Według międzynarodowego zespołu naukowców kosmiczne miony zostały wykorzystane do obrazowania struktur głęboko w tropikalnych burzach. Prowadzone przez Hiroyuki Tanaka na Uniwersytecie Tokijskim zespół wykorzystał sieć detektorów mionowych, aby zidentyfikować różnice w gęstości powietrza w obrębie kilku tajfunów. Dzięki dalszym udoskonaleniom ich podejście może dostarczyć ważnych informacji dla systemów wczesnego ostrzegania o silnych burzach.
Cyklony tropikalne, takie jak tajfuny i huragany, powodują ogromne szkody – a czasem nawet utratę życia – na szerokim obszarze niższych szerokości geograficznych Ziemi. W rezultacie ludzie polegają na systemach ostrzegawczych, które mogą jak najdokładniej przewidywać siłę i trajektorie burzy. Obecnie prognozy w dużej mierze opierają się na zdjęciach satelitarnych. Mogą one zapewnić szczegółowe widoki z lotu ptaka ewoluujących wzorców powietrza, ale oferują znacznie mniej informacji o strukturach 3D ciśnienia i gęstości powietrza zawartych w cyklonach. Te cechy są często kluczowe dla przewidywania, jak burza będzie się rozwijać w przyszłości.
Zespół Tanaki wykazał, że szybko rozwijającą się technikę muografii można wykorzystać do badania burz w 3D. W ich podejściu wykorzystuje się mnogość mionów wytwarzanych w wyniku zderzenia promieni kosmicznych z atomami w górnych warstwach atmosfery. Większość z tych mionów przeniesie się następnie na powierzchnię Ziemi, gdzie można je wykryć.
Tłumienie pomiarowe
Muografia wykorzystuje fakt, że niektóre miony są pochłaniane podczas podróży do detektorów na Ziemi – przez atmosferę, morze, a nawet przez solidne konstrukcje, takie jak budynki. Fizycy potrafią obliczyć tempo produkcji mionów kosmicznych, dzięki czemu wiedzą, ile ich można się spodziewać na ziemi – co pozwala następnie określić, jak duże tłumienie występuje po drodze.
Muografia mierzy to osłabienie i wykorzystuje te informacje do stworzenia obrazu interweniującej struktury. Do tej pory technika ta była wykorzystywana do: obraz wnętrza egipskiej piramidy i monitoruj głębokość wody w Zatoce Tokijskiej.
Teraz Tanaka i współpracownicy wykorzystali muografię do zbadania ośmiu tajfunów, które uderzyły w japońskie miasto Kagoshima w latach 2016–2021. Skupili się na gęstości powietrza w cyklonach – przy czym gęstsze powietrze pochłania więcej mionów.
Profile pionowe
Korzystając z sieci detektorów scyntylacyjnych na ziemi, naukowcy stworzyli pionowe profile gęstości powietrza w burzach, jednocześnie rejestrując ewolucję gęstości w czasie. Detektory wyraźnie pokazały, jak ciepłe, niskociśnieniowe rdzenie w tajfunach zostały otoczone przez zimne, wysokociśnieniowe zewnętrza. Struktury te nie mogą być wykryte wyłącznie na zdjęciach satelitarnych.
Detektor prototypowy wykorzystuje kosmiczne miony do skanowania kontenerów morskich
Zespół wprowadza dalsze ulepszenia w swojej sieci detektorów, które umożliwią wykrywanie mionów atmosferycznych z wielu kierunków. Dzięki tej aktualizacji Tanaka i współpracownicy mają nadzieję, że muografia będzie mogła zostać wykorzystana do wykrywania burz z odległości nawet 300 km i prognozowania ich przyszłego rozwoju w czasie rzeczywistym. W połączeniu z obrazami satelitarnymi i danymi barometrycznymi może to ostatecznie doprowadzić do znacznie dokładniejszych systemów wczesnego ostrzegania o cyklonach tropikalnych – zapewniając społecznościom niezbędny czas na przygotowanie się na nadchodzące klęski żywiołowe.
Badania opisano w Doniesienia naukowe.
