Bumi, angin, dan air: bagaimana muon kosmik membantu mempelajari gunung berapi, siklon, dan lainnya – Dunia Fisika

Para ilmuwan dan insinyur selalu berusaha membangun sistem peringatan dini yang lebih baik untuk mengurangi kerusakan terhadap kehidupan dan harta benda yang disebabkan oleh bencana alam seperti gunung berapi. Salah satu teknik yang semakin banyak digunakan oleh para peneliti, dalam banyak hal, berasal dari surga. Hal ini melibatkan penggunaan muon: partikel subatom yang dihasilkan ketika sinar kosmik – sebagian besar proton berenergi tinggi yang berasal dari peristiwa seperti supernova – bertabrakan dengan atom yang berada pada ketinggian 15-20 kilometer di atmosfer kita.

Kita tahu bahwa atmosfer bumi terus-menerus terkena sinar kosmik primer ini, dan tumbukannya menghasilkan hujan partikel sekunder, termasuk elektron, pion, neutrino, dan muon. Faktanya, sebanyak 10,000 muon dari sinar kosmik sekunder ini menghujani setiap meter persegi permukaan bumi setiap menitnya. Partikel-partikel ini memiliki semua sifat yang sama dengan elektron tetapi massanya sekitar 200 kali lipat, yang berarti mereka dapat melakukan perjalanan lebih jauh melalui struktur padat daripada elektron.

Namun yang membuat muon menarik sebagai penyelidikan adalah bahwa interaksi antara muon dan material yang dilewatinya memengaruhi fluksnya, dengan benda yang lebih padat membelokkan dan menyerap lebih banyak muon dibandingkan dengan struktur yang kurang padat. Perbedaan fluks inilah yang digunakan untuk menggambarkan struktur internal gunung berapi dalam teknik yang dikenal sebagai “muografi”. Istilah ini diciptakan kembali pada tahun 2007 oleh Hiroyuki Tanaka di Universitas Tokyo dan rekan-rekannya, yang memberikan demonstrasi pertama bahwa lubang dan rongga di dalam gunung berapi dapat dideteksi dengan teknik ini (Planet Bumi. Sains. Biarkan. 263 1-2).

Juga dikenal sebagai tomografi muon, metode ini menggunakan detektor untuk menghasilkan peta kepadatan terbalik dari objek yang dilewati muon. Titik di mana lebih banyak muon yang mengenai sensor menunjukkan area struktur yang kurang padat, sementara lebih sedikit muon yang menyoroti bagian yang lebih padat. Tanaka dan rekannya bahkan telah mencoba meramalkan letusan gunung berapi menggunakan muografi yang dikombinasikan dengan jaringan saraf konvolusional pembelajaran mendalam AI. Pada tahun 2020 mereka menggunakan teknik ini untuk mempelajari salah satu gunung berapi paling aktif di dunia – gunung berapi Sakurajima di Jepang selatan (lihat di atas), yang telah meletus 7000 kali dalam satu dekade terakhir (Sci. Reputasi. 10 5272).

Menggambar dengan muon

Muografi sangat mirip dengan radiografi, menurut Jacques Marteau, seorang fisikawan partikel di Institut Fisika 2 Infinitas (IP2I) di Lyon, Prancis. “Ini menggantikan sinar-X dari pencitraan medis dengan partikel lain, yaitu muon,” katanya. “Muografi pada dasarnya adalah proses pencitraan yang memindai kepadatan suatu objek dengan cara yang persis sama seperti pencitraan sinar-X.”

Muografi adalah proses pencitraan yang memindai kepadatan suatu objek dengan cara yang persis sama seperti pencitraan sinar-X

Beberapa perangkat berbeda dapat digunakan untuk mendeteksi muon, yang sebagian besar telah dikembangkan sebagai bagian dari eksperimen fisika partikel, seperti di Large Hadron Collider di CERN. Namun, ketika melakukan pencitraan gunung berapi, detektor yang paling umum digunakan terdiri dari lapisan sintilator. Saat muon melewati detektor, setiap lapisan menghasilkan kilatan cahaya yang bersama-sama dapat digunakan untuk merekonstruksi lintasan masuk partikel. Detektor ditempatkan di lereng bawah gunung berapi dan dimiringkan untuk mendeteksi muon yang melewatinya.

