Впервые, высокоэнергетические мюонные частицы, созданные в атмосфере, позволили ученым исследовать структуру штормов так, как не могут традиционные методы визуализации, такие как спутниковые изображения. Детали, предлагаемые этой новой техникой, могут помочь исследователям моделировать штормы и связанные с ними погодные эффекты. Это также может привести к созданию более точных систем раннего предупреждения.
Трудно не заметить многочисленность сообщений в новостях о сильных штормах в разных частях мира, которые часто связывают с изменением климата. Системы прогнозирования погоды и раннего оповещения всегда были важны, но в связи с усилением штормовой активности в наши дни это кажется особенно важным. Группа исследователей во главе с профессором Хироюки Танакой из Токийского университета предлагает миру метеорологии новый способ обнаружения и изучения тропических циклонов с использованием причуды физики элементарных частиц, которая постоянно происходит над нашими головами.
«Возможно, вы видели фотографии циклонов, сделанные сверху, на которых видны закрученные вихри облаков. Но я сомневаюсь, что вы когда-либо видели циклон сбоку, возможно, в виде компьютерной графики, но никогда в виде фактических данных, полученных датчиками», — говорит Танака. «То, что мы предлагаем миру, — это возможность делать именно это, визуализировать крупномасштабные погодные явления, такие как циклоны, в 3D-перспективе и в реальном времени. Мы делаем это с помощью техники, называемой мюография, которую вы можете представить себе как рентген, но для того, чтобы заглянуть внутрь поистине огромных вещей».
Более красные области — это теплый воздух с низким давлением, а зеленые области — более холодный воздух с более высоким давлением. Циклон на этом изображении имеет высоту около 15 километров. Рисунок в виде линий, аппроксимирующий форму, накладывается на основе данных визуализации. Фото: Hiroyuki KM Tanaka.
Мюография создает рентгено-подобные изображения больших объектов, включая вулканы, пирамиды, водоемы, а теперь впервые и изображения атмосферных погодных систем. Специальные датчики, называемые сцинтилляторами, соединяются вместе, образуя сетку, немного похожую на пиксели на фотоматрице камеры вашего смартфона. Однако эти сцинтилляторы не видят оптический свет, а вместо этого видят частицы, называемые мюонами, которые образуются в атмосфере, когда космические лучи из глубокого космоса сталкиваются с атомами в воздухе. Мюоны особенные, потому что они легко проходят через вещество, не рассеиваясь так сильно, как другие типы частиц. Но то небольшая величина, на которую они отклоняются при прохождении через твердую, жидкую или даже газообразную материю, может раскрыть детали их путешествия между атмосферой и датчиками. Захватив большое количество мюонов, проходящих через что-то, можно реконструировать изображение этого чего-то.
«Мы успешно отобразили вертикальный профиль циклона, и это выявило изменения плотности, которые необходимы для понимания того, как работают циклоны», — сказал Танака. «На изображениях показаны поперечные сечения циклона, прошедшего через префектуру Кагосима на западе Японии. Я был удивлен, увидев, что его теплое ядро с низкой плотностью резко контрастирует с холодной внешней средой с высоким давлением. Совершенно невозможно получить такие данные с помощью традиционных датчиков давления и фотографии».
Это датчики, используемые для обнаружения слабо взаимодействующих мюонных частиц. Каждый датчик сцинтиллятора чрезвычайно плотный, чтобы максимизировать шансы на то, что мюон будет взаимодействовать с ним. Датчики, расположенные в виде сетки, могут формировать грубое изображение того, через что прошли мюоны, чтобы достичь датчика. Фото: Hiroyuki KM Tanaka.
Детектор, который использовали исследователи, имеет угол обзора 90 градусов, но Танака предполагает объединить аналогичные датчики для создания полусферических и, следовательно, всенаправленных станций наблюдения, которые можно было бы разместить вдоль береговой линии. Они потенциально могут видеть циклоны на расстоянии до 300 километров. Хотя спутники уже отслеживают эти штормы, дополнительные детали, предлагаемые мюографией, могут улучшить предсказания приближающихся штормов.
«Одним из наших следующих шагов будет усовершенствование этой техники, чтобы обнаруживать и визуализировать штормы в разных масштабах», — сказал Танака. «Это может означать лучшее моделирование и прогнозирование не только для более крупных штормовых систем, но и для более местных погодных условий также».
Статья опубликована в Scientific Reports.
Источник: University of Tokyo.
