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Tecnología para “radiogafiar un volcán”: se instalará un telescopio de muones en una ladera del Copahue

/Difusión UNLP/ Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas/


Radiografiar volcanes con un telescopio...de muones

Radiografiar volcanes con un telescopio…de muones

Es una técnica que se aplicará por primera vez para radiografiar un volcán que se encuentra en un país americano y la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la UNLP tiene un rol protagónico. Dialogamos con El Dr. Fabio Zyserman, la Dra. Marina Rosas Carbajal y el Geofísico Matías Tramontini, cuya tesis doctoral dio pie a este proyecto innovador. A fin de año prevén instalar el telescopio de muones fabricado en Francia, en una ladera del lado argentino del volcán Copahue. El telescopio de muones se utiliza en el ámbito de la volcanología para estudiar la distribución de masa en volcanes a través de la detección de dichas partículas subatómicas que lo atraviesan. Esta radiografía del volcán aporta información sobre un posible colapso volcánico o, por el contrario, la estabilidad de sus paredes. Las radiografías de volcanes aportan información que puede ser utilizada en el análisis de riesgos asociados a volcanes, como por ejemplo, los colapsos parciales de edificios volcánicos. La aplicación de esta técnica contribuirá, entre otras cosas, a la una mejor estimación de los riesgos para quienes viven cerca del volcán.

Hace pocos días llegó de Francia un telescopio de muones que será uno de los primeros en radiografiar la densidad de un volcán sudamericano. Es el resultado de un trabajo en común con investigadores de esta Facultad y de instituciones de investigación francesas. La UNLP firmó un convenio marco con la Universidad de Claude Bernard Lyon 1, lo cual permitió poder avanzar hasta tener en este país un telescopio de muones, desarrollado por dicha institución. La Facultad de Cs. Astronómicas y Geofísicas (FCAG) firmó un acuerdo de comodato para utilizar este telescopio.

Marina Rosas Carbajal se recibió como Geofísica en la FCAG, realizó un doctorado en la Universidad de Lausana en Suiza, y desde hace 2 años es Investigadora del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS) en el Instituto de Física de la Tierra de Paris, equipo Sistemas Volcánicos. Es la directora de tesis doctoral de Geof. Matías Tramontini cuyo tema ha sido el eje vertebrador de sustanciar este ambicioso proyecto científico. El Dr. en Física Fabio Zyserman, Profesor de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas e Investigador Independiente del CONICET, es Codirector de la tesis doctoral de Matías y desde hace años colabora en diversos temas con la Dra. Rosas Carbajal.

La radiografía de muones es un método geofísico novedoso que está comenzando a ser implementado en diversos volcanes del mundo, ya que permite caracterizar la estructura interna de volcanes desde un sólo punto de medición. Rosas Carbajal señala, “esta experiencia aún no se realizó en Latinoamérica y tampoco se ha estudiado algún volcán en Estados Unidos o en Canadá. En realidad, nuestro proyecto será el primero de toda América para la experiencia de tomografía de volcanes. En Estados Unidos han utilizado la técnica de muones pero para otras aplicaciones vinculadas a la minería.

La tesis doctoral del Geof. Matías Tramontini se enfoca en la radiografía de muones y en hacer una experiencia sobre el volcán ubicado en la provincia del Neuquén, calificado por el Servicio Geológico Minero Argentino (SEGEMAR) entre los 5 volcanes que presentan mayor riesgo para el país y por lo tanto es prioritario avanzar en su estudio y monitoreo. En esto tuvo la decisiva colaboración de Marina Rosas Carbajal, su Directora de tesis.

El Dr. Zyserman agrega, “hasta la tesis de grado de Matías, nadie en nuestra Facultad había hecho física de muones en Geofísica. Luego, ya en la etapa de la tesis doctoral de Matías, los tres nos presentamos a proyectos para lograr financiamiento para el trabajo de campo con el telescopio de muones, pero no salió así es que hablé con el Decano, el Lic. Raúl Perdomo, quien nos apoyó no sólo institucionalmente sino con recursos económicos para poder sacarlo de aduana, pagar los seguros, el traslado al sur, los gastos de logística, etc.”.

