В Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ (НИЯУ МИФИ) разработали инновационный способ отслеживания опасных погодных явлений, включая сильные грозы, циклоны и торнадо. В его основе лежат исследования потоков мюонов — неустойчивых элементарных частиц, возникающих в атмосфере в результате воздействия космических лучей.
По словам Игоря Яшина, профессора научно-образовательного центра НЕВОД НИЯУ МИФИ, мюоны, формирующиеся на высоте 15–20 километров, обладают высокой чувствительностью к состоянию атмосферных слоев, через которые они проходят, достигая поверхности Земли. На количество частиц, достигающих детекторов, оказывают непосредственное влияние колебания температуры, плотности воздуха и влажности.
«По словам профессора Яшина, снижение температуры приводит к опусканию атмосферы и, как следствие, к уменьшению высоты зоны генерации мюонов, что увеличивает вероятность их достижения Земли. В свою очередь, повышение температуры атмосферы вызывает подъем слоя генерации, вследствие чего мюоны преодолевают большее расстояние».
Процессы, наблюдаемые во время гроз, вызывают значительный интерес у ученых. Информация, предоставленная центром НЕВОД, указывает на то, что сильная конвекция и турбулентное перемещение влажного воздуха в верхние слои атмосферы приводят к образованию обширных скоплений замороженной воды в облаках. Данные структуры служат своеобразным барьером для мюонов.
«По словам Игоря Яшина, если детектор направлен в эту сторону, то можно заметить изменение потока мюонов. Оно будет незначительным, но достаточно заметным для измерения.
Центральным элементом наблюдений является комплекс УРАГАН (Установка для распознавания грозовых аномалий). Он состоит из четырех высокоточных трековых детекторов, занимающих площадь примерно в 45 квадратных метров и регистрирующих каждый мюон. Полученные данные используются для создания мюонограмм – своеобразных «рентгеновских изображений» атмосферы, отражающих высоту образования частиц (15 км). Это обеспечивает возможность оперативного мониторинга состояния воздушной среды над территорией до 10 тысяч квадратных километров в Московском регионе.
«Профессор отметил, что ключевым достоинством разработанного метода является возможность определения количества воды в грозовых облаках: чем больше воды содержится в мощных турбулентных зонах, тем меньше мюонов способны их пересечь.
Методы азимутального сканирования, созданные в МИФИ, позволяют определять секторы, из которых поступает наибольшая модуляция потока мюонов, и выявлять области снижения количества частиц, что связано с формированием ураганов.
«По словам Игоря Яшина, наша цель состоит не в том, чтобы прогнозировать температуру на три дня вперед, а в создании методики, которая в будущем поможет более оперативно выявлять, например, смерчи.
Специалисты из Московского института физики и технологии (МИФИ) разработали предложение о создании сети мюонных годоскопов, которые можно разместить, к примеру, вдоль маршрута Дубна‒Протвино. Данное расположение обеспечит возможность построения трехмерной модели перемещения атмосферных фронтов.
Несмотря на то, что главным объектом исследования являются атмосферные процессы, данная методика способна также определять опасности в околоземном пространстве. Потоки мюонов реагируют на выбросы массы от Солнца и могут выступать в качестве предварительного сигнала о приближающихся магнитных бурях, которые создают угрозу для спутников и космонавтов.
Специалисты НИЯУ МИФИ в настоящее время ведут исследования, направленные на сопоставление мюонограмм с информацией, получаемой от доплеровских радаров и метеорологических станций. Цель работы – совершенствование методики до стадии, при которой она сможет применяться службами экстренного реагирования.