Jord, vind og vand: hvordan kosmiske myoner hjælper med at studere vulkaner, cykloner og mere – Physics World

Forskere og ingeniører forsøger altid at bygge bedre systemer til tidlig varsling for at afbøde skader på liv og ejendom forårsaget af naturkatastrofer som vulkaner. En teknik, som forskere i stigende grad henvender sig til, er på mange måder himmelsk. Det involverer brug af myoner: subatomære partikler, der produceres, når kosmiske stråler - for det meste højenergiprotoner, der stammer fra begivenheder som supernovaer - kolliderer med atomer 15-20 kilometer højt oppe i vores atmosfære.

Vi ved, at Jordens atmosfære konstant bliver ramt af disse primære kosmiske stråler, hvor kollisionerne producerer en byge af sekundære partikler, inklusive elektroner, pioner, neutrinoer og myoner. Faktisk regner så mange som 10,000 myoner fra disse sekundære kosmiske stråler ned på hver kvadratmeter af Jordens overflade hvert minut. Disse partikler har alle de samme egenskaber som elektroner, men omkring 200 gange massen, hvilket betyder, at de kan rejse meget længere gennem faste strukturer end elektroner.

Men det, der gør myoner interessant som en sonde, er, at interaktioner mellem myonerne og de materialer, de passerer igennem, påvirker deres flux, hvor tættere genstande afbøjer og absorberer flere myoner, end mindre tætte strukturer kan. Det er denne forskel i flux, der bliver brugt til at afbilde vulkanernes indre struktur i en teknik kendt som "muografi". Udtrykket blev opfundet tilbage i 2007 af Hiroyuki Tanaka ved University of Tokyo og hans kolleger, som leverede den første demonstration af, at hulrum og hulrum i vulkanen kunne detekteres med teknikken (Jordens Planet. Sci. Lett. 263 1-2).

Også kendt som myontomografi bruger den detektorer til at producere et omvendt tæthedskort over det objekt, som muonerne har passeret igennem. Pletter, hvor flere myoner rammer sensorerne, repræsenterer mindre tætte områder af strukturen, mens færre myoner fremhæver tættere dele. Tanaka og kolleger har endda forsøgt at forudsige vulkanudbrud ved hjælp af muografi kombineret med et AI dybt-lærende foldningsneuralt netværk. I 2020 brugte de denne teknik til at studere en af ​​verdens mest aktive vulkaner – Sakurajima-vulkanen i det sydlige Japan (se ovenfor), som har været i udbrud 7000 gange i det seneste årti (Sci. Rep. 10 5272).

Tegning med myoner

Muografi minder meget om radiografi, iflg Jacques Marteau, en partikelfysiker ved Institute of Physics of the 2 Infinities (IP2I) i Lyon, Frankrig. "Det erstatter røntgenstråler fra medicinsk billeddannelse med en anden partikel, nemlig myonen," siger han. "Muografi er dybest set en billeddannelsesproces, der scanner tætheden af ​​et objekt på nøjagtig samme måde som røntgenbillede."

Muografi er en billeddannelsesproces, der scanner tætheden af ​​et objekt på nøjagtig samme måde som røntgenbilleder

Flere forskellige enheder kan bruges til at detektere myoner, hvoraf de fleste er udviklet som en del af partikelfysiske eksperimenter, såsom ved Large Hadron Collider ved CERN. Når det kommer til billeddannelse af vulkaner, består de mest almindeligt anvendte detektorer dog af lag af scintillatorer. Når myonerne passerer gennem detektoren, producerer hvert lag et lysglimt, der sammen kan bruges til at rekonstruere partiklernes indkommende bane. Detektorerne er placeret på de nederste skråninger af vulkanen og er vinklet for at detektere de myoner, der passerer gennem den.

Men muografi er ikke kun blevet brugt til at afbilde vulkanernes indre struktur. Forskere har også brugt teknikken til at detektere ændringer i tæthed i vulkaner forbundet med stigende magma, såvel som ændringer i magmaform, hydrotermisk aktivitet og tryk i hulrum og ledninger.

Vulkaniske kig

Giovanni Macedonio, forskningsdirektør ved National Institute of Geophysics and Volcanology i Rom, Italien, forklarer, at der er tre hovedteknikker til at studere og overvåge vulkaner. Den ene er at bruge seismiske data. En anden er at måle jorddeformationer med satellitter, mens en tredje går ud på at analysere geokemien af ​​væskerne i vulkanen.

Muografi gør det muligt at studere væskedynamik, fordi det giver dig mulighed for at se den indre struktur af den øvre del af vulkanen, især i mindre vulkaner. Dette afslører ikke kun den vej, magnaen tog i tidligere udbrud, men gør det også muligt at modellere potentiel aktivitet under fremtidige udbrud. Detaljer om den indre geometri kunne for eksempel vise, hvor på keglen et udbrud kan forekomme, og hvor kraftigt det kunne være.

