पृथ्वी, हवा और पानी: कैसे ब्रह्मांडीय म्यूऑन ज्वालामुखियों, चक्रवातों और अधिक का अध्ययन करने में मदद कर रहे हैं - भौतिकी विश्व

ज्वालामुखी जैसी प्राकृतिक आपदाओं से होने वाले जीवन और संपत्ति के नुकसान को कम करने के लिए वैज्ञानिक और इंजीनियर हमेशा बेहतर पूर्व-चेतावनी प्रणाली बनाने की कोशिश कर रहे हैं। एक तकनीक जिसकी ओर शोधकर्ता तेजी से ध्यान दे रहे हैं, वह कई मायनों में स्वर्ग-प्रेषित है। इसमें म्यूऑन का उपयोग करना शामिल है: उप-परमाणु कण तब उत्पन्न होते हैं जब ब्रह्मांडीय किरणें - ज्यादातर सुपरनोवा जैसी घटनाओं से उत्पन्न होने वाले उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन - हमारे वायुमंडल में 15-20 किलोमीटर ऊपर परमाणुओं से टकराते हैं।

हम जानते हैं कि पृथ्वी का वायुमंडल लगातार इन प्राथमिक ब्रह्मांडीय किरणों से प्रभावित हो रहा है, जिनके टकराव से इलेक्ट्रॉन, पियोन, न्यूट्रिनो और म्यूऑन सहित द्वितीयक कणों की बौछार होती है। वास्तव में, इन द्वितीयक ब्रह्मांडीय किरणों से लगभग 10,000 म्यूऑन पृथ्वी की सतह के प्रत्येक वर्ग मीटर पर हर मिनट बरसते हैं। इन कणों में इलेक्ट्रॉनों के समान सभी गुण होते हैं लेकिन द्रव्यमान लगभग 200 गुना होता है, जिसका अर्थ है कि वे इलेक्ट्रॉनों की तुलना में ठोस संरचनाओं के माध्यम से बहुत आगे तक यात्रा कर सकते हैं।

लेकिन एक जांच के रूप में म्यूऑन को जो दिलचस्प बनाता है वह यह है कि म्यूऑन और जिन सामग्रियों से वे गुजर रहे हैं उनके बीच की बातचीत उनके प्रवाह को प्रभावित करती है, सघन वस्तुएं कम-घनी संरचनाओं की तुलना में अधिक म्यूऑन को विक्षेपित और अवशोषित कर सकती हैं। प्रवाह में यह अंतर ही है जिसका उपयोग "म्यूओग्राफ़ी" नामक तकनीक में ज्वालामुखियों की आंतरिक संरचना की छवि बनाने के लिए किया जा रहा है। यह शब्द 2007 में वापस गढ़ा गया था हिरोयुकी तनाका टोक्यो विश्वविद्यालय और उनके सहयोगियों में, जिन्होंने पहला प्रदर्शन प्रदान किया कि ज्वालामुखी के भीतर रिक्तियों और गुहाओं का तकनीक से पता लगाया जा सकता है (पृथ्वी नक्षत्र। विज्ञान। लेट्ट। 263 1 - 2).

म्यूऑन टोमोग्राफी के रूप में भी जाना जाता है, यह उस वस्तु का रिवर्स घनत्व मानचित्र तैयार करने के लिए डिटेक्टरों का उपयोग करता है जिससे म्यूऑन गुजरा है। वे स्थान जहां अधिक म्यूऑन सेंसर से टकराते हैं, संरचना के कम घने क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि कम म्यूऑन सघन भागों को उजागर करते हैं। तनाका और सहकर्मियों ने एआई डीप-लर्निंग कनवल्शनल न्यूरल नेटवर्क के साथ संयुक्त म्यूओग्राफ़ी का उपयोग करके ज्वालामुखी विस्फोट का पूर्वानुमान लगाने की भी कोशिश की है। 2020 में उन्होंने दुनिया के सबसे सक्रिय ज्वालामुखियों में से एक - दक्षिणी जापान में सकुराजिमा ज्वालामुखी (ऊपर देखें) का अध्ययन करने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया, जो पिछले दशक में 7000 बार फट चुका है (विज्ञान। रेप। 10 5272).