Namun muografi tidak hanya digunakan untuk menggambarkan struktur internal gunung berapi. Para peneliti juga telah menggunakan teknik ini untuk mendeteksi perubahan kepadatan di dalam gunung berapi yang terkait dengan naiknya magma, serta perubahan bentuk magma, aktivitas hidrotermal, dan tekanan pada rongga dan saluran.

Intip gunung berapi

Giovanni Makedonia, direktur penelitian Institut Nasional Geofisika dan Vulkanologi di Roma, Italia, menjelaskan ada tiga teknik utama untuk mempelajari dan memantau gunung berapi. Salah satunya adalah dengan menggunakan data seismik. Cara lainnya adalah mengukur deformasi tanah dengan satelit, sedangkan cara ketiga melibatkan analisis geokimia cairan di gunung berapi.

Muografi memungkinkan untuk mempelajari dinamika fluida karena memungkinkan Anda melihat struktur internal bagian atas gunung berapi, khususnya pada gunung berapi yang lebih kecil. Hal ini tidak hanya mengungkapkan jalur yang diambil magna pada letusan masa lalu, namun juga memungkinkan untuk memodelkan aktivitas potensial selama letusan di masa depan. Rincian geometri internal, misalnya, dapat menunjukkan di bagian kerucut mana letusan mungkin terjadi dan seberapa dahsyat letusan tersebut.

Macedonio dan rekannya sedang mempelajari muografi untuk mempelajari Gunung Vesuvius sebagai bagian dari proyek penelitian yang dikenal sebagai MURAVES (J.Inst. 15 C03014). Terkenal karena kehancuran kota Romawi Pompeii dan Herculaneum, Vesuvius tetap menjadi gunung berapi aktif dan berbahaya, terutama karena begitu banyak orang yang tinggal di dekatnya. Selama letusan terakhir pada tahun 1944, sebagian kawah terlempar dari gunung berapi, namun sejumlah magma padat telah memadat di dalam kawah.

Apa yang ingin dilakukan MURAVES adalah mempelajari struktur internal gunung berapi setelah letusan pada abad ke-19 dan ke-20, sehingga perilakunya di masa depan dapat dimodelkan. Karena gunung berapi adalah lingkungan yang dinamis, strukturnya berubah, terutama saat terjadi letusan, yang dapat memengaruhi perilakunya di masa depan.

Macedonio juga menggunakan muon untuk mempelajari Gunung Stromboli, gunung berapi aktif di Kepulauan Aeolian, di lepas pantai utara Sisilia. Mempelajari struktur internal gunung berapi aktif dan tidak aktif dapat membantu kita memahami perilaku gunung berapi dan menjelaskan mengapa gunung tersebut menghasilkan letusan kecil atau besar. “Struktur internal, geometri saluran, merupakan parameter penting yang menentukan dinamika gunung berapi,” kata Macedonio. Informasi dari gunung berapi aktif ini kemudian dapat digunakan untuk membantu membuat model dan memprediksi perilaku gunung berapi lainnya.

Adapun Marteau, dia telah menggunakan muografi untuk mempelajari gunung berapi La Soufrière di pulau Basse-Terre, Prancis, di Karibia. Kubah gunung berapi yang relatif kecil, jelas Marteau, dapat dengan mudah menjadi tidak stabil akibat aktivitas seperti gempa bumi dan pergerakan magna. Hal ini dapat menurunkan tekanan pada rongga yang berisi uap panas bertekanan tinggi, sehingga menyebabkan apa yang dikenal sebagai letusan “freatik”. Ini adalah letusan gunung berapi yang melibatkan cairan dan uap bersuhu tinggi, bukan magma.

Meskipun letusan semacam ini tidak seterkenal letusan yang melibatkan magma, letusan tersebut masih bisa sangat dahsyat dan berbahaya. Pada bulan September 2014, misalnya, sisi barat daya gunung berapi Ontake di Jepang meletus tanpa peringatan, menewaskan 63 orang yang sedang mendaki gunung tersebut (Luar Angkasa Planet Bumi 68 72). Letusan uap tersebut menciptakan kepulan asap yang sangat besar setinggi 11 kilometer.

