Мы уже рассказывали, как с помощью субатомных частиц физики могут заглянуть внутрь Великой пирамиды в Гизе. Сегодня расскажем о том, как с помощью мюографии физики и геологи заглядывают внутрь вулканов.
Мюоны — микроскопические субатомные частицы, возникающие за пределами атмосферы Земли, проходят сквозь её поверхность, сталкиваясь с многочисленными препятствиями. Специальные сверхчувствительные детекторы улавливают и прослеживают путь мюонов. Анализируя полученные данные, учёные могут увидеть внутреннее строение объекта, вокруг и внутри которого расставлены детекторы.
Чтобы визуализировать внутреннее функционирование вулкана, учёные улавливают мюоны, которые проходят через него (путь мюона показан красным) и попадают на детекторы частиц (синий цвет). Определив, где мюоны проникли в вулкан, учёные могут составить карту его плотности
Метод мюографии позволяет более подробно рассмотреть строение различных объектов: от археологических, таких как пирамиды или архитектурные комплексы, до геологических, например, вулканы.
«Вы действительно можете заглянуть внутрь вулкана», — говорит геофизик Джованни Леоне из Университета Атакама в Копьяпо (Чили). Картина внутреннего строения может дать учёным больше информации о том, как и когда может произойти извержение вулкана.
«Этот метод напоминает получение огромного рентгеновского изображения. Но вместо рентгеновских лучей мы используем естественный источник частиц — бесконечный запас мюонов», — говорит Мариаэлена Д’Эррико, физик из Национального института ядерной физики Неаполя (Италия), изучающая вулкан Везувий с помощью мюонов.
Везувий — главный источник угрозы для Неаполя и близлежащих муниципалитетов, которые расположены у склона вулкана. Всемирно известный город Помпеи был разрушен Везувием в 79 году н. э. В 1944 году сильное извержение уничтожило несколько близлежащих деревень — с тех пор вулкан, можно сказать, бездействует. Но если он начнёт извергаться, это поставит под угрозу жизни около 600 000 человек, которые живут около него, и многих других поблизости.
Вид на Везувий и Неаполь
«Везувий всегда пугал меня. Я родилась и живу под этим вулканом. Теперь, в рамках эксперимента «Мюонная радиография Везувия» или «МЮРАВЕС», я стремлюсь лучше изучить вулкан и какую опасность он может представлять для ныне живущих людей», — говорит Д’Эррико.
Кратер Везувия
Используя детекторы мюонов, команда составляет карту плотности мюонов и, следовательно, плотности горных пород на вершине Везувия. В статье, опубликованной 24 февраля на arXiv.org, исследователи представили предварительные данные о различиях в плотности между северо-западной и юго-восточной частями вулкана.
МЮРАВЕС всё ещё собирает данные. Будущие наблюдения должны помочь учёным узнать более мелкие детали внутренней структуры вулкана, которая, как считается, многослойна из-за повторяющихся извержений.
«Информация о структуре вулкана может помочь учёным предсказать, какие опасности следует ожидать в случае возможного извержения, например, где могут произойти оползни. И это могло бы помочь учёным узнать, какие шаги нужно предпринять, чтобы снизить риски для людей, живущих поблизости», — говорит физик Кристина Карлогану из Национального института ядерной физики и физики элементарных частиц в Обьере (Франция), изучавшая вулкан Пюи-де-Дом во Франции.
Например, когда в 1980 году произошло извержение вулкана Сент-Хеленс в штате Вашингтон (США), обрушился весь его склон. В результате стихийного бедствия погибло 57 человек и был нанесён значительный ущерб окружающей инфраструктуре. По словам Карлогану, знание того, где находятся структурные недостатки вулкана, может помочь учёным лучше предсказать, как может развиваться извержение и какие области находятся внутри опасной зоны.
Извержение вулкана Сент-Хеленс в 1980 году
Карлогану считает, что мюоны полезны лишь для выявления структурных слабых мест, но не для предупреждения скорого извержения вулкана. Другие исследователи более оптимистично относятся к способности мюонов своевременно предупреждать извержения.
Мюография достаточно развилась для включения её в системы раннего предупреждения извержений вулканов. Об этом написали геофизик Джованни Леоне из Университета Атакама в Копьяпо (Чили), физик элементарных частиц Хироюки Танака из Токийского университета и их коллеги в ноябре 2021 года в журнале Proceedings of the Royal Society A. Но необходимо проделать дополнительную работу, чтобы интегрировать мюографию в уже имеющиеся методы предупреждения предстоящих извержений. Эти методы включают сейсмические измерения, а также наблюдения за деформацией грунта и выбросами вулканических газов.
Танака и его коллеги изучают Сакурадзиму, один из самых активных вулканов в мире, недалеко от Кагосимы, на юге Японии. Один из кратеров вулкана, кратер Сёва, часто извергался до 2017 года, когда активность внезапно переключилась на другой кратер, Минамидакэ. Сравнение данных мюографии, сделанных до и после этого сдвига, показало, что под кратером Сёва образовалась плотная область, о которой Танака и его коллеги сообщили в 2019 году в журнале Geophysical Research Letters. Это объясняет причину прекращения извержения Сёва: он был забит плотной пробкой застывшей магмы.
Вулкан Сакурадзима
Эти результаты позволяют учёным использовать мюографию для предсказания извержений вулканов. Используя данные мюографии из Сакурадзимы, Танака и его коллеги смогли предсказать, будет ли вулкан извергаться на следующий день, анализируя данные за предыдущую неделю. Этот метод позволил предсказать дни извержения вулкана более чем в 72% случаев и правильно предсказал дни без извержений более чем в 85% процентах случаев.
Данные мюографии, показывающие структуру плотности кратеров Сакурадзимы
«Точно так же, как открытие рентгеновских лучей открыло совершенно новый взгляд на мир, его точно так же может изменить и использование мюонов. Отношение к частице, когда-то считавшейся ненужной, — нелюбимой физиками, — изменилось. Возможно, когда-нибудь мюоны смогут спасти тысячи жизней», — говорит Танака.
_______________________________________________________________________________
Научные публикации:
M. D'Errico. The MURAVES experiment : study of the Vesuvius Great Cone with Muon Radiography. International Workshop on Cosmic-Ray Muography, November 25, 2021, Ghent, Belgium.
L. Oláh et al. Plug formation imaged beneath the active craters of Sakurajima volcano with muography. Geophysical Research Letters. Vol. 46, September 6, 2019, p. 10417. doi: 10.1029/2019GL084784.
