Terre, vent et eau : comment les muons cosmiques aident à étudier les volcans, les cyclones et plus encore – Physics World

Les scientifiques et les ingénieurs essaient toujours de construire de meilleurs systèmes d'alerte précoce pour atténuer les dommages à la vie et aux biens causés par les catastrophes naturelles telles que les volcans. Une technique vers laquelle les chercheurs se tournent de plus en plus est, à bien des égards, un don du ciel. Il s'agit d'utiliser des muons : des particules subatomiques produites lorsque des rayons cosmiques - principalement des protons de haute énergie provenant d'événements tels que des supernovae - entrent en collision avec des atomes situés à 15-20 kilomètres de haut dans notre atmosphère.

Nous savons que l'atmosphère terrestre est constamment frappée par ces rayons cosmiques primaires, les collisions produisant une gerbe de particules secondaires, dont des électrons, des pions, des neutrinos et des muons. En fait, jusqu'à 10,000 200 muons provenant de ces rayons cosmiques secondaires pleuvent chaque minute sur chaque mètre carré de la surface de la Terre. Ces particules ont toutes les mêmes propriétés que les électrons mais environ XNUMX fois plus massives, ce qui signifie qu'elles peuvent voyager beaucoup plus loin à travers les structures solides que les électrons.

Mais ce qui rend les muons intéressants en tant que sonde, c'est que les interactions entre les muons et les matériaux qu'ils traversent affectent leur flux, les objets plus denses déviant et absorbant plus de muons que les structures moins denses. C'est cette différence de flux qui est utilisée pour imager la structure interne des volcans dans une technique connue sous le nom de "muographie". Le terme a été inventé en 2007 par Hiroyuki tanaka à l'Université de Tokyo et ses collègues, qui ont fourni la première démonstration que les vides et les cavités dans le volcan pouvaient être détectés avec la technique (Planète Terre. Sci. Lett. 263 1-2).

Également connue sous le nom de tomographie muonique, elle utilise des détecteurs pour produire une carte de densité inverse de l'objet traversé par les muons. Les points où plus de muons frappent les capteurs représentent des zones moins denses de la structure, tandis que moins de muons mettent en évidence des parties plus denses. Tanaka et ses collègues ont même essayé de prévoir les éruptions volcaniques en utilisant la muographie combinée à un réseau neuronal convolutif d'apprentissage en profondeur de l'IA. En 2020, ils ont utilisé cette technique pour étudier l'un des volcans les plus actifs au monde - le volcan Sakurajima dans le sud du Japon (voir ci-dessus), qui a éclaté 7000 fois au cours de la dernière décennie (Sci. représentant 10 5272).

Dessiner avec des muons

La muographie est très similaire à la radiographie, selon Jacques Marteau, physicien des particules à l'Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I) à Lyon, France. "Il remplace les rayons X de l'imagerie médicale par une autre particule, à savoir le muon", explique-t-il. "La muographie est essentiellement un processus d'imagerie qui scanne la densité d'un objet exactement de la même manière que l'imagerie par rayons X."

La muographie est un processus d'imagerie qui scanne la densité d'un objet exactement de la même manière que l'imagerie par rayons X

Plusieurs dispositifs différents peuvent être utilisés pour détecter les muons, dont la plupart ont été développés dans le cadre d'expériences de physique des particules, comme au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Cependant, lorsqu'il s'agit d'imager des volcans, les détecteurs les plus couramment utilisés sont constitués de couches de scintillateurs. Lorsque les muons traversent le détecteur, chaque couche produit un flash de lumière qui, ensemble, peut être utilisé pour reconstruire la trajectoire entrante des particules. Les détecteurs sont placés sur les pentes inférieures du volcan et sont inclinés pour détecter les muons qui le traversent.

Mais la muographie n'a pas seulement été utilisée pour imager la structure interne des volcans. Les chercheurs ont également utilisé la technique pour détecter les changements de densité au sein des volcans liés à la montée du magma, ainsi que les changements de forme du magma, d'activité hydrothermale et de pression dans les cavités et les conduits.

Pics volcaniques

Giovanni Macédoine, directeur de recherche à l'Institut national de géophysique et de volcanologie de Rome, en Italie, explique qu'il existe trois techniques principales pour étudier et surveiller les volcans. L'une consiste à utiliser des données sismiques. Une autre consiste à mesurer les déformations du sol avec des satellites, tandis qu'une troisième consiste à analyser la géochimie des fluides du volcan.

La muographie permet d'étudier la dynamique des fluides car elle permet de voir la structure interne de la partie supérieure du volcan, en particulier dans les petits volcans. Cela révèle non seulement le chemin parcouru par la magna lors des éruptions passées, mais permet également de modéliser l'activité potentielle lors des futures éruptions. Les détails de la géométrie interne, par exemple, pourraient montrer où sur le cône une éruption pourrait se produire et quelle pourrait être sa puissance.

