Maa, tuul ja vesi: kuidas kosmilised müüonid aitavad uurida vulkaane, tsükloneid ja palju muud – Physics World

Teadlased ja insenerid püüavad alati luua paremaid varajase hoiatamise süsteeme, et leevendada loodusõnnetuste, näiteks vulkaanide, elule ja varale tekitatud kahju. Üks tehnika, mille poole teadlased üha enam pöörduvad, on paljuski taeva poolt saadetud. See hõlmab müüonide kasutamist: subatomaarsed osakesed, mis tekivad kosmiliste kiirte – enamasti supernoovatest nt supernoovadest pärinevate suure energiaga prootonite – põrkamisel meie atmosfääris 15–20 kilomeetri kõrgusel asuvate aatomitega.

Teame, et need esmased kosmilised kiired tabavad Maa atmosfääri pidevalt ning kokkupõrked tekitavad sekundaarsete osakeste, sealhulgas elektronide, pionide, neutriinode ja müüonide vihma. Tegelikult sajab nendest sekundaarsetest kosmilistest kiirtest iga minut Maa pinna igale ruutmeetrile alla 10,000 200 müüoni. Nendel osakestel on kõik samad omadused nagu elektronidel, kuid nende mass on umbes XNUMX korda suurem, mis tähendab, et nad võivad liikuda läbi tahkete struktuuride palju kaugemale kui elektronid.

Kuid mis teeb müonid sondina huvitavaks, on see, et muuonite ja nende läbitavate materjalide vahelised vastasmõjud mõjutavad nende voogu, kusjuures tihedamad objektid kalduvad kõrvale ja neelavad rohkem müüone, kui vähemtihedad struktuurid suudavad. Just seda voo erinevust kasutatakse vulkaanide sisemise struktuuri kujutamiseks tehnikas, mida tuntakse kui "muograafiat". Selle termini võttis kasutusele 2007. aastal Hiroyuki Tanaka Tokyo ülikoolis ja tema kolleegides, kes näitasid esimest korda, et selle tehnikaga saab tuvastada vulkaanis olevaid tühimikke ja õõnsusi (Maa planeet. Sci. Lett. 263 1-2).

Tuntud ka kui müüontomograafia, kasutab see detektoreid, et koostada objektide pöördtiheduskaart, mida müüonid on läbinud. Laigud, kus rohkem müüone tabab andureid, tähistavad struktuuri vähem tihedaid piirkondi, samas kui vähem müüone tõstab esile tihedamaid osi. Tanaka ja tema kolleegid on isegi proovinud ennustada vulkaanipurskeid, kasutades muograafiat koos tehisintellekti süvaõppega konvolutsioonilise närvivõrguga. 2020. aastal kasutasid nad seda tehnikat ühe maailma aktiivseima vulkaani – Lõuna-Jaapanis asuva Sakurajima vulkaani (vt ülal) uurimiseks, mis on viimase kümnendi jooksul pursanud 7000 korda (Sci. Rep. 10 5272).

Muuonidega joonistamine

Muograafia on väga sarnane radiograafiaga, vastavalt Jacques Marteau, osakeste füüsik Prantsusmaal Lyonis asuvas Kahe lõpmatuse füüsika instituudis (IP2I). "See asendab meditsiinilise pildistamise röntgenikiirguse teise osakesega, nimelt müüoniga, " ütleb ta. "Muograafia on põhimõtteliselt pildistamisprotsess, mis skaneerib objekti tihedust täpselt samamoodi nagu röntgenikiirgus."

Muograafia on pildistamisprotsess, mis skaneerib objekti tihedust täpselt samamoodi nagu röntgenpildistamine

Muuonite tuvastamiseks saab kasutada mitut erinevat seadet, millest enamik on välja töötatud osakeste füüsikaliste katsete raames, näiteks CERNi suures hadronipõrgutis. Kui rääkida vulkaanide pildistamisest, siis kõige sagedamini kasutatavad detektorid koosnevad stsintillaatorite kihtidest. Kui müüonid läbivad detektorit, tekitab iga kiht valgussähvatust, mida koos saab kasutada osakeste sissetuleva trajektoori rekonstrueerimiseks. Detektorid on paigutatud vulkaani madalamatele nõlvadele ja on nurga all, et tuvastada seda läbivaid müüone.

