Trái đất, gió và nước: các muon vũ trụ đang giúp nghiên cứu núi lửa, lốc xoáy và hơn thế nữa như thế nào – Physics World

Các nhà khoa học và kỹ sư luôn cố gắng xây dựng các hệ thống cảnh báo sớm tốt hơn để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do thiên tai như núi lửa gây ra. Theo nhiều cách, một kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu đang ngày càng chuyển sang sử dụng là do trời ban cho. Nó liên quan đến việc sử dụng muon: các hạt hạ nguyên tử được tạo ra khi các tia vũ trụ – chủ yếu là các proton năng lượng cao bắt nguồn từ các sự kiện như siêu tân tinh – va chạm với các nguyên tử ở độ cao 15–20 km trong bầu khí quyển của chúng ta.

Chúng ta biết rằng bầu khí quyển của Trái đất liên tục bị các tia vũ trụ sơ cấp này va chạm, với các vụ va chạm tạo ra một trận mưa hạt thứ cấp, bao gồm electron, pion, neutrino và muon. Trên thực tế, có tới 10,000 muon từ các tia vũ trụ thứ cấp này rơi xuống mỗi mét vuông bề mặt Trái đất mỗi phút. Những hạt này có tất cả các tính chất giống như electron nhưng khối lượng gấp khoảng 200 lần, có nghĩa là chúng có thể di chuyển xa hơn nhiều trong các cấu trúc rắn so với electron.

Nhưng điều làm cho muon trở nên thú vị với tư cách là một tàu thăm dò là sự tương tác giữa các muon và vật liệu mà chúng đi qua ảnh hưởng đến dòng chảy của chúng, với các vật thể dày đặc hơn làm lệch hướng và hấp thụ nhiều muon hơn so với các cấu trúc ít dày đặc hơn. Chính sự khác biệt về dòng chảy này đang được sử dụng để chụp ảnh cấu trúc bên trong của núi lửa trong một kỹ thuật được gọi là “muography”. Thuật ngữ này được đặt ra vào năm 2007 bởi Hiroyuki Tanaka tại Đại học Tokyo và các đồng nghiệp của ông, người đã đưa ra minh chứng đầu tiên rằng có thể phát hiện ra các khoảng trống và hốc bên trong núi lửa bằng kỹ thuật này (Hành tinh trái đất. Khoa học. Lett. 263 1-2).

Còn được gọi là chụp cắt lớp muon, nó sử dụng các máy dò để tạo ra một bản đồ mật độ ngược của vật thể mà các hạt muon đã đi qua. Những điểm mà nhiều muon đập vào các cảm biến hơn đại diện cho các khu vực ít đặc hơn của cấu trúc, trong khi ít muon hơn làm nổi bật các phần đặc hơn. Tanaka và các đồng nghiệp thậm chí đã cố gắng dự báo các vụ phun trào núi lửa bằng cách sử dụng kỹ thuật chụp địa hình kết hợp với mạng lưới thần kinh tích chập AI học sâu. Vào năm 2020, họ đã sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu một trong những ngọn núi lửa hoạt động mạnh nhất thế giới – núi lửa Sakurajima ở miền nam Nhật Bản (xem ở trên), đã phun trào 7000 lần trong thập kỷ qua (Khoa học Dân biểu 10 5272).

Vẽ với muon

Muography rất giống với chụp X quang, theo Jacques Marteau, một nhà vật lý hạt tại Viện Vật lý 2 Vô cực (IP2I) ở Lyon, Pháp. Ông nói: “Nó thay thế tia X từ hình ảnh y tế bằng một hạt khác, gọi là muon. “Muography về cơ bản là một quy trình hình ảnh quét mật độ của một vật thể theo cách chính xác giống như chụp ảnh X-quang.”

Muography là một quá trình hình ảnh quét mật độ của một đối tượng theo cách chính xác giống như hình ảnh tia X

Một số thiết bị khác nhau có thể được sử dụng để phát hiện muon, hầu hết chúng đã được phát triển như một phần của các thí nghiệm vật lý hạt, chẳng hạn như tại Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN. Tuy nhiên, khi nói đến chụp ảnh núi lửa, máy dò được sử dụng phổ biến nhất bao gồm các lớp chất nhấp nháy. Khi các muon đi qua máy dò, mỗi lớp tạo ra một tia sáng có thể được sử dụng cùng nhau để tái tạo lại quỹ đạo đi tới của các hạt. Các máy dò được đặt ở sườn thấp hơn của núi lửa và được đặt nghiêng để phát hiện các muon đi qua nó.

