Когда мы смотрим на грозовое небо, наши глаза видят лишь тяжёлые тучи и молнии. Но для физиков из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ небо над московским регионом словно гигантский экран, на котором можно читать информацию о состоянии атмосферы в режиме реального времени.
Исследуя потоки мюонов — нестабильных элементарных частиц, рождающихся в атмосфере под воздействием космических лучей, учёные пытаются предсказывать катастрофические погодные явления, такие как мощные грозы, циклоны и торнадо.
«Рентген» для атмосферы
Традиционная метеорология хорошо (во всяком случае лучше, чем в прежние десятилетия) справляется с прогнозами температуры и давления, используя для этого множество радаров, наземных и космических станций, информация с которых обрабатывается с помощью суперкомпьютеров. Но перед лицом внезапных торнадо или так называемых бомбовых циклонов (погодных явлений, когда атмосферное давление падает очень быстро) она часто бессильна. Зато здесь может помочь мюонография — метод исследования с помощью естественного потока мюонов.
Мюоны рождаются на высоте 15–20 километров, когда космические лучи сталкиваются с ядрами атомов в воздухе. Двигаясь к поверхности Земли, эти частицы чутко реагируют на состояние атмосферы, различные её параметры: температуру, давление и плотность…
«Если температура понижается, то атмосфера проседает и зона генерации мюонов становится ниже, значит, вероятность мюонов дойти до Земли будет больше, — приводит пример профессор научно-образовательного центра НЕВОД института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Игорь Яшин. — Если атмосфера нагревается, слой генерации поднимается и, соответственно, мюоны проходят большее расстояние».
А, скажем, грозовая туча, где высокая концентрация воды и льда, частично экранирует мюонный поток, создавая зоны пониженной интенсивности этих частиц.
«Там, на высоте 10 километров, минус 40 градусов, поэтому происходит резкая конденсация и замерзание мелких капель, которые формируют некий объём замороженной воды в тучах, её там миллионы тонн. И если вы развернули свой детектор в этом направлении, то у вас поток мюонов будет меняться. Не сильно, тем не менее измеримо», — добавляет учёный.
Предупредит и о магнитной буре
Важнейшим инструментом для наблюдений стала установка УРАГАН («Установка для РАспознавания Грозовых АНомалий»). Она включает в себя четыре детектора общей площадью около 45 квадратных метров. Оборудование регистрирует траектории каждого мюона, приходящего из любого направления в пределах углов «видимости».
На основе полученных данных строятся мюонограммы — угловые распределения интенсивности потока частиц. Зона контроля над столичным регионом составляет 10 тысяч квадратных километров. «Допустим, за два часа можно увидеть грозу. Эта задача, в принципе, решаема», — говорит Игорь Яшин.
Помимо атмосферных явлений, метод мюонографии применим к процессам в околоземном пространстве. Когда к Земле летят выбросы солнечной плазмы, их догоняют и прошивают потоки космических лучей. Эти потоки достигают нашей планеты примерно за 10 минут и порождают мюоны, регистрируемые детекторами. Изучив «сигнал тревоги», установка УРАГАН может предупредить о мощной магнитной буре задолго до её начала. А это критически важно для систем навигации и связи в околополярных широтах, спутников на околоземных орбитах, экипажей орбитальных станций, да и для метеочувствительных людей тоже.
Спасёт не одну жизнь
Как поясняет профессор Яшин, основная задача проводимых исследований — не прогнозирование погоды в классическом смысле, а разработка методов распознавания и заблаговременного обнаружения потенциально опасных атмосферных явлений — мощных гроз, торнадо, ураганов.
«Важное преимущество нашего метода состоит в том, что мы можем оценивать водный запас в грозовых тучах, так как чем больше воды в мощных турбулентных областях грозового характера, тем меньше мюонов проходит через эти области, — подчёркивает учёный. — Другим важным параметром, влияющим на вариации мюонов, являются градиенты плотности воздуха, связанные с барическими фронтальными зонами. Мы можем отличать тёплые и холодные фронты, потому что у них разная динамика, и к этой динамике потоки мюонов тоже чувствительны».
Вообще, интерес к методам мюонографии применительно к изучению атмосферы Земли и околоземного пространства в последнее время значительно вырос. Так, в Японии ведутся активные исследования по отслеживанию и прогнозированию тайфунов — явления, представляющего для Страны восходящего солнца серьёзную проблему ввиду их высокой частоты. Используя мониторинг мюонных потоков, японские учёные, как и российские коллеги, пытаются классифицировать и предсказывать погодные катаклизмы.
Конечно, этот метод не заменит синоптиков, но позволит создать систему предупреждения (стать своего рода аварийным клаксоном), которая будет за пару часов извещать о разрушительных явлениях природы. Возможно, это спасёт не одну жизнь, дав кому-то драгоценные минуты на подготовку к удару стихии.
| Подписывайтесь на АиФ в MAX |
