В Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ (НИЯУ МИФИ) представлен уникальный метод мониторинга катастрофических погодных явлений, таких как мощные грозы, циклоны и торнадо. Основой для этого стали исследования потоков мюонов — нестабильных элементарных частиц, рождающихся в атмосфере под воздействием космических лучей.
Как пояснил профессор научно-образовательного центра НЕВОД НИЯУ МИФИ Игорь Яшин, мюоны, образующиеся на высоте 15–20 километров, крайне чувствительны к состоянию слоев атмосферы, которые они преодолевают на пути к Земле. Изменения температуры, плотности воздуха и влажности напрямую влияют на количество частиц, достигающих детекторов.
«Если температура понижается, атмосфера проседает, и зона генерации мюонов становится ниже, значит, вероятность мюонов дойти до Земли будет больше, — объясняет профессор Яшин. — Если нагревается атмосфера, слой генерации поднимается, и мюоны проходят большее расстояние».
Особый интерес для исследователей представляют процессы, происходящие во время гроз. Согласно данным, полученным в центре НЕВОД, мощная конвекция и турбулентный вынос влажного воздуха в верхние слои атмосферы формируют огромные массивы замороженной воды в тучах. Эти области действуют как экран для мюонов.
«Если вы направили свой детектор в этом направлении, то у вас поток мюонов будет меняться. Не сильно, но измеримо», — отмечает Игорь Яшин.
Ключевым инструментом для наблюдений стала установка УРАГАН (Установка для РАспознавания Грозовых Аномалий). Это четыре прецизионных трековых детектора общей площадью около 45 квадратных метров, которые фиксируют каждый мюон. На основе полученных данных ученые строят мюонограммы — своеобразные «рентгеновские снимки» атмосферы, проецируемые на высоту генерации частиц (15 км). Это позволяет в режиме реального времени контролировать состояние воздушного слоя над площадью до 10 тысяч квадратных километров в московском регионе.
«Важным преимуществом нашего метода в том, что мы можем оценивать водный запас в грозовых тучах, так как чем больше воды в мощных турбулентных областях, тем меньше мюонов проходит через эти области», — резюмировал профессор.
Разработанные в МИФИ методы азимутального сканирования позволяют выделять секторы, с которых приходит максимальная модуляция потока мюонов, и фиксировать зоны дефицита частиц, коррелирующие с развитием ураганов.
«Наша задача не предсказывать, какая будет температура через трое суток, а разработать подход, который бы впоследствии мог бы облегчить заблаговременное обнаружение, допустим, тех же торнадо», — подчеркивает Игорь Яшин.
Ученые МИФИ предлагают создание сети мюонных годоскопов, расположенных, например, по линии Дубна—Протвино. Такая конфигурация позволит строить объемную пространственную картину движения атмосферных фронтов.
Хотя основное внимание уделяется атмосферным явлениям, методика также позволяет оценивать риски в околоземном пространстве. Потоки мюонов чувствительны к корональным выбросам массы на Солнце и могут служить ранним индикатором надвигающихся магнитных бурь, представляющих угрозу для спутников и экипажей космических миссий.
В настоящее время ученые НИЯУ МИФИ продолжают работу по сопоставлению мюонограмм с данными доплеровских радаров и метеорологических станций, стремясь довести метод до уровня готовой технологии для служб экстренного реагирования.