म्यूऑन के साथ चित्रण

के अनुसार म्यूओग्राफ़ी रेडियोग्राफी से काफ़ी मिलती-जुलती है जैक्स मार्टौल्योन, फ्रांस में इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स ऑफ द 2 इनफिनिटीज (आईपी2आई) में एक कण भौतिक विज्ञानी। "यह मेडिकल इमेजिंग से एक्स-रे को एक अन्य कण, अर्थात् म्यूऑन से बदल देता है," वे कहते हैं। "म्यूओग्राफ़ी मूल रूप से एक इमेजिंग प्रक्रिया है जो किसी वस्तु के घनत्व को एक्स-रे इमेजिंग की तरह ही स्कैन करती है।"

म्यूओग्राफ़ी एक इमेजिंग प्रक्रिया है जो किसी वस्तु के घनत्व को एक्स-रे इमेजिंग की तरह ही स्कैन करती है

म्यूऑन का पता लगाने के लिए कई अलग-अलग उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है, जिनमें से अधिकांश को कण-भौतिकी प्रयोगों के हिस्से के रूप में विकसित किया गया है, जैसे कि सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में। हालाँकि, जब ज्वालामुखियों की इमेजिंग की बात आती है, तो सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले डिटेक्टरों में सिंटिलेटर्स की परतें होती हैं। जैसे ही म्यूऑन डिटेक्टर से गुजरते हैं, प्रत्येक परत प्रकाश की एक चमक पैदा करती है जिसका उपयोग कणों के आने वाले प्रक्षेपवक्र को फिर से बनाने के लिए किया जा सकता है। डिटेक्टरों को ज्वालामुखी की निचली ढलानों पर रखा गया है और इसके माध्यम से गुजरने वाले म्यूऑन का पता लगाने के लिए कोण बनाया गया है।

लेकिन म्यूओग्राफ़ी का उपयोग न केवल ज्वालामुखियों की आंतरिक संरचना की छवि बनाने के लिए किया गया है। शोधकर्ताओं ने बढ़ते मैग्मा से जुड़े ज्वालामुखियों के भीतर घनत्व में बदलाव के साथ-साथ मैग्मा के आकार, हाइड्रोथर्मल गतिविधि और गुहाओं और नलिकाओं में दबाव में बदलाव का पता लगाने के लिए भी तकनीक का उपयोग किया है।

ज्वालामुखी की झलक

जियोवन्नी मैसेडोनियोरोम, इटली में नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ जियोफिजिक्स एंड वोल्केनोलॉजी के अनुसंधान निदेशक, बताते हैं कि ज्वालामुखियों के अध्ययन और निगरानी के लिए तीन मुख्य तकनीकें हैं। एक है भूकंपीय डेटा का उपयोग करना। दूसरे में उपग्रहों के साथ जमीन की विकृतियों को मापना शामिल है, जबकि तीसरे में ज्वालामुखी में तरल पदार्थों की भू-रसायन विज्ञान का विश्लेषण करना शामिल है।

म्यूओग्राफ़ी द्रव गतिशीलता का अध्ययन करना संभव बनाती है क्योंकि यह आपको ज्वालामुखी के ऊपरी हिस्से की आंतरिक संरचना को देखने की अनुमति देती है, खासकर छोटे ज्वालामुखियों में। इससे न केवल पिछले विस्फोटों में मैग्ना द्वारा अपनाए गए मार्ग का पता चलता है, बल्कि भविष्य के विस्फोटों के दौरान संभावित गतिविधि का मॉडल बनाना भी संभव हो जाता है। उदाहरण के लिए, आंतरिक ज्यामिति का विवरण दिखा सकता है कि शंकु पर कहां विस्फोट हो सकता है और यह कितना शक्तिशाली हो सकता है।