Macedonio og kolleger studerer at bruge muografi til at studere Vesuv som en del af et forskningsprojekt kendt som MURAVES (J. Inst. 15 C03014). Vesuv er berygtet for sin ødelæggelse af de romerske byer Pompeji og Herculaneum, og forbliver en aktiv vulkan og er en farlig, rugende tilstedeværelse, især da så mange mennesker bor tæt på. Under det sidste udbrud i 1944 blev en del af krateret smidt af vulkanen, men noget tæt magma er størknet i krateret.

Det, MURAVES sigter efter at gøre, er at lære om vulkanens indre struktur efter udbrud i det 19. og 20. århundrede, så dens fremtidige adfærd kan modelleres. Da vulkaner er dynamiske miljøer, ændrer deres struktur sig, især under udbrud, hvilket kan påvirke, hvordan de opfører sig i fremtiden.

Macedonio bruger også myoner til at studere Mount Stromboli, en aktiv vulkan på De Æoliske Øer, ud for Siciliens nordkyst. At studere de indre strukturer af både aktive og sovende vulkaner kan hjælpe os med at forstå vulkansk adfærd og forklare, hvorfor de genererer små eller store udbrud. "Den indre struktur, geometrien af ​​ledningerne, er en vigtig parameter, der bestemmer vulkanens dynamik," siger Macedonio. Denne information fra aktive vulkaner kan derefter bruges til at modellere og forudsige, hvordan andre vulkaner kan opføre sig.

Hvad angår Marteau, har han brugt muografi til at studere La Soufrière-vulkanen på den franske ø Basse-Terre i Caribien. Vulkanens relativt lille kuppel, forklarer Marteau, kan let blive destabiliseret af aktiviteter som jordskælv og magnabevægelser. Dette kan reducere trykket i hulrum fyldt med varm højtryksdamp, hvilket fører til, hvad der er kendt som et "phreatisk" udbrud. Disse er vulkanudbrud, der involverer højtemperatur væsker og dampe, snarere end magma.

Selvom sådanne udbrud ikke er så kendte som dem, der involverer magma, kan de stadig være kraftige og farlige. I september 2014 brød den sydvestlige side af vulkanen Ontake i Japan i udbrud med lidt advarsel og dræbte 63 mennesker, der havde været på vandretur på bjerget (Jordens Planeter Rum 68 72). Dampudbruddet skabte en enorm, 11 kilometer høj fane.

I tilfælde af vulkaner som La Soufrière er det den mekaniske struktur af kuplen, der dikterer, om et udbrud vil ske eller ej. "Du har brug for en teknik som muografi for at forstå, hvad og hvor er de svage punkter," siger Marteau.

Muografi kan også bruges til at overvåge dynamikken af ​​væsker i vulkaner som La Soufrière. Inde i mange vulkaner, forklarer Marteau, er der masser af væske, der cirkulerer mellem forskellige hulrum. Mens væskerne kan være flydende, kan stigninger i magmaaktivitet og varme dybt inde i vulkanen gøre dem til damp.

Med muografi kan du observere disse ændringer i væskedynamikken i kuplen. For eksempel, hvis væskerne i et hulrum bliver til damp, vil der være et fald i densiteten og en stigning i myonflux.

En sådan ændring - en fyldning af et hulrum med damp under tryk - er noget, der kan forårsage et udbrud. "Dette er noget, du kan følge i realtid med muografi, og dette er den eneste teknik, der er i stand til at gøre dette," siger Marteau.

I 2019 demonstrerede Marteau og hans kolleger, at muografi i kombination med seismisk støjovervågning kan detektere pludselige ændringer i hydrotermisk aktivitet i kuplen af ​​La Soufrière-vulkanen (Sci. Rep. 9 3079).

Fluxen før stormen

Tanaka, der var banebrydende for brugen af ​​muoner til at afbilde vulkaner, har nu rettet sig mod en anden farlig naturfare: tropiske cykloner. Disse roterende storme når hastigheder på mere end 120 kilometer i timen og forårsager enorme mængder skader på ejendom og er ansvarlige for mange dødsfald hvert år. De stammer fra tropiske oceaner og er kendt som orkaner, tyfoner eller simpelthen cykloner, afhængigt af hvor i verden de forekommer.

Cykloner udvikler sig, når lavtryksluft opvarmes over det varme tropiske hav. Over tid skaber dette en varm, fugtig søjle af hurtigt stigende luft; får en lavtryksdepression til at udvikle sig ved havets overflade. Dette styrker konvektionsstrømmene yderligere, hvilket fører til udviklingen af ​​et kraftigt roterende stormsystem, der bliver stærkere og stærkere.

Disse tropiske storme er i øjeblikket forudsagt, overvåget og sporet ved hjælp af satellitter, radar og andre vejrdata. Forstærkede fly kan endda flyves gennem dem for at indsamle data såsom lufttryk. Men ingen af ​​disse teknikker giver nogen detaljer om forskellene i lufttryk og tæthed i hele cyklonen. Det er disse gradienter, der driver konvektionsstrømmene og vindhastigheden.