Dalam kasus gunung berapi seperti La Soufrière, yang menentukan apakah akan terjadi letusan atau tidak adalah struktur mekanis kubahnya. “Anda memerlukan teknik seperti muografi untuk memahami apa dan di mana titik lemahnya,” kata Marteau.

Muografi juga dapat digunakan untuk memantau dinamika fluida di gunung berapi seperti La Soufrière. Di dalam banyak gunung berapi, jelas Marteau, terdapat banyak cairan yang bersirkulasi di antara berbagai rongga. Meskipun cairannya mungkin cair, peningkatan aktivitas magma dan panas di dalam gunung berapi dapat mengubahnya menjadi uap.

Dengan muografi Anda dapat mengamati perubahan dinamika fluida di dalam kubah. Misalnya, jika cairan dalam satu rongga berubah menjadi uap maka akan terjadi penurunan massa jenis dan peningkatan fluks muon.

Perubahan seperti itu – pengisian rongga dengan uap bertekanan – dapat menyebabkan letusan. “Ini adalah sesuatu yang dapat Anda ikuti secara real time dengan muografi, dan ini adalah satu-satunya teknik yang mampu melakukan hal ini,” kata Marteau.

Pada tahun 2019, Marteau dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa muografi yang dikombinasikan dengan pemantauan kebisingan seismik dapat mendeteksi perubahan mendadak aktivitas hidrotermal di kubah gunung berapi La Soufrière (Sci. Reputasi. 9 3079).

Fluks sebelum badai

Tanaka, yang memelopori penggunaan muon untuk menggambarkan gunung berapi, kini mengarahkan perhatiannya pada bahaya alam berbahaya lainnya: badai tropis. Mencapai kecepatan lebih dari 120 kilometer per jam, badai yang berputar ini menyebabkan kerusakan besar pada properti dan menyebabkan banyak kematian setiap tahunnya. Badai ini berasal dari lautan tropis dan dikenal sebagai angin topan, topan, atau siklon, bergantung pada lokasi terjadinya di dunia.

Siklon berkembang ketika udara bertekanan rendah dipanaskan di atas lautan tropis yang hangat. Seiring waktu, hal ini menciptakan kolom udara yang naik dengan cepat dan hangat; menyebabkan depresi tekanan rendah berkembang di permukaan laut. Hal ini semakin memperkuat arus konveksi, yang mengarah pada pengembangan sistem badai berputar yang semakin kuat.

Badai tropis ini saat ini diprediksi, dipantau dan dilacak menggunakan satelit, radar, dan data cuaca lainnya. Pesawat yang diperkuat bahkan dapat diterbangkan melaluinya untuk mengumpulkan data seperti tekanan udara. Namun tidak satu pun dari teknik ini yang memberikan rincian tentang perbedaan tekanan dan kepadatan udara di seluruh siklon. Gradien inilah yang mendorong arus konveksi dan kecepatan angin.

Di Pulau Kyushu – pulau paling selatan dari lima pulau utama Jepang dan merupakan titik panas topan – Tanaka dan timnya kini menyelidiki bagaimana perubahan fluks muon dapat menunjukkan perbedaan kepadatan dan tekanan udara dalam topan, memberikan informasi tentang kecepatan angin dan badai. kekuatan. Menurut Tanaka, jaringan detektor sintilator mereka di Pulau Kyushu dapat mendeteksi badai hingga jarak sekitar 150 kilometer. Hal ini dimungkinkan karena meskipun beberapa sinar kosmik memasuki atmosfer secara vertikal, sinar lainnya jatuh secara horizontal, sehingga menciptakan muon yang terbang menuju Bumi pada sudut yang sangat dangkal dan dapat menempuh jarak sejauh 300 km sebelum menyentuh tanah.

Udara yang lebih padat menyerap lebih banyak muon, sehingga fluksnya memberikan ukuran kepadatan – dan juga tekanan serta suhu – udara di berbagai titik sepanjang siklon. Hasilnya, tim Tanaka dapat membuat gambar gradien suhu dan tekanan di dalam siklon. “[Dengan menggunakan teknik ini] kita dapat mengukur kecepatan angin horizontal dan vertikal di dalam siklon,” kata Tanaka, yang timnya telah menggunakan muografi untuk mengamati delapan siklon yang mendekati kota Kagoshima. Gambar yang dihasilkan menangkap inti siklon bertekanan rendah yang hangat, dikelilingi oleh udara yang lebih padat, lebih dingin, dan bertekanan tinggi (Sci. Reputasi. 12 16710).