मैसेडोनियो और उनके सहकर्मी म्यूरवेज़ नामक एक शोध परियोजना के हिस्से के रूप में माउंट वेसुवियस का अध्ययन करने के लिए म्यूओग्राफ़ी का उपयोग कर अध्ययन कर रहे हैं (जे. इंस्ट. 15 C03014). पोम्पेई और हरकुलेनियम के रोमन शहरों के विनाश के लिए कुख्यात, वेसुवियस एक सक्रिय ज्वालामुखी बना हुआ है और एक खतरनाक, चिंताजनक उपस्थिति है, खासकर जब इतने सारे लोग पास में रहते हैं। 1944 में अंतिम विस्फोट के दौरान, क्रेटर का एक हिस्सा ज्वालामुखी से बाहर निकल गया था, लेकिन कुछ सघन मैग्मा क्रेटर में जम गया था।

मुरेव्स का लक्ष्य 19वीं और 20वीं शताब्दी में हुए विस्फोटों के बाद ज्वालामुखी की आंतरिक संरचना के बारे में जानना है, ताकि इसके भविष्य के व्यवहार का मॉडल तैयार किया जा सके। चूँकि ज्वालामुखी गतिशील वातावरण होते हैं, उनकी संरचना बदल जाती है, विशेष रूप से विस्फोट के दौरान, जो भविष्य में उनके व्यवहार को प्रभावित कर सकती है।

मैसेडोनियो सिसिली के उत्तरी तट पर एओलियन द्वीप समूह में एक सक्रिय ज्वालामुखी माउंट स्ट्रोमबोली का अध्ययन करने के लिए म्यूऑन का भी उपयोग कर रहा है। सक्रिय और सुप्त दोनों प्रकार के ज्वालामुखियों की आंतरिक संरचनाओं का अध्ययन करने से हमें ज्वालामुखीय व्यवहार को समझने और यह समझाने में मदद मिल सकती है कि वे छोटे या बड़े विस्फोट क्यों उत्पन्न करते हैं। मैसेडोनियो कहते हैं, "आंतरिक संरचना, नाली की ज्यामिति, एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो ज्वालामुखी की गतिशीलता को निर्धारित करती है।" सक्रिय ज्वालामुखियों से प्राप्त इस जानकारी का उपयोग मॉडल बनाने और भविष्यवाणी करने में मदद के लिए किया जा सकता है कि अन्य ज्वालामुखी कैसे व्यवहार कर सकते हैं।

जहां तक ​​मार्टेउ का सवाल है, वह कैरेबियन में फ्रांसीसी द्वीप बस्से-टेरे पर ला सौफ्रियेर ज्वालामुखी का अध्ययन करने के लिए म्यूओग्राफ़ी का उपयोग कर रहे हैं। मार्टेउ बताते हैं कि ज्वालामुखी का अपेक्षाकृत छोटा गुंबद भूकंप और मैग्ना आंदोलनों जैसी गतिविधियों से आसानी से अस्थिर हो सकता है। यह गर्म, उच्च दबाव वाली भाप से भरी गुहाओं पर दबाव कम कर सकता है, जिससे "फ़्रेटिक" विस्फोट के रूप में जाना जाता है। ये ज्वालामुखी विस्फोट हैं जिनमें मैग्मा के बजाय उच्च तापमान वाले तरल पदार्थ और वाष्प शामिल होते हैं।

हालाँकि ऐसे विस्फोट मैग्मा से जुड़े विस्फोटों जितने प्रसिद्ध नहीं हैं, फिर भी वे शक्तिशाली और खतरनाक हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, सितंबर 2014 में, जापान में ओंटेक ज्वालामुखी का दक्षिण-पश्चिमी हिस्सा बिना किसी चेतावनी के फट गया, जिससे पहाड़ पर पदयात्रा कर रहे 63 लोगों की मौत हो गई (पृथ्वी ग्रह अंतरिक्ष 68 72). भाप के विस्फोट से 11 किलोमीटर ऊंचा विशाल गुबार बना।

