زمین، باد و آب: چگونه میون های کیهانی به مطالعه آتشفشان ها، طوفان ها و موارد دیگر کمک می کنند - دنیای فیزیک

دانشمندان و مهندسان همیشه در تلاشند تا سیستم‌های هشدار اولیه بهتری بسازند تا خسارات جانی و مالی ناشی از بلایای طبیعی مانند آتشفشان‌ها را کاهش دهند. یکی از تکنیک‌هایی که محققان به طور فزاینده‌ای به آن روی می‌آورند، از بسیاری جهات، ارسال از آسمان است. این شامل استفاده از میون‌ها است: ذرات زیراتمی که هنگام برخورد پرتوهای کیهانی - عمدتاً پروتون‌های پرانرژی ناشی از رویدادهایی مانند ابرنواخترها - با اتم‌هایی در ارتفاع 15 تا 20 کیلومتری جو ما تولید می‌شوند.

ما می دانیم که جو زمین دائماً توسط این پرتوهای کیهانی اولیه مورد اصابت قرار می گیرد و این برخوردها بارانی از ذرات ثانویه از جمله الکترون ها، پیون ها، نوترینوها و میون ها را تولید می کند. در واقع، در هر دقیقه 10,000 میون از این پرتوهای کیهانی ثانویه بر روی هر متر مربع از سطح زمین می بارد. این ذرات دارای خواصی مشابه الکترون ها هستند اما حدود 200 برابر جرم دارند، به این معنی که می توانند در ساختارهای جامد بسیار بیشتر از الکترون ها حرکت کنند.

اما چیزی که میون‌ها را به عنوان یک کاوشگر جالب می‌کند این است که برهم‌کنش‌های بین میون‌ها و موادی که از آن‌ها عبور می‌کنند بر شار آنها تأثیر می‌گذارد، با اجسام متراکم‌تر که میون‌های بیشتری را نسبت به ساختارهای کم‌چگال منحرف می‌کنند و جذب می‌کنند. این تفاوت در شار است که برای تصویربرداری از ساختار داخلی آتشفشان ها در تکنیکی به نام "مووگرافی" استفاده می شود. این اصطلاح در سال 2007 توسط هیرویوکی تاناکا در دانشگاه توکیو و همکارانش، که برای اولین بار نشان دادند که حفره‌ها و حفره‌های داخل آتشفشان را می‌توان با این تکنیک شناسایی کرد.سیاره زمین. علمی Lett. 263 1-2).

همچنین به عنوان توموگرافی میون شناخته می شود، از آشکارسازها برای تهیه نقشه چگالی معکوس از جسمی که میون ها از آن عبور کرده اند استفاده می کند. نقاطی که میون‌های بیشتری به حسگرها برخورد می‌کنند، مناطق کم‌تر ساختار را نشان می‌دهند، در حالی که میون‌های کمتری قسمت‌های متراکم‌تر را برجسته می‌کنند. تاناکا و همکارانش حتی سعی کرده‌اند فوران‌های آتشفشانی را با استفاده از مووگرافی همراه با یک شبکه عصبی کانولوشنال یادگیری عمیق هوش مصنوعی پیش‌بینی کنند. در سال 2020 آنها از این تکنیک برای مطالعه یکی از فعال ترین آتشفشان های جهان - آتشفشان ساکوراجیما در جنوب ژاپن (به بالا) استفاده کردند که در دهه گذشته 7000 بار فوران کرده است.علم هرزه. 10 5272).

طراحی با میون

مووگرافی بسیار شبیه به رادیوگرافی است ژاک مارتو، فیزیکدان ذرات در موسسه فیزیک 2 بی نهایت (IP2I) در لیون، فرانسه. او می‌گوید: «اشعه ایکس از تصویربرداری پزشکی را با ذره دیگری به نام میون جایگزین می‌کند. مووگرافی اساساً یک فرآیند تصویربرداری است که چگالی یک جسم را دقیقاً به روش تصویربرداری اشعه ایکس اسکن می کند.