Dengan menggunakan lebih banyak detektor muon, Tanaka berharap dapat membuat gambar 3D yang lebih detail dari struktur energi di dalam siklon. “Saya mengantisipasi bahwa dengan muografi kita dapat memprediksi seberapa kuat topan yang akan terjadi dan berapa banyak hujan yang akan terjadi,” kata Tanaka. “Ini mungkin sesuatu yang bisa digunakan untuk sistem peringatan dini.”

Mengubah pasang surut

Tanaka juga telah menggunakan muografi untuk mengukur bahaya lain yang terkait dengan siklon: meteotsunami. Singkatan dari tsunami meteorologi, tsunami terjadi di perairan tertutup atau semi tertutup seperti teluk dan danau. Berbeda dengan tsunami yang disebabkan oleh aktivitas seismik, tsunami disebabkan oleh perubahan tekanan atmosfer atau angin secara tiba-tiba, seperti yang disebabkan oleh siklon dan cuaca.

Fluktuasi air yang ekstrim akibat meteotsunami dapat berlangsung dari beberapa menit hingga beberapa jam, dan dapat menyebabkan kerusakan yang signifikan. Misalnya, 75 orang terluka pada tanggal 4 Juli 1992 ketika meteotsunami menghantam Pantai Daytona di Florida timur di AS (Nat. Bahaya 74 1-9). Dengan gelombang yang tingginya mencapai tiga meter, meteotsunami disebabkan oleh garis squall – sistem badai petir yang bergerak cepat.

Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) adalah rangkaian detektor muon yang dipasang di terowongan jalan sepanjang sembilan kilometer di bawah Teluk Tokyo. Sensor mengukur muon yang melewati air di atasnya.

Pada bulan September 2021, topan melanda Pasifik sekitar 400 km selatan Teluk Tokyo. Saat badai berlalu, gelombang besar bergerak melalui Teluk Tokyo dan jumlah muon yang terdeteksi oleh TS-HKMSDD berfluktuasi. Volume air tambahan menyebabkan lebih banyak muon berhamburan dan membusuk, dan jumlah muon yang mencapai detektor menurun. Ketika tim memeriksa data muon mereka, mereka menemukan bahwa data tersebut sangat cocok dengan pengukuran dari pengukur pasang surut (Sci. Reputasi. 12 6097).

Untuk mengukur gelombang besar, detektor tidak perlu berada di terowongan di bawah badan air. “Kami dapat mendeteksi di mana saja yang memiliki ruang bawah tanah di dekat pantai,” jelasnya. Hal ini dapat mencakup terowongan jalan raya dan kereta bawah tanah di dekat garis pantai, serta ruang bawah tanah lainnya seperti tempat parkir dan ruang bawah tanah komersial.

Seperti halnya siklon, pendeteksian meteotsunami akan bergantung pada detektor yang mendeteksi muon yang bergerak pada sudut dangkal melalui atmosfer, dan kemudian melalui air dan garis pantai. Menurut Tanaka, pengaturan seperti itu bisa mengukur ketinggian air hingga sekitar tiga hingga lima kilometer dari pantai. “Kami tidak ingin mengetahui kapan [meteotsunami] tiba,” katanya. “Kami ingin mengetahuinya sebelum ia mencapai daratan.”

Tanaka percaya bahwa sistem seperti itu juga dapat digunakan untuk mengukur tingkat pasang surut dan menciptakan jaringan pemantauan pasang surut yang padat. Bagaimanapun, detektor muon memiliki satu keunggulan besar dibandingkan alat pengukur pasang surut mekanis: mereka tidak bersentuhan dengan air. Hal ini membuat mereka lebih dapat diandalkan karena tidak rusak seiring berjalannya waktu dan tidak dapat rusak oleh badai besar. Faktanya, TS-HKMSDD di terowongan Tokyo Bay Aqua-Line diukur terus menerus selama satu tahun tanpa ada data yang hilang satu detik pun. Siapa yang mengira bahwa muon yang sederhana bisa berbuat banyak untuk mempersiapkan kita menghadapi bencana alam?

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/