الأرض والرياح والمياه: كيف تساعد الميونات الكونية في دراسة البراكين والأعاصير وغيرها - عالم الفيزياء

يحاول العلماء والمهندسون دائمًا بناء أنظمة إنذار مبكر أفضل للتخفيف من الأضرار التي تلحق بالأرواح والممتلكات بسبب الكوارث الطبيعية مثل البراكين. إحدى التقنيات التي يلجأ إليها الباحثون بشكل متزايد هي ، من نواح كثيرة ، الإرسال السماوي. إنه ينطوي على استخدام الميونات: جسيمات دون ذرية تنتج عندما تصطدم الأشعة الكونية - معظمها بروتونات عالية الطاقة تنشأ من أحداث مثل المستعرات الأعظمية - مع ذرات يصل ارتفاعها إلى 15-20 كيلومترًا في الغلاف الجوي.

نحن نعلم أن الغلاف الجوي للأرض يتعرض باستمرار لهذه الأشعة الكونية الأولية ، حيث ينتج عن الاصطدامات وابل من الجسيمات الثانوية ، بما في ذلك الإلكترونات والبيونات والنيوترينوات والميونات. في الواقع ، ما يصل إلى 10,000 ميون من هذه الأشعة الكونية الثانوية تمطر على كل متر مربع من سطح الأرض كل دقيقة. تتمتع هذه الجسيمات بنفس خصائص الإلكترونات ولكن كتلتها تبلغ حوالي 200 مرة ، مما يعني أنها يمكن أن تنتقل عبر الهياكل الصلبة أكثر من الإلكترونات.

ولكن ما يجعل الميونات مثيرة للاهتمام كمسبار هو أن التفاعلات بين الميونات والمواد التي تمر من خلالها تؤثر على تدفقها ، مع انحراف الأجسام الأكثر كثافة وامتصاص الميونات أكثر مما تستطيع الهياكل الأقل كثافة. يتم استخدام هذا الاختلاف في التدفق لتصوير البنية الداخلية للبراكين في تقنية تُعرف باسم "التصوير الشعاعي". تمت صياغة المصطلح مرة أخرى في عام 2007 من قبل هيرويوكي تاناكا في جامعة طوكيو وزملاؤه ، الذين قدموا أول دليل على أن الفراغات والتجاويف داخل البركان يمكن اكتشافها باستخدام هذه التقنية (كوكب الأرض. علوم. بادئة رسالة. 263 1-2).

يُعرف أيضًا باسم التصوير المقطعي بالميون ، ويستخدم أجهزة الكشف لإنتاج خريطة كثافة عكسية للكائن الذي مرت به الميونات. تمثل البقع التي يصطدم فيها المزيد من الميونات بالمستشعرات مناطق أقل كثافة من الهيكل ، بينما يُبرز عدد أقل من الميونات الأجزاء الأكثر كثافة. حتى أن تاناكا وزملاؤه حاولوا التنبؤ بالانفجارات البركانية باستخدام التصوير الشعاعي جنبًا إلى جنب مع شبكة عصبية تلافيفية للتعلم العميق بالذكاء الاصطناعي. في عام 2020 ، استخدموا هذه التقنية لدراسة أحد أكثر البراكين نشاطًا في العالم - بركان ساكوراجيما في جنوب اليابان (انظر أعلاه) ، والذي اندلع 7000 مرة في العقد الماضي (الخيال العلمي. النائب 10 5272).

الرسم بالميونات

وفقًا لـ جاك مارتو، عالم فيزياء الجسيمات في معهد فيزياء اللانهائي (IP2I) في ليون ، فرنسا. يقول: "إنه يستبدل الأشعة السينية من التصوير الطبي بجسيم آخر ، وهو الميون". "التصوير بالأشعة هو في الأساس عملية تصوير تقوم بمسح كثافة جسم ما بنفس طريقة التصوير بالأشعة السينية."

