Kosmiska strålar 100 år

2012-02-28 23:00  

För jämnt hundra år sedan upptäckte den österrikiske fysikern Victor Hess att jorden bombarderades av mystiska partiklar från yttre rymden.

På det 100 år gamla fotografiet ser man honom stående i ballongkorgen, segervisst leende mot kameran. Det är den 12 april 1912, och det kommer snart att inträffa en i det närmaste total solförmörkelse i trakten av Graz. Han heter Victor Hess, en ung lovande österrikisk fysiker, och han ska strax göra en uppstigning i vätgasballong till över fem kilometers höjd. Med sig i ballongkorgen har han tre nyutvecklade elektrometrar av känsligaste sort. Med dem ska han mäta styrkan hos den joniserande strålningen på hög höjd i atmosfären.

Sedan Henri Becquerel närmast av en slump upptäckte radioaktiviteten 1896 hade man upptäckt att radioaktivitet joniserar luften. Den blir en smula elektriskt ledande, något som Pierre och Marie Curie snabbt utnyttjade i sin forskning. Pierre och hans bror Jacques konstruerade en elektrometer för att Marie skulle kunna mäta olika ämnens radioaktivitet, vilket snart ledde till upptäckten av de nya radioaktiva ämnena polonium och radium.

Snart visade det sig att man hittade joniserande bakgrundsstrålning överallt. Varifrån kom den? ­In­ifrån jorden? Eller från solen? Eller kanske någon annan stans ifrån?

En tysk fysiker vid namn Theodor Wulf konstruerade en ny typ av elektrometer, betydligt känsligare än ­bröderna Curies. Wulf mätte sedan strålningen både högst upp i Eiffeltornet och vid dess fot. Det föreföll som om strålningen var lägre upptill, vilket tydde på att strålningen kom inifrån jorden.

Men italienaren Domenico Pacini hade gjort försök där han sänkt ner en elektrometer i havet utanför Livorno. Där visade det sig att strålningen minskade med djupet.

Victor Hess gör sin ballongfärd i avsikt att en gång för alla visa att den joniserande strålningen faktiskt kommer inifrån jorden. Han passar dessutom på när det är solförmörkelse, vilket bör göra att eventuell inverkan från solen blockeras av ­månen.

Men resultatet av hans färd blir inte alls vad han tänkt sig, tvärtom. För ju högre han kommer, desto starkare blir strålningen.

Han är på väg att göra en upptäckt vars innebörd och implikationer man inte kommer att begripa förrän långt senare, nämligen att jorden ständigt bombarderas av kärnpartiklar med hög energi från yttre rymden. Nobelpriset får han inte förrän 1936. Då delar han fysikpriset med svenskättlingen Carl D Anderson, positronens upptäckare.

Fast riktig fart på forskningen kring kosmisk strålning blir det inte förrän på 1960-talet, när man med satelliters hjälp kan göra mätningar högt över atmosfären.

Vad är då kosmiska strålar? Den största delen, över 90 procent, består av protoner, vätekärnor, resten huvudsakligen av alfapartiklar, heliumkärnor. Men det finns också en liten bråkdel av en procent oerhört energirika partiklar, joner av tyngre grundämnen som med hastigheter nära ljusets brakar in i jordens atmosfär. Järnkärnor kan ha energier som är miljarder gånger högre än vad man kan komma upp i vid Cerns partikel­accelerator LHC.

Varifrån kommer partiklarna?

Tja, säg det. Från överallt. Från supernovor och andra våldsamma kataklysmer i rymdens djup. När protonerna från rymden anländer till jorden kolliderar många av dem med molekyler i atmosfären. Resultatet blir reaktioner som de vid Cern. Vid kollisionerna skapas en mängd sekundära partiklar: pi-mesoner som söderfaller till myoner som sönderfaller vidare etcetera.

Men det skapas också nya isotoper av vanliga grundämnen i atmosfären. Protoner som kolliderar med kväveatomer i luften gör att det ständigt bildas 14C, en radioaktiv kolisotop med en halveringstid om 5 730 år. Det råder jämvikt mellan nybildning och sönderfall av 14C, vilket gör att allt levande innehåller samma förhållande mellan vanligt, stabilt kol, 12C, och 14C. I dött organiskt material däremot, exempelvis trä, minskar andelen 14C med tiden genom sönderfall, vilket gör att man genom att mäta andelen 14C kan datera materialet. Kol-14-metoden uppfanns av Willard Frank Libby i slutet av 1940-talet. Libby fick Nobelpriset 1960.

Kosmisk strålning är som sagt joniserande, vilket inte är nyttigt för levande organismer. Som tur är skyddas vi av jordens magnetfält, som avlänkar en stor del av de laddade partiklarna. Men kommer vi ut i rymden blir det värre.

– På rymdstationen ISS är strålningen 50 gånger högre än vid jordytan, säger Oscar Larsson, kosmisk stråldoktorand vid KTH.

– Då är man ändå bara 350 km från jordytan och skyddas fortfarande till en del av jordens magnetfält. Men eventuella rymdresenärer på väg till Mars kommer att få en mycket hög stråldos under sin resa.

– Partiklarnas skadlighet ökar med kvadraten på laddningen. Ta exempelvis de sällsynta järnkärnorna i strålningen. De står för 20 procent av dosen, men bara för 0,02 procent av partiklarna.

Kan man skydda sig mot kosmisk strålning?

– Det är svårt. Man skulle behöva förse rymdkapslarna med metertjocka blyväggar, vilket man inte har råd med. Dessutom är det så att partiklar som kolliderar med atomkärnor i väggen skapar skurar av sekundära partiklar, vilket kan vara väl så farligt som att träffas av en enda energirik partikel. Det blir som ett hagelskott i stället för en gevärskula.

Den kosmiska strålningen reglerar klimatet

Jordens magnetfält skyddar oss som sagt mot den kosmiska strålningen, men skyddet varierar i styrka över tid. När solen har många fläckar, solaktiviteten är hög, skickar solen ut moln av laddade partiklar som samverkar med det jordmagnetiska fältet och förstärker det. Det gör att en större del av den kosmiska strålningen då avlänkas. Enligt den danske astrofysikern Henrik Svensmark har detta en direkt inverkan på klimatet.

De kosmiska partiklarna fungerar som kondensationskärnor, säger Svensmark. Ju mer kosmisk strålning, desto mer molnbildning, vilket verkar avkylande på klimatet.

Summan av kardemumman är att i tider då solaktiviteten och antalet solfläckar är lågt har vi mer kosmisk strålning och svalare klimat än när solaktiviteten är hög. Ju fler solfläckar desto varmare blir det på jorden.

Kaianders Sempler

Mer om: Astronomi Fysik

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer