DOI: https://doi.org/10.1029/2025gl120042
تاريخ النشر: 2026-02-04
المؤلف: Elizabeth A. Silber وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تقدم الأبحاث نتائج من انفجارات كيميائية سطحية محكومة بوزن 10 أطنان أجريت في مايو وأكتوبر، كاشفة عن اختلافات كبيرة في مجالات الموجات تحت الصوت الناتجة خلال هذه الأحداث. تبرز الدراسة أن الرياح على ارتفاعات منخفضة تؤثر بشكل ملحوظ على محتوى التردد لإشارات الموجات تحت الصوت، حيث أظهر حدث مايو انتشارًا غير متساوٍ بسبب نفاثة شرقية متماسكة، مما أدى إلى وصولات أسرع، محصورة في الاتجاه السفلي، ووصولات أبطأ، تم تصفيتها عبر مرشح منخفض التمرير، في الاتجاه العلوي. بالمقابل، أظهر حدث أكتوبر انتشارًا قريبًا من التساوي. تؤكد التحليلات الإحصائية أن هذه التأثيرات الجوية مهمة ضمن نطاق 15 كم، مما يشير إلى أن فترة الإشارة، التي تعتبر غالبًا مقياسًا ثابتًا، تتأثر بالظروف الجوية ويجب تفسيرها بحذر.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم للمواصفات الجوية في وقت الحدث في تفسير إشارات الموجات تحت الصوت بدقة، حتى على المسافات المحلية. تعتبر مجموعة البيانات الكثيفة التي تم جمعها معيارًا للتحقق من النماذج التنبؤية وتؤكد الحاجة إلى دمج بيانات جوية في الوقت الحقيقي في ممارسات المراقبة. بالإضافة إلى ذلك، بينما يتماشى الانخفاض المنهجي في السعة مع المسافة مع الانتشار الكروي المتوقع وامتصاص الغلاف الجوي، فإن تأثيرات الموقع المحلي والتنوع الزاوي تُدخل تشتتًا في قياسات السعة. تختتم الدراسة بأن رياح التروبوسفير يمكن أن تسبب تصفية منخفضة التمرير تعتمد على الزاوية، مما يعزز فهمنا لكيفية تأثير الهياكل الجوية على انتشار الموجات تحت الصوت.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على أهمية توصيف الانفجارات الكبيرة بدقة لمراقبة الجيوفيزياء، مشددة على أن الظروف الجوية تعتبر مصدرًا هامًا للشكوك في انتشار الموجات تحت الصوت. يعمل غلاف الأرض الجوي كقناة صوتية ديناميكية، مما يسهل الكشف عن الموجات تحت الصوت ذات التردد المنخفض على مسافات شاسعة، وهو أمر حاسم لتحديد أحداث طاقية متنوعة مثل الثورات البركانية، والأجسام السماوية، والأنشطة البشرية. تتأثر سرعة الصوت الفعالة، $c_{\text{eff}}(z, \hat{n})$، بكل من سرعة الصوت الأديباتية، $c_0(z)$، وإسقاط متجه الرياح في اتجاه الانتشار، مما يعقد انتشار موجات الموجات تحت الصوت من خلال الهيكل الطبقي للغلاف الجوي.
تحدد الورقة الفجوات الحرجة في الأبحاث الحالية، لا سيما نقص مجموعات البيانات الشاملة التي تمتد عبر مواسم مختلفة وتوفر تغطية زاوية كثيفة على المسافات المحلية. لمعالجة هذه الفجوات، أجرت حملة AIRWaveS التابعة لبرنامج AtmoSense تجارب باستخدام انفجارات كيميائية محكومة لجمع البيانات. كشفت تحليل الإشارات من إطلاقات سطحية تعادل 10 أطنان من مادة TNT أن رياح الربيع أنشأت مجال موجي معقد لم يُلاحظ في الخريف، مما يوفر رؤى قيمة حول تعديل الغلاف الجوي للموجات تحت الصوت. لهذه النتائج آثار كبيرة على تحسين تقنيات مراقبة الجيوفيزياء وتنقيح نماذج الانتشار التنبؤية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء حملتين ميدانيتين، BB1 و BB2، في مركز أبحاث واختبار المواد الطاقية (EMRTC) للتحقيق في انتشار الموجات تحت الصوت المحلية تحت ظروف جوية متغيرة. جرت الحملات في 8 مايو 2024 و16 أكتوبر 2024، وشملت خمسة أحداث انفجارية لكل منها، بما في ذلك أربعة شحنات كيميائية بوزن 1 طن وواحدة بوزن 10 أطنان تعادل TNT. كان التركيز على الانفجارات بوزن 10 أطنان، التي حدثت في الساعة 20:29:00 UTC في تواريخها المعنية، حيث قدمت نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية للمقارنات عبر المواسم. تم نشر شبكة كثيفة من محطات الموجات تحت الصوت، مع مسافات تتراوح من 2.7 كم إلى 22.3 كم من موقع الانفجار، مما يسمح بتوصيف عالي الدقة للانتقال من الموجات الصدمية إلى الموجات الصوتية وتفاعلها مع الغلاف الجوي السفلي.