Qué significa radiografiar un volcán mediante el uso de los muones

La Dra. Marina Rosas Carbajal comenta, “el monitoreo con tomografía de muones tiene que ver con variaciones de la densidad de las rocas y el primer objetivo es identificar de qué tipo de roca está formado el volcán, algo que hasta ahora no se sabe porque no se ha hecho este tipo de tomografía estructural en el Copahue. Esta técnica es muy nueva, nosotros vamos a radiografiar un flanco del lado argentino de ese volcán, para conocer la estructura interna del volcán. En particular, el parámetro físico de su densidad, es decir, de qué está compuesto. Si vemos que la densidad es muy baja, quiere decir que es posee una roca que ha sido muy alterada o que tiene muchas fracturas. Y eso, en general, nos está diciendo que es un volcán mecánicamente frágil, por lo cual tiene un riesgo alto de que haya o pueda haber una tendencia a un colapso del edificio volcánico.
En cambio, si es una roca dura, significa que es una roca estable, poca alterada, que podría mantenerse en el tiempo.

Los tres entrevistados aclaran que cuando se habla de un colapso parcial de un volcán se trata de un colapso en algún flanco y eso ocurre en todos los volcanes ya que hay mucha circulación de fluido ácido, caliente, que va comiendo a la roca de a poco. Rosas Carbajal agrega, “en algún corte de repente se derrumba y puede estar causado por grandes lluvias o por un terremoto lejano. No tiene por qué estar relacionado con una erupción. Por eso es importante saber cuál parte del edificio volcánico es frágil y cuál no”.

Tramontini menciona, “el otro aspecto es el monitoreo del volcán, algo que aún no estamos seguros sobre cuánto tiempo podremos hacerlo, por las condiciones meteorológicas”.

“Un cambio de densidad en las rocas podría estar dado por un cambio en la cantidad de fluidos albergados en la roca, como la cantidad de agua o de gas que contiene. Eso estaría relacionado con la actividad química interna del volcán. Si uno observa -continúa la Dra. Rosas Carbajal- que un reservorio de agua se convirtió en vapor, eso quiere decir que hay un cambio en la actividad del volcán. Aún es especulativo porque todavía no lo hemos aplicado, pero es lo que pensamos que la técnica puede dar”.

Matías Tramontini agrega, “será la etapa de trabajar en el campo y testear la metodología desarrollada para poder ver cuáles son sus limitaciones y sus ventajas respecto a otras metodologías. Después podremos seguir testeando en otro tipo de volcanes”. Los tres entrevistados coinciden en que el Copahue es un volcán diferente y por eso vale su estudio con esta técnica.

Muones por todos lados

Los entrevistados explican que los muones son partículas subatómicas que se generan constantemente en la atmósfera terrestre a partir de otras partículas provenientes del espacio exterior conocidas como rayos cósmicos. Llega a la superficie terrestre un muon por minuto por cm cuadrado.

Los muones interactúan muy poco con la materia pero lo suficiente como para estimar la cantidad de materia que atraviesan dentro de un volcán. Esto se realiza a través de un método conocido como radiografía de muones o muografía, parecido a lo que sucede con una radiografía en rayos X.
Vienen de todas direcciones y se debe orientar el telescopio hacia el lugar que se quiere investigar.

Telescopio de muones: algunos detalles

Desarrollar telescopios de muones requiere de una tecnología especial. “Se han construido donde la tecnología está bastante más avanzada, como en institutos de Francia, Estados Unidos y Japón; y sabemos que hay también colegas colombianos y argentinos desarrollando telescopios con otras tecnologías -agrega la Dra. Rosas Carbajal-. El que llegó de Francia es robusto, es decir, tolera las variaciones de temperatura, las lluvias, y funciona con paneles solares”.

Marina Rosas Carbajal comenta, “trabajaremos en un volcán muy activo con muchas erupciones y es interesante la comparación entre un volcán en altura y con nieve y otro volcán tropical y a menos altura como el de La Soufriére de Guadalupe, el cual se encuentra en la isla de Guadalupe en el Mar Caribe y pertenece a Francia. Será la primera vez que se hace una radiografía de muones a una altura de 2600 metros sobre el nivel del mar.

