כדור הארץ, הרוח והמים: כיצד מיואונים קוסמיים עוזרים לחקור הרי געש, ציקלונים ועוד - עולם הפיזיקה

מדענים ומהנדסים מנסים תמיד לבנות מערכות התרעה מוקדמות טובות יותר כדי לצמצם את הנזק לחיים ולרכוש הנגרמים מאסונות טבע כמו הרי געש. טכניקה אחת שחוקרים פונים אליה יותר ויותר היא, במובנים רבים, משמיים. זה כרוך בשימוש במואונים: חלקיקים תת-אטומיים שנוצרים כאשר קרניים קוסמיות - בעיקר פרוטונים עתירי אנרגיה שמקורם באירועים כמו סופרנובות - מתנגשות באטומים בגובה 15-20 קילומטרים באטמוספירה שלנו.

אנו יודעים שהאטמוספירה של כדור הארץ נפגעת ללא הרף על ידי הקרניים הקוסמיות הראשוניות הללו, כשההתנגשויות מייצרות מטר של חלקיקים משניים, כולל אלקטרונים, פיונים, ניטרינו ומיואונים. למעשה, לא פחות מ-10,000 מיואונים מהקרניים הקוסמיות המשניות הללו יורדים בכל דקה על כל מטר מרובע של פני כדור הארץ. לחלקיקים האלה יש את אותן תכונות כמו לאלקטרונים אבל בסביבות פי 200 מהמסה, מה שאומר שהם יכולים לנוע הרבה יותר דרך מבנים מוצקים מאשר אלקטרונים.

אבל מה שהופך את המיואונים למעניינים כבדיקה הוא שאינטראקציות בין המיואונים והחומרים שהם עוברים דרכם משפיעה על השטף שלהם, כאשר עצמים צפופים יותר מסיטים וסופגים יותר מיואונים ממה שמבנים צפופים פחות יכולים. ההבדל הזה בשטף הוא שמשמש כדי לדמיין את המבנה הפנימי של הרי געש בטכניקה המכונה "מווגרפיה". המונח נטבע עוד בשנת 2007 על ידי הירויוקי טנאקה באוניברסיטת טוקיו ועמיתיו, שסיפקו את ההדגמה הראשונה שניתן לזהות חללים וחללים בתוך הר הגעש באמצעות הטכניקה (כדור הארץ. Sci. Lett. 263 1-2).

המכונה גם טומוגרפיה מיאון, היא משתמשת בגלאים כדי לייצר מפת צפיפות הפוכה של האובייקט שהמיוונים עברו דרכו. נקודות בהן יותר מיואונים פוגעים בחיישנים מייצגים אזורים פחות צפופים במבנה, בעוד שפחות מיואונים מדגישים חלקים צפופים יותר. טנאקה ועמיתיו אפילו ניסו לחזות התפרצויות געשיות באמצעות מווגרפיה בשילוב עם רשת עצבית קונבולוציונית ללמידה עמוקה של בינה מלאכותית. בשנת 2020 הם השתמשו בטכניקה זו כדי לחקור את אחד מהרי הגעש הפעילים בעולם - הר הגעש סאקורג'ימה בדרום יפן (ראה למעלה), שהתפרץ 7000 פעמים בעשור האחרון (Sci. נציג. 10 5272).

ציור עם מיואונים

מווגרפיה דומה מאוד לרדיוגרפיה, לפי ז'אק מרטו, פיזיקאי חלקיקים במכון לפיזיקה של 2 האינסוף (IP2I) בליון, צרפת. "זה מחליף את צילומי הרנטגן מהדמיה רפואית בחלקיק אחר, כלומר המיאון", הוא אומר. "מווגרפיה היא בעצם תהליך הדמיה שסורק את הצפיפות של אובייקט בדיוק באותו אופן כמו הדמיית רנטגן."

מווגרפיה היא תהליך הדמיה שסורק את הצפיפות של אובייקט בדיוק באותו אופן כמו הדמיית רנטגן

ניתן להשתמש במספר מכשירים שונים כדי לזהות מיואונים, שרובם פותחו כחלק מניסויים בפיסיקה של חלקיקים, כמו במאיץ ההדרונים הגדול ב-CERN. אולם כאשר מדובר בהדמיה של הרי געש, הגלאים הנפוצים ביותר מורכבים משכבות של נצנצים. כשהמיוונים עוברים דרך הגלאי, כל שכבה מייצרת הבזק של אור שביחד ניתן להשתמש בו כדי לשחזר את המסלול הנכנס של החלקיקים. הגלאים ממוקמים על המדרונות התחתונים של הר הגעש ומזווים לזיהוי המיואונים שעוברים דרכו.