Macedonio et ses collègues étudient l'utilisation de la muographie pour étudier le Vésuve dans le cadre d'un projet de recherche connu sous le nom de MURAVES (J. Inst. 15 C03014). Tristement célèbre pour sa destruction des villes romaines de Pompéi et d'Herculanum, le Vésuve reste un volcan actif et une présence dangereuse et maussade, d'autant plus que tant de personnes vivent à proximité. Lors de la dernière éruption en 1944, une partie du cratère a été éjectée du volcan, mais du magma dense s'est solidifié dans le cratère.

L'objectif de MURAVES est de connaître la structure interne du volcan suite aux éruptions des XIXe et XXe siècles, afin de modéliser son comportement futur. Les volcans étant des environnements dynamiques, leur structure change, en particulier lors des éruptions, ce qui peut affecter leur comportement futur.

Macedonio utilise également des muons pour étudier le mont Stromboli, un volcan actif des îles Éoliennes, au large de la côte nord de la Sicile. L'étude des structures internes des volcans actifs et dormants peut nous aider à comprendre le comportement volcanique et à expliquer pourquoi ils génèrent de petites ou de grandes éruptions. "La structure interne, la géométrie des conduits, est un paramètre important qui détermine la dynamique du volcan", explique Macedonio. Ces informations provenant des volcans actifs peuvent ensuite être utilisées pour modéliser et prédire le comportement d'autres volcans.

Quant à Marteau, il a utilisé la muographie pour étudier le volcan La Soufrière sur l'île française de Basse-Terre dans les Caraïbes. Le dôme relativement petit du volcan, explique Marteau, peut facilement être déstabilisé par des activités telles que les tremblements de terre et les mouvements de magna. Cela peut dépressuriser les cavités remplies de vapeur chaude à haute pression, entraînant ce que l'on appelle une éruption « phréatique ». Ce sont des éruptions volcaniques qui impliquent des liquides et des vapeurs à haute température, plutôt que du magma.

Bien que ces éruptions ne soient pas aussi connues que celles impliquant du magma, elles peuvent néanmoins être puissantes et dangereuses. En septembre 2014, par exemple, le côté sud-ouest du volcan Ontake au Japon est entré en éruption sans avertissement, tuant 63 personnes qui avaient fait de la randonnée sur la montagne (Terre Planètes Espace 68 72). L'éruption de vapeur a créé un énorme panache de 11 kilomètres de haut.

Dans le cas de volcans comme La Soufrière, ce qui dicte si une éruption se produira ou non, c'est la structure mécanique du dôme. "Vous avez besoin d'une technique comme la muographie pour comprendre quels sont et où sont les points faibles", explique Marteau.

La muographie peut également être utilisée pour suivre la dynamique des fluides dans des volcans comme La Soufrière. À l'intérieur de nombreux volcans, explique Marteau, de nombreux fluides circulent entre différentes cavités. Bien que les fluides puissent être liquides, l'augmentation de l'activité du magma et de la chaleur au plus profond du volcan peut les transformer en vapeur.

Avec la muographie, vous pouvez observer ces changements dans la dynamique des fluides à l'intérieur du dôme. Par exemple, si les liquides d'une cavité se transforment en vapeur, il y aura une diminution de la densité et une augmentation du flux de muons.

Un tel changement - un remplissage d'une cavité avec de la vapeur sous pression - est quelque chose qui pourrait provoquer une éruption. "C'est quelque chose que vous pouvez suivre en temps réel avec la muographie, et c'est la seule technique capable de le faire", explique Marteau.

En 2019, Marteau et ses collègues ont démontré que la muographie en combinaison avec la surveillance du bruit sismique peut détecter des changements brusques de l'activité hydrothermale dans le dôme du volcan La Soufrière (Sci. représentant 9 3079).

Le flux avant la tempête

Tanaka, qui a été le pionnier de l'utilisation des muons pour imager les volcans, a maintenant jeté son dévolu sur un autre danger naturel dangereux : cyclones tropicaux. Atteignant des vitesses de plus de 120 kilomètres à l'heure, ces tempêtes tournantes causent d'énormes dégâts matériels et sont responsables de nombreux décès chaque année. Ils proviennent des océans tropicaux et sont connus sous le nom d'ouragans, de typhons ou, simplement, de cyclones, selon l'endroit du monde où ils se produisent.

Les cyclones se développent lorsque l'air à basse pression est chauffé au-dessus de l'océan tropical chaud. Au fil du temps, cela crée une colonne d'air chaud et humide qui monte rapidement; provoquant le développement d'une dépression à la surface de l'océan. Cela renforce encore les courants de convection, conduisant au développement d'un puissant système de tempête rotatif qui devient de plus en plus fort.

Ces tempêtes tropicales sont actuellement prévues, surveillées et suivies à l'aide de satellites, de radars et d'autres données météorologiques. Des avions renforcés peuvent même les traverser pour collecter des données telles que la pression atmosphérique. Mais aucune de ces techniques ne fournit de détails sur les différences de pression et de densité de l'air dans tout le cyclone. Ce sont ces gradients qui entraînent les courants de convection et la vitesse du vent.

