Föld, szél és víz: hogyan segítenek a kozmikus müonok a vulkánok, ciklonok és egyebek tanulmányozásában – Physics World

A tudósok és mérnökök mindig jobb korai figyelmeztető rendszereket próbálnak kiépíteni, hogy mérsékeljék a természeti katasztrófák, például a vulkánok által az életben és vagyonban okozott károkat. Az egyik technika, amelyhez a kutatók egyre gyakrabban fordulnak, sok tekintetben a mennytől érkezett. Ez magában foglalja a müonok használatát: olyan szubatomi részecskék, amelyek akkor keletkeznek, amikor a kozmikus sugarak – többnyire nagy energiájú protonok, amelyek olyan eseményekből, mint a szupernóvák – ütköznek a légkörünkben 15-20 kilométer magasan lévő atomokkal.

Tudjuk, hogy a Föld légkörét folyamatosan érik ezek az elsődleges kozmikus sugarak, és az ütközések során másodlagos részecskék – köztük elektronok, pionok, neutrínók és müonok – zápora keletkezik. Valójában ezekből a másodlagos kozmikus sugarakból akár 10,000 200 müon is esik a Föld felszínének minden négyzetméterére percenként. Ezek a részecskék ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az elektronok, de körülbelül XNUMX-szor nagyobb tömegűek, ami azt jelenti, hogy sokkal tovább tudnak haladni a szilárd struktúrákon keresztül, mint az elektronok.

De ami a müonokat szondaként érdekessé teszi, az az, hogy a müonok és az általuk áthaladó anyagok közötti kölcsönhatás befolyásolja fluxusukat, a sűrűbb tárgyak több müont térítenek el és nyelnek el, mint a kevésbé sűrű szerkezetek. Ezt a fluxusbeli különbséget használják a vulkánok belső szerkezetének leképezésére a „muográfiának” nevezett technikával. A kifejezést még 2007-ben alkotta meg Hiroyuki Tanaka a Tokiói Egyetemen és munkatársaival, akik az első demonstrációt mutatták be, hogy a technikával a vulkán belsejében lévő üregek és üregek kimutathatók (Föld bolygó. Sci. Lett. 263 1-2).

Más néven müontomográfia, detektorokat használ annak az objektumnak a fordított sűrűségű térképének elkészítésére, amelyen a müonok áthaladtak. Azok a foltok, ahol több müon éri az érzékelőket, kevésbé sűrű területeket jelentenek a szerkezetben, míg kevesebb müon kiemeli a sűrűbb részeket. Tanaka és munkatársai még a vulkánkitöréseket is megpróbálták előre jelezni a muográfia és a mesterséges intelligencia mélytanuló konvolúciós neurális hálózatának segítségével. 2020-ban ezzel a technikával tanulmányozták a világ egyik legaktívabb vulkánját, a dél-japán Sakurajima vulkánt (lásd fent), amely az elmúlt évtizedben 7000-szer tört ki (Sci. Ismétlés. 10 5272).

Rajz müonokkal

A muográfia nagyon hasonlít a radiográfiához szerint Jacques Marteau, a franciaországi Lyonban található Institute of the Physics of the 2 Infinities (IP2I) részecskefizikusa. „Az orvosi képalkotásból származó röntgensugarakat egy másik részecskével, nevezetesen a müonnal helyettesíti” – mondja. "A muográfia alapvetően egy képalkotási folyamat, amely pontosan ugyanúgy szkenneli egy objektum sűrűségét, mint a röntgenképalkotás."

A muográfia egy képalkotó eljárás, amely pontosan ugyanúgy szkenneli egy objektum sűrűségét, mint a röntgensugaras képalkotás

Számos különböző eszköz használható müonok kimutatására, amelyek többségét részecskefizikai kísérletek részeként fejlesztették ki, például a CERN-ben található Large Hadron Colliderben. A képalkotó vulkánok esetében azonban a leggyakrabban használt detektorok szcintillátorrétegekből állnak. Ahogy a müonok áthaladnak a detektoron, minden réteg fényvillanást hoz létre, amely együttesen felhasználható a részecskék bejövő pályájának rekonstruálására. A detektorok a vulkán alsó lejtőin vannak elhelyezve, és úgy vannak elrendezve, hogy észleljék a rajta áthaladó müonokat.