Una parte de la física de partículas que se relaciona con estudiar la cantidad de muones que se reciben en superficie depende de la altura en la que está a nivel del mar, ya que a medida que va subiendo, va cambiando de una forma no evidente. Matías tuvo que hacer un trabajo específico para saber cuál sería el flujo de muones que se va a recibir. En principio debería funcionar un poco mejor en Copahue que en el de Guadalupe, que está a unos 1200 de altura”
.
Matías Tramontini agrega, “los muones deben atravesar una cantidad enorme de roca, y si la cantidad de muones que llegan en un período de tiempo es muy baja no nos sirve, así es que hay que buscar un buen punto para luego hacer una radiografía”.

Los datos serán retransmitidos desde el telescopio al servidor del Observatorio Argentino de Vigilancia Volcánica (OAVV) y Matías tendrá acceso cada 10 minutos a ese procesador. Todo saldrá con el formato de tesis doctoral de Matías y colaboradores.

Un telescopio de muones en el Volcán Copahue

El trabajo de campo que se realiza con el telescopio de muones consiste en emplazarlo orientado al volcán para que adquiera datos durante un período de tiempo determinado. El instrumento se alimenta a través de paneles solares y/o baterías, lo cual le otorga la capacidad de funcionar de manera autónoma por largos períodos de tiempo. Los datos registrados por el telescopio de muones son transmitidos continuamente a través de una red de antenas wifi. A su vez, se encuentra equipado con una serie de sensores (sensores de corriente eléctrica, de voltaje, de temperatura, de humedad relativa, de inclinación, entre otros) que permiten que, una vez desplegado en el campo, no sea necesaria la realización de tareas de mantenimiento de forma rutinaria.

El telescopio tiene matrices de detección de 80 cm x 80 cm x 2.5cm compuestas de centelleadores plásticos de TiO2 que permiten la detección de partículas. Placas de blindaje y de plomo que se utilizan para filtrar partículas. Una estructura mecánica que permite la modificar la disposición geométrica y la orientación del instrumento Una caja de control que contiene la electrónica del equipo que permite la configuración, el registro y el envío de datos vía wifi.

Se prevé transportar el telescopio de muones en una camioneta de la FCAG hasta la localidad de Copahue en la provincia de Neuquén y, desde allí, transportar el instrumento en helicóptero hasta el sitio previsto para la instalación del telescopio. Una vez finalizado el período de adquisición de datos, se retirará el instrumento del volcán y será regresado a las instalaciones de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas hasta su próxima utilización.

El Dr. Zyserman comenta: Sebastian García, Director del Observatorio Argentino de Vigilancia Volcánica (OAVV) del SEGEMAR, nos va a facilitar la estructura de co-municación y cuestiones de infraestructura, aprovechando la infraestructura existente de la red de monitoreo volcánico que el SEGEMAR posee en conjunto con el gobierno de la provincia del Neuquén y con el Servicio Nacional de Geología y Minería de Chile (SERNAGEOMIN). La idea es que cuando se instale el telescopio se coloque una antena a pocos metros, que permitirá el envío de los datos en tiempo real a través de la red de monitoreo que existe en el volcán, hasta un nodo satelital ubica-do en la base del volcán donde se encuentra la localidad de Caviahue. Desde allí se reenviarán a La Plata y a Lyon.

El telescopio llegó en avión, son tres cajas, cada una con partes que deberán armarse primero en la FCAG para probarlo, y después hay que desarmarlo y a fin de año llevarlo al Copahue. “Viajará Matías, si es posible viajaré yo -comenta Zyserman- y casi con seguridad vendrán el Dr. Jacques Marteau, Director Adjunto del Instituto de Física de los 2 Infinitos de Lyon, y Marina”.

Matías Tramontini explica, “nosotros, a través del modelado numérico, ya tenemos ubicado un punto donde se podrá instalar el telescopio, en el flanco este argentino y apuntando a la región que queremos estudiar. Es la parte activa actual del volcán.
El instrumento debe apuntar hacia donde está un cráter, no va dentro sino en una ladera.

Todo esto se realiza con el apoyo invalorable del OAVV del SEGEMAR. “Ellos nos están dando una mano enorme desde que surgió esta idea; Sebastián García, su Director y la Dra. en Geofísica Gabriela Badi, de nuestra Facultad, se comprometieron desde el minuto cero. Cuando encontramos el lugar lo charlamos con ellos y les consultamos sobre la accesibilidad para trasladarlo”, explica el Dr.  Zyserman.
“Para nosotros es fundamental que estén porque sin ellos no lo podríamos hacer”, concluye la Dra. Rosas Carbajal.

