Toprak, rüzgar ve su: kozmik müonlar volkanları, siklonları ve daha fazlasını incelemeye nasıl yardımcı oluyor?

Bilim adamları ve mühendisler, volkanlar gibi doğal afetlerin neden olduğu can ve mal hasarını azaltmak için her zaman daha iyi erken uyarı sistemleri kurmaya çalışıyorlar. Araştırmacıların giderek daha fazla yöneldiği bir teknik, birçok yönden, cennetten gönderilmiş. Müonların kullanılmasını içerir: kozmik ışınlar - çoğunlukla süpernova gibi olaylardan kaynaklanan yüksek enerjili protonlar - atmosferimizin 15-20 kilometre yukarısındaki atomlarla çarpıştığında üretilen atom altı parçacıklar.

Dünya atmosferinin, elektronlar, pionlar, nötrinolar ve müonlar da dahil olmak üzere bir ikincil parçacık yağmuru üreten çarpışmalarla birlikte, bu birincil kozmik ışınlar tarafından sürekli olarak çarptığını biliyoruz. Aslında, bu ikincil kozmik ışınlardan 10,000 kadar müon, Dünya yüzeyinin her metrekaresine her dakika yağar. Bu parçacıklar, elektronlarla aynı özelliklere sahiptir, ancak kütlelerinin yaklaşık 200 katıdır, bu da katı yapılarda elektronlardan çok daha uzağa gidebilecekleri anlamına gelir.

Ancak müonları bir sonda olarak ilginç kılan şey, müonlar ve içinden geçtikleri malzemeler arasındaki etkileşimlerin akışlarını etkilemesidir; daha yoğun nesneler, daha az yoğun yapıların yapabileceğinden daha fazla müonu saptırır ve soğurur. "Muografi" olarak bilinen bir teknikte volkanların iç yapısını görüntülemek için kullanılan akıdaki bu farktır. Terim, 2007'de tarafından icat edildi. Hiroyuki Tanaka Volkan içindeki boşlukların ve oyukların teknikle tespit edilebildiğine dair ilk gösteriyi sağlayan Tokyo Üniversitesi ve meslektaşlarında (Dünya gezegeni. Sci. Lett. 263 1-2).

Müon tomografisi olarak da bilinen bu yöntem, müonların içinden geçtiği nesnenin ters yoğunluk haritasını çıkarmak için detektörler kullanır. Daha fazla müonun sensörlere çarptığı noktalar, yapının daha az yoğun alanlarını temsil ederken, daha az müon daha yoğun kısımları vurgular. Tanaka ve meslektaşları, bir AI derin öğrenme evrişimli sinir ağı ile birleştirilmiş muografi kullanarak volkanik patlamaları tahmin etmeye bile çalıştılar. 2020'de bu tekniği, dünyanın en aktif yanardağlarından biri olan, son on yılda 7000 kez patlayan güney Japonya'daki Sakurajima yanardağını (yukarıya bakın) incelemek için kullandılar (Sci. Cum. 10 5272).

müonlarla çizim

Muografi, radyografiye çok benzer. Jacques Marteau, Lyon, Fransa'daki 2 Sonsuzluk Fiziği Enstitüsü'nde (IP2I) bir parçacık fizikçisi. "Tıbbi görüntülemeden gelen X-ışınlarını başka bir parçacıkla, yani müonla değiştiriyor" diyor. "Muografi, temel olarak bir nesnenin yoğunluğunu X-ışını görüntülemesiyle tamamen aynı şekilde tarayan bir görüntüleme işlemidir."

Muografi, bir nesnenin yoğunluğunu X-ışını görüntülemesiyle tamamen aynı şekilde tarayan bir görüntüleme işlemidir.

Çoğu, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi parçacık fiziği deneylerinin bir parçası olarak geliştirilen müonları saptamak için birkaç farklı cihaz kullanılabilir. Bununla birlikte, yanardağların görüntülenmesi söz konusu olduğunda, en yaygın kullanılan dedektörler sintilatör katmanlarından oluşur. Müonlar dedektörden geçerken, her katman, parçacıkların gelen yörüngesini yeniden oluşturmak için birlikte kullanılabilen bir ışık parlaması üretir. Dedektörler yanardağın alt yamaçlarına yerleştirilmiştir ve içinden geçen müonları algılamak için açılıdır.

Ancak muografi yalnızca volkanların iç yapısını görüntülemek için kullanılmadı. Araştırmacılar ayrıca, yükselen magmaya bağlı volkanlardaki yoğunluk değişikliklerini ve ayrıca magma şekli, hidrotermal aktivite ve boşluklar ve kanallardaki basınçtaki değişiklikleri tespit etmek için tekniği kullandılar.