التصوير بالأشعة هو عملية تصوير تقوم بمسح كثافة الجسم تمامًا بنفس طريقة التصوير بالأشعة السينية

يمكن استخدام العديد من الأجهزة المختلفة لاكتشاف الميونات ، والتي تم تطوير معظمها كجزء من تجارب فيزياء الجسيمات ، مثل مصادم الهادرونات الكبير في سيرن. عندما يتعلق الأمر بتصوير البراكين ، فإن أجهزة الكشف الأكثر شيوعًا تتكون من طبقات من المؤشرات الوامضة. عندما تمر الميونات عبر الكاشف ، تنتج كل طبقة وميضًا من الضوء يمكن استخدامه معًا لإعادة بناء المسار الوارد للجسيمات. يتم وضع الكواشف على المنحدرات السفلية للبركان وتكون بزاوية لاكتشاف الميونات التي تمر عبره.

لكن التصوير الشعاعي لم يُستخدم فقط لتصوير البنية الداخلية للبراكين. استخدم الباحثون أيضًا هذه التقنية للكشف عن التغيرات في الكثافة داخل البراكين المرتبطة بارتفاع الصهارة ، وكذلك التغيرات في شكل الصهارة والنشاط الحراري المائي والضغط في التجاويف والقنوات.

النظرات البركانية

جون مقدونيان، مدير الأبحاث في المعهد الوطني للجيوفيزياء وعلم البراكين في روما ، إيطاليا ، يوضح أن هناك ثلاث تقنيات رئيسية لدراسة ومراقبة البراكين. واحد هو استخدام البيانات الزلزالية. آخر هو قياس تشوهات الأرض بالأقمار الصناعية ، بينما يتضمن الثالث تحليل الجيوكيمياء للسوائل في البركان.

تتيح تقنية Muography دراسة ديناميات الموائع لأنها تتيح لك رؤية الهيكل الداخلي للجزء العلوي من البركان ، خاصة في البراكين الصغيرة. هذا لا يكشف فقط عن المسار الذي سلكته ماجنا في الانفجارات السابقة ، ولكن أيضًا يجعل من الممكن نمذجة النشاط المحتمل أثناء الانفجارات المستقبلية. يمكن أن تُظهر تفاصيل الهندسة الداخلية ، على سبيل المثال ، المكان الذي قد يحدث فيه الانفجار البركاني ومدى قوته.

يدرس ماسيدونيو وزملاؤه استخدام التصوير الشعاعي لدراسة جبل فيزوف كجزء من مشروع بحثي يعرف باسم مورافيس (MURAVES).جي إنست. 15 C03014). سيئ السمعة لتدميرها لمدينتي بومبي وهيركولانيوم الرومانيتين ، ولا تزال فيزوف بركانًا نشطًا ووجودًا خطيرًا ، لا سيما أن الكثير من الناس يعيشون بالقرب منه. خلال الثوران الأخير في عام 1944 ، تم إلقاء جزء من فوهة البركان من البركان ، لكن بعض الصهارة الكثيفة قد تجمدت في فوهة البركان.

يهدف MURAVES إلى التعرف على البنية الداخلية للبركان بعد الانفجارات في القرنين التاسع عشر والعشرين ، بحيث يمكن نمذجة سلوكه المستقبلي. نظرًا لأن البراكين عبارة عن بيئات ديناميكية ، فإن هيكلها يتغير ، خاصة أثناء الانفجارات ، مما قد يؤثر على سلوكها في المستقبل.

يستخدم ماسيدونيو أيضًا الميونات لدراسة جبل سترومبولي ، وهو بركان نشط في جزر إيولايان ، قبالة الساحل الشمالي لجزيرة صقلية. يمكن أن تساعدنا دراسة الهياكل الداخلية لكل من البراكين النشطة والكامنة في فهم السلوك البركاني وشرح سبب تولد ثورات بركانية صغيرة أو كبيرة. يقول ماسيدونيو: "الهيكل الداخلي ، هندسة القنوات ، هي معلمة مهمة تحدد ديناميكيات البركان". يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات من البراكين النشطة للمساعدة في نمذجة والتنبؤ بكيفية تصرف البراكين الأخرى.