אבל מווגרפיה לא שימשה רק כדי לדמיין את המבנה הפנימי של הרי געש. חוקרים השתמשו בטכניקה גם כדי לזהות שינויים בצפיפות בתוך הרי געש הקשורים למאגמה עולה, כמו גם שינויים בצורת המאגמה, פעילות הידרותרמית ולחץ בחללים ובצינורות.

הצצות געשיות

ג'ובאני מקדוניו, מנהל מחקר במכון הלאומי לגיאופיזיקה ווולקנולוגיה ברומא, איטליה, מסביר שיש שלוש טכניקות עיקריות ללימוד וניטור הרי געש. האחת היא להשתמש בנתונים סיסמיים. אחר הוא מדידת עיוותים בקרקע באמצעות לוויינים, בעוד ששלישי כולל ניתוח הגיאוכימיה של הנוזלים בהר הגעש.

מווגרפיה מאפשרת ללמוד דינמיקה של נוזלים מכיוון שהיא מאפשרת לראות את המבנה הפנימי של החלק העליון של הר הגעש, במיוחד בהרי געש קטנים יותר. זה לא רק חושף את הנתיב שעשה המגנה בהתפרצויות קודמות, אלא גם מאפשר לדגמן פעילות פוטנציאלית במהלך התפרצויות עתידיות. פרטים של הגיאומטריה הפנימית, למשל, יכולים להראות היכן על החרוט עשויה להתרחש התפרצות וכמה חזקה היא יכולה להיות.

מקדוניו ועמיתיו לומדים באמצעות מווגרפיה לחקר הר וזוב כחלק מפרויקט מחקר המכונה MURAVES (J. Inst. 15 C03014). וזוב, הידוע לשמצה בשל הרס הערים הרומיות פומפיי והרקולנאום, נותר הר געש פעיל ומהווה נוכחות מסוכנת, מהורהרת, במיוחד מכיוון שכל כך הרבה אנשים גרים בקרבת מקום. במהלך ההתפרצות האחרונה ב-1944, חלק מהמכתש נזרק מהר הגעש, אך מעט מאגמה צפופה התמצקה במכתש.

מה ש-MURAVES שואף לעשות הוא ללמוד על המבנה הפנימי של הר הגעש בעקבות התפרצויות במאות ה-19 וה-20, כך שניתן יהיה לעצב את התנהגותו העתידית. מכיוון שהרי געש הם סביבות דינמיות, המבנה שלהם משתנה, במיוחד במהלך התפרצויות, מה שיכול להשפיע על אופן התנהלותם בעתיד.

מקדוניו משתמשת גם במיואונים כדי לחקור את הר סטרומבולי, הר געש פעיל באיים האאוליים, מול החוף הצפוני של סיציליה. לימוד המבנים הפנימיים של הרי געש פעילים וגם רדומים יכול לעזור לנו להבין התנהגות געשית ולהסביר מדוע הם יוצרים התפרצויות קטנות או גדולות. "המבנה הפנימי, הגיאומטריה של הצינורות, הוא פרמטר חשוב שקובע את הדינמיקה של הר הגעש", אומר מקדוניו. לאחר מכן ניתן להשתמש במידע זה מהרי געש פעילים כדי לעזור לדגמן ולחזות כיצד הרי געש אחרים עשויים להתנהג.

באשר למארטו, הוא השתמש במואוגרפיה כדי לחקור את הר הגעש לה סופרייר באי הצרפתי באסה-טרה שבאיים הקריביים. הכיפה הקטנה יחסית של הר הגעש, מסביר מרטו, יכולה בקלות להתערער על ידי פעילויות כמו רעידות אדמה ותנועות מגנה. זה יכול להוריד את הלחץ של חללים מלאים בקיטור חם בלחץ גבוה, מה שמוביל למה שמכונה התפרצות "פריאטית". אלו הן התפרצויות געשיות הכוללות נוזלים ואדים בטמפרטורה גבוהה, ולא מאגמה.

אמנם התפרצויות כאלה אינן ידועות כמו אלו הכוללות מאגמה, אך הן עדיין יכולות להיות חזקות ומסוכנות. בספטמבר 2014, למשל, הצד הדרום מערבי של הר הגעש Ontake ביפן התפרץ עם אזהרה קטנה, והרגו 63 אנשים שטיילו על ההר (כדור הארץ חלל כוכבי לכת 68 72). התפרצות הקיטור יצרה פלומה ענקית בגובה 11 קילומטרים.