Volkanik bakışlar

Giovanni Makedonyaİtalya, Roma'daki Ulusal Jeofizik ve Volkanoloji Enstitüsü'nün araştırma direktörü, volkanları incelemek ve izlemek için üç ana teknik olduğunu açıklıyor. Biri sismik verileri kullanmaktır. Bir diğeri, uydularla zemin deformasyonlarını ölçmek, üçüncüsü ise yanardağdaki sıvıların jeokimyasını analiz etmeyi içeriyor.

Muografi, özellikle küçük volkanlarda olmak üzere volkanın üst kısmının iç yapısını görmenizi sağladığı için akışkan dinamiklerini incelemeyi mümkün kılar. Bu sadece magnanın geçmiş patlamalarda izlediği yolu ortaya çıkarmakla kalmıyor, aynı zamanda gelecekteki patlamalar sırasında potansiyel aktiviteyi modellemeyi de mümkün kılıyor. Örneğin, iç geometrinin ayrıntıları, koninin neresinde bir püskürmenin meydana gelebileceğini ve bunun ne kadar güçlü olabileceğini gösterebilir.

Macedonio ve meslektaşları, MURAVES olarak bilinen bir araştırma projesinin parçası olarak Vezüv Yanardağı'nı incelemek için muografi kullanarak çalışıyorlar (J. Enst. 15 C03014). Roma şehirleri Pompeii ve Herculaneum'u yok etmesiyle kötü bir üne sahip olan Vezüv, aktif bir yanardağ olmaya devam ediyor ve özellikle yakınlarda çok sayıda insan yaşadığı için tehlikeli, ürkütücü bir varlık. 1944'teki son patlama sırasında, kraterin bir kısmı yanardağdan atıldı, ancak kraterde bir miktar yoğun magma katılaştı.

MURAVES'in amacı, 19. ve 20. yüzyıllardaki patlamalardan sonra yanardağın iç yapısını öğrenmek ve böylece gelecekteki davranışının modellenebilmesidir. Volkanlar dinamik ortamlar olduğundan, özellikle patlamalar sırasında yapıları değişir ve bu da gelecekte nasıl davranacaklarını etkileyebilir.

Macedonio, Sicilya'nın kuzey kıyısındaki Aeolian Adaları'ndaki aktif bir yanardağ olan Stromboli Dağı'nı incelemek için de müonları kullanıyor. Hem aktif hem de sönmüş volkanların iç yapılarını incelemek, volkanik davranışı anlamamıza ve neden küçük veya büyük patlamalar ürettiklerini açıklamamıza yardımcı olabilir. Macedonio, "Kanalların iç yapısı, geometrisi, yanardağın dinamiklerini belirleyen önemli bir parametredir" diyor. Aktif volkanlardan gelen bu bilgiler daha sonra diğer volkanların nasıl davranabileceğini modellemeye ve tahmin etmeye yardımcı olmak için kullanılabilir.

Marteau'ya gelince, Karayipler'deki Fransız Basse-Terre adasındaki La Soufrière yanardağını incelemek için muografi kullanıyor. Marteau, volkanın nispeten küçük kubbesinin depremler ve magna hareketleri gibi faaliyetlerle kolayca istikrarsız hale getirilebileceğini açıklıyor. Bu, sıcak, yüksek basınçlı buharla dolu boşlukların basıncını düşürebilir ve "freatik" patlama olarak bilinen duruma yol açabilir. Bunlar, magmadan ziyade yüksek sıcaklıktaki sıvıları ve buharları içeren volkanik patlamalardır.

Bu tür patlamalar, magma içerenler kadar iyi bilinmese de, yine de güçlü ve tehlikeli olabilirler. Örneğin, Eylül 2014'te Japonya'daki Ontake yanardağının güneybatı tarafı çok az uyarı vererek patladı ve dağda yürüyüş yapan 63 kişi öldü (Dünya Gezegenler Uzay 68 72). Buhar patlaması, 11 kilometre yüksekliğinde muazzam bir duman oluşturdu.

La Soufrière gibi volkanlar söz konusu olduğunda, bir patlamanın olup olmayacağını belirleyen şey, kubbenin mekanik yapısıdır. Marteau, "Zayıf noktaların ne ve nerede olduğunu anlamak için muografi gibi bir tekniğe ihtiyacınız var" diyor.

