@ 2021.11.21 , 12:04

提前预知火山爆发:用μ子为火山拍X光片

缪μ子无处不在。在你不知道的情况下,每秒钟就有几百个射入你的脑袋。

这些亚原子粒子--在宇宙射线进入地球大气层时产生--是无害的,并迅速衰变为较轻的粒子团。

这些粒子像X射线一样穿透物体,这使它们对科学家很有用。四年前,科学家利用μ子揭开了埃及大金字塔的一个密室。

根据上周发表在《皇家学会议事录》上的一篇文章,科学家们还利用幽灵般的μ子绘制火山的内部结构图,这有朝一日可以帮助预测危险的火山爆发。

智利阿塔卡马大学的地球物理学家、该研究的主要作者Giovanni Leone表示,为了绘制这些地图,科学家们测量了粒子通过岩浆流经火山中的洞穴、密室和岩石通道的效率,然后利用这些信息绘制地质蓝图。

这项被称为muography的技术有朝一日可能成为 "岩浆的最终检测系统",Leone告诉《纽约时报》,并补充说,这项技术使得追踪可能在火山爆发前发生的岩浆运动成为可能。

缪子就像肥胖、快速的电子。它们带有负电荷,但比电子重207倍,几乎以光速飞行。这种重量和速度使粒子能够穿透密集的材料,如火山岩。物体越密集,它们失去速度和衰变得就越快。

许多μ子可以击中火山的侧面并直接穿过。但是,如果火山的密度足够大--比如说,因为通道里充满了岩浆--单个μ子将无法从火山的另一面出来。

为了发现哪些μ子在旅途中幸存下来,科学家们在火山的侧面设置了μ子探测器。这些探测器通过捕捉那些在通过火山时没有衰变的无畏的μ子,并注意到μ子没有完整地存活下来的空隙,从而创造出火山的内脏图像。

一些研究人员通过将μ子探测器置于直升机内并在火山侧面附近飞行,从空中进行这种测绘。

这就像给你的腿做X光。在X光检查过程中,辐射穿过你的腿,并被拍摄下来。如果辐射不受阻碍地通过,图像就会呈现黑色。

但是,由于你的腿部骨骼在通过时吸收了一些X射线,较少的辐射进入相机,这意味着你的骨骼在图像中显得更浅。

在火山的muography成像中,科学家们了利用类似的原理。完全通过的缪子会在介子探测器上投下暗影。但是当缪子击中火山的致密部分并更快地衰变时,它们会留下较浅的阴影。简而言之,物体越致密,剪影就越浅。

火山周围的μ子探测器越多--有些几乎可以和网球场一样大--图像就越好。

据没有参与这项研究的格拉斯哥大学的μography研究员David Mahon说,探测器产生一个2D图像。

"通过使用定位在物体周围的多个探测器,有可能建立起一个粗略的三维图像。”

研究人员已经利用μography窥视了日本的樱岛和浅间火山,以及意大利的三座火山--包括维苏威火山--和瓜德罗普岛的一座加勒比火山。

除了帮助科学家绘制火山内部地图,这篇新文章还表明muography可以用来发现火山内部准备爆发的岩浆库,并实时跟踪岩浆运动。

爆发前往往有岩浆向火山顶峰上升,使用μ介子探测火山顶峰地区的岩浆流动,可能有助于科学家探测到即将爆发的火山--使人们能够提前疏散。

"尽早了解这些问题,为负责当地警报和疏散协议的人争取了极其重要的时间。"研究作者写道,"预测火山爆发是应用火山学的圣杯。"

https://www.sciencealert.com/showers-of-subatomic-particles-raining-from-the-sky-are-helping-us-see-inside-volcanoes


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