Jord, vind og vann: hvordan kosmiske myoner hjelper til med å studere vulkaner, sykloner og mer – Physics World

Forskere og ingeniører prøver alltid å bygge bedre systemer for tidlig varsling for å redusere skadene på liv og eiendom forårsaket av naturkatastrofer som vulkaner. En teknikk som forskere i økende grad tyr til, er på mange måter himmelsendt. Det innebærer bruk av myoner: subatomære partikler som produseres når kosmiske stråler – for det meste høyenergiprotoner som stammer fra hendelser som supernovaer – kolliderer med atomer 15–20 kilometer høyt oppe i atmosfæren vår.

Vi vet at jordens atmosfære stadig blir truffet av disse primære kosmiske strålene, med kollisjonene som produserer en dusj av sekundære partikler, inkludert elektroner, pioner, nøytrinoer og myoner. Faktisk regner så mange som 10,000 200 myoner fra disse sekundære kosmiske strålene ned på hver kvadratmeter av jordens overflate hvert minutt. Disse partiklene har alle de samme egenskapene som elektroner, men rundt XNUMX ganger massen, noe som betyr at de kan reise mye lenger gjennom faste strukturer enn elektroner.

Men det som gjør myoner interessant som en sonde, er at interaksjoner mellom myonene og materialene de passerer gjennom påvirker fluksen deres, med tettere objekter som avleder og absorberer flere myoner enn mindre tette strukturer kan. Det er denne forskjellen i fluks som brukes til å avbilde den indre strukturen til vulkaner i en teknikk kjent som "muografi". Begrepet ble laget tilbake i 2007 av Hiroyuki Tanaka ved University of Tokyo og hans kolleger, som ga den første demonstrasjonen at tomrom og hulrom i vulkanen kunne oppdages med teknikken (Jordens planet. Sci. Lett. 263 1-2).

Også kjent som myontomografi, bruker den detektorer for å produsere et omvendt tetthetskart av objektet myonene har passert gjennom. Flekker der flere myoner treffer sensorene representerer mindre tette områder av strukturen, mens færre myoner fremhever tettere deler. Tanaka og kolleger har til og med forsøkt å forutsi vulkanutbrudd ved hjelp av muografi kombinert med et AI dypt-lærende konvolusjonelt nevralt nettverk. I 2020 brukte de denne teknikken til å studere en av verdens mest aktive vulkaner – Sakurajima-vulkanen i det sørlige Japan (se ovenfor), som har hatt utbrudd 7000 ganger det siste tiåret (Sci. Rep. 10 5272).

Tegning med myoner

Muografi er veldig lik radiografi, ifølge Jacques Marteau, en partikkelfysiker ved Institute of Physics of the 2 Infinities (IP2I) i Lyon, Frankrike. "Den erstatter røntgenstråler fra medisinsk bildebehandling med en annen partikkel, nemlig myonen," sier han. "Muografi er i utgangspunktet en avbildningsprosess som skanner tettheten til et objekt på nøyaktig samme måte som røntgenavbildning."

Muografi er en avbildningsprosess som skanner tettheten til et objekt på nøyaktig samme måte som røntgenavbildning

Flere forskjellige enheter kan brukes til å oppdage myoner, hvorav de fleste er utviklet som en del av partikkelfysikkeksperimenter, for eksempel ved Large Hadron Collider ved CERN. Når det gjelder å avbilde vulkaner, består imidlertid de mest brukte detektorene av lag med scintillatorer. Når myonene passerer gjennom detektoren, produserer hvert lag et lysglimt som sammen kan brukes til å rekonstruere den innkommende banen til partiklene. Detektorene er plassert i de nedre skråningene av vulkanen og er vinklet for å oppdage myonene som passerer gjennom den.

Men muografi har ikke bare blitt brukt til å avbilde den indre strukturen til vulkaner. Forskere har også brukt teknikken til å oppdage endringer i tetthet i vulkaner knyttet til stigende magma, samt endringer i magmaform, hydrotermisk aktivitet og trykk i hulrommene og kanalene.

Vulkanskikk

Giovanni Macedonio, forskningsdirektør ved National Institute of Geophysics and Volcanology i Roma, Italia, forklarer at det er tre hovedteknikker for å studere og overvåke vulkaner. Det ene er å bruke seismiske data. En annen er å måle grunndeformasjoner med satellitter, mens en tredje innebærer å analysere geokjemien til væskene i vulkanen.

Muografi gjør det mulig å studere væskedynamikk fordi den lar deg se den indre strukturen til den øvre delen av vulkanen, spesielt i mindre vulkaner. Dette avslører ikke bare veien magnaen tok i tidligere utbrudd, men gjør det også mulig å modellere potensiell aktivitet under fremtidige utbrudd. Detaljer om den indre geometrien kan for eksempel vise hvor på kjeglen et utbrudd kan oppstå og hvor kraftig det kan være.