De a muográfiát nem csak a vulkánok belső szerkezetének ábrázolására használták. A kutatók a technikát arra is használták, hogy észleljék a vulkánok sűrűségében bekövetkező változásokat, amelyek a magma emelkedésével kapcsolatosak, valamint a magma alakjában, a hidrotermikus aktivitásban és az üregekben és vezetékekben kialakuló nyomás változásait.

Vulkáni bepillantások

Giovanni Macedonio, az olaszországi római Nemzeti Geofizikai és Vulkanológiai Intézet kutatási igazgatója elmagyarázza, hogy három fő módszer létezik a vulkánok tanulmányozására és megfigyelésére. Az egyik a szeizmikus adatok használata. A másik a talaj deformációjának mérése műholdakkal, míg a harmadik a vulkánban lévő folyadékok geokémiájának elemzése.

A muográfia lehetővé teszi a folyadékdinamika tanulmányozását, mert lehetővé teszi a vulkán felső részének belső szerkezetének megtekintését, különösen a kisebb vulkánokban. Ez nem csak azt mutatja meg, hogy a magna milyen utat járt be a múltbeli kitörések során, hanem lehetővé teszi a jövőbeli kitörések potenciális tevékenységének modellezését is. A belső geometria részletei például megmutathatják, hogy a kúpon hol fordulhat elő kitörés, és milyen erős lehet.

Macedonio és munkatársai muográfia segítségével tanulmányozzák a Vezúv tanulmányozását a MURAVES néven ismert kutatási projekt részeként.J. Inst. 15 C03014). A római városok, Pompeii és Herculaneum elpusztításáról hírhedt Vezúv továbbra is aktív vulkán, és veszélyes, merengő jelenlét, különösen azért, mert sok ember él a közelben. Az utolsó, 1944-es kitörés során a kráter egy része ledobódott a vulkánról, de néhány sűrű magma megszilárdult a kráterben.

A MURAVES célja, hogy megismerje a vulkán belső szerkezetét a 19. és 20. századi kitöréseket követően, hogy modellezhető legyen jövőbeli viselkedése. Mivel a vulkánok dinamikus környezetek, szerkezetük megváltozik, különösen a kitörések során, ami befolyásolhatja a jövőbeni viselkedésüket.

Macedonio müonokat is használ a Stromboli-hegy, egy aktív vulkán a Szicília északi partjainál található Lipari-szigeteken. Mind az aktív, mind az alvó vulkánok belső szerkezetének tanulmányozása segíthet megérteni a vulkáni viselkedést, és megmagyarázni, miért generálnak kis vagy nagy kitöréseket. „A belső szerkezet, a vezetékek geometriája fontos paraméter, amely meghatározza a vulkán dinamikáját” – mondja Macedonio. Az aktív vulkánokból származó információk ezután felhasználhatók más vulkánok viselkedésének modellezésére és előrejelzésére.

Ami Marteau-t illeti, ő muográfiával tanulmányozta a La Soufrière vulkánt a franciaországi Basse-Terre szigetén a Karib-tengeren. A vulkán viszonylag kis kupoláját, Marteau magyarázza, könnyen destabilizálhatják olyan tevékenységek, mint a földrengések és a magna mozgások. Ez nyomásmentesítheti a forró, nagynyomású gőzzel teli üregeket, ami úgynevezett „freatikus” kitöréshez vezethet. Ezek olyan vulkánkitörések, amelyekben a magma helyett magas hőmérsékletű folyadékok és gőzök vesznek részt.

Bár az ilyen kitörések nem annyira ismertek, mint a magmával kapcsolatosak, mégis erősek és veszélyesek lehetnek. 2014 szeptemberében például a japán Ontake vulkán délnyugati oldala csekély figyelmeztetéssel kitört, és 63 ember életét vesztette, akik a hegyen túráztak (Föld bolygók űr 68 72). A gőzkitörés hatalmas, 11 kilométer magas csóvát hozott létre.

