지구, 바람 및 물: 우주 뮤온이 화산, 사이클론 등을 연구하는 데 도움이 되는 방법 – Physics World

과학자와 엔지니어는 항상 화산과 같은 자연 재해로 인한 생명과 재산 피해를 완화하기 위해 더 나은 조기 경보 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 연구자들이 점점 더 많이 사용하고 있는 한 가지 기술은 여러 면에서 천부적인 기술입니다. 그것은 뮤온을 사용하는 것과 관련이 있습니다. 우주선(대부분 초신성과 같은 사건에서 발생하는 고에너지 양성자)이 대기에서 15~20km 높이의 원자와 충돌할 때 생성되는 아원자 입자입니다.

우리는 지구의 대기가 전자, 파이온, 중성미자 및 뮤온을 포함한 10,000차 입자의 샤워를 생성하는 충돌과 함께 이러한 기본 우주선에 의해 지속적으로 충돌하고 있음을 알고 있습니다. 사실, 이 200차 우주선에서 나온 XNUMX뮤온만큼은 매분 지구 표면의 각 평방미터에 비처럼 내립니다. 이 입자들은 전자와 같은 속성을 가지고 있지만 질량은 약 XNUMX배입니다. 즉, 전자보다 고체 구조를 통해 훨씬 더 멀리 이동할 수 있습니다.

그러나 뮤온을 탐사선으로 흥미롭게 만드는 것은 뮤온과 통과하는 물질 사이의 상호 작용이 플럭스에 영향을 미치고 밀도가 높은 물체가 밀도가 낮은 구조보다 더 많은 뮤온을 편향시키고 흡수한다는 것입니다. "muography"로 알려진 기술에서 화산의 내부 구조를 이미지화하는 데 사용되는 것은 플럭스의 이러한 차이입니다. 이 용어는 2007년에 다나카 히로유키 도쿄 대학과 그의 동료들은 이 기술로 화산 내부의 빈 공간과 공동을 감지할 수 있다는 최초의 시연을 제공했습니다.지구 행성. Sci. 레트 사람. 263 1-2).

뮤온 단층 촬영이라고도 하는 이 기술은 탐지기를 사용하여 뮤온이 통과한 물체의 역밀도 맵을 생성합니다. 더 많은 뮤온이 센서에 닿는 지점은 구조의 밀도가 낮은 영역을 나타내는 반면 뮤온이 적으면 밀도가 높은 부분이 강조 표시됩니다. Tanaka와 동료들은 심지어 AI 딥 러닝 컨볼루션 신경망과 결합된 muography를 사용하여 화산 폭발을 예측하려고 시도했습니다. 2020년에 그들은 이 기술을 사용하여 세계에서 가장 활발한 화산 중 하나인 지난 7000년 동안 XNUMX번 폭발한 일본 남부의 사쿠라지마 화산(위 참조)을 연구했습니다.Sci. 대표. 10 5272).

뮤온으로 그리기

Muography는 방사선 촬영과 매우 유사합니다. 자크 마르토, 프랑스 리옹에 있는 2개의 무한대 물리학 연구소(IP2I)의 입자 물리학자. "그것은 의료 영상의 X선을 다른 입자, 즉 뮤온으로 대체합니다."라고 그는 말합니다. "Muography는 기본적으로 X선 이미징과 똑같은 방식으로 물체의 밀도를 스캔하는 이미징 프로세스입니다."

Muography는 X-ray 이미징과 똑같은 방식으로 물체의 밀도를 스캔하는 이미징 프로세스입니다.

뮤온을 탐지하기 위해 여러 가지 장치를 사용할 수 있으며, 대부분은 CERN의 대형 하드론 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 입자 물리학 실험의 일부로 개발되었습니다. 그러나 화산을 이미징할 때 가장 일반적으로 사용되는 탐지기는 섬광체 층으로 구성됩니다. 뮤온이 검출기를 통과할 때 각 층은 입자의 들어오는 궤적을 재구성하는 데 함께 사용할 수 있는 빛의 섬광을 생성합니다. 감지기는 화산의 낮은 경사면에 배치되어 있으며 화산을 통과하는 뮤온을 감지하도록 기울어져 있습니다.