Macedonio og kolleger studerer å bruke muografi for å studere Vesuv som en del av et forskningsprosjekt kjent som MURAVES (J. Inst. 15 C03014). Vesuv er beryktet for sin ødeleggelse av de romerske byene Pompeii og Herculaneum, og forblir en aktiv vulkan og er en farlig, grublende tilstedeværelse, spesielt ettersom så mange mennesker bor i nærheten. Under det siste utbruddet i 1944 ble en del av krateret kastet av vulkanen, men noe tett magma har størknet i krateret.

Det MURAVES har som mål å gjøre er å lære om den indre strukturen til vulkanen etter utbrudd på 19- og 20-tallet, slik at dens fremtidige oppførsel kan modelleres. Siden vulkaner er dynamiske miljøer, endres strukturen deres, spesielt under utbrudd, noe som kan påvirke hvordan de oppfører seg i fremtiden.

Macedonio bruker også myoner for å studere Mount Stromboli, en aktiv vulkan på De eoliske øyer, utenfor nordkysten av Sicilia. Å studere de indre strukturene til både aktive og sovende vulkaner kan hjelpe oss å forstå vulkansk oppførsel og forklare hvorfor de genererer små eller store utbrudd. "Den indre strukturen, geometrien til kanalene, er en viktig parameter som bestemmer dynamikken til vulkanen," sier Macedonio. Denne informasjonen fra aktive vulkaner kan deretter brukes til å modellere og forutsi hvordan andre vulkaner kan oppføre seg.

Når det gjelder Marteau, har han brukt muografi for å studere La Soufrière-vulkanen på den franske øya Basse-Terre i Karibien. Vulkanens relativt lille kuppel, forklarer Marteau, kan lett bli destabilisert av aktiviteter som jordskjelv og magnabevegelser. Dette kan redusere trykket i hulrom fylt med varm høytrykksdamp, noe som fører til det som er kjent som et "freatisk" utbrudd. Dette er vulkanutbrudd som involverer høytemperatur væsker og damper, snarere enn magma.

Selv om slike utbrudd ikke er like kjent som de som involverer magma, kan de fortsatt være kraftige og farlige. I september 2014, for eksempel, brøt den sørvestlige siden av Ontake-vulkanen i Japan ut med lite varsel, og drepte 63 mennesker som hadde gått på fjellet (Earth Planets Space 68 72). Damputbruddet skapte en enorm, 11 kilometer høy sky.

Når det gjelder vulkaner som La Soufrière, er det den mekaniske strukturen til kuppelen som dikterer om et utbrudd vil skje eller ikke. "Du trenger en teknikk som muografi for å forstå hva og hvor er de svake punktene," sier Marteau.

Muografi kan også brukes til å overvåke dynamikken til væsker i vulkaner som La Soufrière. Inne i mange vulkaner, forklarer Marteau, er det mye væske som sirkulerer mellom forskjellige hulrom. Mens væskene kan være flytende, kan økning i magmaaktivitet og varme dypt inne i vulkanen gjøre dem om til damp.

Med muografi kan du observere disse endringene i væskedynamikken i kuppelen. For eksempel, hvis væskene i ett hulrom blir til damp, vil det være en reduksjon i tetthet og en økning i myonfluks.

En slik endring – en fylling av et hulrom med damp under trykk – er noe som kan forårsake et utbrudd. "Dette er noe du kan følge i sanntid med muografi, og dette er den eneste teknikken som er i stand til å gjøre dette," sier Marteau.

I 2019 demonstrerte Marteau og hans kolleger at muografi i kombinasjon med seismisk støyovervåking kan oppdage brå endringer i hydrotermisk aktivitet i kuppelen til La Soufrière-vulkanen (Sci. Rep. 9 3079).

Fluksen før stormen

Tanaka, som var banebrytende for bruken av myoner for å avbilde vulkaner, har nå rettet blikket mot en annen farlig naturfare: tropiske sykloner. Disse roterende stormene når hastigheter på mer enn 120 kilometer i timen og forårsaker enorme mengder skader på eiendom og er ansvarlige for mange dødsfall hvert år. De har sin opprinnelse over tropiske hav og er kjent som orkaner, tyfoner eller ganske enkelt sykloner, avhengig av hvor i verden de forekommer.

Sykloner utvikles når lavtrykksluft varmes opp over det varme tropiske havet. Over tid skaper dette en varm, fuktig søyle med raskt stigende luft; forårsaker en lavtrykksdepresjon på overflaten av havet. Dette styrker konveksjonsstrømmene ytterligere, og fører til utvikling av et kraftig roterende stormsystem som blir sterkere og sterkere.

Disse tropiske stormene er for tiden spådd, overvåket og sporet ved hjelp av satellitter, radar og andre værdata. Forsterkede fly kan til og med flys gjennom dem for å samle inn data som lufttrykk. Men ingen av disse teknikkene gir noen detaljer om forskjellene i lufttrykk og tetthet gjennom syklonen. Det er disse gradientene som driver konveksjonsstrømmene og vindhastigheten.