مووگرافی یک فرآیند تصویربرداری است که چگالی یک جسم را دقیقاً به روش تصویربرداری اشعه ایکس اسکن می کند.

چندین دستگاه مختلف را می توان برای شناسایی میون ها استفاده کرد، که بیشتر آنها به عنوان بخشی از آزمایش های فیزیک ذرات، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن، ساخته شده اند. با این حال، هنگامی که صحبت از تصویربرداری از آتشفشان ها می شود، رایج ترین آشکارسازهای مورد استفاده از لایه هایی از سوسوزن تشکیل شده است. همانطور که میون ها از آشکارساز عبور می کنند، هر لایه فلاش نور تولید می کند که با هم می توانند برای بازسازی مسیر ورودی ذرات استفاده شوند. آشکارسازها در دامنه‌های پایین‌تر آتشفشان قرار می‌گیرند و برای تشخیص میون‌هایی که از آن عبور می‌کنند زاویه‌دار هستند.

اما مووگرافی تنها برای تصویربرداری از ساختار داخلی آتشفشان ها استفاده نشده است. محققان همچنین از این تکنیک برای تشخیص تغییرات چگالی درون آتشفشان‌های مرتبط با افزایش ماگما و همچنین تغییرات در شکل ماگما، فعالیت هیدروترمال و فشار در حفره‌ها و مجراها استفاده کرده‌اند.

نگاه های آتشفشانی

جیووانی مقدونیومدیر تحقیقات موسسه ملی ژئوفیزیک و آتشفشان شناسی در رم، ایتالیا، توضیح می دهد که سه تکنیک اصلی برای مطالعه و پایش آتشفشان ها وجود دارد. یکی استفاده از داده های لرزه ای است. یکی دیگر اندازه گیری تغییر شکل های زمین با ماهواره ها است، در حالی که سومی شامل تجزیه و تحلیل ژئوشیمی سیالات در آتشفشان است.

مووگرافی مطالعه دینامیک سیالات را امکان پذیر می کند زیرا به شما امکان می دهد ساختار داخلی قسمت بالایی آتشفشان را ببینید، به ویژه در آتشفشان های کوچکتر. این نه تنها مسیری را که مگنا در فوران‌های گذشته طی کرده است نشان می‌دهد، بلکه مدل‌سازی فعالیت‌های بالقوه را در فوران‌های آینده ممکن می‌سازد. برای مثال، جزئیات هندسه داخلی می تواند نشان دهد که فوران در کجای مخروط ممکن است رخ دهد و چقدر می تواند قدرتمند باشد.

Macedonio و همکارانش در حال مطالعه با استفاده از مووگرافی برای مطالعه کوه Vesuvius به عنوان بخشی از یک پروژه تحقیقاتی به نام MURAVES هستند.J. Inst. 15 C03014). وزوویوس که به دلیل تخریب شهرهای رومی پمپئی و هرکولانیوم بدنام است، همچنان یک آتشفشان فعال است و حضوری خطرناک و مهیج است، به خصوص که افراد زیادی در نزدیکی آن زندگی می کنند. در طول آخرین فوران در سال 1944، بخشی از دهانه آتشفشان به بیرون پرتاب شد، اما مقداری ماگما متراکم در دهانه جامد شده است.

هدف MURAVES این است که درباره ساختار داخلی آتشفشان پس از فوران‌های قرن 19 و 20 بیاموزد تا بتوان رفتار آینده آن را مدل‌سازی کرد. از آنجایی که آتشفشان ها محیط های پویا هستند، ساختار آنها به ویژه در طول فوران ها تغییر می کند که می تواند بر نحوه رفتار آنها در آینده تأثیر بگذارد.