أما بالنسبة لمارتو ، فقد كان يستخدم التصوير الشعاعي لدراسة بركان لا سوفريير في جزيرة باس تير الفرنسية في منطقة البحر الكاريبي. يوضح مارتو أن قبة البركان الصغيرة نسبيًا يمكن أن تتزعزع بسهولة من خلال أنشطة مثل الزلازل وحركات ماجنا. هذا يمكن أن يزيل الضغط من التجاويف المملوءة بالبخار الساخن عالي الضغط ، مما يؤدي إلى ما يعرف بالثوران "الفريتيك". هذه هي الانفجارات البركانية التي تنطوي على سوائل وأبخرة عالية الحرارة ، بدلاً من الصهارة.

في حين أن مثل هذه الانفجارات البركانية ليست معروفة مثل تلك التي تنطوي على الصهارة ، إلا أنها لا تزال قوية وخطيرة. في سبتمبر 2014 ، على سبيل المثال ، ثار الجانب الجنوبي الغربي من بركان أونتاكي في اليابان دون سابق إنذار ، مما أسفر عن مقتل 63 شخصًا كانوا يتنزهون على الجبل (مساحة كوكب الأرض 68 72). أحدث الانفجار البخاري عمودًا هائلاً بارتفاع 11 كيلومترًا.

في حالة البراكين مثل لا سوفريير ، فإن ما يحدد ما إذا كان الانفجار البركاني سيحدث أم لا هو الهيكل الميكانيكي للقبة. يقول مارتو: "أنت بحاجة إلى تقنية مثل التصوير الشعاعي لفهم نقاط الضعف وأين توجد".

يمكن أيضًا استخدام الميوجرافي لمراقبة ديناميكيات السوائل في البراكين مثل لا سوفريير. يشرح مارتو أنه يوجد داخل العديد من البراكين ، الكثير من السوائل المنتشرة بين التجاويف المختلفة. في حين أن السوائل قد تكون سائلة ، فإن زيادة نشاط الصهارة والحرارة العميقة في البركان يمكن أن تحولها إلى بخار.

باستخدام التصوير الشعاعي ، يمكنك ملاحظة هذه التغييرات في ديناميكيات السوائل داخل القبة. على سبيل المثال ، إذا تحولت السوائل في تجويف واحد إلى بخار ، فسيحدث انخفاض في الكثافة وزيادة في تدفق الميون.

مثل هذا التغيير - ملء تجويف بالبخار تحت الضغط - هو شيء يمكن أن يتسبب في ثوران البركان. يقول مارتو: "هذا شيء يمكنك متابعته في الوقت الفعلي باستخدام التصوير الشعاعي ، وهذه هي التقنية الوحيدة القادرة على القيام بذلك".

في عام 2019 ، أوضح مارتو وزملاؤه أن التصوير الشعاعي جنبًا إلى جنب مع مراقبة الضوضاء الزلزالية يمكن أن يكتشف التغيرات المفاجئة في النشاط الحراري المائي في قبة بركان لا سوفرير (الخيال العلمي. النائب 9 3079).

التدفق قبل العاصفة

لقد وضع تاناكا ، الذي كان رائدًا في استخدام الميونات لتصوير البراكين ، نصب عينيه خطرًا طبيعيًا آخر خطيرًا: الأعاصير المدارية. تتسبب هذه العواصف الدورية التي تصل سرعتها إلى أكثر من 120 كيلومترًا في الساعة في إحداث أضرار جسيمة بالممتلكات ، كما أنها مسؤولة عن العديد من الوفيات كل عام. تنشأ فوق المحيطات الاستوائية وتُعرف باسم الأعاصير أو الأعاصير أو ، ببساطة ، الأعاصير ، اعتمادًا على مكان حدوثها في العالم.

