Erde, Wind und Wasser: Wie kosmische Myonen bei der Erforschung von Vulkanen, Wirbelstürmen und mehr helfen – Physics World

Wissenschaftler und Ingenieure versuchen stets, bessere Frühwarnsysteme zu entwickeln, um die durch Naturkatastrophen wie Vulkane verursachten Schäden an Leben und Eigentum zu begrenzen. Eine Technik, der sich Forscher zunehmend zuwenden, ist in vielerlei Hinsicht vom Himmel gesandt. Dabei kommen Myonen zum Einsatz: subatomare Teilchen, die entstehen, wenn kosmische Strahlung – meist hochenergetische Protonen, die aus Ereignissen wie Supernovae stammen – mit Atomen in 15 bis 20 Kilometern Höhe in unserer Atmosphäre kollidiert.

Wir wissen, dass die Erdatmosphäre ständig von dieser primären kosmischen Strahlung getroffen wird und die Kollisionen einen Schauer sekundärer Teilchen erzeugen, darunter Elektronen, Pionen, Neutrinos und Myonen. Tatsächlich regnen jede Minute bis zu 10,000 Myonen dieser sekundären kosmischen Strahlung auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche. Diese Teilchen haben alle die gleichen Eigenschaften wie Elektronen, haben aber etwa die 200-fache Masse, was bedeutet, dass sie sich viel weiter durch feste Strukturen bewegen können als Elektronen.

Aber was Myonen als Sonde interessant macht, ist, dass Wechselwirkungen zwischen den Myonen und den Materialien, durch die sie wandern, ihren Fluss beeinflussen, wobei dichtere Objekte mehr Myonen ablenken und absorbieren als weniger dichte Strukturen. Dieser Unterschied im Fluss wird genutzt, um die innere Struktur von Vulkanen in einer Technik abzubilden, die als „Muographie“ bekannt ist. Der Begriff wurde bereits 2007 von geprägt Hiroyuki Tanaka an der Universität Tokio und seine Kollegen, die den ersten Nachweis erbrachten, dass mit dieser Technik Hohlräume und Hohlräume im Vulkan entdeckt werden konnten (Erdplanet. Sci. Lette. 263 1-2).

Bei dieser auch als Myonentomographie bezeichneten Methode werden Detektoren verwendet, um eine umgekehrte Dichtekarte des Objekts zu erstellen, durch das die Myonen hindurchgegangen sind. Stellen, an denen mehr Myonen auf die Sensoren treffen, stellen weniger dichte Bereiche der Struktur dar, während weniger Myonen dichtere Teile hervorheben. Tanaka und Kollegen haben sogar versucht, Vulkanausbrüche mithilfe von Muographie in Kombination mit einem KI-Deep-Learning-Faltungs-Neuronalen Netzwerk vorherzusagen. Im Jahr 2020 untersuchten sie mit dieser Technik einen der aktivsten Vulkane der Welt – den Vulkan Sakurajima im Süden Japans (siehe oben), der im letzten Jahrzehnt 7000 Mal ausgebrochen ist (Sci. Rep. 10 5272).

Zeichnen mit Myonen

Laut Muographie ist die Radiographie sehr ähnlich Jacques Marteau, Teilchenphysiker am Institut für Physik der 2 Unendlichkeiten (IP2I) in Lyon, Frankreich. „Es ersetzt Röntgenstrahlen aus der medizinischen Bildgebung durch ein anderes Teilchen, nämlich das Myon“, sagt er. „Muographie ist im Grunde ein bildgebendes Verfahren, das die Dichte eines Objekts genauso scannt wie die Röntgenbildgebung.“

Muographie ist ein bildgebendes Verfahren, das die Dichte eines Objekts genauso scannt wie die Röntgenbildgebung

Zum Nachweis von Myonen können verschiedene Geräte verwendet werden, die größtenteils im Rahmen von Experimenten zur Teilchenphysik entwickelt wurden, beispielsweise am Large Hadron Collider am CERN. Wenn es um die Abbildung von Vulkanen geht, bestehen die am häufigsten verwendeten Detektoren jedoch aus Schichten von Szintillatoren. Während die Myonen den Detektor passieren, erzeugt jede Schicht einen Lichtblitz, der zusammen verwendet werden kann, um die eintreffende Flugbahn der Teilchen zu rekonstruieren. Die Detektoren sind an den unteren Hängen des Vulkans angebracht und so ausgerichtet, dass sie die Myonen erkennen, die ihn passieren.