ला सौफ्रिएरे जैसे ज्वालामुखियों के मामले में, जो तय करता है कि विस्फोट होगा या नहीं, वह गुंबद की यांत्रिक संरचना है। मार्टेउ कहते हैं, "आपको यह समझने के लिए म्यूओग्राफ़ी जैसी तकनीक की ज़रूरत है कि कमज़ोर बिंदु क्या और कहाँ हैं।"

म्यूओग्राफ़ी का उपयोग ला सौफ़्रिएरे जैसे ज्वालामुखियों में तरल पदार्थों की गतिशीलता की निगरानी के लिए भी किया जा सकता है। मार्टौ बताते हैं कि कई ज्वालामुखियों के अंदर, विभिन्न गुहाओं के बीच बहुत सारा तरल पदार्थ घूम रहा है। जबकि तरल पदार्थ तरल हो सकते हैं, मैग्मा गतिविधि में वृद्धि और ज्वालामुखी की गहराई में गर्मी उन्हें भाप में बदल सकती है।

म्यूओग्राफ़ी से आप गुंबद के भीतर द्रव की गतिशीलता में इन परिवर्तनों को देख सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक गुहा में तरल पदार्थ भाप में बदल जाते हैं तो घनत्व में कमी होगी, और म्यूऑन प्रवाह में वृद्धि होगी।

ऐसा परिवर्तन - दबाव के तहत गुहा का भाप से भरना - कुछ ऐसा है जो विस्फोट का कारण बन सकता है। मार्टेउ कहते हैं, "यह कुछ ऐसा है जिसे आप म्यूओग्राफ़ी के साथ वास्तविक समय में अनुसरण कर सकते हैं, और यह एकमात्र तकनीक है जो ऐसा करने में सक्षम है।"

2019 में, मार्टेउ और उनके सहयोगियों ने प्रदर्शित किया कि भूकंपीय-शोर निगरानी के साथ संयोजन में म्यूओग्राफ़ी ला सौफ़्रिएर ज्वालामुखी के गुंबद में हाइड्रोथर्मल गतिविधि में अचानक परिवर्तन का पता लगा सकती है (विज्ञान। रेप। 9 3079).

तूफ़ान से पहले का प्रवाह

तनाका, जिन्होंने ज्वालामुखियों की छवि बनाने के लिए म्यूऑन के उपयोग की शुरुआत की, अब एक और खतरनाक प्राकृतिक खतरे पर अपनी नजरें गड़ाए हुए हैं: ऊष्णकटिबंधी चक्रवात. 120 किलोमीटर प्रति घंटे से अधिक की गति तक पहुंचने वाले, ये घूमने वाले तूफान भारी मात्रा में संपत्ति को नुकसान पहुंचाते हैं और हर साल कई मौतों के लिए जिम्मेदार होते हैं। वे उष्णकटिबंधीय महासागरों से उत्पन्न होते हैं और उन्हें तूफान, टाइफून या, बस, चक्रवात के रूप में जाना जाता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि वे दुनिया में कहां होते हैं।

चक्रवात तब विकसित होते हैं जब गर्म उष्णकटिबंधीय महासागर के ऊपर कम दबाव वाली हवा गर्म होती है। समय के साथ, यह तेजी से बढ़ती हवा का एक गर्म, नम स्तंभ बनाता है; जिससे समुद्र की सतह पर निम्न दबाव का अवसाद विकसित हो रहा है। यह संवहन धाराओं को और मजबूत करता है, जिससे एक शक्तिशाली घूमने वाली तूफान प्रणाली का विकास होता है जो और मजबूत होती जाती है।

इन उष्णकटिबंधीय तूफानों की वर्तमान में उपग्रहों, रडार और अन्य मौसम डेटा का उपयोग करके भविष्यवाणी, निगरानी और ट्रैक किया जाता है। वायु दबाव जैसे डेटा एकत्र करने के लिए प्रबलित विमान भी उनके माध्यम से उड़ाए जा सकते हैं। लेकिन इनमें से कोई भी तकनीक पूरे चक्रवात के दौरान हवा के दबाव और घनत्व में अंतर के बारे में कोई विवरण नहीं देती है। ये ग्रेडिएंट ही संवहन धाराओं और हवा की गति को संचालित करते हैं।

