Einer neuen Studie zufolge könnte die kosmische Strahlung Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit bieten, heftige Tornados und andere schwere Wetterphänomene zu verfolgen und zu untersuchen.
Durch die Kombination lokaler Wetterdaten mit komplexen astrophysikalischen Simulationen untersuchten Forscher, ob ein Gerät, das normalerweise hochenergetische Teilchen – sogenannte Myonen – erkennt, zur Fernmessung von Superzellengewittern eingesetzt werden könnte, die Tornados erzeugen.
Konventionelle Instrumente zur Tornado-Verfolgung stützen sich auf Messungen durch Technologien wie Drohnen oder Wetterballons. Bei diesen Methoden ist es jedoch oft erforderlich, dass sich Menschen gefährlich nahe an die Bahn eines herannahenden Sturms heranwagen.
Doch durch die Untersuchung der Auswirkungen dieser Stürme auf Myonen, die schwerer als Elektronen sind und sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch Materie bewegen, können diese Erkenntnisse den Wissenschaftlern als weiteres Instrument dienen, um ein genaueres Bild der zugrunde liegenden Wetterbedingungen zu gewinnen.
„Das Besondere an atmosphärischen Myonen ist, dass sie empfindlich auf die Eigenschaften der Atmosphäre reagieren, durch die sie reisen“, sagte William Luszczak, Hauptautor der Studie und Fellow am Zentrum für Kosmologie und Astroteilchenphysik der Ohio State University.
„Wenn Sie eine Gruppe von Myonen haben, die durch ein Gewitter gereist sind, ist die Menge, die Sie auf der anderen Seite messen, eine andere als bei einem Bündel Myonen, das einen schönen Tag durchgemacht hat.“
Der Studie wird auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv.
Im Vergleich zu anderen kosmischen Teilchen haben Myonen viele einzigartige Anwendungen in der realen Welt. Sie helfen Wissenschaftlern beispielsweise dabei, in große, dichte Objekte wie die Pyramiden hineinzuschauen oder gefährliches nukleares Material zu entdecken. Luszczaks Simulationen in diesem Artikel deuten nun darauf hin, dass Superzellengewitter sehr geringe Änderungen in der Anzahl, Richtung und Intensität dieser Teilchen verursachen.
Um dies zu ermitteln, verwendeten die Forscher ein dreidimensionales Wolkenmodell, das mehrere Variablen berücksichtigen konnte, darunter Wind, mögliche Temperatur, Regen, Schnee und Hagel. Anschließend verwendete Luszczak atmosphärische Beobachtungen der Superzelle von 2011, die durch El Reno, Oklahoma, zog und einen Tornado-Ausbruch auslöste. Mithilfe dieser Informationen maß Luszczak die Luftdruckschwankungen in der Region rund um einen simulierten Sturm über einen Zeitraum von einer Stunde.
Insgesamt zeigten ihre Ergebnisse, dass Myonen tatsächlich durch das Druckfeld im Inneren von Tornados beeinflusst werden. Um mehr über diesen Prozess zu erfahren, bedarf es allerdings weiterer Forschung.
Im Hinblick auf die praktische Umsetzbarkeit ist das Konzept besonders reizvoll, da die Nutzung von Myonen zur Vorhersage und Analyse künftiger Wettermuster auch bedeuten würde, dass die Wissenschaftler ihre Instrumente nicht unbedingt in unmittelbarer Nähe eines Tornados platzieren müssten, um diese Druckmessungen durchzuführen, sagte Luszczak.
Dennoch ist der Typ von Myonenteilchendetektor, den Luszczak in seinem Artikel betrachtet, viel kleiner als andere, bekanntere Projekte zur Erforschung kosmischer Strahlung, wie etwa das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien und das Telescope Array der University of Utah.
Leider stehen diese Detektoren nicht an Orten, an denen man Tornados untersuchen kann, sagt Luszczak. Doch würden sie in einer Region wie der Tornado Alley in den USA aufgestellt, könnten die Forscher sich vorstellen, dass das Gerät typische meteorologische und barometrische Messungen der Tornadoaktivität problemlos ergänzen könnte.
Allerdings hat auch die Größe des Geräts Einfluss auf die Genauigkeit seiner Messungen, denn mit zunehmender Größe erhöht sich die Zahl der Partikel, die es erkennen kann, sagt Luszczak.
Der kleinste Detektor, den die Forscher in diesem Artikel beschreiben, hat einen Durchmesser von 50 Metern oder etwa die Größe von fünf Bussen. Obwohl ein solches Gerät tragbar genug wäre, um es in der Nähe vieler verschiedener Arten von Sturmsystemen aufzustellen, würde es aufgrund seiner geringen Größe wahrscheinlich zu Fehlern bei der Datenerfassung kommen, sagte Luszczak.
Trotz dieser möglichen Rückschläge wird in der Studie betont, dass es sich für künftige Wissenschaftler durchaus lohnen könnte, in einigen Regionen über die Errichtung eines großen Detektors nachzudenken, da sich Superzellengewitter typischerweise in kurzen Zeiträumen bilden und wieder auflösen. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um eine permanente, stationäre Einrichtung, die bei extremen Wetterereignissen so viele Myonen wie möglich einfängt.
Noch wichtiger ist jedoch, dass die aktuellen Wettermodellsysteme unmittelbar damit verknüpft sind, wann und wo Unwetterwarnungen herausgegeben werden. Würde man diese Modelle mithilfe der kosmischen Strahlung verstärken, würde die Öffentlichkeit ein genaueres Bild der verschiedenen Wendungen eines Sturms bekommen und hätte mehr Zeit, sich auf das Phänomen vorzubereiten.
„Durch bessere Messungen der Atmosphäre rund um einen Tornado können wir unsere Modelle verbessern, was wiederum die Genauigkeit unserer Warnungen erhöht“, sagte Luszczak. „Dieses Konzept ist sehr vielversprechend und es ist eine wirklich spannende Idee, die wir in die Tat umsetzen möchten.“
Mehr Informationen:
William Luszczak et al, Die Wirkung tornadoartiger Superzellengewitter auf den atmosphärischen Myonenfluss, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.19311