Nhưng chụp ảnh không chỉ được sử dụng để chụp ảnh cấu trúc bên trong của núi lửa. Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng kỹ thuật này để phát hiện những thay đổi về mật độ bên trong các núi lửa liên quan đến sự gia tăng magma, cũng như những thay đổi về hình dạng magma, hoạt động thủy nhiệt và áp suất trong các hốc và ống dẫn.

Nhìn trộm núi lửa

Giovanni Macedonio, giám đốc nghiên cứu tại Viện Địa vật lý và Núi lửa Quốc gia ở Rome, Ý, giải thích rằng có ba kỹ thuật chính để nghiên cứu và theo dõi núi lửa. Một là sử dụng dữ liệu địa chấn. Một cách khác là đo lường sự biến dạng của mặt đất bằng vệ tinh, trong khi cách thứ ba liên quan đến việc phân tích địa hóa chất lỏng trong núi lửa.

Muography cho phép nghiên cứu động lực học chất lỏng vì nó cho phép bạn nhìn thấy cấu trúc bên trong của phần trên của núi lửa, đặc biệt là ở các núi lửa nhỏ hơn. Điều này không chỉ tiết lộ đường đi của magna trong các vụ phun trào trước đây mà còn giúp lập mô hình hoạt động tiềm năng trong các vụ phun trào trong tương lai. Ví dụ, các chi tiết về hình học bên trong có thể cho thấy nơi trên hình nón có thể xảy ra một vụ phun trào và mức độ mạnh mẽ của nó.

Macedonio và các đồng nghiệp đang nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chụp ảnh để nghiên cứu núi Vesuvius như một phần của dự án nghiên cứu được gọi là MURAVES (Viện J. 15 C03014). Nổi tiếng với sự tàn phá của các thành phố La Mã Pompeii và Herculaneum, Vesuvius vẫn là một ngọn núi lửa đang hoạt động và là một sự hiện diện nguy hiểm, ấp ủ, đặc biệt là khi có rất nhiều người sống gần đó. Trong lần phun trào cuối cùng vào năm 1944, một phần của miệng núi lửa đã bị văng ra khỏi miệng núi lửa, nhưng một số magma dày đặc đã đông đặc lại trong miệng núi lửa.

Mục tiêu của MURAVES là tìm hiểu về cấu trúc bên trong của núi lửa sau các đợt phun trào vào thế kỷ 19 và 20, để có thể lập mô hình cho hành vi tương lai của nó. Vì núi lửa là môi trường năng động nên cấu trúc của chúng thay đổi, đặc biệt là trong các đợt phun trào, điều này có thể ảnh hưởng đến cách chúng hoạt động trong tương lai.

Macedonio cũng đang sử dụng muon để nghiên cứu núi Stromboli, một ngọn núi lửa đang hoạt động ở quần đảo Aeolian, ngoài khơi bờ biển phía bắc của Sicily. Nghiên cứu cấu trúc bên trong của cả núi lửa đang hoạt động và không hoạt động có thể giúp chúng ta hiểu hành vi của núi lửa và giải thích tại sao chúng tạo ra các vụ phun trào nhỏ hoặc lớn. Macedonio cho biết: “Cấu trúc bên trong, hình dạng của các ống dẫn, là một thông số quan trọng quyết định động lực học của núi lửa. Thông tin này từ các núi lửa đang hoạt động sau đó có thể được sử dụng để giúp lập mô hình và dự đoán cách các núi lửa khác có thể hoạt động.

Đối với Marteau, ông đã sử dụng phương pháp chụp ảnh để nghiên cứu núi lửa La Soufrière trên đảo Basse-Terre của Pháp ở vùng biển Caribbean. Marteau giải thích, mái vòm tương đối nhỏ của núi lửa có thể dễ dàng bị mất ổn định bởi các hoạt động như động đất và chuyển động magna. Điều này có thể làm giảm áp suất các khoang chứa đầy hơi nước nóng, áp suất cao, dẫn đến hiện tượng được gọi là phun trào “phreatic”. Đây là những vụ phun trào núi lửa liên quan đến chất lỏng và hơi ở nhiệt độ cao, chứ không phải magma.

Mặc dù những vụ phun trào như vậy không được biết đến nhiều như những vụ phun trào liên quan đến magma, nhưng chúng vẫn có thể rất mạnh và nguy hiểm. Ví dụ, vào tháng 2014 năm 63, phía tây nam của núi lửa Ontake ở Nhật Bản đã phun trào mà không có dấu hiệu cảnh báo trước, giết chết XNUMX người đang đi bộ trên núi (hành tinh trái đất không gian 68 72). Vụ phun trào hơi nước đã tạo ra một cột khói khổng lồ cao 11 km.

