Pământ, vânt și apă: cum muonii cosmici ajută la studiul vulcanilor, cicloanilor și multe altele - Physics World

Oamenii de știință și inginerii încearcă mereu să construiască sisteme de avertizare timpurie mai bune pentru a atenua daunele aduse vieții și proprietăților cauzate de dezastrele naturale, cum ar fi vulcanii. O tehnică la care cercetătorii se îndreaptă din ce în ce mai mult este, în multe privințe, trimisă de cer. Aceasta implică utilizarea muonilor: particule subatomice produse atunci când razele cosmice - în mare parte protoni de înaltă energie proveniți din evenimente precum supernove - se ciocnesc cu atomi la 15-20 de kilometri înălțime în atmosfera noastră.

Știm că atmosfera Pământului este în mod constant lovită de aceste raze cosmice primare, coliziunile producând o ploaie de particule secundare, inclusiv electroni, pioni, neutrini și muoni. De fapt, până la 10,000 de muoni din aceste raze cosmice secundare plouă pe fiecare metru pătrat al suprafeței Pământului în fiecare minut. Aceste particule au aceleași proprietăți ca și electronii, dar de aproximativ 200 de ori masa, ceea ce înseamnă că pot călători mult mai departe prin structuri solide decât electronii.

Dar ceea ce face muonii interesanți ca sondă este că interacțiunile dintre muoni și materialele prin care trec le afectează fluxul, obiectele mai dense deviând și absorbind mai mulți muoni decât pot structurile mai puțin dense. Această diferență de flux este folosită pentru imaginea structurii interne a vulcanilor într-o tehnică cunoscută sub numele de „muografie”. Termenul a fost inventat în 2007 de către Hiroyuki Tanaka la Universitatea din Tokyo și colegii săi, care au oferit prima demonstrație că golurile și cavitățile din vulcan ar putea fi detectate cu această tehnică (Planeta Pământului. Sci. Lett. 263 1-2).

Cunoscută și sub numele de tomografie cu muoni, folosește detectoare pentru a produce o hartă cu densitate inversă a obiectului prin care au trecut muonii. Punctele în care mai mulți muoni lovesc senzorii reprezintă zone mai puțin dense ale structurii, în timp ce mai puțini muoni evidențiază părți mai dense. Tanaka și colegii săi au încercat chiar să prezică erupțiile vulcanice folosind muografie combinată cu o rețea neuronală convoluțională de învățare profundă AI. În 2020, au folosit această tehnică pentru a studia unul dintre cei mai activi vulcani din lume – vulcanul Sakurajima din sudul Japoniei (vezi mai sus), care a erupt de 7000 de ori în ultimul deceniu (Sci. Reprezentant. 10 5272).

Desen cu muoni

Muografia este foarte asemănătoare cu radiografia, potrivit Jacques Marteau, un fizician al particulelor la Institutul de Fizică a celor 2 Infinități (IP2I) din Lyon, Franța. „Înlocuiește razele X din imagistica medicală cu o altă particulă, și anume muonul”, spune el. „Muografia este practic un proces de imagistică care scanează densitatea unui obiect exact în același mod ca și imagistica cu raze X.”

Muografia este un proces de imagistică care scanează densitatea unui obiect exact în același mod ca imagistica cu raze X.

Mai multe dispozitive diferite pot fi utilizate pentru a detecta muonii, dintre care majoritatea au fost dezvoltate ca parte a experimentelor de fizică a particulelor, cum ar fi la Large Hadron Collider de la CERN. Când vine vorba de imagistica vulcanilor, totuși, cei mai des utilizați detectoare constau din straturi de scintilatoare. Pe măsură ce muonii trec prin detector, fiecare strat produce un fulger de lumină care împreună poate fi folosit pentru a reconstrui traiectoria de intrare a particulelor. Detectoarele sunt plasate pe versanții inferiori ai vulcanului și sunt înclinate pentru a detecta muonii care trec prin el.

