Земля, ветер и вода: как космические мюоны помогают изучать вулканы, циклоны и многое другое

Ученые и инженеры всегда пытаются создать более совершенные системы раннего предупреждения, чтобы смягчить ущерб жизни и имуществу, причиненный стихийными бедствиями, такими как извержения вулканов. Один из методов, к которому все чаще обращаются исследователи, во многом является даром небес. Он предполагает использование мюонов: субатомных частиц, образующихся, когда космические лучи – в основном протоны высокой энергии, возникающие в результате таких событий, как сверхновые – сталкиваются с атомами на высоте 15–20 километров в нашей атмосфере.

Мы знаем, что атмосфера Земли постоянно подвергается воздействию этих первичных космических лучей, причем столкновения порождают поток вторичных частиц, включая электроны, пионы, нейтрино и мюоны. Фактически, каждую минуту на каждый квадратный метр поверхности Земли выпадает до 10,000 200 мюонов этих вторичных космических лучей. Эти частицы обладают всеми теми же свойствами, что и электроны, но их масса примерно в XNUMX раз больше, а это означает, что они могут путешествовать через твердые структуры гораздо дальше, чем электроны.

Но что делает мюоны интересными в качестве зонда, так это то, что взаимодействия между мюонами и материалами, через которые они проходят, влияют на их поток: более плотные объекты отклоняют и поглощают больше мюонов, чем менее плотные структуры. Именно эта разница в потоках используется для изображения внутренней структуры вулканов с помощью метода, известного как «мюография». Этот термин был придуман еще в 2007 году Хироюки Танака из Токийского университета и его коллег, которые впервые продемонстрировали, что с помощью этой техники можно обнаружить пустоты и полости внутри вулкана (Планета Земля. наук. Летт. 263 1-2).

Также известный как мюонная томография, он использует детекторы для создания карты обратной плотности объекта, через который прошли мюоны. Пятна, в которых на датчики попадает больше мюонов, представляют собой менее плотные области структуры, тогда как меньшее количество мюонов выделяет более плотные части. Танака и его коллеги даже пытались прогнозировать извержения вулканов, используя мюографию в сочетании со сверточной нейронной сетью глубокого обучения искусственного интеллекта. В 2020 году они использовали эту технику для изучения одного из самых активных вулканов в мире — вулкана Сакурадзима на юге Японии (см. выше), который за последнее десятилетие извергался 7000 раз (Sci. По донесению 10 5272).

Рисование мюонами

Муография очень похожа на рентгенографию. Жак Марто, физик элементарных частиц в Институте физики двух бесконечностей (IP2I) в Лионе, Франция. «Он заменяет рентгеновские лучи, полученные при медицинской визуализации, другой частицей, а именно мюоном», — говорит он. «Мюография — это, по сути, процесс визуализации, который сканирует плотность объекта точно так же, как рентгеновское изображение».

Муография — это процесс визуализации, при котором плотность объекта сканируется точно так же, как рентгеновское изображение.

Для обнаружения мюонов можно использовать несколько различных устройств, большинство из которых были разработаны в рамках экспериментов по физике элементарных частиц, например, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Однако когда дело доходит до визуализации вулканов, наиболее часто используемые детекторы состоят из слоев сцинтилляторов. Когда мюоны проходят через детектор, каждый слой производит вспышку света, которую вместе можно использовать для восстановления траектории прибытия частиц. Детекторы расположены на нижних склонах вулкана и расположены под углом, позволяющим обнаруживать проходящие через него мюоны.

Но мюография использовалась не только для изображения внутренней структуры вулканов. Исследователи также использовали эту технику для обнаружения изменений плотности внутри вулканов, связанных с подъемом магмы, а также изменений формы магмы, гидротермальной активности и давления в полостях и каналах.

Вулканические пики

Джованни Маседонио, директор по исследованиям Национального института геофизики и вулканологии в Риме, Италия, объясняет, что существует три основных метода изучения и мониторинга вулканов. Один из них — использовать сейсмические данные. Другой вариант — измерение деформаций грунта с помощью спутников, а третий — анализ геохимии жидкостей в вулкане.

Мюография позволяет изучать гидродинамику, поскольку позволяет увидеть внутреннюю структуру верхней части вулкана, особенно у небольших вулканов. Это не только показывает путь, по которому шла магна во время прошлых извержений, но и позволяет моделировать потенциальную активность во время будущих извержений. Например, детали внутренней геометрии могут показать, где на конусе может произойти извержение и насколько мощным оно может быть.