مقدونیه همچنین از میون ها برای مطالعه کوه استرومبولی، یک آتشفشان فعال در جزایر بادی، در سواحل شمالی سیسیل استفاده می کند. مطالعه ساختارهای داخلی هر دو آتشفشان فعال و خاموش می تواند به ما در درک رفتار آتشفشانی کمک کند و توضیح دهد که چرا آنها فوران های کوچک یا بزرگ ایجاد می کنند. Macedonio می گوید: "ساختار داخلی، هندسه مجاری، پارامتر مهمی است که دینامیک آتشفشان را تعیین می کند." سپس می‌توان از این اطلاعات آتشفشان‌های فعال برای کمک به مدل‌سازی و پیش‌بینی چگونگی رفتار آتشفشان‌های دیگر استفاده کرد.

در مورد مارتو، او از مووگرافی برای مطالعه آتشفشان La Soufrière در جزیره Basse-Terre فرانسه در دریای کارائیب استفاده کرده است. مارتو توضیح می دهد که گنبد نسبتا کوچک آتشفشان به راحتی می تواند توسط فعالیت هایی مانند زلزله و حرکات مگنا بی ثبات شود. این می تواند فشار حفره های پر شده با بخار داغ و پرفشار را کاهش دهد و منجر به آنچه به عنوان فوران "فریاتیک" شناخته می شود، شود. اینها فوران های آتشفشانی هستند که به جای ماگما، مایعات و بخارات با دمای بالا را شامل می شوند.

در حالی که چنین فوران هایی به اندازه فوران های ماگما شناخته شده نیستند، اما هنوز هم می توانند قدرتمند و خطرناک باشند. به عنوان مثال، در سپتامبر 2014، سمت جنوب غربی آتشفشان اونتاکه در ژاپن بدون هشدار کمی فوران کرد و 63 نفر را که در حال پیاده روی در کوه بودند کشته شدند.فضای سیارات زمین 68 72). فوران بخار یک ستون عظیم به ارتفاع 11 کیلومتر ایجاد کرد.

در مورد آتشفشان‌هایی مانند La Soufrière، آنچه حکم می‌کند که فوران رخ دهد یا نه، ساختار مکانیکی گنبد است. مارتو می گوید: «شما به تکنیکی مانند مووگرافی نیاز دارید تا بفهمید نقاط ضعف چیست و کجاست.

مووگرافی همچنین می تواند برای نظارت بر دینامیک سیالات در آتشفشان هایی مانند La Soufrière استفاده شود. مارتو توضیح می دهد که در داخل بسیاری از آتشفشان ها، مایعات زیادی بین حفره های مختلف در گردش است. در حالی که مایعات ممکن است مایع باشند، افزایش فعالیت ماگما و گرمای عمیق در آتشفشان می تواند آنها را به بخار تبدیل کند.

با مووگرافی می توانید این تغییرات را در دینامیک سیال درون گنبد مشاهده کنید. به عنوان مثال، اگر مایعات در یک حفره به بخار تبدیل شوند، چگالی آن کاهش می یابد و شار میون افزایش می یابد.

چنین تغییری - پر شدن یک حفره با بخار تحت فشار - چیزی است که می تواند باعث فوران شود. مارتو می‌گوید: «این چیزی است که می‌توانید در زمان واقعی با مووگرافی دنبال کنید، و این تنها تکنیکی است که می‌تواند این کار را انجام دهد».

در سال 2019، مارتو و همکارانش نشان دادند که مووگرافی در ترکیب با پایش نویز لرزه ای می تواند تغییرات ناگهانی در فعالیت هیدروترمال را در گنبد آتشفشان La Soufrière تشخیص دهد.علم هرزه. 9 3079).

جریان قبل از طوفان

تاناکا، که پیشگام استفاده از میون ها برای تصویربرداری از آتشفشان ها بود، اکنون به یک خطر طبیعی خطرناک دیگر توجه کرده است: طوفان گرمسیری. این طوفان های چرخشی با رسیدن به سرعت بیش از 120 کیلومتر در ساعت، خسارات زیادی به اموال وارد می کنند و هر ساله باعث مرگ و میر بسیاری می شوند. آنها از اقیانوس‌های استوایی سرچشمه می‌گیرند و بسته به اینکه در کجای جهان رخ می‌دهند، به عنوان طوفان، طوفان یا به‌طور ساده، طوفان شناخته می‌شوند.