El Dr. Zyserman destaca, “este proyecto es el resultado de muchas voluntades y llevó varias etapas hasta lograr contar con ese telescopio en nuestro país. Colegas franceses, de la gestión de FCAG y de algunos de sus miembros, del OAVV, del personal de las áreas de Relaciones Institucionales y de Comercio Exterior de Presidencia de la UNLP, y más. Todos estamos poniendo algo para desarrollar concretar esta idea innovadora.
El proyecto tiene todos los condimentos de un lindo y novedoso proyecto científico, son varios grupos colaborando y aportando en su área para llevar adelante un experimento en el campo”.

Una tesis y un logro científico técnico para la región

Matías hizo una pasantía durante 6 meses de 2018 en el entonces Instituto de Física Nuclear de Lyon, hoy Instituto de Física de los 2 Infinitos, sitio donde construyen estos telescopios de muones, a la vez que trabajan en cuestiones teóricas. Matías Tramontini se recibió de Geofísico en 2018 y antes, hizo algunas consultas para elegir su tema de tesis.

“Estuve seis meses trabajando al lado de la oficina en el instituto donde se construyen estos telescopios que se utilizan para distintos proyectos. Mi pasantía fue para estudiar un tema asociado a acuíferos en un túnel subterráneo debajo de una montaña. Trabajé con los datos adquiridos bajo tierra, sobre las variaciones en la cantidad de muones que le llegaban al telescopio, con el objetivo de estudiar si la técnica podría ser utilizada para monitorear variaciones en el contenido de aguas subterráneas. La técnica también está siendo utilizada para estudios arqueológicos o, por ejemplo, en los túneles de los subterráneos antes de que las máquinas socaven”. El Dr. Zyserman agrega que esto es para conocer si la roca es muy dura o existe alguna cavidad que pueda complicar el proceso de excavación.

Estudiar Geofísica y elegir una especialización

Como en toda carrera, los últimos años perfilan la orientación que un estudiante elegirá. En el caso de Matías Tramontini, consultó a la Dra. Gabriela Badi, Geofísica especializada en volcanología quien lo contactó con Marina Rosas Carbajal, quien se había recibido y estaba trabajando en métodos geofísicos en volcanes. “Le escribí y ¡acá estamos!”.

Marina recuerda que el tema volcanes siempre estuvo girando alrededor de su carrera y la llevó a realizar su doctorado a Suiza. “Aunque hace 10 años que no resido en la Argentina, nunca corté mis vínculos con mi Facultad, con Fabio y con diferentes colaboraciones temáticas. En mi postdoctorado empezamos a trabajar con Fabio sobre volcanes y mi sueño era poder llevar un detector a la Argentina. Lo hemos logrado gracias a mucha gente e instituciones”.

Fabio Zyserman comenta que hasta ahora no se han acercado muchos estudiantes pero con este nuevo emprendimiento se evidencia que es una temática muy interesante.

En el grupo de investigación que dirige el Dr. Zyserman, además de Matías Tramontini, están Gabriel Castroman, Matías Elías, María Laura Gomez Dacal y, recientemente, Federico Bucher inició su tesis doctoral.

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(*) Tesis Doctoral del Geof. Matías Tramontini: “Caracterización de densidad de masa mediante rayos cósmicos: desarrollos metodológicos y aplicación a sistemas volcánicos”. Es dirigida por la Dra. Marina Rosas-Carbajal, y codirigida por el Dr. Fabio I. Zyserman y también codirigida por el Dr. Jacques Marteau.

Matías Tramontini está en la mitad de su Doctorado en Geofísica. CONICET – FCAG-UNLP.

Su tesis de Grado fue dirigida por la Dra. Marina Rosas-Carbajal y codirigida por el Dr. Fabio I. Zyserman y se tituló “Estudio de variaciones de densidad de masa en un sistema hidrotermal volcánico mediante radiografía continua de muones”.
En la tesis de grado trabajó con datos de radiografía de muones adquiridos en el volcán La Soufriére de Guadalupe, el cual se encuentra en la isla de Guadalupe en el Mar Caribe y pertenece a Francia. La tesis puede encontrarse en el siguiente link del SEDICI: http://sedici.unlp.edu.ar/handle/10915/75054 .

Fuente: Prensa Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas

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