تتطور الأعاصير عندما يسخن هواء منخفض الضغط فوق المحيط الاستوائي الدافئ. بمرور الوقت ، ينتج عن ذلك عمود دافئ ورطب من الهواء الصاعد بسرعة ؛ يسبب انخفاضًا منخفض الضغط يتطور على سطح المحيط. هذا يزيد من تقوية تيارات الحمل الحراري ، مما يؤدي إلى تطوير نظام عاصفة دوارة قوي يصبح أقوى وأقوى.

يتم حاليًا التنبؤ بهذه العواصف الاستوائية ومراقبتها وتتبعها باستخدام الأقمار الصناعية والرادار وبيانات الطقس الأخرى. يمكن حتى تحليق الطائرات المعززة عبرها لجمع البيانات مثل ضغط الهواء. لكن أيا من هذه التقنيات لا تقدم أي تفاصيل حول الاختلافات في ضغط الهواء وكثافته خلال الإعصار. هذه التدرجات هي التي تحرك التيارات الحرارية وسرعة الرياح.

في جزيرة كيوشو - أقصى جنوب جزر اليابان الخمس الرئيسية ونقطة ساخنة للأعاصير - يبحث تاناكا وفريقه الآن في كيفية إظهار التغير في تدفق الميون اختلافات في كثافة الهواء والضغط في الإعصار ، مما يوفر معلومات عن سرعة الرياح والعاصفة. قوة. وفقًا لتاناكا ، يمكن لشبكتهم من أجهزة الكشف الوامضة في جزيرة كيوشو تصوير العواصف التي تصل إلى حوالي 150 كيلومترًا. هذا ممكن لأنه بينما تدخل بعض الأشعة الكونية الغلاف الجوي عموديًا ، يصطدم البعض الآخر بشكل أفقي أكثر بكثير ، مما يخلق ميونات تطير باتجاه الأرض بزوايا ضحلة جدًا ويمكن أن تنتقل لمسافة تصل إلى 300 كيلومتر قبل أن تصطدم بالأرض.

يمتص الهواء الأكثر كثافة المزيد من الميونات ، لذلك يوفر تدفقها مقياسًا لكثافة - وبالتالي الضغط ودرجة الحرارة - للهواء في نقاط متعددة خلال الإعصار. نتيجة لذلك ، يمكن لفريق تاناكا إنشاء صورة لدرجات الحرارة والضغط داخل الإعصار. يقول تاناكا ، الذي استخدم فريقه التصوير الشعاعي لمراقبة ثمانية أعاصير تقترب من مدينة كاجوشيما ، "[باستخدام هذه التقنية] يمكننا قياس السرعة الأفقية والرأسية للرياح داخل الإعصار". التقطت الصور الناتجة النوى الدافئة ذات الضغط المنخفض للأعاصير ، محاطة بهواء أكثر كثافة وبرودة وعالية الضغط (الخيال العلمي. النائب 12 16710).

باستخدام المزيد من أجهزة الكشف عن الميون ، يأمل تاناكا أن يكون من الممكن إنشاء صور ثلاثية الأبعاد أكثر تفصيلاً لهياكل الطاقة داخل الأعاصير. يقول تاناكا: "أتوقع أنه من خلال التصوير الشعاعي يمكننا التنبؤ بمدى شدة الإعصار وكمية الأمطار التي ستسقط على الأرض". "ربما يكون هذا شيئًا يمكن استخدامه لأنظمة الإنذار المبكر."

تغيير المد والجزر

يستخدم تاناكا أيضًا التصوير الشعاعي لقياس خطر آخر مرتبط بالأعاصير: meteotsunamis. باختصار لموجات تسونامي الأرصاد الجوية ، تحدث في المسطحات المائية المغلقة أو شبه المغلقة مثل الخلجان والبحيرات. على عكس تسونامي ، التي تنتج عن النشاط الزلزالي ، فهي ناتجة عن التغيرات المفاجئة في الضغط الجوي أو الرياح ، مثل تلك التي تسببها الأعاصير وجبهات الطقس.