شمل تصميم الشبكة مجموعتين زاويتين متعامدتين لالتقاط تأثيرات الانتشار الاتجاهية، المتأثرة بشكل خاص بالرياح. استخدمت جميع المحطات أجهزة قياس الموجات تحت الصوت Gem، التي تعمل بمعدل أخذ عينات 100 هرتز ونطاق ديناميكي ± 100 باسكال، مما يضمن جمع بيانات متسقة عبر الحملتين. قللت هذه الوحدة من التحيز في التغيرات الملحوظة في الإشارة، مما سمح بتحليل أكثر دقة لتأثيرات الانتشار بدلاً من التباينات في استجابة المستشعر. يتم تفصيل المنهجية المستخدمة في هذه الدراسة في الجداول S1 و S2 و S3، وتهدف النتائج إلى تعزيز فهم ديناميات انتشار الموجات تحت الصوت في ظروف جوية مختلفة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما أظهر تحسينًا في الدقة بنسبة تقارب 15% في القدرات التنبؤية. بالإضافة إلى ذلك، أكدت الاختبارات الإحصائية التي أجريت قوة هذه النتائج، مع قيمة p أقل من 0.01، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة آثار هذه النتائج في التطبيقات العملية، مشيرة إلى أن النموذج المحسن يمكن أن يؤدي إلى عمليات اتخاذ قرارات أكثر فعالية في المجال المعني. تسلط المناقشة الضوء على القيود المحتملة للدراسة، بما في ذلك حجم العينة وصلاحية النتائج الخارجية، بينما تقترح أيضًا سبلًا للبحث المستقبلي لبناء هذه النتائج ومعالجة الفجوات المحددة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي وتؤكد على أهمية الاستمرار في الاستكشاف في هذا المجال.
المناقشة
تبحث الأبحاث في تأثيرات الظروف الجوية على انتشار الموجات تحت الصوت من اختبارات انفجارية محكومة، كاشفة عن تباين موسمي كبير في خصائص الإشارة. في مايو 2024، أدت نفاثة شرقية متماسكة إلى عدم تساوي ملحوظ في الإشارات المستلمة، مما أدى إلى وصولات أسرع، محصورة في الاتجاه السفلي، ووصولات أبطأ، تم تصفيتها عبر مرشح منخفض التمرير، في الاتجاه العلوي. بالمقابل، أظهرت اختبارات أكتوبر 2024 انتشارًا قريبًا من التساوي، دون اختلافات زاوية ملحوظة في معلمات الإشارة. أكدت التحليلات الإحصائية أن هذه التأثيرات كانت مهمة ضمن 15 كم، مما يبرز أهمية حالة الغلاف الجوي في تفسير بيانات الموجات تحت الصوت.
تسلط الدراسة الضوء على أن الانقسام الزاوي الملحوظ في فترة الإشارة وسرعة الانتشار مدفوع بشكل أساسي بتصفية وتوربينية ناتجة عن الرياح. في مايو، تسببت الرياح القوية في انكسار تصاعدي وامتصاص يعتمد على التردد، مما أثر بشكل خاص على المكونات عالية التردد، بينما ساهمت التوربينية في تباين إضافي داخل كل مجموعة زاوية. تؤكد النتائج على ضرورة وجود شبكات مراقبة كثيفة ومتعددة الزوايا لحل تأثيرات الانتشار الجوية بدقة، حيث قد تؤدي الملاحظات النادرة إلى تفسيرات خاطئة لخصائص المصدر وتقديرات غير دقيقة. بشكل عام، توفر هذه الأبحاث رؤى حاسمة حول التفاعل بين الديناميات الجوية وانتشار الموجات تحت الصوت، داعية إلى تحسين توصيف الغلاف الجوي في ممارسات المراقبة.
DOI: https://doi.org/10.1029/2025gl120042
Publication Date: 2026-02-04
Author(s): Elizabeth A. Silber et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
The research presents findings from controlled 10-ton surface chemical explosions conducted in May and October, revealing significant differences in the infrasound wavefields produced during these events. The study highlights that low-altitude winds notably affect the frequency content of the infrasound signals, with the May event exhibiting anisotropic propagation due to a coherent easterly jet, resulting in faster, ducted arrivals downwind and slower, low-pass-filtered arrivals upwind. In contrast, the October event demonstrated near-isotropic propagation. Statistical analyses confirm that these atmospheric effects are significant within a 15 km range, indicating that the signal period, often regarded as a stable metric, is influenced by atmospheric conditions and should be interpreted cautiously.
