Tongan valtava merenalainen tulivuorenpurkaus havaittiin myös kosmisen hiukkassäteilyn avulla – Oulun yliopiston spinoff-yritys mukana kehittämässä menetelmää
Myonigrafiaa (viite 1) eli myonien avulla tapahtuvaa tiheyskuvantamista voi käyttää mm. kaivannaisteollisuudessa (2-3), pohjavesisovelluksissa (4) ja tulivuoritoiminnan ennakoinnissa (5-7). Tuoreen tutkimuksen mukaan myonigrafia soveltuu myös tsunamiaaltojen havaitsemiseen.
Muon Solutionsin käyttämät kosmisen hiukkassäteilyn synnyttämien myonien havaitsemiseen perustuvat teknologiat voidaan jakaa kahteen luokkaan: myonien avulla tapahtuvaan tiheyskuvantamiseen (myonigrafia) (1-7) ja myonien avulla tapahtuvaan vedenalaiseen paikantamiseen (myonimetria) (8-10).
”Tutkimuksemme mukaan myonigrafialaitteisto pystyy havaitsemaan tsunamin jo siinä vaiheessa, kun vaarallinen aalto on vasta lähestymässä rannikkoa; tosin tämä on mahdollista vain siinä tapauksessa, että myonigrafinen mittausjärjestelmä on asennettu merenpohjalle tai sen alapuoliseen tunneliin. Kaiken kaikkiaan on hyvä huomata, että tsunami voi syntyä usealla eri tavalla. Neljä yleisintä ovat merenalainen maanjäristys, merenalainen tulivuorenpurkaus, suuri maanvyörymä mereen ja suuren myrskyn aiheuttama tsunamiaalto”, Marko Holma kertoo.
Se, että myonigrafia soveltuu myös ”tsunamihälyttimeksi” kävi ilmi Muon Solutionsin yhteistyössä Tokion yliopiston kanssa. Yksi tällaisista yhteistyöprojekteista liittyy Tokionlahden alapuolelle sijoitetun myonigrafisen mittausaseman havaintoihin (11). Tuorein merkittävä tulos on Tongan lähettyvillä 15. tammikuuta 2022 tapahtuneen Hunga Tongan valtavan merenalaisen tulivuorenpurkauksen (12) synnyttämän tsunamin havaitseminen melkein 8000 km päässä Japanissa kyseisellä laitteistoilla (13). Järjestelmän englanninkielinen nimi on ”Hyper Kilometric Submarine Deep Detector” (HKMSDD) ja se on asennettu Tokionlahden alapuoliseen maantietunneliin (11).
Hunga Tongan tulivuorenpurkauksen vuoksi Tongan ulompien saarten rantoihin murtui jopa 15 metrin korkuisia aaltoja(14). Tyynenmeren valtavan koon vuoksi purkauksen aiheuttama tsunami saavutti sitä rajaavien rannikoiden eri osat eri aikaan. Ensimmäinen tsunami saavutti Tokionlahden noin 8 tuntia myöhemmin. Purkauksen aiheuttama ääniaalto havaittiin niin ikään eri aikoihin eri paikoissa, mutta joka tapauksessa niinkin kaukana kuin noin 10 000 km päässä Alaskassa.
Tokionlahden HKMSDD-mittausasema on rakennettu havaitsemaan kosmisen säteilyn synnyttämien myonihiukkasten lukumääriä ajan suhteen eli niin sanottua myonivuota. Havaitseminen tapahtuu sen jälkeen, kun myonit ovat kulkeneet tarkkailtavan väliaineen läpi. Tässä tapauksessa myonien avulla voidaan nähdä meriveden korkeudessa sekä ilmakehän keskimääräisessä tiheydessä tapahtuvat muutokset. Havaitseminen perustuu siihen, että muutoin tilastollisesti vakaa myonivuo muuttuu, kun havaintolaitteiden ja ilmakehän yläosan (paikka missä myonit syntyvät) välinen keskitiheys muuttuu. Mitä suurempi tarkasteltavan tilavuuden paksuus tai keskitiheys on, sitä vähemmän mittalaitteeseen myoneja saapuu, koska osa myoneista ehtii pysähtyä ennen mittalaitteen saavuttamista. Tilastollisilta periaatteiltaan myonigrafia muistuttaa röntgenkuvantamista.
Tokionlahden HKMSDD-mittausaseman havainnon mukaan Tongan purkauksen synnyttämä aallon korkeuden poikkeama oli noin 20 cm. Havainto on tärkeä, koska se osoittaa kosmisen myonisäteilyn mittaamisen mahdollistavan muista aallonkorkeuden mittausmenetelmistä riippumattoman tsunamivaroitusjärjestelmän rakentamisen jopa globaalisti. Riippumattoman tsunamivaroitusjärjestelmän rakentaminen auttaa tutkijoita ja viranomaisia saamaan mahdollisen tsunamin saapumisesta entistä tarkemman tilannekuvan, mikä puolestaan on tärkeää tehtäessä päätöksiä rannikkoalueiden ihmisten evakuoinneista.
