Земля, вітер і вода: як космічні мюони допомагають вивчати вулкани, циклони тощо – Physics World

Вчені та інженери постійно намагаються створювати кращі системи раннього попередження, щоб зменшити шкоду, завдану життям і майну внаслідок стихійних лих, таких як вулкани. Одна з технік, до якої все частіше звертаються дослідники, багато в чому є небесною. Він передбачає використання мюонів: субатомних частинок, які утворюються, коли космічні промені – переважно протони високої енергії, що походять від таких подій, як наднові – стикаються з атомами на висоті 15–20 кілометрів у нашій атмосфері.

Ми знаємо, що на земну атмосферу постійно потрапляють ці первинні космічні промені, при цьому зіткнення викликають дощ вторинних частинок, включаючи електрони, піони, нейтрино та мюони. Насправді 10,000 200 мюонів від цих вторинних космічних променів випадають на кожен квадратний метр поверхні Землі щохвилини. Ці частинки мають ті самі властивості, що й електрони, але приблизно в XNUMX разів більші за масу, що означає, що вони можуть подорожувати крізь тверді структури набагато далі, ніж електрони.

Але що робить мюони цікавими як зонд, так це те, що взаємодія між мюонами та матеріалами, через які вони проходять, впливає на їхній потік, при цьому більш щільні об’єкти відхиляють і поглинають більше мюонів, ніж менш щільні структури. Саме ця різниця у потоках використовується для зображення внутрішньої структури вулканів у техніці, відомій як «муографія». Термін був введений ще в 2007 році Хіроюкі Танака в Токійському університеті та його колегам, які вперше продемонстрували, що порожнечі та порожнини у вулкані можна виявити за допомогою цієї техніки (Планета Земля. наук. Lett. 263 1-2).

Також відома як мюонна томографія, вона використовує детектори для створення карти зворотної щільності об’єкта, через який пройшли мюони. Плями, де більше мюонів потрапляє на датчики, представляють менш щільні ділянки структури, тоді як менша кількість мюонів виділяє щільніші частини. Танака та його колеги навіть намагалися спрогнозувати виверження вулканів за допомогою муографії в поєднанні зі згортковою нейронною мережею глибокого навчання ШІ. У 2020 році вони використали цю техніку для вивчення одного з найактивніших вулканів у світі – вулкана Сакураджіма на півдні Японії (див. вище), який за останнє десятиліття вивергався 7000 разів (Sci. Rep. 10 5272).

Малювання мюонами

Муографія дуже схожа на рентгенографію, згідно Жак Марто, фізик елементарних частинок в Інституті фізики двох нескінченностей (IP2I) у Ліоні, Франція. «Він замінює рентгенівське випромінювання з медичної візуалізації іншою частинкою, а саме мюоном», — каже він. «Муографія — це, по суті, процес візуалізації, який сканує щільність об’єкта точно так само, як рентгенівське зображення».

Муографія — це процес візуалізації, який сканує щільність об’єкта точно так само, як рентгенівське зображення

Кілька різних пристроїв можна використовувати для виявлення мюонів, більшість з яких були розроблені в рамках експериментів з фізики елементарних частинок, наприклад, на Великому адронному колайдері в CERN. Однак, коли справа доходить до отримання зображень вулканів, найчастіше використовувані детектори складаються з шарів сцинтиляторів. Коли мюони проходять через детектор, кожен шар створює спалах світла, який разом можна використовувати для реконструкції вхідної траєкторії частинок. Детектори розміщені на нижніх схилах вулкана під кутом для виявлення мюонів, які проходять через нього.

Але муографію використовували не лише для зображення внутрішньої структури вулканів. Дослідники також використовували цю техніку, щоб виявити зміни щільності всередині вулканів, пов’язані з магмою, що піднімається, а також зміни форми магми, гідротермальної активності та тиску в порожнинах і каналах.

Вулканічні погляди

Джованні Македоніо, керівник досліджень Національного інституту геофізики та вулканології в Римі, Італія, пояснює, що існують три основні методи вивчення та моніторингу вулканів. Один з них – використання сейсмічних даних. Інший – вимірювати деформації землі за допомогою супутників, а третій – аналізувати геохімію рідин у вулкані.

Муографія дає змогу вивчати динаміку рідини, оскільки дозволяє побачити внутрішню структуру верхньої частини вулкана, особливо в менших вулканах. Це не тільки розкриває шлях, яким магна йшла під час минулих вивержень, але й дає змогу моделювати потенційну активність під час майбутніх вивержень. Деталі внутрішньої геометрії, наприклад, можуть показати, де на конусі може статися виверження і наскільки воно може бути потужним.

