Aarde, wind en water: hoe kosmische muonen helpen bij het bestuderen van vulkanen, cyclonen en meer - Physics World

Wetenschappers en ingenieurs proberen altijd betere systemen voor vroegtijdige waarschuwing te bouwen om de schade aan mensenlevens en eigendommen veroorzaakt door natuurrampen zoals vulkanen te beperken. Eén techniek waar onderzoekers zich steeds meer op richten is in veel opzichten door de hemel gezonden. Hierbij worden muonen gebruikt: subatomaire deeltjes die ontstaan ​​wanneer kosmische straling – veelal hoogenergetische protonen afkomstig van gebeurtenissen als supernova’s – in botsing komen met atomen op een hoogte van 15 tot 20 kilometer hoog in onze atmosfeer.

We weten dat de atmosfeer van de aarde voortdurend wordt getroffen door deze primaire kosmische straling, waarbij de botsingen een regen van secundaire deeltjes veroorzaken, waaronder elektronen, pionen, neutrino's en muonen. In feite regenen maar liefst 10,000 muonen van deze secundaire kosmische straling elke minuut op elke vierkante meter van het aardoppervlak. Deze deeltjes hebben allemaal dezelfde eigenschappen als elektronen, maar zijn ongeveer 200 keer zo zwaar, wat betekent dat ze veel verder door vaste structuren kunnen reizen dan elektronen.

Maar wat muonen interessant maakt als sonde, is dat interacties tussen de muonen en de materialen waar ze doorheen gaan hun flux beïnvloeden, waarbij dichtere objecten meer muonen afbuigen en absorberen dan structuren met een lagere dichtheid. Het is dit verschil in flux dat wordt gebruikt om de interne structuur van vulkanen in beeld te brengen met een techniek die bekend staat als ‘muografie’. De term werd in 2007 bedacht door Hiroyuki Tanaka aan de Universiteit van Tokio en zijn collega's, die de eerste demonstratie gaven dat holtes en holtes in de vulkaan met deze techniek konden worden gedetecteerd (Planeet aarde. Sci. Lett. 263 1-2).

Het staat ook bekend als muon-tomografie en maakt gebruik van detectoren om een ​​kaart met omgekeerde dichtheid te produceren van het object waar de muonen doorheen zijn gegaan. Plekken waar meer muonen de sensoren raken vertegenwoordigen minder dichte delen van de structuur, terwijl minder muonen dichtere delen benadrukken. Tanaka en collega's hebben zelfs geprobeerd vulkaanuitbarstingen te voorspellen met behulp van muografie in combinatie met een AI-deep-learning convolutioneel neuraal netwerk. In 2020 gebruikten ze deze techniek om een ​​van 's werelds meest actieve vulkanen te bestuderen: de Sakurajima-vulkaan in het zuiden van Japan (zie hierboven), die de afgelopen tien jaar 7000 keer is uitgebarsten (Sci. Rep. 10 5272).

Tekenen met muonen

Muografie lijkt volgens hem sterk op radiografie Jacques Marteau, een deeltjesfysicus aan het Institute of Physics of the 2 Infinities (IP2I) in Lyon, Frankrijk. “Het vervangt röntgenstralen uit medische beeldvorming door een ander deeltje, namelijk het muon”, zegt hij. “Muografie is in feite een beeldvormingsproces dat de dichtheid van een object op precies dezelfde manier scant als röntgenbeeldvorming.”

Muografie is een beeldvormingsproces dat de dichtheid van een object op precies dezelfde manier scant als röntgenbeeldvorming

Er kunnen verschillende apparaten worden gebruikt om muonen te detecteren, waarvan de meeste zijn ontwikkeld als onderdeel van deeltjesfysica-experimenten, zoals bij de Large Hadron Collider op CERN. Als het echter om het in beeld brengen van vulkanen gaat, bestaan ​​de meest gebruikte detectoren uit lagen scintillatoren. Terwijl de muonen door de detector gaan, produceert elke laag een lichtflits die samen kan worden gebruikt om het binnenkomende traject van de deeltjes te reconstrueren. De detectoren zijn op de lagere hellingen van de vulkaan geplaatst en staan ​​onder een hoek om de muonen te detecteren die er doorheen gaan.