Trong trường hợp của những ngọn núi lửa như La Soufrière, điều quyết định liệu một vụ phun trào có xảy ra hay không là cấu trúc cơ học của mái vòm. Marteau nói: “Bạn cần một kỹ thuật như kỹ thuật chụp ảnh muography để hiểu điểm yếu là gì và ở đâu.

Muography cũng có thể được sử dụng để theo dõi động lực học của chất lỏng trong núi lửa như La Soufrière. Marteau giải thích, bên trong nhiều ngọn núi lửa, có rất nhiều chất lỏng lưu thông giữa các khoang khác nhau. Mặc dù chất lỏng có thể ở dạng lỏng, nhưng sự gia tăng hoạt động mắc ma và nhiệt độ sâu trong núi lửa có thể biến chúng thành hơi nước.

Với muography, bạn có thể quan sát những thay đổi này trong động lực học chất lỏng trong vòm. Chẳng hạn, nếu chất lỏng trong một khoang chuyển thành hơi nước thì mật độ sẽ giảm và thông lượng muon tăng lên.

Sự thay đổi như vậy – lấp đầy khoang bằng hơi nước dưới áp suất – là thứ có thể gây ra phun trào. Marteau nói: “Đây là thứ bạn có thể theo dõi trong thời gian thực bằng kỹ thuật chụp muography và đây là kỹ thuật duy nhất có thể làm được điều này.

Vào năm 2019, Marteau và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh rằng kỹ thuật đo độ ẩm kết hợp với theo dõi tiếng ồn địa chấn có thể phát hiện những thay đổi đột ngột trong hoạt động thủy nhiệt ở vòm núi lửa La Soufrière (Khoa học Dân biểu 9 3079).

Dòng chảy trước cơn bão

Tanaka, người đi tiên phong trong việc sử dụng muon để chụp ảnh núi lửa, hiện đang hướng tầm nhìn của mình về một mối nguy hiểm tự nhiên nguy hiểm khác: bão nhiệt đới. Với tốc độ hơn 120 km/h, những cơn bão luân phiên này gây ra thiệt hại lớn về tài sản và gây ra nhiều cái chết mỗi năm. Chúng bắt nguồn từ các đại dương nhiệt đới và được gọi là bão, bão hoặc đơn giản là lốc xoáy, tùy thuộc vào nơi chúng xảy ra trên thế giới.

Lốc xoáy phát triển khi không khí áp suất thấp được làm nóng trên đại dương nhiệt đới ấm áp. Theo thời gian, điều này tạo ra một cột không khí ấm và ẩm bốc lên nhanh chóng; gây ra một vùng áp thấp phát triển trên bề mặt đại dương. Điều này càng củng cố các dòng đối lưu, dẫn đến sự phát triển của một hệ thống bão xoay mạnh ngày càng mạnh hơn.

Những cơn bão nhiệt đới này hiện được dự đoán, giám sát và theo dõi bằng cách sử dụng vệ tinh, radar và các dữ liệu thời tiết khác. Máy bay được gia cố thậm chí có thể bay qua chúng để thu thập dữ liệu như áp suất không khí. Nhưng không có kỹ thuật nào trong số này cung cấp bất kỳ chi tiết nào về sự khác biệt về áp suất và mật độ không khí trong suốt cơn bão. Chính những độ dốc này điều khiển các dòng đối lưu và tốc độ gió.

Trên đảo Kyushu - cực nam trong số 150 hòn đảo chính của Nhật Bản và là điểm nóng của lốc xoáy - Tanaka và nhóm của ông hiện đang điều tra làm thế nào sự thay đổi của thông lượng muon có thể cho thấy sự khác biệt về mật độ không khí và áp suất trong lốc xoáy, cung cấp thông tin về tốc độ gió và bão. sức mạnh. Theo Tanaka, mạng lưới máy dò nhấp nháy của họ trên đảo Kyushu có thể hình ảnh các cơn bão cách xa khoảng 300 km. Điều này là có thể bởi vì trong khi một số tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển theo phương thẳng đứng, những tia khác lại tác động theo chiều ngang nhiều hơn, tạo ra các hạt muon bay về phía Trái đất ở những góc rất nông và có thể di chuyển xa tới XNUMX km trước khi chạm đất.

Không khí đặc hơn hấp thụ nhiều muon hơn, vì vậy dòng chảy của chúng cung cấp thước đo mật độ – và do đó là áp suất và nhiệt độ – của không khí tại nhiều điểm trong suốt một cơn bão. Kết quả là nhóm của Tanaka có thể tạo ra hình ảnh về chênh lệch nhiệt độ và áp suất bên trong cơn bão. “[Sử dụng kỹ thuật này] chúng tôi có thể đo tốc độ ngang và dọc của gió bên trong cơn lốc xoáy,” Tanaka, người có nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp chụp ảnh để quan sát tám cơn lốc xoáy đang tiến đến thành phố Kagoshima, cho biết. Các hình ảnh thu được đã chụp được các lõi áp suất thấp ấm áp của các cơn lốc xoáy, được bao quanh bởi không khí áp suất cao hơn, lạnh hơn (Khoa học Dân biểu 12 16710).