هنگامی که هوای کم فشار بر روی اقیانوس گرم استوایی گرم می شود، سیکلون ها ایجاد می شوند. با گذشت زمان، این یک ستون گرم و مرطوب از هوای به سرعت در حال افزایش ایجاد می کند. باعث ایجاد فرورفتگی کم فشار در سطح اقیانوس می شود. این جریان‌های همرفتی را بیشتر تقویت می‌کند و منجر به توسعه یک سیستم طوفانی دوار قدرتمند می‌شود که قوی‌تر و قوی‌تر می‌شود.

این طوفان های استوایی در حال حاضر با استفاده از ماهواره ها، رادار و سایر داده های آب و هوا پیش بینی، نظارت و ردیابی می شوند. حتی می توان هواپیماهای تقویت شده را برای جمع آوری داده هایی مانند فشار هوا از میان آنها عبور داد. اما هیچ یک از این تکنیک ها جزئیاتی در مورد تفاوت فشار و چگالی هوا در سرتاسر سیکلون ارائه نمی دهند. این شیب ها هستند که جریان های همرفت و سرعت باد را هدایت می کنند.

در جزیره کیوشو - جنوبی‌ترین جزیره از پنج جزیره اصلی ژاپن و نقطه داغ برای طوفان‌ها - تاناکا و تیمش اکنون در حال بررسی هستند که چگونه تغییر در شار میون می‌تواند تفاوت‌هایی را در چگالی هوا و فشار در طوفان نشان دهد و اطلاعاتی در مورد سرعت باد و طوفان ارائه دهد. استحکام - قدرت. به گفته تاناکا، شبکه آشکارسازهای سوسوزن آنها در جزیره کیوشو می تواند طوفان هایی را تا فاصله 150 کیلومتری تصویر کند. این ممکن است زیرا در حالی که برخی از پرتوهای کیهانی به صورت عمودی وارد جو می شوند، برخی دیگر به صورت افقی بسیار بیشتر برخورد می کنند و میون هایی را ایجاد می کنند که در زوایای بسیار کم به سمت زمین پرواز می کنند و می توانند تا 300 کیلومتر پیش از برخورد با زمین حرکت کنند.

هوای متراکم‌تر میون‌های بیشتری را جذب می‌کند، بنابراین شار آن‌ها معیاری از چگالی - و بنابراین فشار و دمای هوا - را در چندین نقطه در سراسر یک سیکلون فراهم می‌کند. در نتیجه، تیم تاناکا می‌تواند تصویری از گرادیان‌های دما و فشار داخل سیکلون ایجاد کند. تاناکا که تیمش از مووگرافی برای مشاهده هشت طوفان در حال نزدیک شدن به شهر کاگوشیما استفاده کرده است، می‌گوید: «[با استفاده از این تکنیک] می‌توانیم سرعت افقی و عمودی باد را در داخل طوفان اندازه‌گیری کنیم. تصاویر به دست آمده، هسته های گرم کم فشار سیکلون ها را که توسط هوای متراکم تر، سردتر و پرفشار احاطه شده اند، ثبت کردند.علم هرزه. 12 16710).

با استفاده از آشکارسازهای میون بیشتر، تاناکا امیدوار است که بتوان تصاویر سه بعدی دقیق تری از ساختارهای انرژی درون طوفان ها ایجاد کرد. تاناکا می‌گوید: «پیش‌بینی می‌کنم که با مووگرافی می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که یک طوفان چقدر قوی خواهد بود و چقدر باران روی زمین خواهد آورد. "این احتمالاً چیزی است که می تواند برای سیستم های هشدار اولیه استفاده شود."

تغییر جزر و مد

تاناکا همچنین از مووگرافی برای اندازه‌گیری خطر دیگری که با طوفان‌ها مرتبط است استفاده می‌کند: متئوتسونامی. مخفف سونامی های هواشناسی، این سونامی ها در آب های بسته یا نیمه بسته مانند خلیج ها و دریاچه ها رخ می دهند. برخلاف سونامی‌ها که نتیجه فعالیت‌های لرزه‌ای هستند، این سونامی‌ها ناشی از تغییرات ناگهانی فشار جو یا بادها هستند، مانند تغییرات ناشی از طوفان‌ها و جبهه‌های آب و هوایی.