Kuid muograafiat pole kasutatud ainult vulkaanide sisestruktuuri pildistamiseks. Teadlased on seda tehnikat kasutanud ka vulkaanide tiheduse muutuste tuvastamiseks, mis on seotud magma tõusuga, samuti magma kuju, hüdrotermilise aktiivsuse ja rõhu muutuste tuvastamiseks õõnsustes ja kanalites.

Vulkaanilised piilud

Giovanni MacedonioItaalias Roomas asuva riikliku geofüüsika ja vulkanoloogia instituudi teadusdirektor selgitab, et vulkaanide uurimiseks ja jälgimiseks on kolm peamist tehnikat. Üks on seismiliste andmete kasutamine. Teine on maapinna deformatsioonide mõõtmine satelliitidega, kolmas aga vulkaanis leiduvate vedelike geokeemia analüüsimine.

Muograafia võimaldab uurida vedeliku dünaamikat, kuna see võimaldab näha vulkaani ülemise osa sisemist struktuuri, eriti väiksemates vulkaanides. See mitte ainult ei näita teed, mille magna läks minevikus pursetes, vaid võimaldab ka modelleerida potentsiaalset tegevust tulevaste pursete ajal. Sisegeomeetria üksikasjad võivad näiteks näidata, kus koonuses võib purse tekkida ja kui võimas see võib olla.

Macedonio ja tema kolleegid uurivad Vesuuvi mäe uurimiseks muograafiat osana uurimisprojektist, mida tuntakse nimega MURAVES (J. Inst. 15 C03014). Rooma linnade Pompei ja Herculaneumi hävitamise tõttu kurikuulus Vesuuvius jääb aktiivseks vulkaaniks ning on ohtlik ja vaevlev kohalolek, eriti kuna läheduses elab palju inimesi. Viimase purske ajal 1944. aastal paiskus osa kraatrist vulkaanilt maha, kuid kraatris on tahkestunud veidi tihedat magmat.

MURAVESi eesmärk on õppida tundma vulkaani sisemist struktuuri pärast 19. ja 20. sajandi purskeid, et saaks modelleerida selle tulevast käitumist. Kuna vulkaanid on dünaamilised keskkonnad, muutub nende struktuur, eriti pursete ajal, mis võib mõjutada nende käitumist tulevikus.

Macedonio kasutab muuoneid ka Sitsiilia põhjaranniku lähedal asuva Lipari saarte aktiivse vulkaani Stromboli mäe uurimiseks. Nii aktiivsete kui ka seisvate vulkaanide sisestruktuuride uurimine võib aidata meil mõista vulkaanilist käitumist ja selgitada, miks need tekitavad väikeseid või suuri purskeid. "Sisemine struktuur, torude geomeetria, on oluline parameeter, mis määrab vulkaani dünaamika," ütleb Macedonio. Seda aktiivsete vulkaanide teavet saab seejärel kasutada teiste vulkaanide käitumise modelleerimiseks ja ennustamiseks.

Mis puutub Marteau’sse, siis ta on muograafia abil uurinud La Soufrière’i vulkaani Prantsusmaal Basse-Terre’i saarel Kariibi meres. Marteau selgitab, et vulkaani suhteliselt väike kuppel võib kergesti destabiliseerida selliste tegevustega nagu maavärinad ja magna liikumised. See võib vähendada survet kuuma kõrgsurveauruga täidetud õõnsustesse, põhjustades nn "phreaatilist" purset. Need on vulkaanipursked, mis hõlmavad pigem kõrge temperatuuriga vedelikke ja aure, mitte magmat.

Kuigi sellised pursked pole nii tuntud kui magmaga seotud pursked, võivad need siiski olla võimsad ja ohtlikud. Näiteks 2014. aasta septembris purskas Jaapanis asuva Ontake vulkaani edelaosa vähese hoiatusega, tappes 63 inimest, kes olid mäel matkanud (Maa planeetide ruum 68 72). Aurupurse tekitas tohutu, 11 kilomeetri kõrguse voo.