Dar muografia nu a fost folosită doar pentru a vizualiza structura internă a vulcanilor. Cercetătorii au folosit, de asemenea, tehnica pentru a detecta modificări ale densității în vulcani legate de creșterea magmei, precum și modificări ale formei magmei, activității hidrotermale și presiunii în cavități și conducte.

Privirile vulcanice

Giovanni Macedonio, director de cercetare la Institutul Național de Geofizică și Vulcanologie din Roma, Italia, explică că există trei tehnici principale pentru studierea și monitorizarea vulcanilor. Una este utilizarea datelor seismice. Un altul este măsurarea deformațiilor solului cu sateliți, în timp ce al treilea implică analiza geochimiei fluidelor din vulcan.

Muografia face posibilă studierea dinamicii fluidelor, deoarece vă permite să vedeți structura internă a părții superioare a vulcanului, în special la vulcanii mai mici. Acest lucru dezvăluie nu numai calea pe care a urmat-o magna în erupțiile anterioare, dar face și posibilă modelarea activității potențiale în timpul erupțiilor viitoare. Detaliile geometriei interne, de exemplu, ar putea arăta unde pe con ar putea avea loc o erupție și cât de puternică ar putea fi.

Macedonio și colegii studiază utilizarea muografiei pentru a studia Muntele Vezuviu, ca parte a unui proiect de cercetare cunoscut sub numele de MURAVES (J. Inst. 15 C03014). Cunoscut pentru distrugerea orașelor romane Pompei și Herculaneum, Vezuviul rămâne un vulcan activ și este o prezență periculoasă și tulburătoare, mai ales că atât de mulți oameni trăiesc în apropiere. În timpul ultimei erupții din 1944, o parte a craterului a fost aruncată de pe vulcan, dar o oarecare magmă densă s-a solidificat în crater.

Ceea ce își propune MURAVES este să învețe despre structura internă a vulcanului în urma erupțiilor din secolele al XIX-lea și al XX-lea, astfel încât comportamentul său viitor să poată fi modelat. Deoarece vulcanii sunt medii dinamice, structura lor se schimbă, în special în timpul erupțiilor, ceea ce poate afecta modul în care se comportă în viitor.

Macedonio folosește muoni pentru a studia Muntele Stromboli, un vulcan activ din Insulele Eoliene, în largul coastei de nord a Siciliei. Studierea structurilor interne atât ale vulcanilor activi, cât și ale vulcanilor latenți ne poate ajuta să înțelegem comportamentul vulcanic și să explicăm de ce generează erupții mici sau mari. „Structura internă, geometria conductelor, este un parametru important care determină dinamica vulcanului”, spune Macedonio. Aceste informații de la vulcanii activi pot fi apoi folosite pentru a ajuta la modelarea și prezicerea modului în care s-ar putea comporta alți vulcani.

Cât despre Marteau, el a folosit muografia pentru a studia vulcanul La Soufrière de pe insula franceză Basse-Terre din Caraibe. Cupola relativ mică a vulcanului, explică Marteau, poate fi ușor destabilizată de activități precum cutremure și mișcări magna. Acest lucru poate depresuriza cavitățile umplute cu abur fierbinte, de înaltă presiune, ceea ce duce la ceea ce este cunoscut sub numele de erupție „freatică”. Acestea sunt erupții vulcanice care implică lichide și vapori la temperaturi ridicate, mai degrabă decât magmă.

Deși astfel de erupții nu sunt la fel de cunoscute ca cele care implică magma, ele pot fi totuși puternice și periculoase. În septembrie 2014, de exemplu, partea de sud-vest a vulcanului Ontake din Japonia a erupt fără preavertisment, ucigând 63 de persoane care făceau drumeții pe munte (Pământ Planete Spațiu 68 72). Erupția de abur a creat un penaj enorm, înalt de 11 kilometri.

În cazul vulcanilor precum La Soufrière, ceea ce dictează dacă va avea loc sau nu o erupție este structura mecanică a domului. „Aveți nevoie de o tehnică precum muografia pentru a înțelege care și unde sunt punctele slabe”, spune Marteau.

