Muonen geven een pixelig beeld van de binnenkant van een orkaan

Natuurkunde Orkanen bestuderen we nu vooral van boven, met satellieten. Energierijke muon-deeltjes kunnen een nieuw perspectief bieden.

Een cycloon die eind augustus over Zuid-Korea trok, gefotografeerd vanuit het ruimtestation ISS.
Een cycloon die eind augustus over Zuid-Korea trok, gefotografeerd vanuit het ruimtestation ISS. Foto NASA

Ze zijn al gebruikt om een verborgen kamer in de piramide van Cheops te ontdekken en om in het hart van kernreactoren en vulkanen te kijken. Nu blijkt dat energierijke muon-deeltjes ook cyclonen in beeld kunnen brengen.

Door nauwkeurig muonen te detecteren heeft een internationale onderzoeksgroep de structuur in kaart gebracht van enkele tropische orkanen die over Kagoshima in Japan raasden. Hun resultaten verschenen vorige week in Scientific Reports. De onderzoekers hopen dat de techniek, muografie, kan bijdragen aan betere orkaanvoorspellingen.

De muonen die hierbij nodig zijn hoeven de onderzoekers niet zelf te produceren. Terwijl je deze zin leest, schieten er tientallen muonen met bijna de lichtsnelheid door je lichaam. Van de eindeloze stroom muonen die vanuit de atmosfeer op de aarde neerregent, vliegen de meeste met gemak door alles heen – van wolken en oceanen tot vulkanisch gesteente en dikke piramidemuren. Slechts een klein deel van de muonen wordt tegengehouden. Hoe hoger de dichtheid van het materiaal, hoe vaker.

Vergelijkbaar met röntgenfoto

Muografie is vergelijkbaar met een röntgenfoto, vertelt hoogleraar Hiroyuki Tanaka, van het Muographix-instituut van de universiteit van Tokio. Op een röntgenfoto kleuren de plekken waar weinig röntgenstraling doorheen komt wit, zoals de botten.

Om muonen-foto’s te maken, gebruikt de onderzoeksgroep van Tanaka scintillatiedetectoren die een lichtflitsje produceren als er een muon langskomt. Ze hebben meerdere van deze detectoren met elkaar verbonden om zo een raster te vormen, vergelijkbaar met de pixels van een camera. Hiermee kunnen ze muonen detecteren die tot op 300 kilometer afstand in de atmosfeer ontstaan zijn. Voor dit onderzoek keken ze naar muonen die waarschijnlijk door een cycloon vlogen. Aan de hand van die metingen reconstrueren ze de dichtheid van de lucht waar de muonen doorheen schoten en daarmee de structuur van de cycloon.

Ik was verrast zo duidelijk de warme kern te zien

Hiroyuki Tanaka universiteit Tokio

De rode pixels laten warme lucht met lage luchtdruk zien, de groene pixels koudere lucht met hogere druk. Hiroyuki KM Tanaka

„De beelden tonen dwarsdoorsneden van cyclonen die door Kagoshima trokken”, mailt Tanaka. „Ik was verrast om daarop zo duidelijk de warme kern met een lage dichtheid te zien. Die is kenmerkend voor tropische cyclonen.”

Volgens Tanaka kan muografie een nieuw perspectief bieden, waarvoor geen satelliet nodig is. „Nu bestaat ons beeld vooral uit satellietmetingen van bovenaf. Dat zijn de bekende wervelende luchtstromen met in het midden het oog van de cycloon. Muografie toont daarentegen een dwarsdoorsnee met de drukvariaties op verschillende hoogtes, en die drukvariaties zijn de drijvende kracht van orkanen.”

De niet-betrokken orkaanonderzoeker Derrick Herndon van de universiteit van Wisconsin-Madison waardeert de benadering. „Op dit moment hebben we meerdere satellieten nodig om de locatie, de intensiteit en de structuur van tropische stormen te bepalen”, mailt hij. Sommige satellietmetingen kunnen maar eens per paar uur uitgevoerd worden. Dat maakt het lastig om orkanen goed te volgen. „Een volledig onafhankelijk hulpmiddel zoals muografie kan mogelijk helpen bij dit probleem. Maar de technologie, en vooral de toepassing ervan op stormen, is erg nieuw. Ik denk dat het te vroeg is om te zeggen of dit onze stormwaarschuwingen kan verbeteren.”

Tanaka wil de huidige detector met een kijkhoek van 90 graden uitbreiden naar een bolvormige detector die cyclonen vanuit elke richting kan zien aankomen.