Маседонио и его коллеги изучают с помощью мюографии вулкан Везувий в рамках исследовательского проекта, известного как MURAVES (MURAVES).Дж. Инст. 15 C03014). Печально известный разрушением римских городов Помпеи и Геркуланума, Везувий остается действующим вулканом и представляет собой опасное и мрачное явление, особенно потому, что поблизости живет так много людей. Во время последнего извержения в 1944 году часть кратера отбросилась от вулкана, но в кратере застыло некоторое количество плотной магмы.

Цель MURAVES — узнать о внутренней структуре вулкана после извержений в 19 и 20 веках, чтобы можно было смоделировать его будущее поведение. Поскольку вулканы представляют собой динамичную среду, их структура меняется, особенно во время извержений, что может повлиять на их поведение в будущем.

Маседонио также использует мюоны для изучения горы Стромболи, действующего вулкана на Эолийских островах, у северного побережья Сицилии. Изучение внутренней структуры как действующих, так и спящих вулканов может помочь нам понять поведение вулканов и объяснить, почему они вызывают небольшие или крупные извержения. «Внутренняя структура, геометрия каналов — важный параметр, определяющий динамику вулкана», — говорит Маседонио. Эту информацию о действующих вулканах можно затем использовать для моделирования и прогнозирования поведения других вулканов.

Что касается Марто, то он использовал мюографию для изучения вулкана Ла Суфриер на французском острове Бас-Тер в Карибском море. Относительно небольшой купол вулкана, объясняет Марто, может быть легко дестабилизирован такими явлениями, как землетрясения и движения магны. Это может привести к разгерметизации полостей, заполненных горячим паром под высоким давлением, что приведет к так называемому «фреатическому» извержению. Это извержения вулканов, в которых участвуют высокотемпературные жидкости и пары, а не магма.

Хотя такие извержения не так известны, как извержения магмы, они все же могут быть мощными и опасными. Например, в сентябре 2014 года юго-западная сторона вулкана Онтакэ в Японии изверглась без предупреждения, в результате чего погибло 63 человека, которые поднимались на гору (Земля Планеты Космос 68 72). Паровое извержение создало огромный шлейф высотой 11 километров.

В случае таких вулканов, как Ла-Суфриер, то, произойдет извержение или нет, зависит от механической структуры купола. «Вам нужна такая техника, как мюография, чтобы понять, какие и где находятся слабые места», — говорит Марто.

Мюографию также можно использовать для мониторинга динамики жидкостей в вулканах, таких как Ла Суфриер. Внутри многих вулканов, объясняет Марто, между различными полостями циркулирует много жидкости. Хотя жидкости могут быть жидкими, увеличение активности магмы и тепла в глубине вулкана могут превратить их в пар.

С помощью мюографии вы можете наблюдать эти изменения в динамике жидкости внутри купола. Например, если жидкости в одной полости превратятся в пар, плотность уменьшится, а поток мюонов увеличится.

Такое изменение – заполнение полости паром под давлением – может вызвать извержение. «Это то, за чем вы можете следить в режиме реального времени с помощью муографии, и это единственная техника, которая способна на это», — говорит Марто.

В 2019 году Марто и его коллеги продемонстрировали, что мюография в сочетании с сейсмо-шумовым мониторингом позволяет обнаружить резкие изменения гидротермальной активности в куполе вулкана Ла Суфриер (Sci. По донесению 9 3079).

Поток перед бурей

Танака, который был пионером в использовании мюонов для изображения вулканов, теперь нацелился на еще одну опасную природную угрозу: тропические циклоны. Достигая скорости более 120 километров в час, эти вращающиеся штормы наносят огромный материальный ущерб и ежегодно становятся причиной множества смертей. Они зарождаются над тропическими океанами и известны как ураганы, тайфуны или просто циклоны, в зависимости от того, в какой точке мира они возникают.

Циклоны возникают, когда воздух низкого давления нагревается над теплым тропическим океаном. Со временем это создает теплый влажный столб быстро поднимающегося воздуха; вызывая развитие депрессии низкого давления на поверхности океана. Это еще больше усиливает конвекционные потоки, что приводит к развитию мощной вращающейся штормовой системы, которая становится все сильнее и сильнее.

Эти тропические штормы в настоящее время прогнозируются, контролируются и отслеживаются с использованием спутников, радаров и других погодных данных. Через них можно даже пролетать усиленный самолет для сбора таких данных, как давление воздуха. Но ни один из этих методов не дает никаких подробностей о различиях в давлении и плотности воздуха в циклоне. Именно эти градиенты определяют конвекционные потоки и скорость ветра.