Maar muografie is niet alleen gebruikt om de interne structuur van vulkanen in beeld te brengen. Onderzoekers hebben de techniek ook gebruikt om veranderingen in de dichtheid binnen vulkanen te detecteren die verband houden met opstijgend magma, evenals veranderingen in de vorm van magma, hydrothermische activiteit en druk in de holtes en leidingen.

Vulkanische pieken

Giovanni Macedonië, onderzoeksdirecteur bij het Nationaal Instituut voor Geofysica en Volcanologie in Rome, Italië, legt uit dat er drie hoofdtechnieken zijn voor het bestuderen en monitoren van vulkanen. Eén daarvan is het gebruik van seismische gegevens. Een andere is het meten van grondvervormingen met satellieten, terwijl een derde het analyseren van de geochemie van de vloeistoffen in de vulkaan betreft.

Muografie maakt het mogelijk om de vloeistofdynamica te bestuderen, omdat je hierdoor de interne structuur van het bovenste deel van de vulkaan kunt zien, vooral bij kleinere vulkanen. Dit onthult niet alleen het pad dat de magna volgde bij uitbarstingen in het verleden, maar maakt het ook mogelijk om potentiële activiteit tijdens toekomstige uitbarstingen te modelleren. Details van de interne geometrie zouden bijvoorbeeld kunnen laten zien waar op de kegel een uitbarsting zou kunnen plaatsvinden en hoe krachtig deze zou kunnen zijn.

Macedonio en collega's bestuderen het gebruik van muografie om de Vesuvius te bestuderen als onderdeel van een onderzoeksproject dat bekend staat als MURAVES (J.Inst. 15 C03014). De Vesuvius, berucht vanwege de verwoesting van de Romeinse steden Pompeii en Herculaneum, blijft een actieve vulkaan en is een gevaarlijke, broeierige aanwezigheid, vooral omdat er zoveel mensen in de buurt wonen. Tijdens de laatste uitbarsting in 1944 werd een deel van de krater van de vulkaan geslingerd, maar er is een deel van het dichte magma in de krater gestold.

Wat MURAVES wil doen, is leren over de interne structuur van de vulkaan na uitbarstingen in de 19e en 20e eeuw, zodat het toekomstige gedrag ervan kan worden gemodelleerd. Omdat vulkanen een dynamische omgeving zijn, verandert hun structuur, vooral tijdens uitbarstingen, wat van invloed kan zijn op hoe ze zich in de toekomst gedragen.

Macedonio gebruikt ook muonen om de berg Stromboli te bestuderen, een actieve vulkaan op de Eolische eilanden, voor de noordkust van Sicilië. Het bestuderen van de interne structuren van zowel actieve als slapende vulkanen kan ons helpen het vulkanische gedrag te begrijpen en uit te leggen waarom ze kleine of grote uitbarstingen veroorzaken. “De interne structuur, de geometrie van de leidingen, is een belangrijke parameter die de dynamiek van de vulkaan bepaalt”, zegt Macedonio. Deze informatie van actieve vulkanen kan vervolgens worden gebruikt om te helpen modelleren en voorspellen hoe andere vulkanen zich zouden kunnen gedragen.

Wat Marteau betreft, hij heeft muografie gebruikt om de La Soufrière-vulkaan op het Franse eiland Basse-Terre in het Caribisch gebied te bestuderen. De relatief kleine koepel van de vulkaan, legt Marteau uit, kan gemakkelijk worden gedestabiliseerd door activiteiten zoals aardbevingen en magnabewegingen. Hierdoor kunnen holtes gevuld met hete stoom onder hoge druk drukloos worden gemaakt, wat kan leiden tot een zogenaamde “freatische” uitbarsting. Dit zijn vulkaanuitbarstingen waarbij vloeistoffen en dampen met een hoge temperatuur betrokken zijn, in plaats van magma.

Hoewel dergelijke uitbarstingen niet zo bekend zijn als die waarbij magma betrokken is, kunnen ze nog steeds krachtig en gevaarlijk zijn. In september 2014 barstte de zuidwestelijke kant van de Ontake-vulkaan in Japan bijvoorbeeld zonder enige waarschuwing uit, waarbij 63 mensen omkwamen die op de berg hadden gewandeld (Aarde Planeten Ruimte 68 72). Door de stoomuitbarsting ontstond een enorme pluim van elf kilometer hoog.

In het geval van vulkanen als La Soufrière bepaalt de mechanische structuur van de koepel of er wel of niet een uitbarsting zal plaatsvinden. “Je hebt een techniek als muografie nodig om te begrijpen wat en waar de zwakke punten zijn”, zegt Marteau.

Muografie kan ook worden gebruikt om de dynamiek van vloeistoffen in vulkanen zoals La Soufrière te volgen. In veel vulkanen, legt Marteau uit, circuleert veel vloeistof tussen verschillende holtes. Hoewel de vloeistoffen vloeibaar kunnen zijn, kan een toename van de magma-activiteit en de hitte diep in de vulkaan ze in stoom veranderen.

Met muografie kun je deze veranderingen in de vloeistofdynamica binnen de koepel waarnemen. Als de vloeistoffen in één holte bijvoorbeeld in stoom veranderen, zal er een afname van de dichtheid zijn en een toename van de muonenflux.

Zo’n verandering – het vullen van een holte met stoom onder druk – kan een uitbarsting veroorzaken. “Dit is iets dat je in realtime kunt volgen met muografie, en dit is de enige techniek die daartoe in staat is”, zegt Marteau.

In 2019 hebben Marteau en zijn collega's aangetoond dat muografie in combinatie met seismische geluidsmonitoring abrupte veranderingen in de hydrothermische activiteit in de koepel van de La Soufrière-vulkaan kan detecteren (Sci. Rep. 9 3079).

De stroom vóór de storm

Tanaka, die pionierde met het gebruik van muonen om vulkanen in beeld te brengen, heeft nu zijn zinnen gezet op een ander gevaarlijk natuurgevaar: tropische cyclonen. Deze roterende stormen bereiken snelheden van meer dan 120 kilometer per uur en veroorzaken enorme hoeveelheden schade aan eigendommen en zijn jaarlijks verantwoordelijk voor vele doden. Ze vinden hun oorsprong boven tropische oceanen en staan ​​bekend als orkanen, tyfonen of eenvoudigweg cyclonen, afhankelijk van waar ter wereld ze voorkomen.

Cyclonen ontstaan ​​wanneer lucht onder lage druk boven de warme tropische oceaan wordt verwarmd. Na verloop van tijd ontstaat er een warme, vochtige kolom van snel stijgende lucht; waardoor er een lagedrukdepressie ontstaat aan het oppervlak van de oceaan. Dit versterkt de convectiestromen verder, wat leidt tot de ontwikkeling van een krachtig roterend stormsysteem dat steeds sterker wordt.

Deze tropische stormen worden momenteel voorspeld, gemonitord en gevolgd met behulp van satellieten, radar en andere weergegevens. Er kunnen zelfs versterkte vliegtuigen doorheen vliegen om gegevens zoals de luchtdruk te verzamelen. Maar geen van deze technieken geeft enig detail over de verschillen in luchtdruk en dichtheid in de cycloon. Het zijn deze gradiënten die de convectiestromen en de windsnelheid bepalen.

Op Kyushu Island – het zuidelijkste van de vijf belangrijkste eilanden van Japan en een hotspot voor cyclonen – onderzoeken Tanaka en zijn team nu hoe de verandering in de muonenflux verschillen in luchtdichtheid en druk in de cycloon kan laten zien, waardoor informatie wordt verkregen over windsnelheid en storm. kracht. Volgens Tanaka kan hun netwerk van scintillatordetectoren op het eiland Kyushu stormen tot zo'n 150 kilometer verderop in beeld brengen. Dit is mogelijk omdat sommige kosmische straling verticaal de atmosfeer binnendringt, terwijl andere veel horizontaaler inslaan, waardoor muonen ontstaan ​​die onder zeer ondiepe hoeken naar de aarde vliegen en een afstand van wel 300 km kunnen afleggen voordat ze de grond raken.

Dichtere lucht absorbeert meer muonen, dus hun flux geeft een maatstaf voor de dichtheid (en dus de druk en temperatuur) van de lucht op meerdere punten in een cycloon. Als gevolg hiervan kan Tanaka's team een ​​beeld creëren van de temperatuur- en drukgradiënten in de cycloon. “Met deze techniek kunnen we de horizontale en verticale snelheid van de wind in de cycloon meten”, zegt Tanaka, wiens team muografie heeft gebruikt om acht cyclonen te observeren die de stad Kagoshima naderen. De resulterende beelden legden de warme lagedrukkernen van de cyclonen vast, omringd door dichtere, koudere lucht onder hoge druk (Sci. Rep. 12 16710).