Sử dụng nhiều máy dò muon hơn, Tanaka hy vọng rằng có thể tạo ra những hình ảnh 3D chi tiết hơn về cấu trúc năng lượng bên trong các cơn lốc xoáy. Tanaka nói: “Tôi dự đoán rằng với kỹ thuật chụp ảnh địa chất, chúng ta có thể dự đoán mức độ mạnh của một cơn lốc xoáy và lượng mưa mà nó sẽ mang đến cho mặt đất. “Đây có lẽ là thứ có thể được sử dụng cho các hệ thống cảnh báo sớm.”

Thay đổi thủy triều

Tanaka cũng đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh để đo lường một mối nguy hiểm khác liên quan đến lốc xoáy: meteotsunamis. Viết tắt của sóng thần khí tượng, chúng xảy ra trong các vùng nước kín hoặc nửa kín như vịnh và hồ. Không giống như sóng thần, là kết quả của hoạt động địa chấn, chúng được gây ra bởi những thay đổi đột ngột về áp suất khí quyển hoặc gió, chẳng hạn như những cơn lốc xoáy và frông thời tiết gây ra.

Các dao động nước cực mạnh của thiên thạch có thể kéo dài từ vài phút đến vài giờ và có thể gây ra thiệt hại đáng kể. Ví dụ, 75 người bị thương vào ngày 4 tháng 1992 năm XNUMX khi một thiên thạch tấn công Bãi biển Daytona ở miền đông Florida của Hoa Kỳ (Nat. Mối nguy hiểm 74 1-9). Với những con sóng cao tới ba mét, thiên thạch được gây ra bởi một dòng bão – một hệ thống giông bão di chuyển nhanh.

Máy dò độ sâu tàu ngầm siêu km dưới đáy biển Tokyo-Bay (TS-HKMSDD) là một dòng máy dò muon được lắp đặt trong một đường hầm dài XNUMX km dưới Vịnh Tokyo. Các cảm biến đo các hạt muon đi qua nước bên trên.

Vào tháng 2021 năm 400, một cơn bão đi qua Thái Bình Dương cách Vịnh Tokyo khoảng XNUMX km về phía nam. Khi cơn bão đi qua, một đợt sóng lớn di chuyển qua Vịnh Tokyo và số lượng muon do TS-HKMSDD phát hiện dao động. Khối lượng nước tăng thêm khiến nhiều muon phân tán và phân rã hơn, và số lượng đến được các máy dò giảm xuống. Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra dữ liệu muon của họ, họ thấy rằng nó khớp với các phép đo từ máy đo thủy triều (Khoa học Dân biểu 12 6097).

Để đo độ phồng, máy dò không cần phải ở trong đường hầm dưới mặt nước. Ông giải thích: “Chúng tôi có thể phát hiện bất cứ nơi nào có không gian ngầm gần bờ biển. Điều này có thể bao gồm các đường hầm đường bộ và tàu điện ngầm gần bờ biển và các không gian ngầm khác như bãi đậu xe và tầng hầm thương mại.

Cũng giống như lốc xoáy, việc phát hiện thiên thạch sẽ dựa vào các máy dò cảm nhận được các hạt muon di chuyển ở các góc nông trong bầu khí quyển, sau đó xuyên qua nước và bờ biển. Theo Tanaka, những thiết lập như vậy có thể đo mực nước cách bờ biển khoảng XNUMX-XNUMX km. “Chúng tôi không muốn biết thời điểm [thiên thạch] đến,” anh nói. “Chúng tôi muốn biết trước khi nó chạm đất.”

Tanaka tin rằng những hệ thống như vậy cũng có thể được sử dụng để đo mức thủy triều và tạo ra một mạng lưới theo dõi thủy triều dày đặc. Xét cho cùng, máy dò muon có một lợi thế lớn so với máy đo thủy triều cơ học: chúng không tiếp xúc với nước. Điều này làm cho chúng trở nên đáng tin cậy hơn vì chúng không bị hao mòn theo thời gian và không thể bị hư hại bởi những cơn bão lớn. Trên thực tế, TS-HKMSDD trong đường hầm Tokyo Bay Aqua-Line đã đo liên tục trong một năm mà không có dữ liệu bị thiếu dù chỉ một giây. Ai có thể nghĩ rằng muon khiêm tốn lại có thể làm được nhiều điều như vậy để chuẩn bị cho chúng ta chống lại thiên tai?

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/