يمكن أن تستمر التذبذبات المائية الشديدة للنيازك من بضع دقائق إلى عدة ساعات ، ويمكن أن تسبب أضرارًا كبيرة. على سبيل المثال ، أصيب 75 شخصًا في 4 يوليو 1992 عندما ضرب ميتوتسونامي شاطئ دايتونا في شرق فلوريدا في الولايات المتحدة (نات. المخاطر 74 1-9). مع ارتفاع الأمواج إلى ثلاثة أمتار ، نتج الميوتسونامي عن خط عاصفة - نظام سريع الحركة من العواصف الرعدية.

جهاز الكشف العميق للغواصات العميقة بقاع البحر في خليج طوكيو (TS-HKMSDD) هو عبارة عن خط من أجهزة الكشف عن الميون مثبتة في نفق طريق بطول تسعة كيلومترات تحت خليج طوكيو. تقوم المستشعرات بقياس الميونات التي تمر عبر الماء أعلاه.

في سبتمبر 2021 ، سافر إعصار عبر المحيط الهادئ على بعد 400 كيلومتر جنوب خليج طوكيو. مع مرور العاصفة ، تحرك انتفاخ كبير عبر خليج طوكيو وتذبذب عدد الميونات المكتشفة بواسطة TS-HKMSDD. تسبب حجم الماء الإضافي في تشتت المزيد من الميونات وتفسخها ، وانخفضت الأرقام التي وصلت إلى أجهزة الكشف. عندما فحص الفريق بيانات الميون الخاصة بهم ، وجدوا أنها تتطابق بشكل وثيق مع قياسات مقياس المد والجزر (الخيال العلمي. النائب 12 6097).

لقياس الانتفاخات ، لا تحتاج أجهزة الكشف إلى أن تكون في نفق تحت الجسم المائي. ويوضح قائلاً: "يمكننا اكتشاف أي مكان به مساحة تحت الأرض بالقرب من شاطئ البحر". يمكن أن يشمل ذلك أنفاق الطرق ومترو الأنفاق بالقرب من الخط الساحلي ، وأماكن أخرى تحت الأرض مثل مواقف السيارات والطوابق السفلية التجارية.

كما هو الحال مع الأعاصير ، يعتمد اكتشاف النيازك على أجهزة الكشف التي تستشعر الميونات التي تنتقل بزوايا ضحلة عبر الغلاف الجوي ، ثم عبر الماء والخط الساحلي. وفقًا لتاناكا ، يمكن لمثل هذه الأجهزة قياس مستويات المياه حتى حوالي ثلاثة إلى خمسة كيلومترات من الشاطئ. يقول: "لا نريد أن نعرف لحظة وصول (meteotsunami)". "نريد أن نعرف قبل أن يضرب الأرض."

يعتقد تاناكا أنه يمكن أيضًا استخدام مثل هذه الأنظمة لقياس مستويات المد والجزر وإنشاء شبكة كثيفة لمراقبة المد والجزر. بعد كل شيء ، تتمتع أجهزة كشف الميون بميزة واحدة كبيرة على مقاييس المد والجزر الميكانيكية: فهي ليست على اتصال بالمياه. هذا يجعلها أكثر موثوقية لأنها لا تبلى بمرور الوقت ولا يمكن أن تتضرر من العواصف الكبيرة. في الواقع ، تم قياس TS-HKMSDD في نفق Tokyo Bay Aqua-Line بشكل مستمر لمدة عام مع عدم وجود بيانات مفقودة حتى ثانية واحدة. من كان يظن أن الميون المتواضع يمكنه فعل الكثير لتحضيرنا لمواجهة الكوارث الطبيعية؟

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/