Aber Muographie wurde nicht nur zur Abbildung der inneren Struktur von Vulkanen eingesetzt. Forscher haben die Technik auch verwendet, um Dichteänderungen innerhalb von Vulkanen im Zusammenhang mit aufsteigendem Magma sowie Änderungen der Magmaform, der hydrothermischen Aktivität und des Drucks in den Hohlräumen und Leitungen zu erkennen.

Vulkanische Ausblicke

Giovanni Macedonio, Forschungsdirektor am Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie in Rom, Italien, erklärt, dass es drei Haupttechniken zur Untersuchung und Überwachung von Vulkanen gibt. Eine besteht darin, seismische Daten zu verwenden. Eine andere besteht darin, Bodenverformungen mit Satelliten zu messen, während eine dritte darin besteht, die Geochemie der Flüssigkeiten im Vulkan zu analysieren.

Muographie ermöglicht die Untersuchung der Fluiddynamik, da sie es ermöglicht, die innere Struktur des oberen Teils des Vulkans zu sehen, insbesondere bei kleineren Vulkanen. Dies offenbart nicht nur den Weg, den die Magna bei vergangenen Ausbrüchen eingeschlagen hat, sondern ermöglicht auch die Modellierung möglicher Aktivitäten bei zukünftigen Ausbrüchen. Details der inneren Geometrie könnten beispielsweise zeigen, wo auf dem Kegel ein Ausbruch stattfinden könnte und wie stark er sein könnte.

Macedonio und Kollegen untersuchen im Rahmen eines Forschungsprojekts namens MURAVES mithilfe der Muographie den Vesuv.J. Inst. 15 C03014). Der Vesuv, der für die Zerstörung der römischen Städte Pompeji und Herculaneum berüchtigt ist, bleibt ein aktiver Vulkan und stellt eine gefährliche, grüblerische Präsenz dar, insbesondere da so viele Menschen in der Nähe leben. Bei der letzten Eruption im Jahr 1944 wurde ein Teil des Kraters vom Vulkan abgeschleudert, allerdings ist im Krater etwas dichtes Magma erstarrt.

Ziel von MURAVES ist es, mehr über die innere Struktur des Vulkans nach Ausbrüchen im 19. und 20. Jahrhundert zu erfahren, damit sein zukünftiges Verhalten modelliert werden kann. Da es sich bei Vulkanen um dynamische Umgebungen handelt, verändert sich ihre Struktur, insbesondere bei Ausbrüchen, was sich auf ihr zukünftiges Verhalten auswirken kann.

Macedonio nutzt Myonen auch, um den Berg Stromboli zu untersuchen, einen aktiven Vulkan auf den Äolischen Inseln vor der Nordküste Siziliens. Die Untersuchung der inneren Strukturen sowohl aktiver als auch ruhender Vulkane kann uns helfen, das Verhalten von Vulkanen zu verstehen und zu erklären, warum sie kleine oder große Eruptionen hervorrufen. „Die innere Struktur, die Geometrie der Leitungen, ist ein wichtiger Parameter, der die Dynamik des Vulkans bestimmt“, sagt Macedonio. Diese Informationen von aktiven Vulkanen können dann verwendet werden, um zu modellieren und vorherzusagen, wie sich andere Vulkane verhalten könnten.

Marteau nutzt die Muographie, um den Vulkan La Soufrière auf der französischen Insel Basse-Terre in der Karibik zu untersuchen. Die relativ kleine Kuppel des Vulkans, erklärt Marteau, kann durch Aktivitäten wie Erdbeben und Magna-Bewegungen leicht destabilisiert werden. Dadurch kann der Druck in Hohlräumen, die mit heißem Hochdruckdampf gefüllt sind, sinken, was zu einer sogenannten „phreatischen“ Eruption führt. Hierbei handelt es sich um Vulkanausbrüche, bei denen Flüssigkeiten und Dämpfe mit hoher Temperatur statt Magma auftreten.

Obwohl solche Eruptionen nicht so bekannt sind wie solche mit Magma, können sie dennoch mächtig und gefährlich sein. Im September 2014 brach beispielsweise die südwestliche Seite des Ontake-Vulkans in Japan ohne Vorwarnung aus und tötete 63 Menschen, die auf dem Berg gewandert waren (Erde Planeten Raum 68 72). Durch den Dampfausbruch entstand eine riesige, 11 Kilometer hohe Wolke.

Bei Vulkanen wie La Soufrière entscheidet die mechanische Struktur der Kuppel darüber, ob es zu einem Ausbruch kommt oder nicht. „Man braucht eine Technik wie die Muographie, um zu verstehen, was und wo die Schwachstellen sind“, sagt Marteau.

