A vida secreta dos vulcões: usando radiografia de muões Understand article

Traduzido por Bruno Fontinha. Como é que descobrimos o que se passa no interior de um vulcão? Usando raios cósmicos!

Erupção do Monte Vesúvio,
por Johan Christian Dahl
(1788–1857)

Imagem de domínio público;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

Os vulcões são montanhas fascinantes, que combinam beleza com um perigo escondido. Nas redondezas de um vulcão activo, tal como o Monte Vesúvio em Nápoles, Itália, as pessoas sentem a sua presença como se fosse um ser vivo gigante que pode atacar a qualquer momento. Isto afecta a sua atitude para com a vida: a vida é linda mas imprevisível. Quanto tempo haverá até que o Vesúvio entre de novo em erupção? E o que se passará no interior do vulcão?

Erguendo-se sobre a cidade
italiana de Nápoles, o
Vesúvio entrou
dramaticamente em erupção
em 1872. Fotografia por
Giorgio Sommer (1834-
1914).

Imagem de domínio público;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

Neste momento nós possuímos as ferramentas que vão muito para além da especulação imaginativa para se saber exactamente o que se passa no interior dos vulcões, mas infelizmente elas são ainda bastante limitadas. Os métodos de hoje em dia são indirectos. Por exemplo, um dos métodos usa pequenas explosões para propagar pequenos tremores de terra em redor do vulcão, dando informação sobre o modo como estas vagas sísmicas artificiais são reflectidas (como ecos) pelas rochas de diferentes densidades. Através do uso de matemática complexa, estes dados fornecem detalhes sobre a estrutura interna do vulcão.

Uma nova tecnologia de imagem

Chuva de partículas
produzida quando um raio
cósmico, uma partícula
primária acelerada por
mecanismos misteriosos no
Cosmos distante, chegaaté
nós e interage com um
nucleo atómico na atmosfera
da Terra. Os muões estão
indicados pelo símbolo μ; as
outras partículas
representadas são fotões (γ),
piões (π), neutrinos (ν) e
energia (e). Clique na imagem
para ampliar.

Imagem cortesia do Max Planck
Institute for Astronomy

O objectivo do nosso projecto, que consiste numa colaboração entre cientístas em Itália, França, EUA e Japão, tem como objectivo desenvolver um novo método para “olhar” directamente o interior dos vulcões. Pretendemos produzir figuras de sombra, tal como os raios X permitem olhar para o interior do corpo humano. Mas em vez de se usar raios X, pretendemos usar muões (particulas penetrantes com uma massa cerca de 200 vezes a de um electrão) – e como tal o nome do projecto é de MuRay. Esta técnica é denominada de raiografia de muões.

Os muões são produzidos, juntmente com outras partículas, quando os raios cósmicos (partículas de alta energia provenientes do espaço exterior) interagem com núcleos atómicos na atmosfera da Terra para produzir “chuveiros” de partículas secundárias. Os muões herdam a sua alta energia dos raios cósmicos parentais, o que faz com que consigam penetrar nas rochas do vulcão e serem detectados no outro lado da montanha. Como os materiais mais densos absorvem mais muões (tal como materiais mais densos como os ossos absorvem mais raios X), isto permite que se produza uma base de imagens de sombra do interior do vulcão.

Imagem obtida a partir de
radiografia de muões do
vulcão Asana, no Japão. As
rochas com diferentes
densidades são mostradas
numa escala de côr, e a
estrutura interna do vulcão
pose ser vista claramente.
Clique na imagem para
ampliar.

Imagem cortesia de H T M
Tanaka

A radiografia de muões foi inicialmente utilizada em 1971 – não para vulcões, mas sim para investigar o interior da pirâmide de Chefren em Giza, Egipto. O laureado com o Nobel da Física Louis Alvarex colocou um detector de muões no interior da pirâmide para detectar alterações no fluxo de muões (taxa de fluxo de muões) que poderia indicar a presença de um túmulo escondido. No entanto, nada foi encontrado.