Македоніо та його колеги вивчають Везувій за допомогою муографії в рамках дослідницького проекту, відомого як MURAVES (J. In-t. 15 C03014). Сумно відомий тим, що знищив римські міста Помпеї та Геркуланум, Везувій залишається діючим вулканом і є небезпечною, задумливою присутністю, особливо тому, що поруч живе так багато людей. Під час останнього виверження в 1944 році частина кратера була викинута з вулкана, але трохи щільної магми затверділо в кратері.

MURAVES прагне дізнатися про внутрішню структуру вулкана після вивержень у 19-му та 20-му століттях, щоб можна було змоделювати його поведінку в майбутньому. Оскільки вулкани є динамічним середовищем, їхня структура змінюється, особливо під час вивержень, що може вплинути на їхню поведінку в майбутньому.

Македоніо також використовує мюони для вивчення гори Стромболі, активного вулкана на Еолійських островах біля північного узбережжя Сицилії. Вивчення внутрішньої структури активних і сплячих вулканів може допомогти нам зрозуміти поведінку вулканів і пояснити, чому вони викликають малі або великі виверження. «Внутрішня структура, геометрія каналів, є важливим параметром, який визначає динаміку вулкана», — каже Македоніо. Цю інформацію з активних вулканів потім можна використовувати для моделювання та прогнозування поведінки інших вулканів.

Що стосується Марто, то він використовував муографію для вивчення вулкана Ла-Суфрієр на французькому острові Бас-Тер у Карибському морі. Відносно невеликий купол вулкана, пояснює Марто, може бути легко дестабілізований такими діями, як землетруси та рух магни. Це може знизити тиск у порожнинах, заповнених гарячою парою під високим тиском, що призведе до так званого «фреатичного» виверження. Це вулканічні виверження, які включають високотемпературні рідини та пари, а не магму.

Хоча такі виверження не так добре відомі, як виверження за участю магми, вони все одно можуть бути потужними та небезпечними. Наприклад, у вересні 2014 року на південному заході вулкана Онтаке в Японії сталося виверження без попередження, убивши 63 людини, які йшли на гору (Земля Планети Космос 68 72). Виверження пари створило величезний шлейф заввишки 11 кілометрів.

У випадку таких вулканів, як Ла-Суфріер, те, чи відбудеться виверження, залежить від механічної структури купола. «Вам потрібна така техніка, як муографія, щоб зрозуміти, що і де слабкі місця», — каже Марто.

Муографію також можна використовувати для моніторингу динаміки рідин у таких вулканах, як Ла-Суфрієр. Усередині багатьох вулканів, пояснює Марто, між різними порожнинами циркулює багато рідини. Хоча рідини можуть бути рідкими, підвищення активності магми та тепла в глибині вулкана може перетворити їх на пару.

За допомогою муографії можна спостерігати ці зміни в динаміці рідини в куполі. Наприклад, якщо рідини в одній порожнині перетворюються на пару, щільність зменшиться, а потік мюонів збільшиться.

Така зміна – заповнення порожнини парою під тиском – може спричинити виверження. «Це те, за чим можна стежити в режимі реального часу за допомогою муографії, і це єдина техніка, яка здатна це зробити», — каже Марто.

У 2019 році Марто та його колеги продемонстрували, що муографія в поєднанні з моніторингом сейсмічного шуму може виявити різкі зміни гідротермальної активності в куполі вулкана Ла-Суфрієр (Sci. Rep. 9 3079).

Потік перед бурею

Танака, який був піонером у використанні мюонів для зображення вулканів, тепер націлився на іншу небезпечну природну небезпеку: тропічні циклони. Досягаючи швидкості понад 120 кілометрів на годину, ці обертові шторми завдають величезної шкоди майну та щороку спричиняють багато смертей. Вони виникають над тропічними океанами і відомі як урагани, тайфуни або, просто, циклони, залежно від того, де вони відбуваються.

Циклони виникають, коли повітря низького тиску нагрівається над теплим тропічним океаном. З часом це створює теплий вологий стовп повітря, що швидко піднімається вгору; викликаючи розвиток депресії низького тиску на поверхні океану. Це ще більше посилює конвекційні потоки, що призводить до розвитку потужної обертової штормової системи, яка стає все сильнішою.

Зараз ці тропічні шторми прогнозуються, контролюються та відстежуються за допомогою супутників, радарів та інших даних про погоду. Посилені літальні апарати навіть можуть пролетіти через них для збору даних, наприклад тиску повітря. Але жодна з цих методик не дає жодних деталей про різницю в тиску та щільності повітря в межах циклону. Саме ці градієнти керують конвекційними потоками та швидкістю вітру.