Vulkaanide nagu La Soufrière puhul määrab, kas purse toimub või mitte, kupli mehaaniline struktuur. "Teil on vaja sellist tehnikat nagu muograafia, et mõista, mis ja kus on nõrgad kohad, " ütleb Marteau.

Muograafiat saab kasutada ka vedelike dünaamika jälgimiseks vulkaanides nagu La Soufrière. Marteau selgitab, et paljude vulkaanide sees ringleb erinevate õõnsuste vahel palju vedelikku. Kuigi vedelikud võivad olla vedelad, võib magma aktiivsuse suurenemine ja vulkaani sügaval kuumus muuta need auruks.

Muograafia abil saate jälgida neid muutusi kupli vedeliku dünaamikas. Näiteks kui ühes õõnsuses olevad vedelikud muutuvad auruks, väheneb tihedus ja suureneb müüonivoog.

Selline muutus – õõnsuse täitmine surve all oleva auruga – on midagi, mis võib põhjustada purse. "Seda saate muograafia abil reaalajas jälgida ja see on ainus tehnika, mis seda suudab," ütleb Marteau.

2019. aastal näitasid Marteau ja tema kolleegid, et muograafia koos seismilise müra seirega võib tuvastada järske muutusi hüdrotermilises aktiivsuses La Soufrière vulkaani kuplis (Sci. Rep. 9 3079).

Vool enne tormi

Tanaka, kes oli vulkaanide pildistamiseks müüonide kasutamise teerajaja, on nüüd võtnud oma sihiks veel üks ohtlik loodusoht: troopilised tsüklonid. Need pöörlevad tormid, mis ulatuvad kiiruseni üle 120 kilomeetri tunnis, põhjustavad tohutul hulgal varalist kahju ja põhjustavad igal aastal palju surmajuhtumeid. Need pärinevad troopilistest ookeanidest ja neid tuntakse orkaanidena, taifuunidena või lihtsalt tsüklonitena, olenevalt sellest, kus maailmas need esinevad.

Tsüklonid arenevad, kui madala rõhuga õhku kuumutatakse sooja troopilise ookeani kohal. Aja jooksul tekitab see sooja, niiske kiiresti tõusva õhu samba; põhjustades madalrõhu depressiooni arenemist ookeani pinnal. See tugevdab veelgi konvektsioonivoolusid, mis viib võimsa pöörleva tormisüsteemi väljatöötamiseni, mis muutub tugevamaks ja tugevamaks.

Neid troopilisi torme ennustatakse, jälgitakse ja jälgitakse praegu satelliitide, radari ja muude ilmaandmete abil. Nende kaudu saab isegi lennata tugevdatud õhusõidukeid, et koguda andmeid, näiteks õhurõhku. Kuid ükski neist tehnikatest ei anna üksikasjalikku teavet õhurõhu ja tiheduse erinevuste kohta kogu tsüklonis. Just need kalded juhivad konvektsioonivoolusid ja tuule kiirust.

Kyushu saarel, mis on Jaapani viiest peamisest saarest lõunapoolseim ja tsüklonite kuum koht, uurib Tanaka ja tema meeskond nüüd, kuidas müüonivoo muutus võib näidata õhutiheduse ja rõhu erinevusi tsüklonis, pakkudes teavet tuule kiiruse ja tormi kohta. tugevus. Tanaka sõnul suudab nende stsintillaatordetektorite võrk Kyushu saarel pildistada torme kuni umbes 150 kilomeetri kaugusel. See on võimalik, sest kui mõned kosmilised kiired sisenevad atmosfääri vertikaalselt, siis teised tabavad palju rohkem horisontaalselt, luues müüone, mis lendavad Maa poole väga madala nurga all ja võivad enne maapinnale jõudmist läbida kuni 300 km.

Tihedam õhk neelab rohkem müüone, nii et nende voog mõõdab õhu tihedust – ja seega ka rõhku ja temperatuuri – mitmes tsükloni punktis. Selle tulemusena saab Tanaka meeskond luua pildi tsükloni sees olevatest temperatuuri- ja rõhugradientidest. "[Selle tehnika abil] saame mõõta tsükloni sees tuule horisontaalset ja vertikaalset kiirust," ütleb Tanaka, kelle meeskond on kasutanud muograafiat, et jälgida kaheksa Kagoshima linnale lähenevat tsüklonit. Saadud pildid jäädvustasid tsüklonite soojad madala rõhuga südamikud, mida ümbritses tihedam, külmem ja kõrgsurve õhk (Sci. Rep. 12 16710).