Em 2007, Hiroyuki Tanaka e os seus colaboradores da Universidade de Tóquio foram os primeiros a aplicar esta técnica nos vulcões. Eles usaram esta radiografia no topo do vulcão Asama em Honshu, Japão, revelando assim uma região com rocha de baixa densidade por debaixo da base da cratera. A presença de regiões de baixa densidade pode ser usada em simulaões de computador que prevêem a possibilidade de ocorrência de uma erupção, indicando as zonas mais perigosas em redor de um vulcão. Estas observações mostraram que a radiografia de muões podem, de facto, produzir imagens úteis das estruturas internas dos vulcões.

A verdadeira vantagem da radiografia de muões aos vulcões são de duas ordens de grandeza. A primeira, enquanto que os métodos indirectos actuais podem fornecer informação até a uma resolução espacial de cerca de 100 m, a radiografia de muões pode ser até dez vezes mais específica, fazendo o mapeamento interno de estruturas até 10 m. A segunda, a radiografia de muões possibilita uma monitorização contínua, revelando assim a evolução das estruturas ao longo to tempo. A resolução temporal depende da espessura da rocha que é atravessada pelos muões: quando mais espessa for, mais fraco será o fluxo de muões e maior será o tempo que levará a acumular muões em quantidade suficiente para a imagem. O tempo necessário pode então ser de semanas, meses ou anos.

O princípio da radiografia de muões. À medida que passam ao longo do vulcão, os muões quasi-horizontais são absorvidos pelas rochas que atravessam. Quanto mais densa for a rocha, maior será a quantidade de muões absorvidos. O fluxo em sentido contrário é utilizado para normalização.
Imagem courtesia de Nicola Graf

A radiografia de muões encontra-se actualmente a ser utilizada em vulcões por todo o mundo: nas Lesser Antilles, em Puy de Dôme situado na parte central da França, e também no nosso trabalho desafiante no Vesúvio com o projecto Mu-Ray. As imagens são produzidas com detectores denominados de telescópios de muões, usando tecnologia desenvolvida em física de partículas, tendo a mesma função que os raios X têm em radiografias convencionais. Os telescópios detectam muões quasi-horizontais que emergem do edifício do vulcão, tendo passado anteriormente directamente por este. Através da reconstrução do trajecto que cada muão teve ao longo do vulcão, o aparelho revela a quantidade de muões absorvidos em cada direcção. As rochas densas absorvem uma maior quantidade de muões, e como tal, um mapa de fluxo de muões produz uma imagem negativa das densidades das rochas no interior do vulcão. Estas imagens não conseguem prevenir quando uma erupção irá ocorrer, mas – em combinação com outras observações – podem ajudar a prevenir quando uma poderá ocorrer.

Obtendo imagens do Vesúvio

O protótipo de telescópio de
muões Mu-Ray no Vesúvio.

Imagem courtesia de Paolo
Strolin

E então o Vesúvio? Este vulcão é um desafio especial, na medida em que não só representa o risco vulcânico mais elevado na Europa, mas também devido à estrutura da montanha bastante fora do comun. O Vesúvio está de facto situado por entre as reminescências de um outro vulcão bem maior, o Monte Somma. No interior da cúpula do Vesúvio encontra-se uma cratera de 500 m de largura e de 300 m de profundidade: isto significa que, para olhar por debaixo da base da cratera os muões têm de penetrar bem no interior da montanha, através de cerca de 2 quilómetros de rocha, para chegar até ao detector situado no lado oposto do vulcão. Somente os muões de alta energia que viagem numa direcção quase-horizontal são capazes de atravessar através de toda aquela rocha, e então o seu fluxo no detector é extremamente baixo, fazendo com que o processo de imagiologia seja extremamente difícil. Esta é a explicação porque o projecto – e o desenvolvimento da radiografia de muões – é extremamente aventuroso.

