Tierra, viento y agua: cómo los muones cósmicos están ayudando a estudiar volcanes, ciclones y más – Physics World

Los científicos e ingenieros siempre están tratando de construir mejores sistemas de alerta temprana para mitigar los daños a la vida y la propiedad causados ​​por desastres naturales como los volcanes. Una técnica a la que los investigadores recurren cada vez más es, en muchos sentidos, un regalo del cielo. Implica el uso de muones: partículas subatómicas producidas cuando los rayos cósmicos (en su mayoría protones de alta energía originados en eventos como las supernovas) chocan con átomos a entre 15 y 20 kilómetros de altura en nuestra atmósfera.

Sabemos que la atmósfera de la Tierra es constantemente golpeada por estos rayos cósmicos primarios, y las colisiones producen una lluvia de partículas secundarias, incluidos electrones, piones, neutrinos y muones. De hecho, cada minuto caen hasta 10,000 muones de estos rayos cósmicos secundarios sobre cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra. Estas partículas tienen todas las mismas propiedades que los electrones, pero alrededor de 200 veces su masa, lo que significa que pueden viajar mucho más lejos a través de estructuras sólidas que los electrones.

Pero lo que hace que los muones sean interesantes como sonda es que las interacciones entre los muones y los materiales por los que pasan afectan su flujo, con objetos más densos desviando y absorbiendo más muones que las estructuras menos densas. Es esta diferencia de flujo la que se utiliza para obtener imágenes de la estructura interna de los volcanes en una técnica conocida como "muografía". El término fue acuñado en 2007 por Hiroyuki Tanaka en la Universidad de Tokio y sus colegas, quienes proporcionaron la primera demostración de que los huecos y cavidades dentro del volcán podrían detectarse con la técnica (Planeta Tierra. Sci. Letón. 263 1-2).

También conocida como tomografía de muones, utiliza detectores para producir un mapa de densidad inversa del objeto a través del cual han pasado los muones. Los puntos donde más muones golpean los sensores representan áreas menos densas de la estructura, mientras que menos muones resaltan partes más densas. Tanaka y sus colegas incluso han intentado pronosticar erupciones volcánicas utilizando muografía combinada con una red neuronal convolucional de aprendizaje profundo de IA. En 2020 utilizaron esta técnica para estudiar uno de los volcanes más activos del mundo: el volcán Sakurajima en el sur de Japón (ver arriba), que ha entrado en erupción 7000 veces en la última década (Sci. Reps. 10 5272).

Dibujando con muones

La muografía es muy similar a la radiografía, según Jacques Marteau, físico de partículas del Instituto de Física de los 2 Infinitos (IP2I) en Lyon, Francia. "Reemplaza los rayos X de las imágenes médicas con otra partícula, concretamente el muón", afirma. "La muografía es básicamente un proceso de obtención de imágenes que escanea la densidad de un objeto exactamente de la misma manera que las imágenes de rayos X".

La muografía es un proceso de obtención de imágenes que escanea la densidad de un objeto exactamente de la misma manera que las imágenes de rayos X.

Se pueden utilizar varios dispositivos diferentes para detectar muones, la mayoría de los cuales se han desarrollado como parte de experimentos de física de partículas, como en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Sin embargo, cuando se trata de obtener imágenes de volcanes, los detectores más utilizados consisten en capas de centelleadores. A medida que los muones pasan a través del detector, cada capa produce un destello de luz que en conjunto puede usarse para reconstruir la trayectoria entrante de las partículas. Los detectores están colocados en las laderas inferiores del volcán y tienen un ángulo para detectar los muones que lo atraviesan.

Pero la muografía no sólo se ha utilizado para obtener imágenes de la estructura interna de los volcanes. Los investigadores también han utilizado la técnica para detectar cambios de densidad dentro de los volcanes relacionados con el magma ascendente, así como cambios en la forma del magma, la actividad hidrotermal y la presión en las cavidades y conductos.

Miradas volcánicas

Giovanni Macedonio, director de investigación del Instituto Nacional de Geofísica y Vulcanología de Roma, Italia, explica que existen tres técnicas principales para estudiar y monitorear los volcanes. Una es utilizar datos sísmicos. Otra consiste en medir las deformaciones del suelo con satélites, mientras que una tercera consiste en analizar la geoquímica de los fluidos del volcán.

La muografía permite estudiar la dinámica de fluidos porque permite ver la estructura interna de la parte superior del volcán, particularmente en los volcanes más pequeños. Esto no sólo revela el camino que tomó el magna en erupciones pasadas, sino que también permite modelar la actividad potencial durante erupciones futuras. Los detalles de la geometría interna, por ejemplo, podrían mostrar en qué parte del cono podría ocurrir una erupción y qué tan poderosa podría ser.