Muografi, La Soufrière gibi volkanlardaki sıvıların dinamiklerini izlemek için de kullanılabilir. Marteau, birçok volkanın içinde, farklı boşluklar arasında dolaşan çok miktarda sıvı olduğunu açıklıyor. Akışkanlar sıvı olabilirken, volkanın derinliklerindeki magma aktivitesi ve ısıdaki artışlar onları buhara dönüştürebilir.

Muografi ile kubbe içindeki akışkan dinamiklerindeki bu değişiklikleri gözlemleyebilirsiniz. Örneğin, bir boşluktaki sıvılar buhara dönüşürse, yoğunlukta bir azalma ve müon akışında bir artış olacaktır.

Böyle bir değişiklik - bir boşluğun basınç altında buharla doldurulması - bir patlamaya neden olabilecek bir şeydir. Marteau, "Bu, muografi ile gerçek zamanlı olarak takip edebileceğiniz bir şey ve bunu yapabilen tek teknik bu" diyor.

2019'da Marteau ve meslektaşları, muografinin sismik gürültü izlemeyle birlikte La Soufrière yanardağının kubbesindeki hidrotermal aktivitedeki ani değişiklikleri tespit edebildiğini gösterdi (Sci. Cum. 9 3079).

Fırtına öncesi akıntı

Volkanları görüntülemek için müonların kullanılmasına öncülük eden Tanaka, şimdi gözünü başka bir tehlikeli doğal afete dikti: tropikal siklonlar. Saatte 120 kilometreyi aşan hızlara ulaşan bu dönen fırtınalar, büyük miktarda mal hasarına neden oluyor ve her yıl çok sayıda ölüme neden oluyor. Tropikal okyanuslardan kaynaklanırlar ve dünyanın neresinde meydana geldiklerine bağlı olarak kasırgalar, tayfunlar veya kısaca siklonlar olarak bilinirler.

Siklonlar, ılık tropik okyanus üzerinde düşük basınçlı hava ısıtıldığında gelişir. Zamanla bu, hızla yükselen sıcak, nemli bir hava sütunu oluşturur; okyanus yüzeyinde düşük basınçlı bir çöküntü oluşmasına neden olur. Bu, konveksiyon akımlarını daha da güçlendirerek, gittikçe güçlenen güçlü bir dönen fırtına sisteminin gelişmesine yol açar.

Bu tropik fırtınalar şu anda uydular, radar ve diğer hava durumu verileri kullanılarak tahmin ediliyor, izleniyor ve izleniyor. Güçlendirilmiş uçak, hava basıncı gibi verileri toplamak için bunların içinden bile geçirilebilir. Ancak bu tekniklerin hiçbiri, siklondaki hava basıncı ve yoğunluğundaki farklılıklar hakkında herhangi bir ayrıntı sağlamaz. Konveksiyon akımlarını ve rüzgar hızını yönlendiren bu eğimlerdir.

Japonya'nın beş ana adasının en güneyi ve siklonlar için sıcak bir nokta olan Kyushu Adası'nda Tanaka ve ekibi şimdi müon akışındaki değişikliğin siklondaki hava yoğunluğu ve basıncındaki farklılıkları nasıl gösterebileceğini araştırıyor ve rüzgar hızı ve fırtına hakkında bilgi sağlıyor. kuvvet. Tanaka'ya göre, Kyushu Adası'ndaki sintilatör dedektör ağları, yaklaşık 150 kilometre uzaktaki fırtınaları görüntüleyebiliyor. Bu mümkün çünkü bazı kozmik ışınlar atmosfere dikey olarak girerken, diğerleri çok daha yatay olarak çarparak Dünya'ya çok sığ açılarla uçan ve yere çarpmadan önce 300 km kadar yol alabilen müonlar yaratıyor.

Daha yoğun hava daha fazla müon emer, bu nedenle akışları, bir siklon boyunca birçok noktada havanın yoğunluğunun - ve dolayısıyla basıncının ve sıcaklığının - bir ölçüsünü sağlar. Sonuç olarak Tanaka'nın ekibi, siklonun içindeki sıcaklık ve basınç değişimlerinin bir görüntüsünü oluşturabiliyor. Ekibi Kagoshima şehrine yaklaşan sekiz siklonu gözlemlemek için muografi kullanan Tanaka, "[Bu tekniği kullanarak] siklonun içindeki rüzgarın yatay ve dikey hızını ölçebiliriz" diyor. Ortaya çıkan görüntüler, siklonların daha yoğun, daha soğuk, yüksek basınçlı havayla çevrili sıcak düşük basınçlı çekirdeklerini yakaladı (Sci. Cum. 12 16710).