במקרה של הרי געש כמו לה סופרייר, מה שמכתיב אם תתרחש התפרצות או לא הוא המבנה המכני של הכיפה. "צריך טכניקה כמו מווגרפיה כדי להבין מה והיכן נקודות התורפה", אומר מרטו.

ניתן להשתמש במואוגרפיה גם כדי לנטר את הדינמיקה של נוזלים בהרי געש כמו לה סופרייר. בתוך הרי געש רבים, מסביר מרטו, יש הרבה נוזלים שמסתובבים בין חללים שונים. בעוד שהנוזלים עשויים להיות נוזליים, עלייה בפעילות המאגמה והחום בעומק הר הגעש יכולים להפוך אותם לקיטור.

בעזרת מווגרפיה אתה יכול לראות את השינויים האלה בדינמיקת הנוזלים בתוך הכיפה. לדוגמה, אם הנוזלים בחלל אחד יהפכו לקיטור תהיה ירידה בצפיפות, ועלייה בשטף המיאון.

שינוי כזה - מילוי של חלל באדים בלחץ - הוא דבר שעלול לגרום להתפרצות. "זה משהו שאתה יכול לעקוב בזמן אמת עם מווגרפיה, וזו הטכניקה היחידה שמסוגלת לעשות זאת", אומר מרטו.

בשנת 2019, מרטו ועמיתיו הדגימו כי מווגרפיה בשילוב עם ניטור רעש סיסמי יכול לזהות שינויים פתאומיים בפעילות ההידרותרמית בכיפת הר הגעש לה סופרייר (Sci. נציג. 9 3079).

השטף לפני הסערה

טנאקה, שהיה חלוץ השימוש במואונים לצילום הרי געש, שם את עיניו כעת על מפגע טבעי מסוכן נוסף: סופות ציקלון טרופיות. כשהן מגיעות למהירויות של יותר מ-120 קילומטרים לשעה, סופות מסתובבות אלו גורמות לכמויות עצומות של נזק לרכוש ואחראיות למקרי מוות רבים מדי שנה. מקורם באוקיינוסים טרופיים וידועים כהוריקנים, טייפונים או, פשוט, ציקלונים, תלוי היכן בעולם הם מתרחשים.

ציקלונים מתפתחים כאשר אוויר בלחץ נמוך מחומם מעל האוקיינוס ​​הטרופי החם. עם הזמן, זה יוצר עמוד חם ולח של אוויר עולה במהירות; גורם לשקע בלחץ נמוך להתפתח על פני האוקיינוס. זה מחזק עוד יותר את זרמי ההסעה, מה שמוביל לפיתוח מערכת סערה מסתובבת עוצמתית שהולכת ומתחזקת.

סופות טרופיות אלו נחזות כיום, מנוטרות ונוקבות באמצעות לוויינים, מכ"ם ונתוני מזג אוויר אחרים. ניתן אפילו להטיס דרכם מטוסים מחוזקים כדי לאסוף נתונים כמו לחץ אוויר. אבל אף אחת מהטכניקות הללו לא מספקת שום פרט לגבי ההבדלים בלחץ האוויר ובצפיפות האוויר לאורך הציקלון. שיפועים אלה הם שמניעים את זרמי ההסעה ואת מהירות הרוח.

באי קיושו - הדרומי ביותר מבין חמשת האיים הראשיים של יפן ונקודה חמה לציקלון - טנקה וצוותו חוקרים כעת כיצד השינוי בשטף המיאונים יכול להראות הבדלים בצפיפות האוויר והלחץ בציקלון, לספק מידע על מהירות הרוח והסערה כוח. לדברי טנאקה, רשת גלאי הנצנצים שלהם באי קיושו יכולה לדמיין סערות במרחק של עד כ-150 קילומטרים. זה אפשרי מכיוון שבעוד שחלק מהקרניים הקוסמיות חודרות לאטמוספירה בצורה אנכית, אחרות פוגעות בצורה הרבה יותר אופקית, ויוצרות מיואונים שעפים לכיוון כדור הארץ בזוויות רדודות מאוד ויכולים לעבור עד 300 ק"מ לפני הפגיעה בקרקע.

אוויר צפוף יותר סופג יותר מיואונים, כך שהשטף שלהם מספק מדד של הצפיפות - ולכן הלחץ והטמפרטורה - של האוויר במספר נקודות לאורך ציקלון. כתוצאה מכך, הצוות של טנאקה יכול ליצור תמונה של שיפוע הטמפרטורה והלחץ בתוך הציקלון. "[באמצעות טכניקה זו] נוכל למדוד את המהירות האופקית והאנכית של הרוח בתוך הציקלון", אומר טנקה, שצוותו השתמש במווגרפיה כדי לצפות בשמונה ציקלון המתקרבים לעיר קגושימה. התמונות שהתקבלו לכדו את ליבות הלחץ הנמוך החמות של הציקלון, מוקפות באוויר צפוף וקר יותר, בלחץ גבוה (Sci. נציג. 12 16710).