क्यूशू द्वीप पर - जापान के पांच मुख्य द्वीपों में से सबसे दक्षिणी और चक्रवातों के लिए एक गर्म स्थान - तनाका और उनकी टीम अब जांच कर रही है कि म्यूऑन प्रवाह में परिवर्तन चक्रवात में हवा के घनत्व और दबाव में अंतर कैसे दिखा सकता है, हवा की गति और तूफान के बारे में जानकारी प्रदान करता है ताकत। तनाका के अनुसार, क्यूशू द्वीप पर उनका सिंटिलेटर डिटेक्टरों का नेटवर्क लगभग 150 किलोमीटर दूर तक तूफान की छवि ले सकता है। यह संभव है क्योंकि जहां कुछ ब्रह्मांडीय किरणें वायुमंडल में लंबवत रूप से प्रवेश करती हैं, वहीं अन्य बहुत अधिक क्षैतिज रूप से टकराती हैं, जिससे म्यूऑन बनते हैं जो बहुत उथले कोण पर पृथ्वी की ओर उड़ते हैं और जमीन से टकराने से पहले 300 किमी तक की यात्रा कर सकते हैं।

घनी हवा अधिक म्यूऑन को अवशोषित करती है, इसलिए उनका प्रवाह एक चक्रवात के दौरान कई बिंदुओं पर हवा के घनत्व - और इसलिए दबाव और तापमान - का माप प्रदान करता है। परिणामस्वरूप, तनाका की टीम चक्रवात के अंदर तापमान और दबाव प्रवणता की एक छवि बना सकती है। "[इस तकनीक का उपयोग करके] हम चक्रवात के अंदर हवा की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर गति को माप सकते हैं," तनाका कहते हैं, जिनकी टीम ने कागोशिमा शहर में आने वाले आठ चक्रवातों का निरीक्षण करने के लिए म्यूओग्राफ़ी का उपयोग किया है। परिणामी छवियों ने चक्रवातों के गर्म कम दबाव वाले कोर को कैप्चर किया, जो सघन, ठंडी, उच्च दबाव वाली हवा से घिरा हुआ था (विज्ञान। रेप। 12 16710).

अधिक म्यूऑन डिटेक्टरों का उपयोग करते हुए, तनाका को उम्मीद है कि चक्रवातों के अंदर ऊर्जा संरचनाओं की अधिक विस्तृत 3डी छवियां बनाना संभव होगा। तनाका कहते हैं, "मुझे उम्मीद है कि म्यूओग्राफ़ी से हम अनुमान लगा सकते हैं कि चक्रवात कितना शक्तिशाली होगा और यह ज़मीन पर कितनी बारिश लाएगा।" "यह संभवतः कुछ ऐसा है जिसका उपयोग पूर्व-चेतावनी प्रणालियों के लिए किया जा सकता है।"

ज्वार बदल रहा है

तनाका चक्रवातों से जुड़े एक अन्य खतरे को मापने के लिए म्यूओग्राफ़ी का भी उपयोग कर रहा है: मेटियोत्सुनामिस। मौसम संबंधी सुनामी के लिए संक्षिप्त, वे खाड़ियों और झीलों जैसे बंद या अर्ध-बंद जल निकायों में होते हैं। सुनामी के विपरीत, जो भूकंपीय गतिविधि का परिणाम है, वे वायुमंडलीय दबाव या हवाओं में अचानक परिवर्तन के कारण होते हैं, जैसे कि चक्रवात और मौसम के कारण।