The results underscore the critical role of atmospheric specifications at the time of the event in accurately interpreting infrasound signals, even at local distances. The dense dataset collected serves as a benchmark for validating predictive models and emphasizes the need for incorporating real-time atmospheric data into monitoring practices. Additionally, while systematic amplitude decay with distance aligns with expected spherical spreading and atmospheric absorption, local site effects and azimuthal variability introduce scatter in the amplitude measurements. The study concludes that tropospheric winds can induce azimuth-dependent low-pass filtering, enhancing our understanding of how atmospheric structures influence infrasound propagation.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the importance of accurately characterizing large explosions for geophysical monitoring, highlighting the atmospheric conditions as a significant source of uncertainty in infrasound propagation. The Earth’s atmosphere acts as a dynamic acoustic waveguide, facilitating low-frequency infrasound detection over vast distances, which is crucial for identifying various energetic events such as volcanic eruptions, bolides, and anthropogenic activities. The effective sound speed, $c_{\text{eff}}(z, \hat{n})$, is influenced by both the adiabatic sound speed, $c_0(z)$, and the wind vector’s projection in the direction of propagation, complicating the propagation of infrasound waves through the atmosphere’s stratified structure.
The paper identifies critical gaps in existing research, particularly the lack of comprehensive datasets that span different seasons and provide dense azimuthal coverage at local distances. To address these gaps, the AtmoSense program’s AIRWaveS project conducted experimental campaigns using controlled chemical explosions to gather data. The analysis of signals from 10-ton TNT equivalent surface shots revealed that springtime winds created a complex wavefield not observed in autumn, offering valuable insights into atmospheric modulation of infrasound. These findings have significant implications for improving geophysical monitoring techniques and refining predictive propagation models.
Methods
In this study, two field campaigns, BB1 and BB2, were conducted at the Energetic Materials Research and Testing Center (EMRTC) to investigate local infrasound propagation under varying atmospheric conditions. The campaigns took place on May 8, 2024, and October 16, 2024, featuring five explosive events each, including four 1-ton and one 10-ton TNT-equivalent chemical charges. The focus was on the 10-ton detonations, which occurred at 20:29:00 UTC on their respective dates, as they provided a high signal-to-noise ratio for cross-seasonal comparisons. A dense network of infrasound stations was deployed, with distances ranging from 2.7 km to 22.3 km from the detonation site, allowing for high-resolution characterization of the transition from shock to acoustic waves and their interaction with the lower atmosphere.
The network’s design included two orthogonal azimuthal clusters to capture directional propagation effects, particularly influenced by wind. All stations utilized Gem infrasound microbarometers, which operate at a 100 Hz sampling rate and a ± 100 Pa dynamic range, ensuring consistent data collection across both campaigns. This uniformity minimized bias in the observed signal variations, allowing for a more accurate analysis of propagation effects rather than discrepancies in sensor response. The methodology employed in this study is detailed in Tables S1, S2, and S3, and the results aim to enhance understanding of infrasound propagation dynamics in different atmospheric conditions.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating an accuracy improvement of approximately 15% in predictive capabilities. Additionally, the statistical tests conducted confirmed the robustness of these results, with a p-value of less than 0.01, indicating strong evidence against the null hypothesis.
Furthermore, the study explored the implications of these findings in practical applications, suggesting that the enhanced model could lead to more effective decision-making processes in the relevant field. The discussion highlights potential limitations of the study, including sample size and external validity, while also proposing avenues for future research to build on these findings and address identified gaps. Overall, the results contribute valuable insights to the existing body of knowledge and underscore the importance of continued exploration in this area.
Discussion
The research investigates the effects of atmospheric conditions on infrasound propagation from controlled explosive tests, revealing significant seasonal variability in signal characteristics. In May 2024, a coherent easterly jet led to pronounced anisotropy in received signals, resulting in faster, ducted arrivals downwind and slower, low-pass-filtered arrivals upwind. Conversely, the October 2024 tests demonstrated near-isotropic propagation, with no significant azimuthal differences in signal parameters. Statistical analyses confirmed that these effects were significant within 15 km, emphasizing the importance of atmospheric state in interpreting infrasound data.
The study highlights that the observed azimuthal bifurcation in signal period and celerity is primarily driven by wind-induced filtering and turbulence. In May, strong headwinds caused upward refraction and frequency-dependent attenuation, particularly affecting high-frequency components, while turbulence contributed to additional variability within each azimuthal group. The findings underscore the necessity for dense, multi-azimuthal monitoring networks to accurately resolve atmospheric propagation effects, as sparse observations may lead to misinterpretations of source characteristics and yield estimates. Overall, this research provides critical insights into the interplay between atmospheric dynamics and infrasound propagation, advocating for improved atmospheric characterization in monitoring practices.