（AFTAC）運營，包括廣泛的全球地震儀網路。AFTAC在美國政府內部報告來自AEDS網路的資料。如果《全面禁止核試驗條約》最終生效，並且AEDS或某些其他國家設施探測到可疑事件，則可以在國際論壇上提交此類資料，從而補充IMS收集的資訊。
必須降低到多低？
即使現有技術可以找出相當小的炸彈試驗，並且監測方面的技術進步無疑將繼續下去，但也必須提出一個實際的警告。顯然，不可能以100%的可靠性探測到所有尺寸的爆炸，一直降至零爆炸當量。從這個意義上說，監測是不完美的。但是，一個技術先進的國家或許可以向世界其他國家隱瞞一次非常小的核爆炸，即使這次爆炸在核武器計劃中沒有任何實際用途，這真的重要嗎？監測系統的目標是確保成功隱瞞的核試驗爆炸的當量必須非常低，以至於該試驗將缺乏軍事效用。
在20世紀50年代，德懷特·D·艾森豪威爾總統願意同意全面禁止核試驗，即使監測的靈敏度不足以探測當量小於幾千噸的爆炸。今天，監測更加有效。如果原則上可以引爆當量小於一千噸的核裝置而不會被探測到，《全面禁止核試驗條約》是否值得廢棄？國家科學院2002年的分析認為，恰恰相反，批准《全面禁止核試驗條約》將對美國國家安全產生積極影響。
然而，軍方和核武器實驗室的一些領導人反對《全面禁止核試驗條約》。他們辯稱，該條約阻止美國驗證其現有核武庫的持續可用性或開發更先進的核武器。但是，美國核武器儲備中經過驗證的設計的可靠性實際上並不依賴於核試驗爆炸計劃。相反，可靠性是透過不受《全面禁止核試驗條約》限制的非爆炸性試驗來確保的。至於新型核武器，《全面禁止核試驗條約》是一種障礙——正如其旨在成為的那樣——並且其對美國武器開發的限制必須在政治上與它對所有簽署國施加的限制的優點進行權衡。
我們的討論涉及了與武器開發和監測相關的幾個重要的技術問題，這些問題是在美國判斷批准《全面禁止核試驗條約》是否符合國家利益時出現的。不幸的是，對《全面禁止核試驗條約》持有強烈意見的個人和組織有時會將這些問題——特別是對監測能力的評估——變成對條約本身及其暗示的權衡進行全面政治評估的替代戰場。我們希望，主要的辯論應該直接集中在該條約的優點上，並與對監測能力的專業技術審查保持分離。
如果《全面禁止核試驗條約》最終生效，國際試驗的實際暫停將正式確立。那麼，該條約就可以成為它一直以來的目標：加強全球努力以防止核武器擴散和新的核軍備競賽的關鍵一步。
注意：本文最初印刷時的標題為“監測核爆炸”。