Sur l'île de Kyushu - la plus méridionale des cinq îles principales du Japon et un point chaud pour les cyclones - Tanaka et son équipe étudient actuellement comment le changement du flux de muons peut montrer des différences de densité et de pression de l'air dans le cyclone, fournissant des informations sur la vitesse du vent et la tempête. force. Selon Tanaka, leur réseau de détecteurs à scintillateurs sur l'île de Kyushu peut imager des tempêtes jusqu'à environ 150 kilomètres. Cela est possible car si certains rayons cosmiques pénètrent verticalement dans l'atmosphère, d'autres frappent beaucoup plus horizontalement, créant des muons qui volent vers la Terre à des angles très faibles et peuvent parcourir jusqu'à 300 km avant de toucher le sol.

L'air plus dense absorbe plus de muons, de sorte que leur flux fournit une mesure de la densité - et donc de la pression et de la température - de l'air en plusieurs points d'un cyclone. En conséquence, l'équipe de Tanaka peut créer une image des gradients de température et de pression à l'intérieur du cyclone. "[En utilisant cette technique] nous pouvons mesurer la vitesse horizontale et verticale du vent à l'intérieur du cyclone", explique Tanaka, dont l'équipe a utilisé la muographie pour observer huit cyclones s'approchant de la ville de Kagoshima. Les images résultantes ont capturé les noyaux chauds à basse pression des cyclones, entourés d'air à haute pression plus dense, plus froid (Sci. représentant 12 16710).

En utilisant davantage de détecteurs de muons, Tanaka espère qu'il sera possible de créer des images 3D plus détaillées des structures énergétiques à l'intérieur des cyclones. "Je prévois qu'avec la muographie, nous pouvons prédire la force d'un cyclone et la quantité de pluie qu'il apportera au sol", déclare Tanaka. "C'est probablement quelque chose qui peut être utilisé pour les systèmes d'alerte précoce."

Changement des marées

Tanaka utilise également la muographie pour mesurer un autre aléa lié aux cyclones : les météotsunamis. Abréviation de tsunamis météorologiques, ils se produisent dans des plans d'eau fermés ou semi-fermés comme des baies et des lacs. Contrairement aux tsunamis, qui sont le résultat de l'activité sismique, ils sont causés par des changements brusques de la pression atmosphérique ou des vents, tels que ceux causés par les cyclones et les fronts météorologiques.

Les oscillations extrêmes de l'eau des météotsunamis peuvent durer de quelques minutes à plusieurs heures et causer des dommages importants. Par exemple, 75 personnes ont été blessées le 4 juillet 1992 lorsqu'un météotunami a frappé Daytona Beach dans l'est de la Floride aux États-Unis (Nat. Dangers 74 1-9). Avec des vagues atteignant trois mètres de hauteur, le météotsunami a été causé par une ligne de grains - un système d'orages se déplaçant rapidement.

Le détecteur sous-marin hyperkilométrique sous-marin Tokyo-Bay Seafloor (TS-HKMSDD) est une ligne de détecteurs de muons installés dans un tunnel routier de neuf kilomètres de long sous la baie de Tokyo. Les capteurs mesurent les muons traversant l'eau au-dessus.

En septembre 2021, un cyclone a traversé le Pacifique à environ 400 km au sud de la baie de Tokyo. Au passage de la tempête, une grande houle a traversé la baie de Tokyo et le nombre de muons détectés par le TS-HKMSDD a fluctué. Le volume d'eau supplémentaire a provoqué la dispersion et la désintégration de plus de muons, et le nombre de muons atteignant les détecteurs a chuté. Lorsque l'équipe a vérifié leurs données sur les muons, ils ont constaté qu'elles correspondaient étroitement aux mesures du marégraphe (Sci. représentant 12 6097).

Pour mesurer la houle, les détecteurs n'ont pas besoin d'être dans un tunnel sous le plan d'eau. "Nous pouvons détecter n'importe où avec un espace souterrain près du bord de mer", explique-t-il. Cela pourrait inclure des tunnels routiers et de métro près du rivage et d'autres espaces souterrains comme des parkings et des sous-sols commerciaux.

Comme pour les cyclones, la détection des météotsunamis reposerait sur les détecteurs détectant les muons se déplaçant à des angles faibles à travers l'atmosphère, puis à travers l'eau et le littoral. Selon Tanaka, de telles configurations pourraient mesurer les niveaux d'eau jusqu'à environ trois à cinq kilomètres du rivage. « Nous ne voulons pas savoir à quel moment [le météotsunami] arrive », dit-il. "Nous voulons savoir avant qu'il ne touche terre."

Tanaka pense que de tels systèmes pourraient également être utilisés pour mesurer les niveaux des marées et créer un réseau dense de surveillance des marées. Après tout, les détecteurs de muons ont un gros avantage sur les marégraphes mécaniques : ils ne sont pas en contact avec l'eau. Cela les rend plus fiables car ils ne s'usent pas avec le temps et ne peuvent pas être endommagés par de grosses tempêtes. En fait, TS-HKMSDD dans le tunnel Tokyo Bay Aqua-Line a mesuré en continu pendant un an sans même une seule seconde de données manquantes. Qui aurait pensé que l'humble muon pouvait faire autant pour nous préparer aux catastrophes naturelles ?

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