मेटियोत्सुनामिस का अत्यधिक जल दोलन कुछ मिनटों से लेकर कई घंटों तक रह सकता है, और महत्वपूर्ण नुकसान पहुंचा सकता है। उदाहरण के लिए, 75 जुलाई 4 को अमेरिका में पूर्वी फ्लोरिडा के डेटोना बीच पर मेटियोसुनामी आने से 1992 लोग घायल हो गए थे (नेट। खतरों 74 1 - 9). लहरें तीन मीटर की ऊंचाई तक पहुंचने के साथ, उल्कापिंड सुनामी एक स्क्वॉल लाइन के कारण हुई - तूफान की एक तेज़ गति वाली प्रणाली।

टोक्यो-बे सीफ्लोर हाइपर-किलोमीटर सबमरीन डीप डिटेक्टर (टीएस-एचकेएमएसडीडी) टोक्यो खाड़ी के नीचे नौ किलोमीटर लंबी सड़क सुरंग में स्थापित म्यूऑन डिटेक्टरों की एक श्रृंखला है। सेंसर ऊपर पानी से गुजरने वाले म्यूऑन को मापते हैं।

सितंबर 2021 में एक चक्रवात टोक्यो खाड़ी से लगभग 400 किमी दक्षिण में प्रशांत महासागर से होकर गुज़रा। जैसे ही तूफ़ान गुज़रा, टोक्यो खाड़ी में एक बड़ी बाढ़ आ गई और टीएस-एचकेएमएसडीडी द्वारा पता लगाए गए म्यूऑन की संख्या में उतार-चढ़ाव आया। अतिरिक्त पानी की मात्रा के कारण अधिक म्यूऑन बिखरने और सड़ने लगे, और डिटेक्टरों तक पहुँचने वाली संख्या कम हो गई। जब टीम ने अपने म्यूऑन डेटा की जांच की, तो उन्होंने पाया कि यह ज्वार गेज से माप से काफी मेल खाता है (विज्ञान। रेप। 12 6097).

सूजन को मापने के लिए, डिटेक्टरों को जल निकाय के नीचे सुरंग में होने की आवश्यकता नहीं है। वह बताते हैं, ''हम समुद्र के किनारे भूमिगत जगह में कहीं भी पता लगा सकते हैं।'' इसमें तटरेखा के पास सड़क और मेट्रो सुरंगें, और पार्किंग स्थल और वाणिज्यिक बेसमेंट जैसे अन्य भूमिगत स्थान शामिल हो सकते हैं।

चक्रवातों की तरह, उल्कापिंड सुनामी का पता लगाना डिटेक्टरों पर निर्भर करेगा जो वायुमंडल के माध्यम से उथले कोणों पर और फिर पानी और तटरेखा के माध्यम से यात्रा करने वाले म्यूऑन को महसूस करते हैं। तनाका के अनुसार, ऐसे सेटअप तट से लगभग तीन से पांच किलोमीटर तक जल स्तर को माप सकते हैं। वह कहते हैं, ''हम उस पल को जानना नहीं चाहते जब [मेटियोत्सुनामी] आएगा।'' "हम इसके ज़मीन पर गिरने से पहले जानना चाहते हैं।"

तनाका का मानना ​​है कि ऐसी प्रणालियों का उपयोग ज्वार के स्तर को मापने और घने ज्वार-निगरानी नेटवर्क बनाने के लिए भी किया जा सकता है। आख़िरकार, म्यूऑन डिटेक्टरों का यांत्रिक ज्वार गेजों की तुलना में एक बड़ा लाभ है: वे पानी के संपर्क में नहीं होते हैं। यह उन्हें अधिक विश्वसनीय बनाता है क्योंकि वे समय के साथ खराब नहीं होते हैं और बड़े तूफानों से क्षतिग्रस्त नहीं हो सकते हैं। दरअसल, टोक्यो बे एक्वा-लाइन सुरंग में टीएस-एचकेएमएसडीडी को एक साल तक लगातार मापा गया, जिसमें एक सेकंड का भी डेटा गायब नहीं हुआ। किसने सोचा था कि विनम्र मुओन हमें प्राकृतिक आपदाओं के खिलाफ तैयार करने के लिए इतना कुछ कर सकता है?

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