我們都很清楚海嘯可能帶來的嚴重影響,而正是海嘯可能造成的悲劇,讓我們持續深入研究,以改善偵測的方法。一項新研究報導了一種更常用的方法來偵測海嘯也就是監控緲子muon)。

有用的宇宙粒子

隨著宇宙射線從太空到達地球時,這些能量非常高的基本粒子被創造出來,遍布於大氣中每個地方,且能夠無害地穿過幾乎任何東西,包括你自己。當你在讀這個句子時,就有十萬顆緲子會通過你的身體。

很關鍵地是,在路徑當中,它們能夠被大型的自然力量非常些微地偏移位置,這包括了海嘯。

靈敏偵測儀器

因此,需要一台非常靈敏的儀器來偵測緲子的運動。這指引我們到了一台機器,所謂的東京灣海底緲子透視圖感測器陣列(Tokyo-Bay Seafloor Hyper-Kilometric Submarine Deep Detector,簡稱TS-HKMSDD)。它被放置於東京灣跨海公路(Tokyo Bay Aqua-Line)隧道之中。

這是第一次,TS-HKMSSD 能夠透過緲子波紋,來偵測到海嘯波。這個偵測是即時發生的,而且顯示為非常地準確。從提早警告的觀點來看,這是很重要的。

日本東京大學的地球物理學家田中宏幸教授(Hiroyuki Tanaka)說:「TS-HKMSSD 是世界上第一座水底緲子觀測台,而它能夠偵測到,在海嘯之間變化的緲子活動。這個變化對應到由其他方法所測量出的湧浪(swell)。將這些讀數做結合意味著,我們可以使用緲子透視圖檔案來準確地建立海平面變化的模型,繞過其他有缺點的方法。」

那些其他方法包括了驗潮儀(tide gauge)、水中的浮標、從高處拍攝的衛星影像、以及海中各種感測器。然而,偵測緲子具有比這些方法更快、更便宜、以及更容易維護的潛力。

打造偵測系統

這項新研究描述了 TS-HKMSDD 系統是如何偵測到一個在 2021 年 9 月通過東京灣的輕微海嘯,而此海嘯是由一個從南邊接近日本的颱風所造成。隨著海洋漲起,緲子的數量些微地改變,並因為水的體積而分散。

既然 TS-HKMSSD 已經顯示說它可以偵測到這些緲子偏移,研究人員就認為,像它這樣的儀器能夠被安裝在其他位於具有海嘯風險區域的隧道中,並且搭配像是驗潮儀等其它的儀器來一起使用,以作為初期警告系統。

田中教授說:「多虧了像這樣的早期測試的成功結果,相似的系統已經在英國以及芬蘭進行測試。顯然,像這樣的研究通常會帶來許多挑戰,而在一個繁忙的隧道中安裝精細的儀器也可能很困難。因此,我們很感激東京灣隧道相關當局願意與我們合作。」

後續研究及應用

組成 TS-HKMSSD 的緲子偵測器實際上相當小,大概長 2 公尺。目前,共有 20 台沿著東京灣底下的海底隧道放置著,一起運作來打造整體系統。除了偵測接近的海嘯外,像這樣的系統也能夠被用來尋找天然氣儲量、以及揭曉古代的地震模式。

目前,研究人員們很欣慰 TS-HKMSSD 能夠作為一台精確的海嘯偵測器而正常運行著。只要在一些進一步的研究,就能夠用於提醒專家注意自然災害。田中教授表示:「就我所知,東京灣海底隧道,是世界上第一條被定義為實驗室而使用中的現行國家道路。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2022, April 17). In a Scientific First, a Cosmic Ray Sensor Detected Tsunami Waves. ScienceAlert
  2. Tanaka, H. K. M. et al., (2022, April 12). Periodic sea-level oscillation in Tokyo Bay detected with the Tokyo-Bay seafloor hyper-kilometric submarine deep detector (TS-HKMSDD). Scientific Reports. doi.org/10.1038/s41598-022-10078-2
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/in-a-scientific-first-a-cosmic-ray-sensor-has-detected-tsunami-waves(圖:Hiroyuki Tanaka/Muographix)
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