그러나 muography는 화산의 내부 구조를 이미지화하는 데만 사용된 것이 아닙니다. 연구자들은 또한 이 기술을 사용하여 상승하는 마그마와 관련된 화산 내 밀도 변화뿐만 아니라 마그마 모양, 열수 활동 및 공동 및 도관의 압력 변화를 감지했습니다.

화산 엿보기

조반니 마세도니오, 이탈리아 로마에 있는 국립 지구물리학 및 화산학 연구소의 연구 책임자는 화산을 연구하고 모니터링하는 데 세 가지 주요 기술이 있다고 설명합니다. 하나는 지진 데이터를 사용하는 것입니다. 다른 하나는 위성으로 지반 변형을 측정하는 것이고, 세 번째는 화산 내 유체의 지구화학을 분석하는 것입니다.

Muography는 특히 작은 화산에서 화산 상부의 내부 구조를 볼 수 있기 때문에 유체 역학 연구를 가능하게 합니다. 이것은 마그나가 과거 분출에서 취한 경로를 밝힐 뿐만 아니라 향후 분출 중에 잠재적인 활동을 모델링하는 것을 가능하게 합니다. 예를 들어 내부 기하학의 세부 사항은 원뿔의 어디에서 분출이 발생할 수 있고 얼마나 강력할 수 있는지를 보여줄 수 있습니다.

Macedonio와 동료들은 MURAVES로 알려진 연구 프로젝트의 일환으로 Vesuvius 산을 연구하기 위해 muography를 사용하여 연구하고 있습니다.J. 인스타그램 15 C03014). 로마의 도시인 폼페이와 헤르쿨라네움을 파괴한 것으로 악명 높은 베수비오는 활화산으로 남아 있으며 특히 많은 사람들이 가까이에 살고 있기 때문에 위험하고 음울한 존재입니다. 1944년의 마지막 폭발 동안 분화구의 일부가 화산에서 떨어져 나갔지만 일부 조밀한 마그마가 분화구에서 굳어졌습니다.

MURAVES가 목표로 하는 것은 19세기와 20세기에 분출한 후 화산의 내부 구조를 학습하여 미래의 행동을 모델링하는 것입니다. 화산은 역동적인 환경이기 때문에 특히 분출 중에 구조가 변경되어 향후 행동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다.

Macedonio는 또한 뮤온을 사용하여 Sicily 북쪽 해안에서 떨어진 Aeolian Islands의 활화산인 Mount Stromboli를 연구하고 있습니다. 활화산과 휴화산의 내부 구조를 연구하면 화산 활동을 이해하고 작거나 큰 폭발을 일으키는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. "내부 구조, 도관의 기하학은 화산의 역학을 결정하는 중요한 매개변수입니다."라고 Macedonio는 말합니다. 활화산에서 얻은 이 정보는 다른 화산의 행동을 모델링하고 예측하는 데 사용할 수 있습니다.

Marteau는 카리브해의 프랑스 섬 Basse-Terre에 있는 La Soufrière 화산을 연구하기 위해 muography를 사용해 왔습니다. 화산의 상대적으로 작은 돔은 지진이나 마그나 운동과 같은 활동에 의해 쉽게 불안정해질 수 있다고 Marteau는 설명합니다. 이것은 뜨거운 고압 증기로 채워진 공동을 감압하여 "수증기" 분출로 알려진 것을 유발할 수 있습니다. 이들은 마그마가 아닌 고온의 액체와 증기를 포함하는 화산 폭발입니다.

이러한 분출은 마그마와 관련된 분출만큼 잘 알려져 있지는 않지만 여전히 강력하고 위험할 수 있습니다. 예를 들어, 2014년 63월 일본 온타케 화산의 남서쪽이 거의 경고 없이 폭발하여 산을 오르던 XNUMX명이 사망했습니다(지구 행성 공간 68 72). 증기 분출은 11km 높이의 거대한 연기를 만들어 냈습니다.

La Soufrière와 같은 화산의 경우 폭발이 일어날지 여부를 결정하는 것은 돔의 기계적 구조입니다. "약점이 무엇이고 어디에 있는지 이해하려면 muography와 같은 기술이 필요합니다."라고 Marteau는 말합니다.