Macedonio y sus colegas están estudiando el uso de la muografía para estudiar el Monte Vesubio como parte de un proyecto de investigación conocido como MURAVES (J.Inst. 15 C03014). Famoso por la destrucción de las ciudades romanas de Pompeya y Herculano, el Vesubio sigue siendo un volcán activo y tiene una presencia peligrosa y melancólica, sobre todo porque hay tantas personas que viven cerca. Durante la última erupción en 1944, parte del cráter fue expulsado del volcán, pero parte del magma denso se solidificó en el cráter.

Lo que MURAVES pretende es conocer la estructura interna del volcán tras las erupciones de los siglos XIX y XX, para poder modelar su comportamiento futuro. Como los volcanes son ambientes dinámicos, su estructura cambia, particularmente durante las erupciones, lo que puede afectar su comportamiento en el futuro.

Macedonio también está utilizando muones para estudiar el Monte Stromboli, un volcán activo en las Islas Eolias, frente a la costa norte de Sicilia. Estudiar las estructuras internas de volcanes tanto activos como inactivos puede ayudarnos a comprender el comportamiento volcánico y explicar por qué generan erupciones pequeñas o grandes. “La estructura interna, la geometría de los conductos, es un parámetro importante que determina la dinámica del volcán”, dice Macedonio. Esta información de los volcanes activos se puede utilizar para ayudar a modelar y predecir cómo podrían comportarse otros volcanes.

En cuanto a Marteau, ha estado utilizando la muografía para estudiar el volcán La Soufrière en la isla francesa de Basse-Terre en el Caribe. La cúpula relativamente pequeña del volcán, explica Marteau, puede desestabilizarse fácilmente por actividades como terremotos y movimientos magna. Esto puede despresurizar las cavidades llenas de vapor caliente a alta presión, lo que provoca lo que se conoce como erupción "freática". Se trata de erupciones volcánicas en las que intervienen líquidos y vapores a alta temperatura, en lugar de magma.

Si bien este tipo de erupciones no son tan conocidas como las que involucran magma, aún así pueden ser poderosas y peligrosas. En septiembre de 2014, por ejemplo, el lado suroeste del volcán Ontake en Japón entró en erupción sin previo aviso, matando a 63 personas que habían estado caminando por la montaña (Tierra Planetas Espacio 68 72). La erupción de vapor creó una enorme columna de 11 kilómetros de altura.

En el caso de volcanes como La Soufrière, lo que determina si se producirá o no una erupción es la estructura mecánica de la cúpula. "Se necesita una técnica como la muografía para comprender cuáles y dónde están los puntos débiles", afirma Marteau.

La muografía también se puede utilizar para monitorear la dinámica de los fluidos en volcanes como La Soufrière. En el interior de muchos volcanes, explica Marteau, hay mucho líquido circulando entre diferentes cavidades. Si bien los fluidos pueden ser líquidos, los aumentos en la actividad del magma y el calor en las profundidades del volcán pueden convertirlos en vapor.

Con la muografía se pueden observar estos cambios en la dinámica de fluidos dentro de la cúpula. Por ejemplo, si los líquidos de una cavidad se convierten en vapor, habrá una disminución de la densidad y un aumento del flujo de muones.

Un cambio de este tipo (el llenado de una cavidad con vapor a presión) es algo que podría provocar una erupción. "Esto es algo que se puede seguir en tiempo real con la muografía, y esta es la única técnica que puede hacerlo", dice Marteau.

En 2019, Marteau y sus colegas demostraron que la muografía en combinación con el monitoreo del ruido sísmico puede detectar cambios abruptos en la actividad hidrotermal en la cúpula del volcán La Soufrière (Sci. Reps. 9 3079).

El flujo antes de la tormenta

Tanaka, que fue pionero en el uso de muones para obtener imágenes de volcanes, ahora ha puesto su mirada en otro peligro natural peligroso: ciclones tropicales. Estas tormentas giratorias, que alcanzan velocidades de más de 120 kilómetros por hora, causan enormes daños a la propiedad y son responsables de muchas muertes cada año. Se originan sobre océanos tropicales y se conocen como huracanes, tifones o, simplemente, ciclones, dependiendo del lugar del mundo en el que se produzcan.

Los ciclones se desarrollan cuando el aire a baja presión se calienta sobre el cálido océano tropical. Con el tiempo, esto crea una columna de aire cálida y húmeda que asciende rápidamente; provocando que se desarrolle una depresión de baja presión en la superficie del océano. Esto fortalece aún más las corrientes de convección, lo que lleva al desarrollo de un poderoso sistema de tormentas giratorias que se vuelve cada vez más fuerte.

Actualmente, estas tormentas tropicales se predicen, monitorean y rastrean mediante satélites, radares y otros datos meteorológicos. Incluso se pueden volar aviones reforzados a través de ellos para recopilar datos como la presión del aire. Pero ninguna de estas técnicas proporciona ningún detalle sobre las diferencias en la presión y densidad del aire a lo largo del ciclón. Son estos gradientes los que impulsan las corrientes de convección y la velocidad del viento.

