Volgens een internationaal team van onderzoekers zijn kosmische muonen gebruikt om structuren diep in tropische stormen in beeld te brengen. Geleid door Hiroyuki Tanaka aan de Universiteit van Tokio gebruikte het team een netwerk van muondetectoren om verschillen in luchtdichtheid binnen verschillende tyfoons te identificeren. Door verdere verbeteringen zou hun aanpak belangrijke informatie kunnen opleveren voor vroegtijdige waarschuwingssystemen voor zware stormen.
Tropische cyclonen zoals tyfoons en orkanen veroorzaken veel schade - en soms zelfs verlies van mensenlevens - over een groot deel van de lagere breedtegraden van de aarde. Als gevolg hiervan vertrouwen mensen op waarschuwingssystemen die stormsterkten en -trajecten zo nauwkeurig mogelijk kunnen voorspellen. Tegenwoordig zijn voorspellingen sterk afhankelijk van satellietbeelden. Deze kunnen gedetailleerde luchtfoto's bieden van evoluerende luchtpatronen, maar bieden veel minder informatie over de 3D-structuren van luchtdruk en dichtheid in cyclonen. Deze kenmerken zijn vaak cruciaal om te voorspellen hoe een storm zich in de toekomst zal ontwikkelen.
Tanaka's team heeft aangetoond dat de zich snel ontwikkelende techniek van muografie kan worden gebruikt om stormen in 3D te bestuderen. Hun benadering maakt gebruik van de veelheid aan muonen die worden geproduceerd wanneer kosmische stralen botsen met atomen in de bovenste atmosfeer. De meeste van deze muonen zullen dan naar het aardoppervlak reizen, waar ze kunnen worden gedetecteerd.
Verzwakking meten
Muografie maakt gebruik van het feit dat sommige muonen worden geabsorbeerd terwijl ze naar detectoren op aarde reizen - door de atmosfeer, de zee en zelfs door vaste structuren zoals gebouwen. Natuurkundigen kunnen de snelheid berekenen waarmee kosmische muonen worden geproduceerd, zodat ze weten hoeveel ze er op de grond kunnen verwachten - zodat ze kunnen bepalen hoeveel verzwakking onderweg optreedt.
Muografie meet deze demping en gebruikt die informatie om een beeld te vormen van de tussenliggende structuur. Tot nu toe is de techniek gebruikt om beeld het interieur van een Egyptische piramide en waterdiepte bewaken in de Baai van Tokio.
Nu hebben Tanaka en collega's muografie gebruikt om acht tyfoons te bestuderen die de Japanse stad Kagoshima in 2016-2021 troffen. Ze concentreerden zich op de dichtheid van de lucht in de cyclonen - waarbij dichtere lucht meer muonen absorbeerde.
Verticale profielen
Met behulp van een netwerk van scintillatordetectoren op de grond bouwden de onderzoekers verticale profielen op van de luchtdichtheid binnen de stormen, terwijl ze de tijdsevolutie van de dichtheid vastlegden. De detectoren lieten duidelijk zien hoe warme lagedrukkernen in de tyfoons werden omringd door koude hogedrukbuitenkanten. Deze structuren kunnen niet alleen in satellietbeelden worden gedetecteerd.
Prototype detector gebruikt kosmische muonen om zeecontainers te scannen
Het team brengt verdere verbeteringen aan in zijn detectornetwerk, waardoor atmosferische muonen vanuit meerdere richtingen kunnen worden gedetecteerd. Met deze upgrade hopen Tanaka en collega's dat muografie kan worden gebruikt om stormen tot op 300 km afstand te detecteren en hun toekomstige ontwikkeling in realtime te voorspellen. In combinatie met satellietbeelden en barometrische gegevens zou dit uiteindelijk kunnen leiden tot veel nauwkeurigere systemen voor vroegtijdige waarschuwing voor tropische cyclonen, waardoor gemeenschappen essentiële tijd krijgen om zich voor te bereiden op dreigende natuurrampen.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschappelijke rapporten.