Muography는 또한 La Soufrière와 같은 화산의 유체 역학을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 많은 화산 내부에는 서로 다른 공동 사이를 순환하는 많은 유체가 있다고 Marteau는 설명합니다. 유체는 액체일 수 있지만 마그마 활동의 증가와 화산 깊은 곳의 열로 인해 유체가 증기로 변할 수 있습니다.

muography를 사용하면 돔 내 유체 역학의 이러한 변화를 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 한 공동의 액체가 증기로 변하면 밀도가 감소하고 뮤온 플럭스가 증가합니다.

압력 하에서 증기로 공동을 채우는 이러한 변화는 분출을 일으킬 수 있는 것입니다. "이것은 뮤그래피로 실시간으로 따라갈 수 있는 것입니다. 그리고 이것은 이것을 할 수 있는 유일한 기술입니다."라고 Marteau는 말합니다.

2019년 Marteau와 그의 동료들은 지진 소음 모니터링과 함께 muography를 사용하여 La Soufrière 화산 돔에서 열수 활동의 급격한 변화를 감지할 수 있음을 입증했습니다.Sci. 대표. 9 3079).

폭풍 전의 플럭스

뮤온을 사용하여 화산 이미지를 개척한 Tanaka는 이제 또 다른 위험한 자연재해에 주목했습니다. 열대 저기압. 시속 120km 이상의 속도에 도달하는 이 회전하는 폭풍은 막대한 재산 피해를 일으키고 매년 많은 사망자를 초래합니다. 그들은 열대 바다에서 발생하며 발생 위치에 따라 허리케인, 태풍 또는 간단히 사이클론으로 알려져 있습니다.

사이클론은 저기압의 공기가 따뜻한 열대 바다에서 가열될 때 발생합니다. 시간이 지남에 따라 이것은 빠르게 상승하는 공기의 따뜻하고 습한 기둥을 만듭니다. 해수면에서 저기압 우울증이 발생합니다. 이것은 대류를 더욱 강화하여 점점 더 강해지는 강력한 회전 폭풍 시스템의 개발로 이어집니다.

이러한 열대성 폭풍은 현재 위성, 레이더 및 기타 기상 데이터를 사용하여 예측, 모니터링 및 추적되고 있습니다. 강화된 항공기는 기압과 같은 데이터를 수집하기 위해 그것들을 통해 비행할 수도 있습니다. 그러나 이러한 기술 중 어느 것도 사이클론 전체의 기압과 밀도 차이에 대한 세부 정보를 제공하지 않습니다. 대류 흐름과 풍속을 구동하는 것은 이러한 기울기입니다.

일본의 150개 주요 섬 중 최남단이자 사이클론의 핫스팟인 규슈 섬에서 Tanaka와 그의 팀은 이제 뮤온 플럭스의 변화가 사이클론의 공기 밀도와 압력의 차이를 어떻게 보여줄 수 있는지 조사하여 풍속과 폭풍에 대한 정보를 제공합니다. 힘. Tanaka에 따르면 규슈 섬에 ​​있는 섬광체 탐지기 네트워크는 최대 약 300km 떨어진 폭풍을 이미지화할 수 있습니다. 이는 일부 우주 광선이 수직으로 대기에 진입하는 동안 다른 우주선은 훨씬 더 수평으로 충돌하여 매우 얕은 각도로 지구를 향해 날아가고 지상에 충돌하기 전에 XNUMXkm까지 이동할 수 있는 뮤온을 생성하기 때문에 가능합니다.

밀도가 높은 공기는 더 많은 뮤온을 흡수하므로 뮤온의 플럭스는 사이클론 전체의 여러 지점에서 공기의 밀도, 따라서 압력 및 온도를 측정합니다. 결과적으로 Tanaka 팀은 사이클론 내부의 온도 및 기압 구배 이미지를 생성할 수 있습니다. "[이 기술을 사용하여] 우리는 사이클론 내부의 바람의 수평 및 수직 속도를 측정할 수 있습니다."라고 Muography를 사용하여 가고시마 시에 접근하는 XNUMX개의 사이클론을 관찰한 팀의 Tanaka는 말합니다. 결과 이미지는 밀도가 높고 차갑고 고압적인 공기로 둘러싸인 사이클론의 따뜻한 저압 코어를 캡처했습니다.Sci. 대표. 12 16710).