Az olyan vulkánok esetében, mint a La Soufrière, a kupola mechanikai szerkezete határozza meg, hogy bekövetkezik-e a kitörés vagy sem. „Olyan technikára van szükség, mint a muográfia, hogy megértsük, mik és hol vannak a gyenge pontok” – mondja Marteau.

A muográfia a folyadékok dinamikájának nyomon követésére is használható olyan vulkánokban, mint a La Soufrière. Marteau elmagyarázza, hogy sok vulkán belsejében rengeteg folyadék kering a különböző üregek között. Bár a folyadékok folyékonyak lehetnek, a magma aktivitásának növekedése és a vulkán mélyén lévő hő gőzzé változtathatja őket.

A muográfiával megfigyelheti ezeket a folyadékdinamikai változásokat a kupolán belül. Például, ha az egyik üregben lévő folyadékok gőzzé alakulnak, csökken a sűrűség, és nő a müonáram.

Egy ilyen változás – egy üreg feltöltése nyomás alatti gőzzel – olyan dolog, amely kitörést okozhat. "Ez az, amit valós időben követhetsz a muográfiával, és ez az egyetlen technika, amely képes erre" - mondja Marteau.

2019-ben Marteau és munkatársai bebizonyították, hogy a muográfia szeizmikus zajfigyeléssel kombinálva képes észlelni a hidrotermális aktivitás hirtelen változásait a La Soufrière vulkán kupolájában.Sci. Ismétlés. 9 3079).

A fluxus a vihar előtt

Tanaka, aki a müonok vulkánok képalkotásának úttörője volt, most egy másik veszélyes természeti veszéllyel foglalkozott: trópusi ciklonok. A több mint 120 kilométeres óránkénti sebességet elérő forgó viharok hatalmas anyagi károkat okoznak, és évente sok halálesetért felelősek. A trópusi óceánok felett erednek, és hurrikánoknak, tájfunoknak vagy egyszerűen ciklonoknak nevezik, attól függően, hogy a világ melyik részén fordulnak elő.

Ciklonok akkor alakulnak ki, amikor alacsony nyomású levegőt melegítenek a meleg trópusi óceán felett. Idővel ez meleg, nedves oszlopot hoz létre a gyorsan emelkedő levegőből; alacsony nyomású depressziót okozva az óceán felszínén. Ez tovább erősíti a konvekciós áramokat, ami egy erőteljes forgó viharrendszer kifejlesztéséhez vezet, amely egyre erősebb és erősebb lesz.

Ezeket a trópusi viharokat jelenleg műholdak, radar és egyéb időjárási adatok segítségével jósolják, figyelik és követik nyomon. Még megerősített repülőgépek is átrepülhetnek rajtuk olyan adatok gyűjtésére, mint például a légnyomás. De ezen technikák egyike sem ad részletet a légnyomás és a sűrűség közötti különbségekről a ciklonban. Ezek a gradiensek határozzák meg a konvekciós áramokat és a szél sebességét.

A Kyushu-szigeten – amely Japán öt fő szigete közül a legdélibb és a ciklonok forró pontja – Tanaka és csapata azt vizsgálja, hogy a müonfluxus változása miként mutathatja ki a légsűrűség és a légnyomás különbségeit a ciklonban, információkat szolgáltatva a szél sebességéről és a viharról. erő. Tanaka szerint a Kyushu-szigeten lévő szcintillátor-detektorhálózatuk akár 150 kilométeres távolságból is képes viharokat leképezni. Ez azért lehetséges, mert míg egyes kozmikus sugarak függőlegesen lépnek be a légkörbe, mások sokkal vízszintesebben érnek, és olyan müonokat hoznak létre, amelyek nagyon sekély szögben repülnek a Föld felé, és akár 300 km-t is megtehetnek, mielőtt a földet érnék.

A sűrűbb levegő több müont nyel el, így ezek fluxusa a levegő sűrűségét – és ezáltal nyomását és hőmérsékletét – méri a ciklon több pontján. Ennek eredményeként Tanaka csapata képet alkothat a ciklon belsejében uralkodó hőmérséklet- és nyomásgradiensről. "[Ezzel a technikával] meg tudjuk mérni a szél vízszintes és függőleges sebességét a ciklonon belül" - mondja Tanaka, akinek csapata muográfiával nyolc ciklont figyelt meg Kagoshima városa felé. A kapott képek a ciklonok meleg alacsony nyomású magjait örökítették meg, sűrűbb, hidegebb, magas nyomású levegővel körülvéve (Sci. Ismétlés. 12 16710).