O interior do Vesúvio de
acordo com Athanasius
Kircher (1602-1680, a partir
do ser trabalho Mundus
Subterraneous

Imagem de domínio publico;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

Para olhar no interior do Vesúvio, nós precisamos de desenvolver um novo tipo de telescópio de muões. Para detectar-se uma quantidade suficiente de particulas a tão baixo fluxo para se produzir uma imagem, este engenho terá de abranger uma área bem maior quando comparada com os anteriorses telescópios de muões. Serão necessários melhoramentos significativos para se poder distinguir experimentalmente as partículas importantes dos muões que causam ruído de fundo – algo que planeamos fazer através da medição de cada tempo de vôo de cada muão através do telescópio para confirmar-se que cada muão possui a direcção correcta que lhe permita atravessar o vulcão.

Um protótipo de telescópio com um detector com uma área de apenas 1 m2, em comparação com 10 m2 ou ainda mais do que a área ocupada pelo último telescópio matriz, tem estado a gravar dados do Vesúvio desde a Primavera de 2013. Estes dados encontram-se actualmente a serem analisados. Os detectores são constituídos por tiras de plástico cintilador – uma tecnologia emprestada da física de partículas. Estas tiras podem ser usadas para cobrir grandes áreas e proporcionar longos tempos de exposição, sendo ao mesmo tempo robustas o suficiente para suportar as condições vulcânicas. De uma importância prática são também os baixos consumos energéticos do telescópio, permitindo assim que possa ser alimentado por um painel solar, e a sua portabilidade, para que possa ser utilizado em diferentes locais. Dependendo dos fundos e da experiência ganha com o protótipo, nós esperamos que o próximo passo possa ser a contrução de dois telescópios matriz, cada um com uma área total de 4 m2, para recolher dados de um ano ou mais.

Novas fronteiras

Foto do Vulcão Cleveland,
Photo of the Cleveland
Volcano, Aleutian Islands,
obtida desde a Estação
Espacial Internacional em 23
de Maio de 2006. O vulcão
emitiu uma pluma de cinzas
mas não entrou em erupção.

Imagem cortesia da NASA

No entanto, os físicos de partículas e os vulcanologistas continuam a trabalhar em parceria em radiografia de muões. Bem como proporcionar uma ferramenta poderosa para o estudo de estruturas geológicas, este campo em clara expansão possui também o potencial para aplicações industriais, tais como ver dentro de reactores nucleares ou mesmo determinar a espessura de parede de uma fornalha de ferro, podendo então ser substituída no momento certo.

Paralelamente a todas estas possibilidades, existe uma outra tecnologia em desenvolvimento que promete imagens a toda uma nova escala bem maior: a radiografia de neutrinos. Com o seu extraordinário poder de penetração, os neutrinos produzidos pelos raios cósmicos e passando pelo própria Terra podem em alguma data futura fornecerem informação sobre a densidade do núcleo do nosso próprio planeta.

Agradecimentos

O projecto Mu-Ray é financiado pelo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (instituto nacional Italiano para a física nuclear) e pelo Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (instituto nacional Italiano para a geofísica e vulcanologia), com contribuições do Ministério Italiano de Educação e Investigação (MIUR-PRIN), Fermilab (EUA) e INP2P3Orsay (França) e apoiado pela Provincia di Napoli(província de Nápoles) e pelo Istituto Fondazione Banco di Napoli (fundação do banco de Nápoles).

O autor gostaria ainda de agradecer a contribuição para este novo campo de investigação de HKM Tanaka e A Taneka (ERI-Tóquio); K Niwa e T Nakano (Nagoya); D Gibert e J Marteau (DIAPHANE colaboração); C Carloganu (TOMUVOL colaboração); F Ambrosino, G Castellini, R D’Alessandro, G Iacobucci, M Martini, M Orazi ae G Saracino (Mu-Ray colaboração).

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Web References

Resources

Author(s)

Paolo Strolin é um professor emérito da Universidade de Nápoles Federico II, Itália, A sua principal base científica é física de partículas, em particular física de neutrinos. O seu interesse em educação fez com que se envolvesse no projecto Scienza e Scuola (ciência e escola), que faz a ligação entre professores, estudantes de ciências e investigadores para incentivar e nutrir o interesse dos jovens para o conhecimento da ciênciaw1.




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