Muografia poate fi folosită și pentru a monitoriza dinamica fluidelor din vulcani precum La Soufrière. În interiorul multor vulcani, explică Marteau, există o mulțime de fluid care circulă între diferite cavități. În timp ce fluidele pot fi lichide, creșterea activității magmei și a căldurii adânci în vulcan le pot transforma în abur.

Cu muografie puteți observa aceste modificări ale dinamicii fluidelor în interiorul domului. De exemplu, dacă lichidele dintr-o cavitate se transformă în abur, va exista o scădere a densității și o creștere a fluxului de muoni.

O astfel de schimbare – umplerea unei cavități cu abur sub presiune – este ceva care ar putea provoca o erupție. „Acesta este ceva pe care îl puteți urmări în timp real cu muografie și aceasta este singura tehnică care este capabilă să facă acest lucru”, spune Marteau.

În 2019, Marteau și colegii săi au demonstrat că muografia în combinație cu monitorizarea zgomotului seismic poate detecta schimbări bruște ale activității hidrotermale în domul vulcanului La Soufrière (Sci. Reprezentant. 9 3079).

Fluxul dinaintea furtunii

Tanaka, care a fost pionier în utilizarea muonilor pentru a-și imaginea vulcanii, și-a pus acum ochii pe un alt pericol natural periculos: cicloane tropicale. Atingând viteze de peste 120 de kilometri pe oră, aceste furtuni rotative provoacă pagube uriașe proprietății și sunt responsabile pentru multe decese în fiecare an. Ele își au originea deasupra oceanelor tropicale și sunt cunoscute sub numele de uragane, taifunuri sau, pur și simplu, cicloni, în funcție de locul în care apar.

Ciclonii se dezvoltă atunci când aerul de joasă presiune este încălzit peste oceanul tropical cald. În timp, aceasta creează o coloană caldă și umedă de aer în creștere rapidă; determinând dezvoltarea unei depresiuni de joasă presiune la suprafața oceanului. Acest lucru întărește și mai mult curenții de convecție, ceea ce duce la dezvoltarea unui sistem puternic de furtună rotativă care devine din ce în ce mai puternic.

Aceste furtuni tropicale sunt în prezent prezise, ​​monitorizate și urmărite folosind sateliți, radar și alte date meteorologice. Avioanele ranforsate pot fi chiar zburate prin ele pentru a colecta date precum presiunea aerului. Dar niciuna dintre aceste tehnici nu oferă detalii despre diferențele de presiune a aerului și densitatea de-a lungul ciclonului. Acești gradienți sunt cei care conduc curenții de convecție și viteza vântului.

Pe insula Kyushu – cea mai sudica dintre cele cinci insule principale ale Japoniei și un punct fierbinte pentru cicloni – Tanaka și echipa sa investighează acum modul în care schimbarea fluxului de muoni poate arăta diferențe în densitatea aerului și presiunea în ciclon, oferind informații despre viteza vântului și furtuna. putere. Potrivit lui Tanaka, rețeaua lor de detectoare cu scintilatoare de pe insula Kyushu poate imaginea furtunile la aproximativ 150 de kilometri distanță. Acest lucru este posibil deoarece, în timp ce unele raze cosmice intră în atmosferă pe verticală, altele lovesc mult mai mult pe orizontală, creând muoni care zboară spre Pământ în unghiuri foarte mici și pot călători până la 300 km înainte de a lovi pământul.

Aerul mai dens absoarbe mai mulți muoni, astfel încât fluxul lor oferă o măsură a densității – și, prin urmare, a presiunii și a temperaturii – a aerului în mai multe puncte de-a lungul unui ciclon. Drept urmare, echipa lui Tanaka poate crea o imagine a gradienților de temperatură și presiune din interiorul ciclonului. „[Folosind această tehnică] putem măsura viteza orizontală și verticală a vântului în interiorul ciclonului”, spune Tanaka, a cărei echipă a folosit muografia pentru a observa opt cicloni care se apropie de orașul Kagoshima. Imaginile rezultate au surprins nucleele calde de joasă presiune ale ciclonilor, înconjurate de aer mai dens, mai rece, de înaltă presiune (Sci. Reprezentant. 12 16710).