На острові Кюсю – найпівденнішому з п’яти основних островів Японії та гарячій точці циклонів – Танака та його команда зараз досліджують, як зміна потоку мюонів може показати різницю в щільності повітря та тиску в циклоні, надаючи інформацію про швидкість вітру та шторм. сила. За словами Танаки, їх мережа сцинтиляторних детекторів на острові Кюсю може знімати шторми на відстані до 150 кілометрів. Це можливо тому, що в той час як деякі космічні промені потрапляють в атмосферу вертикально, інші потрапляють набагато більш горизонтально, створюючи мюони, які летять до Землі під дуже невеликими кутами і можуть подолати 300 км, перш ніж вдаритися об землю.

Щільніше повітря поглинає більше мюонів, тому їх потік є мірою щільності, а отже, тиску та температури повітря в багатьох точках циклону. У результаті команда Танаки може створити зображення градієнтів температури та тиску всередині циклону. «[За допомогою цієї техніки] ми можемо виміряти горизонтальну та вертикальну швидкість вітру всередині циклону», — говорить Танака, чия команда використовувала муографію для спостереження за вісьмома циклонами, що наближаються до міста Кагосіма. Отримані зображення зафіксували теплі ядра циклонів із низьким тиском, оточені більш щільним, холоднішим повітрям із високим тиском (Sci. Rep. 12 16710).

Використовуючи більше мюонних детекторів, Танака сподівається, що можна буде створити більш детальні 3D-зображення енергетичних структур всередині циклонів. «Я передбачаю, що за допомогою муографії ми зможемо передбачити, наскільки сильним буде циклон і скільки дощу він принесе на землю», — каже Танака. «Ймовірно, це те, що можна використовувати для систем раннього попередження».

Зміна припливів

Танака також використовував муографію для вимірювання іншої небезпеки, пов’язаної з циклонами: метеоцунамі. Скорочення від метеорологічних цунамі, вони виникають у закритих або напівзакритих водоймах, таких як затоки та озера. На відміну від цунамі, які є результатом сейсмічної активності, вони спричинені різкими змінами атмосферного тиску або вітрами, такими як циклони та погодні фронти.

Екстремальні коливання води внаслідок метеоцунамі можуть тривати від кількох хвилин до кількох годин і завдати значної шкоди. Наприклад, 75 липня 4 року, коли метеоцунамі обрушилося на Дейтона-Біч у східній Флориді в США, 1992 людей отримали поранення (Нац. Небезпеки 74 1-9). Висота хвиль сягала трьох метрів, метеоцунамі було викликано лінією шквалу – швидкоплинною системою гроз.

Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector Tokyo-Bay Seafloor (TS-HKMSDD) — це лінія мюонних детекторів, встановлених у дев’ятикілометровому автомобільному тунелі під Токійською затокою. Датчики вимірюють мюони, що проходять крізь воду.

У вересні 2021 року циклон пройшов через Тихий океан приблизно в 400 км на південь від Токійської затоки. У міру того, як шторм пройшов, через Токійську затоку поширилася велика хвиля, і кількість мюонів, виявлених TS-HKMSDD, коливалася. Додатковий об’єм води спричинив розсіювання та розпад мюонів, і число, що досягає детекторів, зменшилося. Коли команда перевірила свої мюонні дані, вони виявили, що вони дуже збігаються з вимірюваннями мареографа (Sci. Rep. 12 6097).

Для вимірювання хвилі детекторам не потрібно знаходитися в тунелі під водоймою. «Ми можемо виявити будь-де, де є підземний простір біля берега моря», — пояснює він. Це може включати дорожні тунелі та тунелі метро поблизу берегової лінії та інші підземні простори, такі як автостоянки та комерційні підвали.

Як і у випадку з циклонами, виявлення метеоцунамі покладатиметься на детектори, які виявлятимуть мюони, що рухаються під невеликими кутами через атмосферу, а потім через воду та берегову лінію. За словами Танаки, такі установки можуть вимірювати рівень води приблизно до трьох-п’яти кілометрів від берега. «Ми не хочемо знати момент [метеоцунамі], — каже він. «Ми хочемо знати, перш ніж він впаде на землю».

Танака вважає, що такі системи також можна використовувати для вимірювання рівня припливів і створення щільної мережі моніторингу припливів. Зрештою, мюонні детектори мають одну велику перевагу перед механічними мареографами: вони не контактують з водою. Це робить їх більш надійними, оскільки вони не зношуються з часом і не можуть бути пошкоджені сильними штормами. Насправді TS-HKMSDD у тунелі Aqua-Line у ​​Токійській затоці безперервно вимірювався протягом року, не пропускаючи жодної секунди. Хто б міг подумати, що скромний мюон може зробити так багато, щоб підготувати нас до стихійних лих?

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/