På Kyushu Island – den sydligste af Japans fem hovedøer og et hot spot for cykloner – undersøger Tanaka og hans team nu, hvordan ændringen i myonflux kan vise forskelle i lufttæthed og tryk i cyklonen, hvilket giver information om vindhastighed og storm. styrke. Ifølge Tanaka kan deres netværk af scintillatordetektorer på Kyushu Island afbilde storme op til omkring 150 kilometer væk. Dette er muligt, fordi mens nogle kosmiske stråler kommer lodret ind i atmosfæren, rammer andre meget mere vandret og skaber myoner, der flyver mod Jorden i meget lave vinkler og kan rejse så langt som 300 km, før de rammer jorden.

Tættere luft absorberer flere myoner, så deres flux giver et mål for densiteten - og derfor trykket og temperaturen - af luften på flere punkter gennem en cyklon. Som et resultat kan Tanakas team skabe et billede af temperatur- og trykgradienterne inde i cyklonen. "[Ved at bruge denne teknik] kan vi måle vindens vandrette og lodrette hastighed inde i cyklonen," siger Tanaka, hvis hold har brugt muografi til at observere otte cykloner, der nærmer sig byen Kagoshima. De resulterende billeder fangede cyklonernes varme lavtrykskerner, omgivet af tættere, koldere højtryksluft (Sci. Rep. 12 16710).

Ved at bruge flere myondetektorer håber Tanaka, at det bliver muligt at lave mere detaljerede 3D-billeder af energistrukturerne inde i cykloner. "Jeg forventer, at vi med muografi kan forudsige, hvor stærk en cyklon vil være, og hvor meget regn den vil bringe til jorden," siger Tanaka. "Dette er sandsynligvis noget, der kan bruges til tidlige varslingssystemer."

Skiftende tidevand

Tanaka har også brugt muografi til at måle en anden fare forbundet med cykloner: meteotsunamis. Kort for meteorologiske tsunamier forekommer de i lukkede eller halvlukkede vandområder som bugter og søer. I modsætning til tsunamier, som er resultatet af seismisk aktivitet, er de forårsaget af bratte ændringer i atmosfærisk tryk eller vind, såsom dem forårsaget af cykloner og vejrfronter.

Meteotsunamis ekstreme vandsvingninger kan vare fra et par minutter til flere timer og kan forårsage betydelig skade. For eksempel blev 75 mennesker såret den 4. juli 1992, da en meteotsunami ramte Daytona Beach i det østlige Florida i USA (Nat. Farer 74 1-9). Med bølger, der nåede tre meter i højden, blev meteotsunamien forårsaget af en squall line - et hurtigt bevægende system af tordenvejr.

Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) er en linje af myon-detektorer installeret i en ni kilometer lang vejtunnel under Tokyo-bugten. Sensorerne måler myoner, der passerer gennem vandet ovenfor.

I september 2021 rejste en cyklon gennem Stillehavet omkring 400 km syd for Tokyo-bugten. Da stormen passerede, bevægede en stor dønning sig gennem Tokyo-bugten, og antallet af myoner, der blev opdaget af TS-HKMSDD, svingede. Den ekstra vandmængde fik flere myoner til at spredes og henfalde, og antallet, der nåede detektorerne, faldt. Da holdet tjekkede deres myondata, fandt de ud af, at det passede tæt sammen med målinger fra tidevandsmåleren (Sci. Rep. 12 6097).

For at måle dønninger behøver detektorerne ikke at være i en tunnel under vandmassen. "Vi kan registrere hvor som helst med et underjordisk rum nær kysten," forklarer han. Dette kunne omfatte vej- og undergrundstunneller nær kystlinjen og andre underjordiske rum som parkeringspladser og kommercielle kældre.

Som med cykloner ville detektering af meteotsunamier være afhængig af, at detektorerne registrerer muoner, der bevæger sig i lave vinkler gennem atmosfæren og derefter gennem vandet og kystlinjen. Ifølge Tanaka kunne sådanne opstillinger måle vandstanden op til omkring tre til fem kilometer fra kysten. "Vi ønsker ikke at vide, hvornår [meteotsunamien] ankommer," siger han. "Vi vil gerne vide det, før det rammer land."

Tanaka mener, at sådanne systemer også kunne bruges til at måle tidevandsniveauer og skabe et tæt tidevandsovervågningsnetværk. Myondetektorer har trods alt én stor fordel i forhold til mekaniske tidevandsmålere: De er ikke i kontakt med vandet. Dette gør dem mere pålidelige, fordi de ikke slides over tid og ikke kan blive beskadiget af store storme. Faktisk målte TS-HKMSDD i Tokyo Bay Aqua-Line-tunnelen kontinuerligt i et år med ikke engang et eneste sekunds manglende data. Hvem havde troet, at den ydmyge myon kunne gøre så meget for at forberede os mod naturkatastrofer?

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/