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Was ist kosmische Strahlung?

Wenn wir in den Himmel schauen, sehen wir hell strahlende Objekte: am Tag die Sonne und in der Nacht den Mond, Planeten, Sterne sowie kosmische Nebel. All dies, was wir sehen ist Licht, elektromagnetische Wellen (Strahlung). Mit speziellen Teleskopen können wir sogar elektromagnetische Strahlung nachweisen, die unsichtbar ist für das menschliche Auge, wie zum Beispiel infrarote oder ultraviolette Strahlung, Radiostrahlung oder auch Röntgenstrahlung.

Seit Beginn des frühen 20. Jahrhunderts wissen wir, dass nicht nur elektromagnetische Strahlung auf die Erde trifft, sondern auch geladene energiereiche Teilchen: Protonen, Ionen und Elektronen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, die sogenannte kosmische Strahlung. Neben der elektormagnetischen Strahlung ermöglicht uns die kosmische Strahlung zusätzliche Einblicke in die Physik im nahen und fernen Universum.

Die kosmische Strahlung wird damit zu einem zusätzlichen Werkzeug, um das Universum zu erkunden. Dabei wird aber auch das System Erde direkt durch die kosmische Strahlung beeinflußt. Wir beobachten und untersuchen daher die kosmische Strahlung, um einerseits ihren Ursprung zu erforschen und andererseits ihre Auswirkungen auf Menschen, Umwelt und Technologien zu untersuchen.


Woher kommt die kosmische Strahlung?

Kosmische Strahlung kommt aus Regionen des Universums, wo verschiedene Arten von hochenergetischen Prozessen stattfinden: Überreste von stellaren Explosionen (Supernova), aktive Galaxien und Sternhaufen. Der Fluss der sogennanten galaktischen kosmischen Strahlung in den Raum nahe der Sonne wird dabei durch die Magnetfelder in der Heliosphäre beeinflusst. Diese Magnetfelder wiederum werden durch den Sonnenwind sowie sich von der Sonne weg bewegende Störungen bestimmt. Sporadisch wird auf oder in der Nähe der Sonne ebenfalls kosmische Strahlung erzeugt, sogenannte solare kosmische Strahlung. Während solaren kosmischen Strahlungsereignissen überlagert dieser solare Teilchenfluß denjenigen der permanenten galaktischen kosmischen Strahlung.


Wie kann die kosmische Strahlung beobachtet werden?

In Erdhähe kollidieren die Teilchen der komsischen Strahlung mit den Atomen und Molekülen der Atmosphäre. Dabei werden Sekundärteilchen erzeugt: Pionen, Myonen, Elektronen, Protonen, Neutronen, und Gammas. Hat das Primärteilchen eine genügend hohe Geschwindigkeit, so ca. 200'000 km/s, dies sind zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit, wird eine genügend große Anzahl von Sekundärteilchen erzeugt, so dass diese von bodengestützten Detektoren nahe der magnetischen Pole gemessen werden können.

Das magnetische Feld der Erde ist ein weiterer Filter, allerdings spielt es an den magnetischen Polen der Erde nur eine geringe Rolle. Bewegt man sich nämlich von den Polen weg zum Äquator, muß das Primärteilchen eine immer größere Geschwindigkeit haben, um das magnetische Feld der Erde zu durchdringen und die Erdatmosphäre zu erreichen. Teilchendetektoren, die an verschiedenen Orten auf der Erde stationiert sind, beobachten daher kosmische Strahlung mit unterschiedlichen minimalen Geschwindigkeiten. Dies wird genutzt, um das Spektrum der kosmischen Strahlung zu bestimmen.


Was ist ein Neutronenmonitor?

Neutronenmonitore detektieren die Nukleonenkomponente (Neutronen, Protonen) der sekundären kosmischen Strahlung.
Die in den Detektor einfallenden Nukleonen erzeugen im Blei niederenergetische Neutronen, die durch ein wasserstoffhaltiges Material (Paraffin, Polyäthylen) im Neutronenmonitor abgebremst werden und schliesslich in den Zählrohren nachgewiesen werden. Durch das Blei wird auch die Anzahl der Neutronen, die gemessen werden können erhöht, womit die Zählstatistik verbessert wird.

Aufgrund der Zählraten der Neutronenmonitore des weltweiten Netzwerkes sowie der Kenntnis über die Wechselwirkungen der sekundären kosmischen Strahlungsteilchen mit den Atomem und Molekülen der Atmosphäre kann der Fluß der primären kosmischen Strahlung an der oberen Grenze der Erdatmosphäre bestimmt werden.

Neutronenmonitore werden seit den 1950er Jahren genutzt, um die kosmische Strahlungsintensität in Erdnähe zu untersuchen. Auch heute entsprechen Neutronenmonitore dem aktuellen Stand der Technik, um kosmische Strahlung von der Sonne und die niederenergetische Komponente der galaktischen kosmischen Stahlung zu untersuchen.


Was interessiert an kosmischer Strahlung?

Die kosmische Strahlung ist ein hervorragendes Hilfsmittel, um die Physik von aktiven Bereichen des Universums verstehen zu lernen. Wir wollen verstehen, wie und unter welchen Umständen geladene Teilchen zu solch hohen Energien oder Geschwindigkeiten beschleunigt werden können.

Kosmische Strahlung kann darüber hinaus benutzt werden, um die Ausbreitung von Störungen des interplanetaren Mediums zu beobachten, die möglicherweise die Erde treffen könnten. Die Messung der kosmischen Strahlung während vielen Jahren hat gezeigt, dass die Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung durch das Magnetfeld der Heliosphäre moduliert wird: wenn die Sonne aktiv ist und viele Sonnenflecken aufweist, ist das Magnetfeld in der Heliosphäre stärker und die Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung auf der Erde ist reduziert. Bei tiefer Sonnenaktivität (wenige oder keine Sonnenflecken) ist die Abschirmung der galaktischen Strahlung durch das interplanetare Magnetfeld geringer und viele Teilchen können in die innere Heliosphäre eindringen und damit die Erde erreichen. Im Zusammenhang mit solaren Ereignissen (koronale Massenauswürfe, sogenannte CMEs (coronal mass ejections)) kann es zu schnellen Variationen im Intensitätsspektrum der galaktischen kosmischen Strahlung kommen.

Im weitern hat die kosmische Strahlung auch einen Einfluß auf das System Erde. Die kosmischen Strahlungsteilchen beeinflußen die Atmosphäre namentlich durch die Ionisation der Atome und Molküle der Atmosphäre. Auch wenn der Anteil durch die kosmische Strahlung an der totalen
Strahlenbelastung der Bevölkerung auf dem Erdboden nur gering ist, so sind Flugzeugbesatzungen einer deutlich erhöhten Strahlung ausgesetzt und müssen überwacht werden. Die Daten der Neutronenmonitore liefern hierfür die Basis.

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