Muographie kann auch verwendet werden, um die Dynamik von Flüssigkeiten in Vulkanen wie La Soufrière zu überwachen. Im Inneren vieler Vulkane, erklärt Marteau, zirkuliert viel Flüssigkeit zwischen verschiedenen Hohlräumen. Auch wenn die Flüssigkeiten flüssig sein können, können sie durch erhöhte Magmaaktivität und Hitze tief im Vulkan in Dampf umgewandelt werden.

Mit der Muographie können Sie diese Veränderungen der Fluiddynamik innerhalb der Kuppel beobachten. Wenn sich beispielsweise die Flüssigkeiten in einem Hohlraum in Dampf verwandeln, nimmt die Dichte ab und der Myonenfluss nimmt zu.

Eine solche Veränderung – das Füllen eines Hohlraums mit unter Druck stehendem Dampf – kann zu einer Eruption führen. „Das ist etwas, was man mit Muographie in Echtzeit verfolgen kann, und das ist die einzige Technik, die dazu in der Lage ist“, sagt Marteau.

Im Jahr 2019 zeigten Marteau und seine Kollegen, dass Muographie in Kombination mit der Überwachung seismischer Geräusche abrupte Änderungen der hydrothermischen Aktivität in der Kuppel des Vulkans La Soufrière erkennen kann (Sci. Rep. 9 3079).

Der Fluss vor dem Sturm

Tanaka, der Pionier bei der Nutzung von Myonen zur Bildgebung von Vulkanen war, hat nun eine weitere gefährliche Naturgefahr im Visier: tropische Wirbelstürme. Mit Geschwindigkeiten von mehr als 120 Kilometern pro Stunde verursachen diese Wirbelstürme enorme Sachschäden und sind jedes Jahr für viele Todesopfer verantwortlich. Sie entstehen über tropischen Ozeanen und werden als Hurrikane, Taifune oder einfach Zyklone bezeichnet, je nachdem, wo auf der Welt sie auftreten.

Wirbelstürme entstehen, wenn Luft mit niedrigem Druck über dem warmen tropischen Ozean erhitzt wird. Mit der Zeit entsteht dadurch eine warme, feuchte Säule aus schnell aufsteigender Luft; Dadurch entsteht an der Meeresoberfläche ein Tiefdruckgebiet. Dadurch werden die Konvektionsströme weiter verstärkt, was zur Entwicklung eines mächtigen rotierenden Sturmsystems führt, das immer stärker wird.

Diese tropischen Stürme werden derzeit mithilfe von Satelliten, Radar und anderen Wetterdaten vorhergesagt, überwacht und verfolgt. Es können sogar verstärkte Flugzeuge durch sie hindurchgeflogen werden, um Daten wie den Luftdruck zu sammeln. Keine dieser Techniken liefert jedoch Einzelheiten zu den Unterschieden im Luftdruck und der Luftdichte im gesamten Zyklon. Es sind diese Gradienten, die die Konvektionsströme und die Windgeschwindigkeit bestimmen.

Auf der Insel Kyushu – der südlichsten der fünf Hauptinseln Japans und einem Hotspot für Wirbelstürme – untersuchen Tanaka und sein Team nun, wie die Änderung des Myonenflusses Unterschiede in der Luftdichte und im Druck im Zyklon anzeigen und so Informationen über Windgeschwindigkeit und Sturm liefern kann Stärke. Laut Tanaka kann ihr Netzwerk aus Szintillatordetektoren auf der Insel Kyushu Stürme bis zu einer Entfernung von etwa 150 Kilometern abbilden. Dies ist möglich, weil einige kosmische Strahlen zwar vertikal in die Atmosphäre eindringen, andere jedoch weitaus horizontaler und so Myonen erzeugen, die in sehr flachen Winkeln auf die Erde zufliegen und bis zu 300 km zurücklegen können, bevor sie den Boden treffen.

Dichtere Luft absorbiert mehr Myonen, sodass ihr Fluss ein Maß für die Dichte – und damit für den Druck und die Temperatur – der Luft an mehreren Punkten in einem Zyklon darstellt. Dadurch kann Tanakas Team ein Bild der Temperatur- und Druckgradienten im Inneren des Zyklons erstellen. „[Mit dieser Technik] können wir die horizontale und vertikale Geschwindigkeit des Windes innerhalb des Zyklons messen“, sagt Tanaka, dessen Team mithilfe der Muographie acht Wirbelstürme beobachtet hat, die sich der Stadt Kagoshima näherten. Die resultierenden Bilder erfassten die warmen Niederdruckkerne der Wirbelstürme, umgeben von dichterer, kälterer Hochdruckluft (Sci. Rep. 12 16710).