További müondetektorok felhasználásával Tanaka reméli, hogy sikerül részletesebb 3D-s képeket készíteni a ciklonokon belüli energiastruktúrákról. „Arra számítok, hogy a muográfia segítségével megjósolhatjuk, milyen erős lesz egy ciklon, és mennyi esőt hoz majd a talajra” – mondja Tanaka. "Ez valószínűleg olyan dolog, amelyet fel lehet használni a korai figyelmeztető rendszerekben."

Változó árapály

Tanaka muográfiát is használt a ciklonokhoz kapcsolódó másik veszély mérésére: a meteotsunamikra. A meteorológiai cunamik rövidítése zárt vagy félig zárt víztestekben, például öblökben és tavakban fordul elő. Ellentétben a szökőárokkal, amelyek a szeizmikus tevékenység eredménye, ezeket a légköri nyomás vagy a szél hirtelen változásai okozzák, például ciklonok és időjárási frontok.

A meteotsunamik extrém vízoszcillációi néhány perctől több óráig is tarthatnak, és jelentős károkat okozhatnak. Például 75 ember megsérült 4. július 1992-én, amikor meteotsunami érte Daytona Beach-et Florida keleti részén, az Egyesült Államokban.Nat. Veszélyek 74 1-9). A három méter magas hullámok miatt a meteotsunamit egy zivatar - gyorsan mozgó zivatarrendszer - okozta.

A Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) müondetektorok sorozata, amelyeket a Tokiói-öböl alatti kilenc kilométer hosszú közúti alagútban helyeztek el. A szenzorok a feletti vízen áthaladó müonokat mérik.

2021 szeptemberében egy ciklon keresztülhaladt a Csendes-óceánon a Tokiói-öböltől mintegy 400 km-re délre. A vihar elmúltával nagy hullámzás vonult át a Tokiói-öbölön, és a TS-HKMSDD által észlelt müonok száma ingadozott. A többlet vízmennyiség miatt több müon szóródott szét és bomlott le, és a detektorokhoz eljutó számok csökkentek. Amikor a csapat ellenőrizte müonadatait, azt találták, hogy azok szorosan megegyeznek az árapály-mérő méréseivel (Sci. Ismétlés. 12 6097).

A hullámzás méréséhez az érzékelőknek nem kell a víztest alatti alagútban lenniük. „Bárhol észlelhetünk egy földalatti helyet a tengerpart közelében” – magyarázza. Ide tartozhatnak a part közelében lévő közúti és metróalagutak, valamint egyéb földalatti terek, például parkolók és kereskedelmi pincék.

A ciklonokhoz hasonlóan a meteotsunamik észlelése azokra a detektorokra támaszkodna, amelyek kis szögben haladnak át a légkörön, majd a vízen és a partvonalon. Tanaka szerint ezekkel a beállításokkal a parttól körülbelül három-öt kilométerre is meg lehetne mérni a vízszintet. „Nem akarjuk tudni, hogy mikor érkezik [a meteotsunami]” – mondja. – Tudni akarjuk, mielőtt földet ér.

Tanaka úgy véli, hogy az ilyen rendszereket az árapályszintek mérésére és egy sűrű dagályfigyelő hálózat létrehozására is fel lehetne használni. Végül is a müondetektoroknak van egy nagy előnyük a mechanikus dagálymérőkkel szemben: nem érintkeznek a vízzel. Ez megbízhatóbbá teszi őket, mert nem kopnak el idővel, és nem károsítják őket a nagy viharok. Valójában a Tokyo Bay Aqua-Line alagútjában lévő TS-HKMSDD egy éven keresztül folyamatosan mért, egyetlen másodpercnyi adat hiánya nélkül. Ki gondolta volna, hogy a szerény müon ennyire képes felkészíteni minket a természeti katasztrófákra?

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/