På Kyushu-øya – den sørligste av Japans fem hovedøyer og et hot spot for sykloner – undersøker Tanaka og teamet hans nå hvordan endringen i myonfluks kan vise forskjeller i lufttetthet og trykk i syklonen, og gir informasjon om vindhastighet og stormstyrke. I følge Tanaka kan deres nettverk av scintillatordetektorer på Kyushu Island avbilde stormer opp til rundt 150 kilometer unna. Dette er mulig fordi mens noen kosmiske stråler kommer inn i atmosfæren vertikalt, treffer andre mye mer horisontalt, og skaper myoner som flyr mot jorden i svært grunne vinkler og kan reise så langt som 300 km før de treffer bakken.

Tettere luft absorberer flere myoner, så fluksen deres gir et mål på tettheten – og derfor trykket og temperaturen – til luften på flere punkter gjennom en syklon. Som et resultat kan teamet til Tanaka lage et bilde av temperatur- og trykkgradientene inne i syklonen. "[Ved bruk av denne teknikken] kan vi måle den horisontale og vertikale hastigheten til vinden inne i syklonen," sier Tanaka, hvis team har brukt muografi for å observere åtte sykloner som nærmer seg byen Kagoshima. De resulterende bildene fanget de varme lavtrykkskjernene til syklonene, omgitt av tettere, kaldere høytrykksluft (Sci. Rep. 12 16710).

Ved å bruke flere myondetektorer håper Tanaka at det skal være mulig å lage mer detaljerte 3D-bilder av energistrukturene inne i sykloner. "Jeg forventer at vi med muografi kan forutsi hvor sterk en syklon vil være og hvor mye regn den vil bringe til bakken," sier Tanaka. "Dette er sannsynligvis noe som kan brukes til tidlig varslingssystemer."

Skiftende tidevann

Tanaka har også brukt muografi for å måle en annen fare knyttet til sykloner: meteotsunamis. Forkortelse for meteorologiske tsunamier forekommer de i lukkede eller halvlukkede vannforekomster som bukter og innsjøer. I motsetning til tsunamier, som er et resultat av seismisk aktivitet, er de forårsaket av brå endringer i atmosfærisk trykk eller vind, slik som de forårsaket av sykloner og værfronter.

De ekstreme vannoscillasjonene til meteotsunamis kan vare fra noen få minutter til flere timer, og kan forårsake betydelig skade. For eksempel ble 75 personer skadet 4. juli 1992 da en meteotsunami traff Daytona Beach øst i Florida i USA (Nat. Farer 74 1-9). Med bølger som nådde tre meter i høyden, ble meteotsunamien forårsaket av en squall line - et raskt bevegende system av tordenvær.

Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector (TS-HKMSDD) er en linje med myondetektorer installert i en ni kilometer lang veitunnel under Tokyobukta. Sensorene måler myoner som passerer gjennom vannet over.

I september 2021 reiste en syklon gjennom Stillehavet omtrent 400 km sør for Tokyobukta. Da stormen passerte, beveget en stor dønning seg gjennom Tokyobukta og antallet myoner som ble oppdaget av TS-HKMSDD svingte. Det ekstra vannvolumet førte til at flere myoner spredte seg og forfalt, og antallet som nådde detektorene sank. Da teamet sjekket myondataene deres, fant de ut at de samsvarte nøye med målingene fra tidevannsmåleren (Sci. Rep. 12 6097).

For å måle dønninger trenger ikke detektorene å være i en tunnel under vannforekomsten. "Vi kan oppdage hvor som helst med et underjordisk rom nær kysten," forklarer han. Dette kan inkludere vei- og undergrunnstunneler nær kysten, og andre underjordiske rom som parkeringsplasser og kommersielle kjellere.

Som med sykloner, vil det å oppdage meteotsunamier være avhengig av at detektorene føler myoner som reiser i grunne vinkler gjennom atmosfæren, og deretter gjennom vannet og kystlinjen. Ifølge Tanaka kan slike oppsett måle vannstand opp til rundt tre til fem kilometer fra land. "Vi vil ikke vite øyeblikket [meteotsunamien] kommer," sier han. "Vi vil vite det før det treffer land."

Tanaka mener at slike systemer også kan brukes til å måle tidevannsnivåer og skape et tett tidevannsovervåkingsnettverk. Tross alt har myondetektorer én stor fordel fremfor mekaniske tidevannsmålere: de er ikke i kontakt med vannet. Dette gjør dem mer pålitelige fordi de ikke slites ut over tid og ikke kan bli skadet av store stormer. Faktisk målte TS-HKMSDD i Tokyo Bay Aqua-Line-tunnelen kontinuerlig i et år med ikke engang et eneste sekunds manglende data. Hvem hadde trodd at den ydmyke myonen kunne gjøre så mye for å forberede oss mot naturkatastrofer?

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/