Революционная технология открывает новый взгляд на циклоны
Тропический штормовой циклон

Вид с воздуха на тропический циклон.

Космические лучи, используемые для отслеживания и визуализации тропических циклонов, открывают глаз бури.

Впервые высокоэнергетические мюонные частицы, генерируемые в атмосфере, позволили исследователям изучить структуру штормов так, как не могут обычные методы визуализации, такие как спутниковые изображения. Уровень детализации этого нового метода может помочь исследователям моделировать штормы и связанные с ними погодные эффекты. Это также может привести к тому, что более ранние системы предупреждения будут более точными.

Трудно пропустить множество новостных сообщений о сильных штормах, которые произошли в различных регионах земного шара и часто объясняются изменением климата. Хотя системы прогнозирования погоды и раннего оповещения всегда были важны, нынешнее усиление штормовой активности, по-видимому, делает их особенно важными. Группа ученых во главе с профессором Хироюки Танакой из Muographix в Токийском университете разработала новый метод идентификации и анализа тропических циклонов, используя причуду физики элементарных частиц, которая постоянно возникает у нас над головой.

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 линии, аппроксимирующий форму, накладывается на данные визуализации. Авторы и права: 2022 Хироюки К.М. Танака

«Вы, наверное, видели фотографии циклонов, сделанные сверху, на которых видны закрученные вихри облаков. Но я сомневаюсь, что вы когда-либо видели циклон со стороны, возможно, в виде компьютерной графики, но никогда в виде фактических данных, полученных датчиками, — сказал Танака. «То, что мы предлагаем миру, — это возможность делать именно это, визуализировать крупномасштабные погодные явления, такие как циклоны, в трехмерной перспективе, а также в режиме реального времени. Мы делаем это с помощью техники под названием мюография, которую можно представить как рентген, но для того, чтобы заглянуть внутрь действительно огромных вещей».

Муография производит рентгеновские снимки крупных объектов, таких как вулканы, пирамиды, водоемы и, впервые, атмосферные погодные системы. Сцинтилляторы — это специальные датчики, которые связаны друг с другом, образуя сетку, похожую на пиксели на датчике камеры вашего смартфона. Однако эти сцинтилляторы не видят оптического света. Они видят мюоны, которые образуются в атмосфере, когда космические лучи из глубокого космоса сталкиваются с атомами.

Это датчики, используемые для обнаружения слабо взаимодействующих мюонных частиц. Каждый датчик сцинтиллятора чрезвычайно плотный, чтобы максимизировать вероятность того, что мюон будет взаимодействовать с ним. Датчики, расположенные в виде сетки, могут формировать грубое изображение того, через что прошли мюоны, чтобы достичь датчика. Авторы и права: 2022 Хироюки К.М. Танака

Мюоны особенные, потому что они легко проходят через вещество, не рассеиваясь так сильно, как другие типы частиц. Но то небольшое отклонение, на которое 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 его изображение.

«Мы успешно отобразили вертикальный профиль циклона, и это выявило изменения плотности, необходимые для понимания того, как работают циклоны», — сказал Танака. «На изображениях показаны поперечные сечения циклона, прошедшего через префектуру Кагосима в западной Японии. Я был удивлен, увидев ясно, что у него было теплое ядро с низкой плотностью, которое резко контрастировало с холодным внешним давлением с высоким давлением. Совершенно невозможно получить такие данные с помощью традиционных датчиков давления и фотографии».

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 следующих шагов для нас теперь будет усовершенствование этой техники, чтобы обнаруживать и визуализировать штормы в разных масштабах», — сказал Танака. «Это может означать лучшее моделирование и прогнозирование не только более крупных штормовых систем, но и более локальных погодных условий».

Ссылка: «Атмосферная мюография для визуализации и мониторинга тропических циклонов» Хироюки К.М. Танака, Джона Глуяса, Марко Холма, Яри Йоутсенваара, Паси Куусиними, Джованни Леоне, Доменико Ло Прести, Джун Мацусима, Ласло Ола, Сара Штайгервальд, Ли Ф. Томпсон, Илья Усоскин, Степан Полуянов, Дезё Варга и Юсуке Ёкота, 6 октября 2022 г., Научные отчеты .
DOI: 10.1038/s41598-022-20039-4

Циклон
Дата публикации: 2022.11.19