Kosmiska myoner har använts för att avbilda strukturer djupt inne i tropiska stormar, enligt ett internationellt team av forskare. Ledd av Hiroyuki Tanaka vid University of Tokyo använde teamet ett nätverk av myondetektorer för att identifiera skillnader i luftdensitet inom flera tyfoner. Genom ytterligare förbättringar skulle deras tillvägagångssätt kunna ge viktig information för system för tidig varning för svåra stormar.
Tropiska cykloner som tyfoner och orkaner orsakar en hel del skada – och ibland förluster av liv – över ett brett stycke av jordens lägre breddgrader. Som ett resultat förlitar sig människor på varningssystem som kan förutsäga stormstyrkor och banor så exakt som möjligt. Idag är prognoser mycket beroende av satellitbilder. Dessa kan ge detaljerade flygbilder av utvecklande luftmönster men ger mycket mindre information om 3D-strukturerna av lufttryck och densitet som finns i cykloner. Dessa egenskaper är ofta avgörande för att förutsäga hur en storm kommer att utvecklas i framtiden.
Tanakas team har visat att den snabbt utvecklande tekniken för muografi kan användas för att studera stormar i 3D. Deras tillvägagångssätt använder den mängd myoner som produceras när kosmiska strålar kolliderar med atomer i den övre atmosfären. De flesta av dessa myoner kommer sedan att resa till jordens yta, där de kan detekteras.
Mätning av dämpning
Muografi drar fördel av det faktum att vissa myoner absorberas när de reser till detektorer på jorden – av atmosfären, havet och till och med av fasta strukturer som byggnader. Fysiker kan beräkna hastigheten med vilken kosmiska myoner produceras, så att de vet hur många de kan förvänta sig på marken - vilket gör att de sedan kan avgöra hur mycket dämpning som sker längs vägen.
Muografi mäter denna dämpning och använder den informationen för att skapa en bild av den mellanliggande strukturen. Hittills har tekniken använts bild interiören av en egyptisk pyramid och övervaka vattendjupet i Tokyobukten.
Nu har Tanaka och kollegor använt muografi för att studera åtta tyfoner som drabbade den japanska staden Kagoshima 2016–2021. De fokuserade på luftens täthet i cyklonerna – med tätare luft som absorberade fler myoner.
Vertikala profiler
Med hjälp av ett nätverk av scintillatordetektorer på marken byggde forskarna upp vertikala profiler av luftdensiteten i stormarna, samtidigt som de fångat tidsutvecklingen av tätheten. Detektorerna visade tydligt hur varma lågtryckskärnor i tyfonerna var omringade av kalla, högtrycksexteriörer. Dessa strukturer kan inte detekteras enbart i satellitbilder.
Prototypdetektor använder kosmiska myoner för att skanna fraktcontainrar
Teamet gör ytterligare förbättringar av sitt detektornätverk, vilket kommer att möjliggöra detektering av atmosfäriska myoner från flera riktningar. Med denna uppgradering hoppas Tanaka och kollegor att muografi kan användas för att upptäcka stormar så långt bort som 300 km, och förutsäga deras framtida utveckling i realtid. Om det kombineras med satellitbilder och barometriska data, kan detta i slutändan leda till mycket mer exakta system för tidig varning för tropiska cykloner – vilket ger samhällen viktig tid att förbereda sig för förestående naturkatastrofer.
Forskningen beskrivs i Vetenskapliga rapporter.
