Laut einem internationalen Forscherteam wurden kosmische Myonen verwendet, um Strukturen tief in tropischen Stürmen abzubilden. Angeführt von Hiroyuki Tanaka An der Universität Tokio verwendete das Team ein Netzwerk von Myonendetektoren, um Unterschiede in der Luftdichte innerhalb mehrerer Taifune zu identifizieren. Durch weitere Verbesserungen könnte ihr Ansatz wichtige Informationen für Frühwarnsysteme bei schweren Unwettern liefern.
Tropische Wirbelstürme wie Taifune und Hurrikane verursachen in weiten Teilen der unteren Breiten der Erde große Schäden – und manchmal den Verlust von Menschenleben. Daher verlassen sich die Menschen auf Warnsysteme, die Sturmstärken und -bahnen möglichst genau vorhersagen können. Heutzutage stützen sich Prognosen stark auf Satellitenbilder. Diese können detaillierte Luftaufnahmen von sich entwickelnden Luftmustern liefern, bieten aber weitaus weniger Informationen über die 3D-Strukturen von Luftdruck und -dichte, die in Zyklonen enthalten sind. Diese Merkmale sind oft entscheidend für die Vorhersage, wie sich ein Sturm in der Zukunft entwickeln wird.
Tanakas Team hat gezeigt, dass die sich schnell entwickelnde Technik der Muographie zur Untersuchung von Stürmen in 3D verwendet werden kann. Ihr Ansatz nutzt die Vielzahl von Myonen, die entstehen, wenn kosmische Strahlen mit Atomen in der oberen Atmosphäre kollidieren. Die meisten dieser Myonen werden dann zur Erdoberfläche wandern, wo sie nachgewiesen werden können.
Dämpfung messen
Die Muographie nutzt die Tatsache, dass einige Myonen auf ihrem Weg zu Detektoren auf der Erde absorbiert werden – von der Atmosphäre, dem Meer und sogar von festen Strukturen wie Gebäuden. Physiker können die Rate berechnen, mit der kosmische Myonen produziert werden, damit sie wissen, wie viele sie am Boden erwarten können – und dann bestimmen können, wie viel Dämpfung auf dem Weg auftritt.
Die Muographie misst diese Dämpfung und verwendet diese Informationen, um ein Bild der dazwischenliegenden Struktur zu erstellen. Bisher hat sich die Technik gewöhnt Bild das Innere einer ägyptischen Pyramide und Wassertiefe überwachen in der Bucht von Tokio.
Nun haben Tanaka und Kollegen mithilfe von Muographie acht Taifune untersucht, die zwischen 2016 und 2021 die japanische Stadt Kagoshima heimgesucht haben. Sie konzentrierten sich auf die Dichte der Luft innerhalb der Zyklone – wobei dichtere Luft mehr Myonen absorbierte.
Vertikale Profile
Mithilfe eines Netzwerks von Szintillatordetektoren am Boden erstellten die Forscher vertikale Profile der Luftdichte innerhalb der Stürme und erfassten gleichzeitig die zeitliche Entwicklung der Dichte. Die Detektoren zeigten deutlich, wie warme Kerne mit niedrigem Druck in den Taifunen von kalten Äußeren mit hohem Druck umgeben waren. Allein auf Satellitenbildern sind diese Strukturen nicht zu erkennen.
Der Prototyp-Detektor verwendet kosmische Myonen, um Schiffscontainer zu scannen
Das Team nimmt weitere Verbesserungen an seinem Detektornetzwerk vor, das den Nachweis atmosphärischer Myonen aus mehreren Richtungen ermöglichen wird. Mit diesem Upgrade hoffen Tanaka und seine Kollegen, dass die Muographie dazu verwendet werden kann, Stürme aus einer Entfernung von bis zu 300 km zu erkennen und ihre zukünftige Entwicklung in Echtzeit vorherzusagen. In Kombination mit Satellitenbildern und barometrischen Daten könnte dies letztendlich zu weitaus genaueren Frühwarnsystemen für tropische Wirbelstürme führen – und Gemeinden wertvolle Zeit verschaffen, um sich auf bevorstehende Naturkatastrophen vorzubereiten.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaftliche Berichte.
