Las tormentas de supercélulas provocan cambios muy leves en los muones
Los rayos cósmicos podrían ofrecer a los científicos otra forma de rastrear y estudiar violentos tornados y otros fenómenos climáticos severos, sugiere un nuevo estudio.
Combinando datos meteorológicos locales con complejas simulaciones astrofísicas, los investigadores exploraron si un dispositivo que normalmente detecta partículas de alta energía llamadas muones podría usarse para medir de forma remota las tormentas supercélulas, o superceldas, productoras de tornados.
La instrumentación convencional de seguimiento de tornados se basa en mediciones realizadas por tecnologías como drones o globos meteorológicos, pero esos métodos a menudo requieren que los humanos se acerquen peligrosamente a la trayectoria de una tormenta que se aproxima.
Sin embargo, al estudiar cómo estas tormentas afectan a los muones, que son más pesados que los electrones y viajan a través de la materia casi a la velocidad de la luz, estos hallazgos pueden actuar como otra herramienta para que los científicos obtengan una imagen más precisa de las condiciones climáticas subyacentes.
"Lo que pasa con los muones atmosféricos es que son sensibles a las propiedades de la atmósfera por la que viajan", dijo William Luszczak, autor principal del estudio y miembro del Centro de Cosmología y Física de AstroPartículas de la Universidad Estatal de Ohio.
"Si tienes un grupo de muones que viajó a través de una tormenta, la cantidad que vas a medir en el otro lado es diferente de un haz de muones que viajó a través de un día bonito".
En comparación con otras partículas cósmicas, los muones tienen muchas aplicaciones únicas en el mundo real, incluida la ayuda a los científicos a observar el interior de grandes y densos objetos como las pirámides o la detección de material nuclear peligroso. Ahora, las simulaciones de Luszczak en este artículo implican que las tormentas de supercélulas provocan cambios muy leves en el número, dirección e intensidad de estas partículas.
Para determinar esto, los investigadores aplicaron un modelo tridimensional de nubes que podría tener en cuenta múltiples variables, incluido el viento, la temperatura potencial, la lluvia, la nieve y el granizo. Luego, utilizando observaciones atmosféricas recopiladas de la supercélula de 2011 que pasó por El Reno, Oklahoma, y generó un brote de tornado, Luszczak aplicó esa información para medir las variaciones en la presión del aire en la región alrededor de una tormenta simulada en el lapso de una hora.
Imagen: Esquema de una supercelda.
En general, sus resultados encontraron que los muones se ven afectados por el campo de presión dentro de los tornados, aunque se necesita más investigación para aprender más sobre el proceso.
En términos de qué tan bien podría funcionar en el campo, el concepto es especialmente atractivo, ya que utilizar muones para predecir y analizar patrones futuros climáticos también significaría que los científicos no necesariamente tendrían que intentar colocar instrumentos muy cerca de un tornado para obtener estas mediciones de presión, dijo Luszczak.
Aún así, el tipo de detector de partículas de muones que considera el artículo de Luszczak es mucho más pequeño que otros proyectos de rayos cósmicos más conocidos, como el Observatorio Pierre Auger en Argentina y el Telescope Array de la Universidad de Utah.
Desafortunadamente, estos detectores no se encuentran en lugares donde puedan estudiar los tornados, dijo Luszczak, pero si se colocasen en una región como Tornado Alley en los Estados Unidos, los investigadores imaginan que el dispositivo podría complementar fácilmente las mediciones meteorológicas y barométricas típicas de la actividad de tornados.
Dicho esto, el tamaño del dispositivo también influye en la precisión de sus mediciones, ya que aumentar su escala aumenta la cantidad de partículas que puede detectar, dijo Luszczak.
Imagen: Un dibujo de la configuración considerada en este artículo (no a escala). Los rayos cósmicos interactúan en la atmósfera superior y los muones secundarios se propagan a través de una tormenta supercélula. Se coloca un detector de muones en el lado opuesto de la tormenta, y se calcula el efecto del campo de presión de la tormenta sobre el flujo de muones atmosféricos.
El detector más pequeño que los investigadores describen en este artículo tiene 50 metros de ancho, o aproximadamente el tamaño de cinco autobuses. Pero si bien una herramienta de este tipo sería lo suficientemente portátil como para garantizar que los científicos pudieran ubicarla cerca de muchos tipos diferentes de sistemas de tormentas, ser tan pequeña probablemente provocaría algunos errores en su recopilación de datos, dijo Luszczak.
A pesar de estos posibles contratiempos, como las tormentas supercélulas suelen formarse y desaparecer en cortos períodos, el artículo enfatiza que puede que valga la pena que los futuros científicos dediquen tiempo a considerar la implementación de un gran detector en algunas regiones, uno que probablemente sería un establecimiento estacionario permanente para capturar tantos muones como sea posible durante eventos climáticos severos.
Más importante aún, debido a que los actuales sistemas de modelización del clima están directamente relacionados con cuándo y dónde se emiten las alertas de clima severo, el uso de rayos cósmicos para fortalecer esos modelos daría al público una idea más detallada de los diversos giros y vueltas de una tormenta, así como más tiempo para prepararse para el fenómeno.
"Al tener mejores mediciones de la atmósfera que rodea un tornado, nuestro modelado mejora, lo que a su vez mejora la precisión de nuestras advertencias", dijo Luszczak. "Este concepto es muy prometedor y es una idea realmente emocionante intentar ponerla en práctica".
El estudio se publica en el servidor de preimpresión arXiv: The Effect of Tornadic Supercell Thunderstorms on the Atmospheric Muon Flux