نوسانات شدید آب متئو سونامی ها می تواند از چند دقیقه تا چند ساعت طول بکشد و می تواند آسیب قابل توجهی ایجاد کند. به عنوان مثال، 75 نفر در 4 ژوئیه 1992 در اثر برخورد متئو سونامی به ساحل دیتونا در شرق فلوریدا در ایالات متحده مجروح شدند.نات. خطرات 74 1-9). با امواجی که ارتفاع آنها به سه متر می‌رسید، متئو سونامی توسط یک خط رگبار ایجاد شد - سیستمی از رعد و برق که به سرعت در حال حرکت است.

آشکارساز عمقی زیردریایی Hyper-Kilometric Hyper-Kilometric Tokyo-Bay (TS-HKMSDD) خطی از آشکارسازهای میون است که در یک تونل جاده ای به طول XNUMX کیلومتر در زیر خلیج توکیو نصب شده است. حسگرها میون های عبوری از آب بالا را اندازه گیری می کنند.

در سپتامبر 2021 یک طوفان از اقیانوس آرام در حدود 400 کیلومتری جنوب خلیج توکیو عبور کرد. با عبور از طوفان، موج بزرگی از خلیج توکیو عبور کرد و تعداد میون های شناسایی شده توسط TS-HKMSDD در نوسان بود. حجم آب اضافی باعث پراکندگی و پوسیدگی میون های بیشتری شد و اعدادی که به آشکارسازها می رسید کاهش یافت. هنگامی که تیم داده‌های میون خود را بررسی کردند، دریافتند که با اندازه‌گیری‌های اندازه‌گیری جزر و مد مطابقت دارد.علم هرزه. 12 6097).

برای اندازه گیری تورم، آشکارسازها نیازی به قرار گرفتن در یک تونل در زیر بدنه آب ندارند. او توضیح می‌دهد: «ما می‌توانیم هر جایی را با فضای زیرزمینی نزدیک ساحل دریا تشخیص دهیم. این می تواند شامل تونل های جاده و مترو در نزدیکی خط ساحلی و سایر فضاهای زیرزمینی مانند پارکینگ ها و زیرزمین های تجاری باشد.

همانند طوفان‌ها، شناسایی متئو سونامی‌ها به آشکارسازهایی بستگی دارد که میون‌ها را در زوایای کم عمق در جو و سپس از طریق آب و خط ساحلی حرکت می‌کنند. به گفته تاناکا، چنین تنظیماتی می تواند سطح آب را تا حدود سه تا پنج کیلومتری از ساحل اندازه گیری کند. او می‌گوید: «ما نمی‌خواهیم لحظه ورود [متئوسونامی] را بدانیم. ما می‌خواهیم قبل از رسیدن به زمین بدانیم.»

تاناکا معتقد است که از چنین سیستم هایی می توان برای اندازه گیری سطح جزر و مد و ایجاد یک شبکه متراکم نظارت بر جزر و مد نیز استفاده کرد. از این گذشته، آشکارسازهای میون یک مزیت بزرگ نسبت به اندازه‌گیری‌های جزر و مد مکانیکی دارند: آنها با آب در تماس نیستند. این باعث می شود که آنها قابل اعتمادتر باشند زیرا در طول زمان فرسوده نمی شوند و نمی توانند در اثر طوفان های بزرگ آسیب ببینند. در واقع، TS-HKMSDD در تونل آبی توکیو خلیج به مدت یک سال به طور مداوم اندازه گیری شد و حتی یک ثانیه هم اطلاعات از دست رفته نداشت. چه کسی فکرش را می‌کرد که میون فروتن می‌تواند تا این حد ما را در برابر بلایای طبیعی آماده کند؟

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/