Tanaka, daha fazla muon dedektörü kullanarak siklonların içindeki enerji yapılarının daha ayrıntılı 3 boyutlu görüntülerini oluşturmanın mümkün olacağını umuyor. Tanaka, "Muografi ile bir siklonun ne kadar güçlü olacağını ve yere ne kadar yağmur getireceğini tahmin edebileceğimizi tahmin ediyorum" diyor. "Bu muhtemelen erken uyarı sistemleri için kullanılabilecek bir şey."

Gelgitleri değiştirme

Tanaka ayrıca siklonlarla bağlantılı başka bir tehlikeyi ölçmek için muografi kullanıyor: meteotsunamiler. Meteorolojik tsunamilerin kısaltması, koylar ve göller gibi kapalı veya yarı kapalı su kütlelerinde meydana gelirler. Sismik aktivitenin sonucu olan tsunamilerden farklı olarak, siklonlar ve hava cephelerinin neden olduğu gibi, atmosfer basıncındaki veya rüzgarlardaki ani değişikliklerden kaynaklanırlar.

Meteotsunamilerin aşırı su salınımları birkaç dakikadan birkaç saate kadar sürebilir ve önemli hasara neden olabilir. Örneğin, 75 Temmuz 4'de ABD'de Florida'nın doğusundaki Daytona Sahili'ne bir meteotsunami çarptığında 1992 kişi yaralandı (Nat. Tehlikeler 74 1-9). Üç metre yüksekliğe ulaşan dalgalarla meteotsunamiye, hızlı hareket eden bir gök gürültülü fırtına sistemi olan bir fırtına hattı neden oldu.

Tokyo-Bay Deniz Tabanı Hiper-Kilometrik Denizaltı Derin Dedektörü (TS-HKMSDD), Tokyo Körfezi'nin altında dokuz kilometre uzunluğundaki bir karayolu tüneline yerleştirilmiş bir dizi müon dedektörüdür. Sensörler, yukarıdaki sudan geçen müonları ölçer.

Eylül 2021'de bir kasırga, Pasifik'te Tokyo Körfezi'nin yaklaşık 400 km güneyinde seyahat etti. Fırtına geçerken, Tokyo Körfezi'nden büyük bir dalga geçti ve TS-HKMSDD tarafından tespit edilen müonların sayısı dalgalandı. Ekstra su hacmi, daha fazla müonun dağılmasına ve bozunmasına neden oldu ve dedektörlere ulaşan sayı düştü. Ekip müon verilerini kontrol ettiğinde, bunun gelgit ölçerden alınan ölçümlerle yakından eşleştiğini gördüler (Sci. Cum. 12 6097).

Şişmeleri ölçmek için dedektörlerin su kütlesinin altında bir tünelde olması gerekmez. "Deniz kıyısına yakın bir yer altı alanı olan her yeri tespit edebiliyoruz" diye açıklıyor. Bu, kıyı şeridine yakın yol ve metro tünellerini ve otoparklar ve ticari bodrum katları gibi diğer yer altı alanlarını içerebilir.

Siklonlarda olduğu gibi, meteotsunamilerin tespit edilmesi, müonların atmosfer boyunca ve ardından su ve kıyı şeridi boyunca sığ açılarda hareket ettiğini algılayan dedektörlere dayanacaktır. Tanaka'ya göre, bu tür kurulumlar kıyıdan yaklaşık üç ila beş kilometreye kadar olan su seviyelerini ölçebilir. “[Meteotsunaminin] geldiği anı bilmek istemiyoruz” diyor. "Karaya çarpmadan önce bilmek istiyoruz."

Tanaka, bu tür sistemlerin gelgit seviyelerini ölçmek ve yoğun bir gelgit izleme ağı oluşturmak için de kullanılabileceğine inanıyor. Ne de olsa müon dedektörlerinin mekanik gelgit ölçerlere göre büyük bir avantajı var: suyla temas halinde değiller. Bu onları daha güvenilir kılar çünkü zamanla yıpranmazlar ve büyük fırtınalardan zarar görmezler. Aslında, Tokyo Körfezi Aqua-Line tünelindeki TS-HKMSDD, bir saniye bile kayıp veri olmadan bir yıl boyunca sürekli olarak ölçüm yaptı. Mütevazı müonun bizi doğal afetlere karşı bu kadar çok hazırlayabileceği kimin aklına gelirdi?

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. Otomotiv / EV'ler, karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• Blok Ofsetleri. Çevre Dengeleme Sahipliğini Modernleştirme. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/