Folosind mai mulți detectoare de muoni, Tanaka speră că va fi posibil să se creeze imagini 3D mai detaliate ale structurilor energetice din interiorul ciclonilor. „Previzez că, cu ajutorul muografiei, putem prezice cât de puternic va fi un ciclon și cât de multă ploaie va aduce la pământ”, spune Tanaka. „Acesta este probabil ceva care poate fi folosit pentru sistemele de avertizare timpurie.”

Schimbarea mareelor

Tanaka a folosit, de asemenea, muografia pentru a măsura un alt pericol legat de cicloane: meteotsunamis. Prescurtare pentru tsunami meteorologici, ele apar în corpuri de apă închise sau semiînchise, cum ar fi golfurile și lacurile. Spre deosebire de tsunami, care sunt rezultatul activității seismice, acestea sunt cauzate de modificări bruște ale presiunii atmosferice sau ale vântului, precum cele provocate de cicloni și fronturi meteorologice.

Oscilațiile extreme ale apei meteotsunami-urilor pot dura de la câteva minute la câteva ore și pot provoca daune semnificative. De exemplu, 75 de persoane au fost rănite la 4 iulie 1992, când un meteotsunami a lovit Daytona Beach din estul Floridei, SUA (Nat. Pericole 74 1-9). Cu valuri care atingeau trei metri înălțime, meteotsunami-ul a fost cauzat de o linie de furtună - un sistem rapid de furtuni.

Detectorul de adâncime submarin hiperkilometric de fundul mării Tokyo-Bay (TS-HKMSDD) este o linie de detectoare de muoni instalate într-un tunel rutier lung de nouă kilometri sub Golful Tokyo. Senzorii măsoară muonii care trec prin apa de deasupra.

În septembrie 2021, un ciclon a călătorit prin Pacific la aproximativ 400 km sud de Golful Tokyo. Pe măsură ce furtuna a trecut, o mare umflare s-a deplasat prin golful Tokyo și numărul de muoni detectați de TS-HKMSDD a fluctuat. Volumul suplimentar de apă a făcut ca mai mulți muoni să se împrăștie și să se descompună, iar cifrele care ajung la detectoare au scăzut. Când echipa și-a verificat datele despre muoni, ei au descoperit că se potriveau strâns cu măsurătorile de la mareaj (Sci. Reprezentant. 12 6097).

Pentru a măsura umflăturile, detectoarele nu trebuie să fie într-un tunel sub corpul de apă. „Putem detecta oriunde cu un spațiu subteran lângă malul mării”, explică el. Aceasta ar putea include tuneluri rutiere și de metrou în apropierea țărmului și alte spații subterane, cum ar fi parcări și subsoluri comerciale.

Ca și în cazul cicloanelor, detectarea meteotsunami-urilor s-ar baza pe detectorii care detectează muonii care călătoresc în unghiuri mici prin atmosferă și apoi prin apă și linia țărmului. Potrivit lui Tanaka, astfel de configurații ar putea măsura nivelul apei la aproximativ trei până la cinci kilometri de țărm. „Nu vrem să știm momentul în care [meteotsunami-ul] sosește”, spune el. „Vrem să știm înainte de a ajunge la pământ.”

Tanaka consideră că astfel de sisteme ar putea fi utilizate și pentru a măsura nivelul mareelor ​​și pentru a crea o rețea densă de monitorizare a mareelor. La urma urmei, detectoarele de muoni au un mare avantaj față de mareajele mecanice: nu sunt în contact cu apa. Acest lucru le face mai fiabile, deoarece nu se uzează în timp și nu pot fi deteriorate de furtunile mari. De fapt, TS-HKMSDD din tunelul Tokyo Bay Aqua-Line a măsurat continuu timp de un an, fără nici măcar o secundă de date lipsă. Cine ar fi crezut că umilul muon ar putea face atât de multe pentru a ne pregăti împotriva dezastrelor naturale?

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/