더 많은 뮤온 검출기를 사용하여 Tanaka는 사이클론 내부의 에너지 구조에 대한 보다 상세한 3D 이미지를 생성할 수 있기를 희망합니다. Tanaka는 “무오그래피를 사용하면 사이클론이 얼마나 강하고 얼마나 많은 비가 땅에 내릴지 예측할 수 있을 것으로 기대합니다.”라고 말합니다. "이것은 아마도 조기 경보 시스템에 사용될 수 있는 것입니다."

변화하는 조수

Tanaka는 또한 사이클론과 관련된 또 다른 위험인 유성 쓰나미를 측정하기 위해 muography를 사용하고 있습니다. 기상 쓰나미의 줄임말로 만이나 호수와 같이 밀폐되거나 반폐쇄된 수역에서 발생합니다. 지진 활동의 결과인 쓰나미와 달리 사이클론 및 기상 전선과 같이 기압이나 바람의 급격한 변화로 인해 발생합니다.

유성 쓰나미의 극심한 물 진동은 몇 분에서 몇 시간까지 지속될 수 있으며 심각한 피해를 입힐 수 있습니다. 예를 들어, 75년 4월 1992일 미국 플로리다 동부의 데이토나 해변에 메테오쓰나미가 덮쳐 XNUMX명이 다쳤습니다.Nat. 위험 74 1-9). 파도 높이가 XNUMX미터에 달하는 메테오츠나미는 빠르게 움직이는 뇌우 시스템인 스콜 라인에 의해 발생했습니다.

TS-HKMSDD(Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector)는 도쿄만 아래 XNUMXkm 길이의 도로 터널에 설치된 뮤온 탐지기 라인입니다. 센서는 위의 물을 통과하는 뮤온을 측정합니다.

2021년 400월에 사이클론이 도쿄 만에서 남쪽으로 약 XNUMXkm 떨어진 태평양을 통과했습니다. 폭풍이 지나감에 따라 큰 너울이 도쿄 만을 통과했고 TS-HKMSDD에서 탐지한 뮤온의 수가 변동했습니다. 여분의 물은 더 많은 뮤온을 산란시키고 붕괴시켰고 검출기에 도달하는 숫자는 떨어졌습니다. 팀이 뮤온 데이터를 확인했을 때 조위계의 측정값과 거의 일치한다는 것을 발견했습니다(Sci. 대표. 12 6097).

너울을 측정하기 위해 탐지기는 수역 아래의 터널에 있을 필요가 없습니다. "우리는 해변 근처의 지하 공간이 있는 모든 곳을 감지할 수 있습니다."라고 그는 설명합니다. 여기에는 해안선 근처의 도로 및 지하철 터널과 주차장 및 상업 지하실과 같은 기타 지하 공간이 포함될 수 있습니다.

사이클론과 마찬가지로 유성 쓰나미 감지는 대기를 통해 얕은 각도로 이동한 다음 물과 해안선을 통해 이동하는 뮤온을 감지하는 감지기에 의존합니다. Tanaka에 따르면 이러한 설정은 해안에서 최대 약 XNUMX~XNUMXkm의 수위를 측정할 수 있습니다. "우리는 [메테오츠나미]가 도래하는 순간을 알고 싶지 않습니다."라고 그는 말합니다. "우리는 그것이 땅에 떨어지기 전에 알고 싶습니다."

다나카는 그러한 시스템이 조수 높이를 측정하고 조밀한 조수 모니터링 네트워크를 만드는 데에도 사용될 수 있다고 믿고 있습니다. 결국, 뮤온 탐지기는 기계식 조석계에 비해 한 가지 큰 장점이 있습니다. 바로 물과 접촉하지 않는다는 것입니다. 이것은 시간이 지남에 따라 마모되지 않고 큰 폭풍에 의해 손상될 수 없기 때문에 더 안정적입니다. 실제로 Tokyo Bay Aqua-Line 터널의 TS-HKMSDD는 단 XNUMX초도 누락된 데이터 없이 XNUMX년 동안 지속적으로 측정되었습니다. 보잘 것 없는 뮤온이 우리를 자연 재해에 대비하는 데 그토록 많은 일을 할 수 있다고 누가 생각이나 했겠습니까?

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