Новости

Jul 03, 2023

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

Майкл Аллен заглядывает в глубины стихийных бедствий, разговаривая с физиками, которые используют мюонную томографию, чтобы лучше понять вулканы и тропические циклоны.

Майкл Аллензаглядывает в глубины стихийных бедствий, разговаривая с физиками, которые используют мюонную томографию, чтобы лучше понять вулканы и тропические циклоны.

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 мюонов этих вторичных космических лучей. Эти частицы обладают всеми теми же свойствами, что и электроны, но их масса примерно в 200 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 Танакой из Токийского университета и его коллегами, которые впервые продемонстрировали, что пустоты и полости внутри вулкана могут быть обнаружены с помощью этой техники (Earth Planet. Sci. Lett.2631–2).

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. Rep.105272).

По словам Жака Марто, физика элементарных частиц из Института физики двух бесконечностей (IP2I) в Лионе, Франция, мюография очень похожа на рентгенографию. «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 ЦЕРН. 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.

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.