Met behulp van meer muondetectoren hoopt Tanaka dat het mogelijk zal zijn om gedetailleerdere 3D-beelden te maken van de energiestructuren in cyclonen. “Ik verwacht dat we met muografie kunnen voorspellen hoe sterk een cycloon zal zijn en hoeveel regen deze op de grond zal brengen”, zegt Tanaka. “Dit is waarschijnlijk iets dat kan worden gebruikt voor systemen voor vroegtijdige waarschuwing.”

Getijden veranderen

Tanaka heeft ook muografie gebruikt om een ​​ander gevaar te meten dat verband houdt met cyclonen: meteotsunami's. Een afkorting voor meteorologische tsunami's. Ze komen voor in ingesloten of semi-gesloten waterlichamen zoals baaien en meren. In tegenstelling tot tsunami's, die het resultaat zijn van seismische activiteit, worden ze veroorzaakt door abrupte veranderingen in de atmosferische druk of wind, zoals die veroorzaakt door cyclonen en weersfronten.

De extreme waterschommelingen van meteotsunami's kunnen enkele minuten tot enkele uren duren en aanzienlijke schade veroorzaken. Op 75 juli 4 raakten bijvoorbeeld 1992 mensen gewond toen een meteotsunami Daytona Beach in het oosten van Florida in de VS trof (nat. Gevaren 74 1-9). Met golven die een hoogte van drie meter bereikten, werd de meteotsunami veroorzaakt door een buienlijn – een snel bewegend systeem van onweersbuien.

De Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) is een reeks muondetectoren die zijn geïnstalleerd in een negen kilometer lange wegtunnel onder de Baai van Tokio. De sensoren meten muonen die door het water erboven gaan.

In september 2021 trok een cycloon ongeveer 400 km ten zuiden van de Baai van Tokio door de Stille Oceaan. Terwijl de storm voorbij was, trok er een grote deining door de Baai van Tokio en fluctueerde het aantal door de TS-HKMSDD gedetecteerde muonen. Het extra watervolume zorgde ervoor dat meer muonen zich verspreidden en vervielen, en het aantal dat de detectoren bereikte daalde. Toen het team hun muongegevens controleerde, ontdekten ze dat deze nauw overeenkwamen met de metingen van de getijdenmeter (Sci. Rep. 12 6097).

Om de deining te meten hoeven de detectoren zich niet in een tunnel onder het waterlichaam te bevinden. “We kunnen overal met een ondergrondse ruimte vlakbij de kust detecteren”, legt hij uit. Denk hierbij aan weg- en metrotunnels nabij de kustlijn, en andere ondergrondse ruimtes zoals parkeerterreinen en commerciële kelders.

Net als bij cyclonen zou het detecteren van meteotsunami's afhankelijk zijn van de detectoren die muonen waarnemen die onder ondiepe hoeken door de atmosfeer reizen, en vervolgens door het water en de kustlijn. Volgens Tanaka zouden dergelijke opstellingen het waterpeil tot zo’n drie tot vijf kilometer uit de kust kunnen meten. “We willen niet weten wanneer [de meteotsunami] arriveert”, zegt hij. “We willen het weten voordat het land raakt.”

Tanaka is van mening dat dergelijke systemen ook kunnen worden gebruikt om de getijdenniveaus te meten en een dicht netwerk voor getijdenmonitoring te creëren. Muondetectoren hebben immers één groot voordeel ten opzichte van mechanische getijdenmeters: ze staan ​​niet in contact met het water. Dit maakt ze betrouwbaarder omdat ze na verloop van tijd niet verslijten en niet kunnen worden beschadigd door grote stormen. In feite heeft TS-HKMSDD in de Tokyo Bay Aqua-Line-tunnel een jaar lang continu gemeten zonder dat er zelfs maar een seconde aan ontbrekende gegevens waren. Wie had ooit gedacht dat de eenvoudige muon zoveel zou kunnen doen om ons voor te bereiden op natuurrampen?

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/