Mit weiteren Myonendetektoren hofft Tanaka, detailliertere 3D-Bilder der Energiestrukturen im Inneren von Wirbelstürmen erstellen zu können. „Ich gehe davon aus, dass wir mit der Muographie vorhersagen können, wie stark ein Wirbelsturm sein wird und wie viel Regen er auf den Boden bringen wird“, sagt Tanaka. „Das ist wahrscheinlich etwas, das für Frühwarnsysteme genutzt werden kann.“

Gezeitenwechsel

Tanaka hat Muographie auch verwendet, um eine weitere mit Wirbelstürmen verbundene Gefahr zu messen: Meteotsunamis. Meteorologische Tsunamis sind die Abkürzung für meteorologische Tsunamis und treten in geschlossenen oder halbgeschlossenen Gewässern wie Buchten und Seen auf. Im Gegensatz zu Tsunamis, die das Ergebnis seismischer Aktivität sind, werden sie durch abrupte Änderungen des Luftdrucks oder der Winde verursacht, wie sie beispielsweise durch Wirbelstürme und Wetterfronten verursacht werden.

Die extremen Wasserschwankungen von Meteotsunamis können einige Minuten bis mehrere Stunden dauern und erhebliche Schäden verursachen. Beispielsweise wurden am 75. Juli 4 1992 Menschen verletzt, als ein Meteoritenunami Daytona Beach im Osten Floridas in den USA traf (Nat. Gefahren 74 1-9). Der Meteotsunami mit Wellen von bis zu drei Metern Höhe wurde durch eine Böenlinie – ein sich schnell bewegendes Gewittersystem – verursacht.

Der Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilmetric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) ist eine Reihe von Myonendetektoren, die in einem neun Kilometer langen Straßentunnel unter der Bucht von Tokio installiert sind. Die Sensoren messen Myonen, die durch das darüber liegende Wasser wandern.

Im September 2021 zog ein Wirbelsturm etwa 400 km südlich der Bucht von Tokio durch den Pazifik. Als der Sturm vorüberzog, bewegte sich eine große Dünung durch die Bucht von Tokio und die Anzahl der vom TS-HKMSDD erfassten Myonen schwankte. Das zusätzliche Wasservolumen führte dazu, dass mehr Myonen zerstreuten und zerfielen und die Anzahl der Myonen, die die Detektoren erreichten, sank. Als das Team seine Myonendaten überprüfte, stellte es fest, dass diese weitgehend mit den Messungen des Gezeitenmessers übereinstimmten (Sci. Rep. 12 6097).

Zur Messung von Wellengang müssen sich die Detektoren nicht in einem Tunnel unter dem Gewässer befinden. „Wir können überall dort aufspüren, wo es einen unterirdischen Raum in Küstennähe gibt“, erklärt er. Dazu könnten Straßen- und U-Bahn-Tunnel in Küstennähe sowie andere unterirdische Räume wie Parkplätze und Gewerbekeller gehören.

Wie bei Wirbelstürmen würde die Erkennung von Meteotsunami darauf basieren, dass die Detektoren Myonen erfassen, die sich in flachen Winkeln durch die Atmosphäre und dann durch das Wasser und die Küstenlinie bewegen. Laut Tanaka könnten solche Aufbauten den Wasserstand bis zu etwa drei bis fünf Kilometer vom Ufer entfernt messen. „Wir wollen nicht wissen, wann [der Meteotsunami] eintrifft“, sagt er. „Wir wollen es wissen, bevor es Land erreicht.“

Tanaka glaubt, dass solche Systeme auch zur Messung des Gezeitenstands und zum Aufbau eines dichten Gezeitenüberwachungsnetzes eingesetzt werden könnten. Schließlich haben Myonendetektoren gegenüber mechanischen Gezeitenmessern einen großen Vorteil: Sie kommen nicht mit dem Wasser in Kontakt. Dadurch sind sie zuverlässiger, da sie nicht mit der Zeit verschleißen und auch nicht durch große Stürme beschädigt werden können. Tatsächlich hat TS-HKMSDD im Tokyo Bay Aqua-Line-Tunnel ein Jahr lang ununterbrochen gemessen, ohne dass dabei nicht einmal eine einzige Sekunde Daten fehlten. Wer hätte gedacht, dass das bescheidene Myon so viel dazu beitragen kann, uns auf Naturkatastrophen vorzubereiten?

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/