Kasutades rohkem müoonidetektoreid, loodab Tanaka, et tsüklonite sees olevatest energiastruktuuridest on võimalik luua üksikasjalikumaid 3D-pilte. "Ma eeldan, et muograafia abil saame ennustada, kui tugev on tsüklon ja kui palju vihma see maapinnale toob," ütleb Tanaka. "See on ilmselt midagi, mida saab kasutada varajase hoiatamise süsteemide jaoks."

Loodete muutumine

Tanaka on kasutanud muograafiat ka teise tsüklonitega seotud ohu mõõtmiseks: meteotsunamid. Lühidalt meteoroloogilistest tsunamitest esinevad need suletud või poolsuletud veekogudes, nagu lahed ja järved. Erinevalt tsunamidest, mis on seismilise aktiivsuse tagajärjed, põhjustavad need järsud muutused atmosfäärirõhus või tuuled, näiteks tsüklonite ja ilmafronde põhjustatud.

Meteotsunami äärmuslikud veevõnked võivad kesta mõnest minutist mitme tunnini ja põhjustada märkimisväärset kahju. Näiteks 75 inimest sai vigastada 4. juulil 1992, kui USA-s Florida idaosas Daytona Beachi tabas meteotsunami.Nat. Ohud 74 1-9). Kolme meetri kõrguste lainetega meteotsunami põhjustas tuisk – kiiresti liikuv äikesesüsteem.

Tokyo-Bay merepõhja hüperkilomeetriline allveelaevade sügavdetektor (TS-HKMSDD) on müonidetektorite rida, mis on paigaldatud üheksa kilomeetri pikkusesse maanteetunnelisse Tokyo lahe all. Andurid mõõdavad ülevalt veest läbivaid müüone.

2021. aasta septembris liikus tsüklon läbi Vaikse ookeani umbes 400 km Tokyo lahest lõuna pool. Tormi möödudes liikus Tokyo lahest läbi suur laine ja TS-HKMSDD tuvastatud müüonite arv kõikus. Täiendav veemaht põhjustas rohkemate müüonite hajumist ja lagunemist ning detektoriteni jõudev arv langes. Kui meeskond kontrollis oma müoniandmeid, leidsid nad, et need vastavad täpselt loodete mõõturi mõõtmistele (Sci. Rep. 12 6097).

Lainetuse mõõtmiseks ei pea detektorid olema veekogu all tunnelis. "Me võime tuvastada kõikjal, kus on mereranna lähedal maa-alune ruum," selgitab ta. See võib hõlmata maantee- ja metrootunneleid rannajoone lähedal ning muid maa-aluseid ruume, nagu parklad ja ärikeldrid.

Nagu tsüklonite puhul, tugineks meteotsunami tuvastamine detektoritele, mis tuvastavad madala nurga all läbi atmosfääri ning seejärel läbi vee ja rannajoone liikuvaid müüone. Tanaka sõnul saaks selliste seadistustega veetaset mõõta kuni umbes kolme kuni viie kilomeetri kaugusel kaldast. "Me ei taha teada, millal [meteotsunami] saabub," ütleb ta. "Me tahame teada, enne kui see maale jõuab."

Tanaka usub, et selliseid süsteeme saaks kasutada ka loodete taseme mõõtmiseks ja tiheda loodete seirevõrgu loomiseks. Lõppude lõpuks on müondetektoritel mehaaniliste mõõnamõõturite ees üks suur eelis: need ei puutu kokku veega. See muudab need töökindlamaks, kuna need ei kulu aja jooksul ega saa kahjustada suurte tormidega. Tegelikult mõõtis TS-HKMSDD Tokyo Bay Aqua-Line'i tunnelis aasta jooksul pidevalt, ilma et puudu oleks isegi sekunditki andmeid. Kes oleks võinud arvata, et alandlik muuon suudab nii palju ära teha, et meid loodusõnnetusteks ette valmistada?

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/