”Tsunamien mahdollisimman aikainen ja mahdollisimman luotettava havaitseminen mahdollistaa ihmishenkiä säästävien varoitusjärjestelmien rakentamisen. Sen lisäksi, että HKMSDD-mittausasemilla voidaan nähdä tulivuoren purkauksen synnyttämät tsunamiaallot, niillä voidaan havaita myös maajäristysten synnyttämät tsunamit, epätavalliset korkeat vuorovesiaallot ja myrskyjen synnyttämät niin sanotut meteotsunamit (meteorologiset tsunamit). Varsinaista tulivuoren purkausta ei tällä järjestelmällä voida kuitenkaan havaita, vaan siihen tarvitaan varsinaisen tulivuoren juurelle asennettuja myoniteleskooppeja”(10) , Marko Holma kertoo.
Kuva: Eric Gaba – Wikimedia Commons user: Sting
Lisätietoja:
Projektigeologi, Kerttu Saalasti Instituutti, Oulun yliopisto
Toimitusjohtaja, Muon Solutions Oy
Marko Holma
marko.holma@oulu.fi
+358 (0) 46 920 8781
marko.holma@muon-solutions.com
+358 (0) 40 836 4317
Viitteet:
1) Holma, M., Aittola, M., Enqvist, T., Jalas, P., Joutsenvaara, J., Kuusiniemi, P., Loo, K. & Virkajärvi, A., 2019. Uusi menetelmä: Myonigrafian soveltaminen maa- ja kallioperän suhteellisten tiheysvaihteluiden kartoittamisessa. Materia 2/2019, 54-56. (https://bit.ly/33E71S1)
2) Zhang, Z.-X., Enqvist, T., Holma, M. & Kuusiniemi, P., 2020. Muography and its potential applications to mining and rock engineering. Rock Mechanics and Rock Engineering 53, 4893–4907. doi:10.1007/s00603-020-02199-9. (https://bit.ly/340TNhR)
3) Holma, M.J., Zhang, Z.-X., Kuusiniemi, P., Loo, K. & Enqvist, T., 2021. Future Prospects of Muography for Geological Research and Geotechnical and Mining Engineering. AGU Books. doi:10.1002/9781119722748.ch15. (painossa)
4) Kurikka-lehti, 14.10.2021. Kosmista säteilyäkin mitataan pohjavesitutkimuksessa.
5) Leone, G., Tanaka, H.K.M., Holma, M., Kuusiniemi, P., Varga, D., Oláh, L., Lo Presti, D., Gallo, G., Monaco, C., Ferlito, C., Bonanno, G., Romeo, G., Thompson, L., Sumiya, K., Steigerwald, S. & Joutsenvaara, J., 2021. Muography as a new complementary tool in monitoring volcanic hazard: implications for early warning systems. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 447(2255). doi:10.1098/rspa.2021.0320. (https://bit.ly/32sswoo)
6) The New York Times, 10.11.2021 . How Do You See Inside a Volcano? Try a Storm of Cosmic Particles. (https://lnkd.in/dvGiGdCp)
7) Oulun yliopisto, 12.11.2021. Oulun yliopistosta ponnistava suomalainen startup-yritys mukana kehittämässä uutta menetelmää tulivuorien purkautumisen ennakoimiseen. (https://bit.ly/3rGaEyL)
8) Oulun yliopisto, 16.12.2021. Suomalaiset mukana kehittämässä uutta vedenalaista paikannusjärjestelmää. (https://bit.ly/353lRBM)
9) Yle, 16.12.2021. Suomalainen startup-yritys kutsuttiin kehittämään vedenalaista paikannusta, josta voi tulla uusi GPS – rahoittajana Yhdysvaltain laivasto. (https://yle.fi/uutiset/3-12232761)
10) Helsingin Sanomat, 13.1.2022. Suunnistus sukelluksissa voi onnistua avaruudesta iskeytyvien myonien avulla, suomalaiset mukana kehittämässä laitteita.
11) Tanaka, H.K.M., Aichi, M., Bozza, C., Coniglione, R., Gluyas, J., Hayashi, N., Holma, M., Kamoshida, O., Kato, Y., Kin, T., Kuusiniemi, P., Leone, G. et al., 2021. First results of undersea muography with the Tokyo‑Bay Seafloor Hyper‑Kilometric Submarine Deep Detector. Sci Rep 11, 19485. doi:10.1038/s41598-021-98559-8. (https://bit.ly/3KyEttP)
12) Wikipedia, luettu 23.1.2022. 2022 Hunga Tonga eruption and tsunami (https://bit.ly/32svRUq)
13) University of Tokyo, Research Bulletin, 15.1.2022. 日本時間）のフンガ・トンガ-フンガ・ハアパイ火山の噴火. (https://www.eri.u-tokyo.ac.jp/news/15712/)
14) Yle, 18.1.2022. Tongan tulivuorenpurkaus muistutti uhasta – voivatko Tyynenmeren saarivaltiot tuhoutua luonnonmullistuksessa? (https://yle.fi/uutiset/3-12273664)