באמצעות יותר גלאי מיאון, טנאקה מקווה שניתן יהיה ליצור תמונות תלת-ממדיות מפורטות יותר של מבני האנרגיה בתוך ציקלונים. "אני צופה שעם מווגרפיה נוכל לחזות כמה חזק יהיה ציקלון וכמה גשם הוא יביא לקרקע", אומר טנאקה. "זה כנראה משהו שאפשר להשתמש בו למערכות אזהרה מוקדמת."

שינוי גאות ושפל

טנאקה השתמשה גם במואוגרפיה כדי למדוד סכנה נוספת הקשורה לציקלון: meteotsunamis. קיצור של צונאמי מטאורולוגי, הם מתרחשים בגופי מים סגורים או סגורים למחצה כמו מפרצים ואגמים. שלא כמו צונאמי, שהם תוצאה של פעילות סיסמית, הם נגרמים על ידי שינויים פתאומיים בלחץ האטמוספרי או ברוחות, כמו אלה שנגרמים על ידי ציקלונים וחזיתות מזג אוויר.

תנודות המים הקיצוניות של meteotsunamis יכולות להימשך בין מספר דקות למספר שעות, ועלולות לגרום לנזק משמעותי. לדוגמה, 75 בני אדם נפצעו ב-4 ביולי 1992 כשמטאונסנאמי פגע בדייטונה ביץ' במזרח פלורידה בארה"ב (נט. סכנות 74 1-9). עם גלים שהגיעו לגובה של שלושה מטרים, המטאוצונאמי נגרם על ידי קו סופות רעמים - מערכת נעה במהירות של סופות רעמים.

ה-Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Deep Detector (TS-HKMSDD) הוא קו של גלאי מיאון המותקן במנהרת כביש באורך תשעה קילומטרים מתחת למפרץ טוקיו. החיישנים מודדים מיואונים העוברים במים שמעל.

בספטמבר 2021 עבר ציקלון באוקיינוס ​​השקט כ-400 ק"מ דרומית למפרץ טוקיו. עם חלוף הסופה, גל גדול עבר דרך מפרץ טוקיו ומספר המיאונים שזוהה על ידי ה-TS-HKMSDD השתנה. נפח המים הנוסף גרם ליותר מיואונים להתפזר ולהתפרק, והמספרים שהגיעו לגלאים ירדו. כשהצוות בדק את נתוני המיאונים שלהם, הם גילו שהם תואמים מאוד מדידות ממד הגאות (Sci. נציג. 12 6097).

כדי למדוד נפילות, הגלאים אינם צריכים להיות במנהרה מתחת לגוף המים. "אנחנו יכולים לזהות בכל מקום עם חלל תת קרקעי ליד חוף הים", הוא מסביר. זה יכול לכלול מנהרות כבישים ורכבת תחתית ליד קו החוף, ומקומות תת קרקעיים אחרים כמו מגרשי חניה ומרתפים מסחריים.

בדומה לציקלון, גילוי מטאוצונאמי יסתמך על הגלאים שיחושו מיואונים נעים בזוויות רדודות דרך האטמוספירה, ולאחר מכן דרך המים וקו החוף. לדברי טנאקה, מערכים כאלה יכולים למדוד מפלס מים עד כשלושה עד חמישה קילומטרים מהחוף. "אנחנו לא רוצים לדעת את הרגע שבו מגיע [המטאוצונאמי]", הוא אומר. "אנחנו רוצים לדעת לפני שזה יגיע לארץ".

טנאקה מאמין שמערכות כאלה יכולות לשמש גם למדידת רמות גאות ושפל וליצור רשת צפופה לניטור גאות. אחרי הכל, לגלאי מיאון יש יתרון אחד גדול על פני מדי גאות ושפל מכניים: הם אינם במגע עם המים. זה הופך אותם לאמינים יותר מכיוון שהם אינם נשחקים עם הזמן ואינם יכולים להיפגע מסופות גדולות. למעשה, TS-HKMSDD במנהרת Aqua-Line של מפרץ טוקיו נמדדה ברציפות במשך שנה בלי נתונים חסרים אפילו של שנייה אחת. מי חשב שהמיואון הצנוע יכול לעשות כל כך הרבה כדי להכין אותנו מפני אסונות טבע?

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/