По словам международной группы исследователей, космические мюоны использовались для визуализации структур глубоко внутри тропических штормов. Под руководством Хироюки Танака в Токийском университете команда использовала сеть мюонных детекторов для выявления различий в плотности воздуха в пределах нескольких тайфунов. Благодаря дальнейшим улучшениям их подход может предоставить важную информацию для систем раннего предупреждения о сильных штормах.
Тропические циклоны, такие как тайфуны и ураганы, причиняют большой ущерб, а иногда и гибель людей, на обширной полосе нижних широт Земли. В результате люди полагаются на системы предупреждения, которые могут максимально точно предсказать силу и траекторию шторма. Сегодня прогнозы в значительной степени зависят от спутниковых изображений. Они могут предоставить подробные аэрофотоснимки изменяющихся воздушных потоков, но дают гораздо меньше информации о трехмерных структурах давления и плотности воздуха, содержащихся в циклонах. Эти особенности часто имеют решающее значение для прогнозирования развития шторма в будущем.
Команда Танаки показала, что быстро развивающийся метод мюографии можно использовать для изучения штормов в 3D. Их подход использует множество мюонов, образующихся при столкновении космических лучей с атомами в верхних слоях атмосферы. Большинство этих мюонов затем отправятся на поверхность Земли, где их можно будет обнаружить.
Измерение затухания
Мюография использует тот факт, что некоторые мюоны поглощаются по мере их перемещения к детекторам на Земле — атмосферой, морем и даже твердыми конструкциями, такими как здания. Физики могут рассчитать скорость, с которой производятся космические мюоны, поэтому они знают, сколько их ожидать на земле, что позволяет затем определить, какое затухание происходит по пути.
Муография измеряет это затухание и использует эту информацию для создания изображения промежуточной структуры. До сих пор эта техника использовалась для изображение интерьера египетской пирамиды и следить за глубиной воды в Токийском заливе.
Теперь Танака и его коллеги использовали муографию для изучения восьми тайфунов, обрушившихся на японский город Кагосима в 2016–2021 годах. Они сосредоточились на плотности воздуха внутри циклонов — более плотный воздух поглощает больше мюонов.
Вертикальные профили
Используя сеть сцинтилляционных детекторов на земле, исследователи построили вертикальные профили плотности воздуха во время штормов, фиксируя изменение плотности во времени. Детекторы ясно показали, как теплые ядра с низким давлением в тайфунах были окружены холодными внешними слоями с высоким давлением. Эти структуры не могут быть обнаружены только на спутниковых снимках.
Детектор-прототип использует космические мюоны для сканирования транспортных контейнеров
Команда продолжает улучшать свою сеть детекторов, что позволит обнаруживать атмосферные мюоны с разных направлений. Танака и его коллеги надеются, что благодаря этому обновлению мюографию можно будет использовать для обнаружения штормов на расстоянии до 300 км и прогнозирования их будущего развития в режиме реального времени. В сочетании со спутниковыми снимками и барометрическими данными это может в конечном итоге привести к гораздо более точным системам раннего предупреждения о тропических циклонах, что даст сообществам жизненно важное время для подготовки к неизбежным стихийным бедствиям.
Исследование описано в Научные доклады.
