Как увидеть вулкан изнутри? Попробуйте шторм космических частиц.

В следующий раз, когда будет светить солнце, выйдите на улицу. Возможно, на небе не будет ни облачка, но вы будете стоять в центре спектрального ливня.

Космические лучи, исходящие от всевозможных высокоэнергетических образований, постоянно бомбардируют атмосферу Земли. В результате их столкновений с газами образуются крошечные частицы - пионы, которые быстро распадаются на мюоны - субатомные сгустки, более чем в 200 раз тяжелее электронов. Триллионы мюонов устремляются к земле со скоростью, близкой к скорости света, каждую секунду.

Когда мюоны сталкиваются с объектом, некоторые из них проходят сквозь него, а другие останавливаются на своем пути. Это означает, что мюоны можно использовать для того, чтобы заглянуть внутрь объектов, которые иначе были бы недоступны - от ядерных реакторов до глубин египетских пирамид.

Ученые давно подозревали, что эта техника, названная мюографией, может быть применена к вулканам, анатомия которых определяет, когда и как они будут извергаться. В статье, опубликованной в среду в журнале Proceedings of the Royal Society A, исследователи показывают, что мюоны были использованы для успешного картирования некоторых артерий и органов вулканов по всему миру, включая некоторые из самых опасных магматических гор.

Однажды вулканическая мюография может стать "конечной системой обнаружения магмы", - сказал Джованни Леоне, геофизик из Университета Атакама в Чили и ведущий автор исследования. Он и его коллеги говорят, что если можно использовать мюоны для отслеживания движения расплавленной породы в режиме реального времени, то можно будет предсказать, когда произойдет извержение.

Когда мюоны проносятся через материал, их импульс ослабевает. Чем плотнее материал, тем больше вероятность того, что мюоны потеряют всю свою энергию, остановятся и распадутся на нейтрино и электроны.

Объекты редко бывают одинаково плотными. Это относится и к вулканам, которые состоят из заполненных магмой или свободных проходов, разнообразных пород и бесчисленных трещин, расщелин и пропастей. Для восприятия этих особенностей вулканологи могли бы использовать мюонные детекторы, размеры которых варьируются от чемодана до площади небольшой квартиры. Ученые могут разместить детекторы по флангам вулкана или даже облететь вокруг вулкана на вертолете.

Бесконечный мюонный ливень будет осыпать вулкан под углом. Часть мюонов, проходящих через одну сторону флангов вулкана, достигнет детекторов на другой стороне; те, что не достигнут, отбросят субатомные тени на детекторы, показывая, какие части внутренностей горы более плотные, а какие - более пустые.

С помощью одного детектора можно получить двухмерное изображение внутренностей вулкана, "похожее на медицинский рентген", - говорит Дэвид Махон, исследователь муографии из Университета Глазго, не принимавший участия в исследовании. "Используя несколько детекторов, расположенных вокруг объекта, можно создать грубое трехмерное изображение".

После того, как в 1995 году с помощью муографии удалось заглянуть внутрь безобидной японской горы, эта техника в конечном итоге была применена к действующим вулканам. Одной из первых успешных кампаний стала гора Асама в Японии, где исследователи обнаружили погребенный курган лавы, расположенный на вершине магматического прохода, похожего на швейцарский сыр. С тех пор с помощью мюонов были исследованы, в частности, итальянские вулканы Этна и Стромболи, гиперактивный японский вулкан Сакурадзима и вулкан Ла-Суфриер-де-Гваделупа на Карибах.

Мюоны обнаружили слабые места, которые указывают на место будущих обвалов флангов, оползней и путей выхода лавы. Они также обнаружили свежие очаги магмы, которые могут быть готовы к извержению и которые были пропущены другими приборами.

Вулканическая муография не безупречна. Детекторы могут видеть только те части вулкана, в которые проникают мюоны. "Вы можете наблюдать только снизу в небо", - говорит Марина Росас-Карбахал, геофизик вулканов из Парижского института физики Земли, не принимавшая участия в исследовании. Мюоны не могут проникнуть в более глубокие части вулкана, оставляя эти области практически недоступными для мюографов".

Размещение детекторов вокруг десятков других вулканов и воздействие мюонов на вулканические породы в лабораториях позволит повысить точность метода, поскольку он претендует на широкое применение. Но даже если этот метод станет обычным, он не решит всех наших вулканических проблем.

"Вулканы очень сложны, - говорит доктор Розас-Карбахал. Их лабиринтные внутренности и сложные химические процессы означают, что их магма иногда ускользает даже от самых искушенных детекторов. Непредсказуемые извержения останутся фактом жизни, независимо от того, насколько хорошо ученые владеют магией мюонов.

И мюография вряд ли сделает устаревшими другие различные инструменты, используемые для изучения вулканов, такие как сейсмические волны и спутниковое наблюдение. "Возможно, она не заменит существующие методы", - сказал Виталий Кудрявцев, физик частиц из Университета Шеффилда, который не участвовал в исследовании. "Но он может дополнить их".