На острове Кюсю – самом южном из пяти главных островов Японии и горячей точке циклонов – Танака и его команда сейчас исследуют, как изменение потока мюонов может показать разницу в плотности воздуха и давлении в циклоне, предоставляя информацию о скорости ветра и шторме. сила. По словам Танаки, их сеть сцинтилляционных детекторов на острове Кюсю может отображать штормы на расстоянии до 150 километров. Это возможно, потому что, хотя некоторые космические лучи входят в атмосферу вертикально, другие падают гораздо более горизонтально, создавая мюоны, которые летят к Земле под очень малыми углами и могут преодолевать расстояние до 300 км, прежде чем упасть на землю.

Более плотный воздух поглощает больше мюонов, поэтому их поток является мерой плотности – и, следовательно, давления и температуры – воздуха в нескольких точках циклона. В результате команда Танаки может создать изображение градиентов температуры и давления внутри циклона. «[Используя эту технику] мы можем измерить горизонтальную и вертикальную скорость ветра внутри циклона», — говорит Танака, чья команда использовала мюографию для наблюдения за восемью циклонами, приближающимися к городу Кагосима. На полученных изображениях запечатлены теплые ядра циклонов с низким давлением, окруженные более плотным и холодным воздухом с высоким давлением (Sci. По донесению 12 16710).

Танака надеется, что, используя больше мюонных детекторов, можно будет создавать более подробные трехмерные изображения энергетических структур внутри циклонов. «Я ожидаю, что с помощью мюографии мы сможем предсказать, насколько сильным будет циклон и сколько дождя он принесет на землю», — говорит Танака. «Вероятно, это можно использовать для систем раннего предупреждения».

Изменение приливов

Танака также использовал мюографию для измерения еще одной опасности, связанной с циклонами: метеоцунами. За исключением метеорологических цунами, они возникают в закрытых или полузакрытых водоемах, таких как заливы и озера. В отличие от цунами, которые являются результатом сейсмической активности, они вызваны резкими изменениями атмосферного давления или ветрами, например, вызванными циклонами и погодными фронтами.

Экстремальные водные колебания метеоцунами могут длиться от нескольких минут до нескольких часов и могут нанести значительный ущерб. Например, 75 человек получили ранения 4 июля 1992 года, когда метеоцунами обрушилось на Дейтона-Бич в восточной Флориде в США (Нат. Опасности 74 1-9). Волны, достигающие трехметровой высоты, метеоцунами были вызваны линией шквалов – быстродвижущейся системой гроз.

Гиперкилометрический подводный глубинный детектор Токийского залива (TS-HKMSDD) представляет собой линейку мюонных детекторов, установленных в автодорожном туннеле длиной девять километров под Токийским заливом. Датчики измеряют мюоны, проходящие через воду наверху.

В сентябре 2021 года циклон прошел через Тихий океан примерно в 400 км к югу от Токийского залива. Когда шторм прошел, через Токийский залив прошла большая волна, и количество мюонов, обнаруженных TS-HKMSDD, колебалось. Дополнительный объем воды привел к рассеянию и распаду большего количества мюонов, и их количество, достигающее детекторов, упало. Когда команда проверила свои мюонные данные, они обнаружили, что они близко соответствуют измерениям приливомера (Sci. По донесению 12 6097).

Для измерения волнения детекторам не обязательно находиться в туннеле под водоемом. «Мы можем обнаружить любое место, где есть подземное пространство недалеко от берега моря», — объясняет он. Это могут быть автомобильные туннели и туннели метро возле береговой линии, а также другие подземные пространства, такие как парковки и коммерческие подвалы.

Как и в случае с циклонами, обнаружение метеоцунами будет зависеть от детекторов, обнаруживающих мюоны, путешествующие под небольшими углами через атмосферу, а затем через воду и береговую линию. По словам Танаки, такие установки могут измерять уровень воды на расстоянии примерно трех-пяти километров от берега. «Мы не хотим знать, когда наступит [метеоцунами]», — говорит он. «Мы хотим знать это до того, как он достигнет земли».

Танака считает, что такие системы также можно использовать для измерения уровней приливов и создания плотной сети мониторинга приливов. В конце концов, у мюонных детекторов есть одно большое преимущество перед механическими уровнемерами: они не контактируют с водой. Это делает их более надежными, поскольку они не изнашиваются со временем и не могут быть повреждены сильными ураганами. Фактически, TS-HKMSDD в туннеле Aqua-Line в Токийском заливе непрерывно проводил измерения в течение года, не пропуская ни единой секунды данных. Кто бы мог подумать, что скромный мюон сможет так много сделать, чтобы подготовить нас к стихийным бедствиям?

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/