En la isla de Kyushu, la más meridional de las cinco islas principales de Japón y un punto caliente para los ciclones, Tanaka y su equipo están investigando ahora cómo el cambio en el flujo de muones puede mostrar diferencias en la densidad del aire y la presión en el ciclón, proporcionando información sobre la velocidad del viento y las tormentas. fortaleza. Según Tanaka, su red de detectores de centelleo en la isla de Kyushu puede obtener imágenes de tormentas a una distancia de hasta unos 150 kilómetros. Esto es posible porque mientras algunos rayos cósmicos entran verticalmente en la atmósfera, otros inciden mucho más horizontalmente, creando muones que vuelan hacia la Tierra en ángulos muy poco profundos y pueden viajar hasta 300 km antes de tocar el suelo.

El aire más denso absorbe más muones, por lo que su flujo proporciona una medida de la densidad (y, por tanto, de la presión y la temperatura) del aire en múltiples puntos a lo largo de un ciclón. Como resultado, el equipo de Tanaka puede crear una imagen de los gradientes de temperatura y presión dentro del ciclón. "[Usando esta técnica] podemos medir la velocidad horizontal y vertical del viento dentro del ciclón", dice Tanaka, cuyo equipo ha utilizado la muografía para observar ocho ciclones que se acercan a la ciudad de Kagoshima. Las imágenes resultantes capturaron los núcleos cálidos de baja presión de los ciclones, rodeados por aire más denso, más frío y de alta presión (Sci. Reps. 12 16710).

Utilizando más detectores de muones, Tanaka espera que sea posible crear imágenes 3D más detalladas de las estructuras de energía dentro de los ciclones. "Anticipo que con la muografía podemos predecir qué tan fuerte será un ciclón y cuánta lluvia traerá al suelo", dice Tanaka. "Probablemente esto sea algo que pueda usarse para sistemas de alerta temprana".

Cambio de mareas

Tanaka también ha estado utilizando la muografía para medir otro peligro relacionado con los ciclones: los meteotsunamis. Abreviatura de tsunamis meteorológicos, ocurren en cuerpos de agua cerrados o semicerrados como bahías y lagos. A diferencia de los tsunamis, que son resultado de la actividad sísmica, son causados ​​por cambios abruptos en la presión atmosférica o en los vientos, como los provocados por ciclones y frentes climáticos.

Las oscilaciones extremas del agua de los meteotsunamis pueden durar desde unos pocos minutos hasta varias horas y pueden causar daños importantes. Por ejemplo, 75 personas resultaron heridas el 4 de julio de 1992 cuando un meteotsunami azotó Daytona Beach, en el este de Florida, Estados Unidos (Nat. Peligros 74 1-9). Con olas que alcanzaron tres metros de altura, el meteotsunami fue causado por una línea de turbonada, un sistema de tormentas eléctricas que se mueve rápidamente.

El Detector Profundo Submarino Hiperkilómetro del Fondo Marino de la Bahía de Tokio (TS-HKMSDD) es una línea de detectores de muones instalados en un túnel de carretera de nueve kilómetros de largo bajo la Bahía de Tokio. Los sensores miden los muones que pasan a través del agua.

En septiembre de 2021, un ciclón atravesó el Pacífico a unos 400 km al sur de la bahía de Tokio. A medida que pasaba la tormenta, un gran oleaje atravesó la bahía de Tokio y el número de muones detectados por el TS-HKMSDD fluctuó. El volumen adicional de agua provocó que más muones se dispersaran y desintegraran, y el número de muones que llegaban a los detectores disminuyó. Cuando el equipo verificó sus datos de muones, descubrió que coincidían estrechamente con las mediciones del mareógrafo (Sci. Reps. 12 6097).

Para medir el oleaje, no es necesario que los detectores estén en un túnel debajo del cuerpo de agua. “Podemos detectar cualquier lugar con un espacio subterráneo cerca de la orilla del mar”, explica. Esto podría incluir túneles de carreteras y de metro cerca de la costa y otros espacios subterráneos como estacionamientos y sótanos comerciales.

Al igual que con los ciclones, la detección de meteotsunamis dependería de que los detectores detectaran muones que viajan en ángulos poco profundos a través de la atmósfera y luego a través del agua y la costa. Según Tanaka, estas instalaciones podrían medir los niveles del agua hasta unos tres o cinco kilómetros de la costa. "No queremos saber el momento en que llegue [el meteotsunami]", dice. "Queremos saberlo antes de que llegue a tierra".

Tanaka cree que tales sistemas también podrían usarse para medir los niveles de marea y crear una densa red de monitoreo de mareas. Después de todo, los detectores de muones tienen una gran ventaja sobre los mareógrafos mecánicos: no están en contacto con el agua. Esto los hace más fiables porque no se desgastan con el tiempo y no pueden verse dañados por grandes tormentas. De hecho, TS-HKMSDD en el túnel Aqua-Line de la Bahía de Tokio midió continuamente durante un año sin que faltaran ni un solo segundo de datos. ¿Quién hubiera pensado que el humilde muón podría hacer tanto para prepararnos contra los desastres naturales?

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